드론의 이륙원리 & 조종원리

ED 콘텐츠 에디터 2018.02.09
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대한민국 No.1 드론 웹 정보채널! 엔조이드론 운영자입니다.


이번에 가이드할 내용은 드론의 원리에 대한 것인데요.


최근 드론산업이 급성장하면서 드론관련 직업으로 진로를 선택하려는 학생들이 많아서 그런지, 학교에서 동아리 활동하는 학생들이 숙제로 해야되는건지 몰라도 드론의 비행원리에 대한 질문들도 심심치 않게 보이네요.


그래서 준비한 드론의 비행원리에 대한 이론적인 (물리학적인) 고찰을 해보려고 합니다^^ (운영자가 과학교육과 출신인건 안비밀~^^;;)


그냥 취미로 드론을 사용하시는 분들에게는 좀 지루할 수도 있지만 드론관련 진로를 생각하는 학생들을 위한 것이니 너그럽게 봐주세요~ ㅎㅎ



1. 드론이 이륙하는 원리


먼저 드론이 어떻게 뜨는가에 대해서 설명을 좀 해드려야겠네요. 지구상에 있는 모든 질량을 가진 물체는 지구 중력장의 영향을 받아 아래쪽으로 힘을 받습니다. 그런 물체를 띄운다는 것은 중력에 맞서는 방향, 즉 위쪽으로 힘이 가해진다는 것이겠죠.


그럼 어떤 힘이 드론 몸체의 위쪽으로 작용을 하는가만 알아보면 되겠군요. 결론부터 말씀드리면 드론은 "양력"과 "반작용력"을 이용하여 중력에 맞서 공중에 뜰 수 있습니다.


1) 양력


양력은 고등학교때 물리시간에 많이 들어보셨지요? 드론뿐 아니라 비행기가 이륙하는 원리나 야구에서 스트레이트(직구)를 던질때 공에 백스핀을 걸어서 던지는 것 등 물체가 중력의 영향을 거스를때 나오는 단어입니다.


일단 양력에 대한 그림을 보시죠. (그림 내 이미지 출처 : 위키백과)



 

비행기 날개의 단면을 보면 앞쪽이 위로 불룩하게 생긴것을 볼 수 있습니다. 이러한 모양 때문에 날개를 스쳐 지나가는 공기의 압력에 불균형이 발생하게 되는데요. 이러한 압력의 변화는 학창시절 한번쯤은 들어보셨을 "베르누이의 원리"로 설명할 수 있습니다.


베르누이의 원리란 유체역학에서 유체의 유속이 빨라지면 그 유체가 점유하고 있는 공간의 압력이 낮아진다는 것인데요.


쉬운 예로 A4용지 2장을 약 5cm정도 간격으로 세워서 들고 두 종이의 가운데 틈에 입으로 바람을 훅 하고 불어보시면 두 종이가 붙어버리는 것을 볼 수 있는데 이것을 설명할 수 있는 이론이 베르누이의 원리입니다. 두 종이 사이에 있는 공기의 속도가 빨라지면서 압력이 낮아져서 종이 바깥쪽 공기의 압력이 더 높아 종이가 붙어버리는 것이죠.


이러한 베르누이 원리를 알고 있으면 비행기가 공중에 뜨는 원리도 간단히 이해할 수 있습니다. 비행기 날개 단면은 위쪽이 불룩하고 아래쪽이 평평하니 위쪽으로 스쳐가는 공기는 돌아서 가야하니 속도가 훨씬 빨라지겠죠. 따라서 바행기 날개 위쪽 압력이 낮아지면서 아래쪽의 높은 압력으로 인해 비행기가 떠오르게 됩니다. 이를 양력이라고 하죠.


드론의 프로펠러도 비행기 날개와 비슷하게 생겼습니다. 특히 큰 기체일수록 프로펠러 단면이 비행기 날개처럼 위쪽이 불룩하게 생긴걸 알 수 있죠. 양력을 발생시키기 위한 모양인 것입니다.


그런데 완구용 미니드론 같이 작은 드론은 프로펠러가 그냥 납작하게 생긴 것도 많이 보셨을 것입니다. 그럼 양력을 제대로 받지 못할텐데? 미니드론들은 어떻게 떠오르는 것일까요?


바로 드론을 띄우는 또 하나의 힘. 반작용력입니다.



2) 반작용력


학창시절 뉴턴3법칙에 대해서는 누구나 배웠을겁니다. (다만 생각이 안날뿐 ㅠㅠ 뉴턴은 학교 다닐때 싫어하는 학자 순위권이죠 ㅎㅎ) 그 중 뉴턴의 제 3법칙 "작용-반작용법칙"입니다.


미니드론의 프로펠러가 납작하게 생겼더라도 프로펠러가 경사지게 붙어 있는것은 모두들 보셨을 것입니다. 이것이 반작용력을 얻기 위함이죠. 먼저 그림을 보겠습니다.



 

프로펠러가 회전하면서 그림처럼 공기를 아래로 밀어내게 됩니다. 선풍기에서 바람이 나오는 원리와 유사하게 말이죠.


그런데 프로펠러가 공기를 밀어내면 공기도 프로펠러를 밀게 됩니다. 작용-반작용 법칙 때문이죠. 따라서 프로펠러 아래쪽으로 바람이 불도록 경사지게 해놓으면 드론이 아래쪽으로 공기를 밀어내면서 공기가 드론을 위쪽으로 밀어 올리게 되죠. 그래서 공중에 뜰 수 있게 됩니다.



양력과 반작용력. 이 두가지 힘으로 드론이 공중에 뜨게 되는데 어떤 힘의 영향이 더 큰지는 드론 기종마다 다를 것으로 짐작됩니다. 일반적으로 아까 언급한것처럼 큰 기종일수록 양력의 영향이 커지는 경향이 있는 것 같네요. 기체가 무거우면 반작용력만으로는 띄우기 어려울테니까요.



2. 드론의 프로펠러 방향과 조종원리


1)프로펠러 방향


이번에는 공중에 띄워진 드론을 어떻게 조종하는지에 대해 알아보겠습니다.


이를 위해 먼저 드론의 프로펠러 회전 방향을 보겠습니다.



 

일반적으로 가장 많이 쓰는 드론인 쿼드콥터를 기준으로 설명하겠습니다.

드론의 프로펠러는 그림에서 보시는바와 같이 회전방향이 정해져 있습니다. 전방좌측&후방우측의 프로펠러는 시계방향으로 돌고 전방우측&후방좌측의 프로펠러는 반시계방향으로 돌게 됩니다. ​


특정기종은 드론 몸체의 모터부분이나 프로펠러를 보시면 A 또는 B라고 쓰여 있는걸 볼 수 있는데 A는 시계방향, B는 반시계방향으로 회전하는 것을 의미합니다.


그리고 회전에 맞추어서 프로펠러 경사가 정해져 있으니 잘못끼우면 안되겠죠? 예를들어 A프로펠러를 B모터에 끼우면 경사 방향이 반대여서 위쪽으로 공기를 밀어내게 됩니다 ㅋㅋㅋㅋ


일반적으로 드론의 모터배치는 그림에서 보는것처럼 앞쪽 왼쪽과 뒤쪽 오른쪽이 A(시계방향), 앞쪽 오른쪽과 뒤쪽 왼쪽이 B(반시계방향) 입니다. 이렇게 회전방향이 배치된 이유는 무엇일까요?


결론부터 말씀드리면 이것 역시 작용-반작용 때문인데요.


헬리콥터의 꼬리날개가 있는 이유를 아시는 분들이라면 쉽게 이해하실 수 있을 것 같습니다



 

헬리콥터의 경우 프로펠러가 돌게 되면 헬기 몸체는 프로펠러와 반대방향으로 돌게 됩니다. 물론 착륙해 있을때는 지면과의 마찰로 인해 어느정도까진 괜찮을 수 있지만 공중에 올라가면 작용-반작용에 의해 헬기 몸체가 돌게 되죠. 


그림에서 보시는바와 같이 프로펠러가 반시계방향으로 돌게되면 기체는 시계방향의 torque(토크; 회전력)를 받게 됩니다. 그래서 헬기의 꼬리 날개가 있는 것이죠. 꼬리날개가 왼쪽측면에 설치되어 왼쪽으로 공기를 밀어내면 반작용력이 헬기의 꼬리에 오른쪽으로 작용하면서 시계방향 torque를 상쇄시켜 몸체가 돌지 않고 가만히 있을 수 있습니다.


드론도 마찬가지입니다. 만약 드론의 프로펠러가 모두 같은 방향으로 회전한다면 어떻게 될까요?



 

그림에서 보시는것과 같이 드론 몸체가 떠오르면서 회전하게 될 것입니다. 그래서 대각선 방향으로만 같은 방향으로 도는 것이고 바로 옆에 붙어 있는 프로펠러와는 반대방향으로 돌도록 설정되어 있는 것이죠.



2) 드론 조종원리


이번에는 드론의 조종원리를 살펴보겠습니다.


조종에 쓰이는 기본 용어는 초보자가이드에 따로 올린 기본 조종법을 참고해주시고요^^ [드론 기본조종법 바로가기]


드론의 조종은 4개의 모터 속도를 조절하여 드론을 이동시키게 됩니다.


우선 피치조종부터 보겠습니다.



 

피치 조종은 드론의 앞쪽 2개의 모터와 뒤쪽 2개의 모터 속도를 달리하여 이루어집니다. 예를들어 뒤쪽 2개 모터 속도를 빠르게 하고 앞쪽 2개 모터를 느리게 조절하면 드론 몸체가 앞쪽으로 기울면서 전진하게 되는 것이죠.


다음은 롤 조종 입니다.



 
 

피치 조종과 마찬가지입니다. 오른쪽 2개의 모터와 왼쪽 2개의 모터 속도차이를 이용하여 좌측, 우측으로 기울어지면서 이동하는 것이죠.


다음은 요우 조종입니다.



 

요우 조종은 대각선에 위치한 모터의 속도를 조절하여 이루어집니다. 드론 프로펠러 회전방향이 대각선에 있는 것끼리 같은 방향이라고 말씀드렸었죠? 따라서 대각선에 있는 모터의 속도를 올리면 마치 모든 프로펠러가 같은 방향으로 회전하도록 설치되어 있는것처럼 되겠죠.


그러면 아까 헬기 꼬리날개 설명할때처럼 드론의 몸체가 반대방향으로 돌게 됩니다. 예를들어 앞쪽-오른쪽과 뒤쪽-왼쪽 프로펠러(반시계방향)가 고속회전하면 드론 몸체는 시계방향으로 torque를 받게 되겠죠.


다음은 스로틀 조종입니다.



 

스로틀 조종은 모터 전체를 고속회전, 저속회전 하면서 이루어집니다. 모터가 빠르면 당연히 반작용력이나 양력이 높아지면서 더 높이 뜨겠죠. ㅎㅎ


그리고 레이싱 하시는분들 보면 스로틀을 거의 자동차 엑셀레이터처럼 사용하는걸 볼 수 있는데 이것도 스로틀이 모터힘을 가속시키는 조종이기 때문에 가능한 것입니다.


가만히 있는 상태에서 스로틀을 올리면 위쪽으로 상승하겠지만 피치나 롤 조종을 하면서 스로틀을 올리면 조종하는 방향으로 빠르게 이동할테니까요.


그럼 여기까지~


드론의 이륙 원리와 조종 원리에 대해서 알아보았습니다^^


다음에도 학생분들에게 유용할만한 정보들도 많이 준비하도록 하겠습니다~

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