드론은 어떻게 비행을 할까? 드론 비행원리

드론은 현재 많은 곳에서 사용되고 있습니다. 미국 아마존 배송 드론, 경찰에서 인명 구조를 위한 드론, 농약을 뿌리는 드론 등 일상생활에 꽤나 자주 보입니다. 오늘은 드론이 하늘을 나는 원리에 대해서 알아보겠습니다. 

드론의 비행원리의 기본

드론은 일반적으로 4개 이상의 로터로 구성되어 있습니다. 로터(Rotor)는 헬리콥터 위에 있는 프로펠러를 생각하면 됩니다. 로터를 컨트롤해서 드론이 하늘을 자유롭게 비행할 수 있는 것입니다.

TMI 1) 헬리콥터는 프로펠러라는 말은 잘못되었고 로터라는 말을 씁니다. 프로펠러는 비행기에서 앞으로 나가는 힘만 만드는 장치이고 로터는 앞으로 나가는 힘(추력)과 하늘을 나는 힘(양력)을 같이 만드는 장치입니다.

드론과 헬리콥터가 앞으로 나갈 때는 로터의 회전수를 조절하는 것이 아니라 로터에 붙어 있는 블레이드(로터에 붙어있는 날개 하나) 피치(경사각)을 조절해서 하늘로 부양하는 것입니다. 쉽게 설명하면 블레이드 피치를 올리면 날개가 공기를 밑으로 밀면서 하늘로 올라가는 것이죠.

드론의 제자리 비행 원리

드론도 헬리콥터처럼 로터를 쓰기 때문에 한 곳에서 제자리 비행을 할 수 있습니다. 하늘로 부양한 다음 적당한 피치를 유지하면 떨어지지도 않고 위로 올라가지도 않고 제자리 비행이 가능합니다. (이게 생각보다 어렵습니다.)

그 상태에서 피치를 줄이면 착륙도 할 수 있습니다. 제자리 비행이 가능하기 때문에 활주로도 필요없고 다양한 곳에서 운용할 수 있습니다. 대신 블레이드(날개)를 기계의 힘으로 계속 돌려줘야 하기 때문에 속도만 있으면 주날개에서 양력을 만드는 일반적인 RC 비행기에 비해 효율이 떨어집니다. 

드론의 방향 전환 원리

드론의 4개의 로터는 다른 방향으로 선회합니다. 이렇게 해놓은 이유는 토크현상 때문입니다. 토크 현상은 물체가 돌아가면 연결되어 있는 물체는 반대로 돌아가는 현상을 말합니다. 

위의 사진처럼 1번 로터가 시계방향으로 회전하면 몸체는 반대로 회전하려고 합니다. 그래서 2번 로터는 반시계 방향으로 회전하도록 설계해놓으면 항공기는 균형을 유지합니다. 이렇게 3번과 4번도 회전 방향을 다르게 설계하면 균형이 맞게 됩니다.

만약에 드론이 시계방향으로 선회하기 위해서는 1번과 3번의 회전수를 줄이거나 피치를 줄이고 2번과 4번의 회전수나 피치를 늘리면 됩니다. 이렇게 하면 2번과 4번의 회전력으로 드론이 제자리에서 선회가 됩니다. 

드론의 전후진 비행과 선회

왼쪽 사진과 같이 뒷면(3번, 4번)의 피치를 올리면 양력이 발생하고 드론은 앞으로 기울게 됩니다. 그렇게 되면 결국 오른쪽 사진처럼 드론이 앞으로 기울게 되죠. 

1,2번과 3,4번로터의 피치 차이가 크면 속도가 빨라집니다. 반대로 3,4번의 피치가 올라가고 1, 2번의 피치가 줄어드면 항공기는 후진 비행을 하게 됩니다.

전진 비행을 하면서 좌로 선회할 때는 1번을 제외하고 나머지 (2번, 3번, 4번)의 로터 속도를 올리거나 블레이드의 피치를 올리면 경사가 들어가면서 드론이 좌로 선회를 하게 되는 것이죠.

즉 4개의 로터의 블레이드(각 날개 하나)의 피치를 조정해서 드론은 제자리 비행, 전진, 후진, 선회비행을 할 수 있는 것입니다.

자이로 센서, 비행컴퓨터는 필수

위의 사진처럼 드론이 로터를 회전하면서 비행할 때 복잡한 공기 흐름을 가지게 됩니다. 제자리 비행이나 선회비행을 하기 위해서는 매우 미세하게 블레이드 피치를 컨트롤해야 합니다.

이런 조종을 드론을 조종할 때 사용하는 조이스틱으로는 어렵습니다. 그래서 드론 안에는 항공기의 자세를 유지하기 위한 컴퓨터가 들어있습니다. 이 컴퓨터가 조종사의 비교적 간단한 조종 조작을 항공기의 균형을 유지하면서 세밀하게 조정해주는 것이죠!

마치며

좌표만 찍어주면 원하는 곳을 비행한 뒤 제자리로 돌아오는 최첨단 드론도 현재는 널리 보급되어있습니다. GPS와 자이로 센서, 비행 컴퓨터의 발달로 가능해진 것이죠. 하지만 모든 비행의 기본에는 공기역학이 숨어 있습니다. 이런 기본적인 원리를 알고 비행하는 것을 추천드립니다.