회전익 항공기(헬리콥터, 드론)의 비행 원리
드론 자격증 4종 강의를 듣고 돌아서면 다 잊어버린다. 동영상은 빨리 지나가는데, 수강생에게 학습 자료를 주지 않기 때문에 힘든다. 동영상을 멈춰놓고 일일이 필기해야 한다. 이렇게 해서 어떻게 시험을 보는가? 나처럼 고생하는 수험생들을 위해 이렇게 기록한다.
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14. 항공안전법 요약
16. 드론 자격증 4종 - 인적 요인 2
목차
- 회전익 항공기의 원리
- 회전익 항공기의 비행 방향
- 회전익 항공기의 자동 회전
- 멀티콥터의 특성
- 멀티콥터의 비행원리
1. 회전익 항공기의 원리
1) 헬기의 구조 및 기능
헬리콥터는 양력을 발생시키는 메인 로터와 피치 작동장치, 동력장치, 동체, 반토크 제어 및 요축을 제어하는 테일 로터, 착륙장치인 스키드로 크게 분류된다.
2) 비행조종장치
컬렉티브 피치 조종과 사이클릭 피치 조종
2-1) 컬렉티브 피치 조종 (Collective pitch control)
메인 로터의 피치각(=취부각)을 조종하여 항공기의 양력과 음력을 조절하는 것
- 위로 당길수록 피치각이 증가하여 양력 발생(A) 비행체가 이륙 상승한다.
- 아래로 내릴수록 피치각이 감소하여 음력 발생(B) 유도하여 비행체 하강한다.
- 컬렉티브 피치를 조종할 때 스로틀 조종(Throttle control)도 함께 연동된다.
2-2) 사이클릭 피치 조종(Cyclic pitch control)
사이클릭 조종 레버가 움직인 방향으로 회전축이 기울어지게 된다.
- 피치각이 감소하면 양력이 감소하여 하강한다.
- 피치각이 증가하면 양력이 증가하여 상승한다.
2. 회전익 항공기의 비행 방향
1) 제자리 비행(Hovering flight)
헬리콥터의 장점 중 하나가 정지 비행이다. 헬리콥터는 정지 비행 중 테일 로터에 의하여 편류가 발생한다.
편류란 헬기의 주 회전익 장치가 하나뿐인 경우, 테일 로터에서 발생하는 추력으로 인하여 추력 방향으로 움직이는 현상이다.
헬리콥터에서 메인 로터가 반시계 방향으로 회전하면 이에 대한 반작용 현상으로 동체는 시계방향으로 회전하게 된다. 이를 토크 작용 혹은 반토크 현상이라 한다. 동체가 회전하는 것을 막기 위해 테일 로터는 우측 방향으로 추력을 발생시켜서 동체 회전을 방지한다.
1-1) 토크 작용
헬리콥터에서 메인 로터가 회전할 때. 로터에 나타나는 회전력.
토크 : 회전축 둘레의 힘의 양
특정 물체를 회전시키는 효력의 물리량
1-2) 정지 비행이 가능한 힘의 원리.
헬리콥터와 멀티콥터(드론)는 모두 회전익 항공기이다.
헬리콥터와 멀티코터(드론) 모두 공중 정지 비행이 가능하다는 것이 장점이다.
정지 비행 = 〔양력+추력=중력+항력〕
2) 수직상승비행(Vertical flight)>
양력과 추력이 중력과 항력보다 크면 기체가 수직 상승
수직 상승 비행 = 〔양력+추력＞중력+항력〕
3) 수직상 하강 비행
양력과 추력이 중력과 항력보다 작으면 기체가 수직 하강
수직 하강 비행 = 〔양력+추력 <중력+항력〕
4) 전진 비행(Forward flight)
메인 로터의 회전면을 앞으로 기울게 함으로써 기체가 전진한다.
→회전면이 앞으로 기울면서 양력의 일부가 추력으로 전환된다.(비행체의 고도는 다소 떨어지지만 전진 비행의 여유 마력을 가져와서 전진 속도는 증가하게 된다.)
5) 측면 비행(Sideward flight)
메인 로터의 회전면을 기울여서 좌우로 수평하게 움직이는 비행이다.
- 유해 항력이 커져 불안정한 상태가 된다.
- →이때 고도를 높여 측면 비행의 안정화를 기한다.
6) 선회비행(Turning flight)
상공에 한 점을 중심점으로 두고 항공기의 회전면을 기울여 원운동을 수행하는 비행을 말한다.
3. 회전익 항공기의 자동 회전(Auto rotation)
1) 자동 회전(Auto rotation)
자동 회전이란 동력원(엔진, 모터 등)이 아닌 외부의 힘(바람, 상대풍 등)으로 회전하는 것을 말한다.
비행 중 동력 고장 나면 추락한다. 이때 자동 회전을 통해 일정 시간 하강 비행이 가능하도록 해야 한다. 비상 착륙할 수 있도록 해 주는 어느 정도의 안전장치로 볼 수 있다. 그 시간 동안에 엔진 정상화(엔진- 메인 로터 재연결)하여야 한다.
4. 멀티콥터의 특성
멀티콥터란: 드론
3개 이상의 회전익 장치(프로펠러)와 동력(모터)을 가지고 있는 비행체를 말한다. 우리나라에서는 통상 드론이라 부른다. 프로펠러가 여러 개일수록 효율이 떨어지기 때문에 사람이 탑승하는 항공기에는 잘 활용하지 않지만 센서 기술의 발달로 제어하기가 쉬워지고 장비가 간단해 드론 등에 많이 활용된다.
드론의 특징
1) 구조가 간단하며 필요 부품 매우 적음
2) 간단한 기체 조작→멀티콥터 조종자 양성 용이→상용화 용이
3) 효율적으로 반토크 현상 해소→뛰어난 기체 안정성→다양한 산업분야에서 활용 가능
4) 나무, 알루미늄 등의 프레임 구성 가능 →적은 비용으로 생산→비용절감이 가능하다.
프로펠러 수
트라이 콥터, 쿼드 콥터, 헥사 콥터, 옥토 콥터 등이 있다.
5. 멀티콥터의 비행 원리
정회전 그룹과 역회전 그룹
쿼드콥터는 짝수로 구성된다.
- 짝수인 이유 = 작용과 반작용의 원리.
- 메인 로터가 회전할 때 이에 대한 반작용으로 반토크 현상, 즉 기체가 메인 회전익의 회전 반대방향으로 돌아가려는 현상 발생한다.
- 아래 그림에서 A와 A2는 시계방향, B와 B2는 반시계 방향으로 회전한다.
2. 고정익 항공기의 구조 및 원리
고정익 항공기의 구조: 다음 글에 첨부함.