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안녕하세요 정진센터입니다.
저를 포함한 많은 사람들이 RC비행기는 어떻게 만드는 지 많이들 궁굼해 하셨을 겁니다.
어떻게 하면 내가 혼자서 RC비행기를 설계부터 제작까지 할 수 있을까?
초,중,고등학생때까지는 기본적인 수학과 물리를 공부하면서 잠깐씩 나오는 비행기이론에 매료되어 뭔가 조금만 더 공부하면 비행기를 만들어 볼 수 있을 거라는 믿음이 생겼었던것 같습니다.
하지만 항공우주공학과에 들어와서 4년동안 공부를 했도 결론은 석사, 박사까지 가야된다는 말을 듣게 됬고 일부 교수님들은 자신도 비행기를 설계할 능력이 없다고 말씀하시기도 했습니다.
저는 절망에 가까운 실망을 감출수 없었습니다. 오랜 꿈을 금방 이룰수 있을 거라고 생각했는데 SCI급 논문을 40편식 써내신 교수님들 조차도 쉽게 만들 수 없다는 이야기를 들었으니까요.
그래도 저는 교수님들의 사랑과 관심으로 큰 맘 먹고 석사과정에 진학하여 비행기 설계와 제어에 관해서 더 깊게 공부하게 됬습니다. 결론부터 말씀드리자면 저는 비행기를 어떻게 만드는 지 그 끝을 살짝 맛봤습니다.
모든 연구원들이 만드는 물건이 그렇듯이 최적화와 안정성확보가 어려운 문제입니다. 하지만 RC비행기급에서 그정도로 많은 시간과 비용이 드는 것을 해야할까요?
예! 필요없습니다 하하!!!
그림1과 같이 미사일을 쏜다거나 사람의 생명을 지키는 임무를 수행하는 비행기
이런 것들을 만들려면 최적화와 안정성확보가 중요할지 모르겠으나 누구나 값싸고 쉽게 만들어 가지고 놀 용도인 RC비행기에는 적합하지 않다고 생각합니다.
제 생각을 뒷바침하는 한 예를 들겠습니다.
Space x 와 planet사 등 세계 최고의 첨단 항공우주개발사는 연구개발에 있어서 애자일 방법론을 적용하고 있습니다.
저기 바퀴 3개가 있는데 이걸 3번 하겠다는 것으로 보시면 됩니다.
plan, design, build, test, review.... 이게 무슨 말인가? 계획하고 설계하고 만들고 테스트하고 검토한다.
익숙하지 않으십니까?
이건 누구나 이렇게 하죠.
어떤 비행기를 만들지 계획하고
나름대로 설계해보고
만들고
날리고
왜 잘안날지?
라고 생각하잖습니까 ㅎㅎ
결과적으로 제가 드리고 싶은 말씀은 최적화와 안정성해석을 너무 깊게 들어갈 필요는 없다는 것이고
따라서 굳이 항공우주공학과 4학년을 마치고 또 석사 박사 7년을 더해서 시간을 낭비할 필요는 없다는 것입니다.
(어쩌면 그렇게 해도 비행기 최적화를 못할 수 있습니다.)
p.s 애자일 방법론을 사용하는 기업과 이에 대해 더 깊게 알고 싶은 분들은 다음의 기사를 참고하세요 :https://artplusmarketing.com/this-is-why-fortune-500-companies-use-an-agile-approach-to-process-improvement-d4095d410a61
This Is Why Fortune 500 Companies Use An Agile Approach To Process Improvement
Some of the most well-known companies in the world use an Agile approach to improve their processes. IBM, Cisco, Microsoft, AT&T — they all…
artplusmarketing.com
위와 같은 이유로 저희 정진센터에서는 애자일 방법을 부분 활용하여 비행기 설계 및 제작을 하겠습니다.
아 됐고 !! 그래서 비행기는 어떻게 만드는대??
사족이 길었습나다.
비행기를 만들기 위해서는 위의 그림3 의 4가지 요소를 잘 충족시켜야합니다.
튼튼하다는 건 무엇일까?
하늘을 날기위한 조건은 무엇일까?
추진을 위한 모터나 엔진은 어떤걸 선택해야 할까?
그렇다면 더 잘날게 하려면 어떻게 제어 해야하나?
앞으로 이 4가지의 질문에 대한 답을 자신 나름대로 할 수 있다면
자신이 만든 비행기를 잘 이해하고 재밌게 가지고 놀 수 있을 겁니다!
저희와 같이 갑시다!
아시는 분은 아시겠지만 우리나라 KT-1 웅비를 만드신 분이 바로 이 책의 저자 공창덕 교수님입니다. 그 당시 ADD에서 연구실장이셨고 그때 만든 웅비는 아직까지도 잘 운용되고 있습니다. 따라서 실제 항공기를 만든 경험을 가진 사람이 집필한 이만한 책이 우리나라에 없습니다 ...(제가 알기론)
따라서 다른 해석프로그램을 사용하지 않고 이책의 내용을 요약해서 비행기 구조설계를 진행할 것입니다. 일부 구조물은 집에서 쉽게 할 수 있는 실험으로 진행할려고 합니다.
이 책을 통해서 저희는
주익의 주요구조물인 스파(Spar)의 형상 및 재료결정
날개 형상을 유지시켜주는 리브(Rib)의 두깨 및 재료결정
더 튼튼하게 만들때 필요한 스트링거 (stringer)의 두깨 및 재료결정
공기를 받아주고 일부 하중을 책임지는 스킨 (Skin) 결정
동체도 날개와 비슷합니다.
스트링거 (stringer)
항공기 동체의 리브 (bulkhead)
스킨 (Skin)
등등..
다만 날개와 다르게 스파(spar)가 없어서 스트링거(stringer)만으로 하중을 견뎌내야 합니다.
그러나 rc비행기는 동체에 큰 하중이 가해지지않음으로 충분히 만들수 있습니다.
가볍게 만드는 것이 관건(關鍵)입니다.
좋은 비행기는 어떤 비행기인가요? 라고 질문을 던져봅시다.
공기역학적 효율이 좋은 비행기가 좋은 비행기입니다! 라고 답할 수 있습니다.
그렇다면 공기역학적으로 효율이 좋은 비행기는 어떻게 만드나요?
공력해석을 통해서 좋은 날개형상을 만드는 것입니다. 라고 답할 수 있겠내요.
그렇습니다. 비행기를 만들기위해서는 공력해석이 필요합니다.
근대 생각만 해도 어렵겠내요. 이거 제대로 하려면 박사나와야합니다.
RC비행기를 만드는데 나비에 스톡스 방정식을 정확히 풀어서 공력의 흐름을 완벽하게 이해하는게 필요할까요?
아닙니다.
그래도 해석은 해야합니다. 그것도 꽤 정확하게 말이죠 ..
그래서 저는 포텐셜플로우 (Potential flow)
즉, 비점성 비압축성 유동의 흐름을 가정하고 해석할 것입니다.
어??? 저기요 근대 공기는 점성도 있고 압력도 있으니까 비점성 비압축성 유동은 말도 안되는 거 아닌가요?
그렇죠 말도 안됩니다. 근대 그게 잘들어 맞습니다. ???
아래 글을 통해서 부연설명을 드리도록 하겠습니다.
그림 9는 fundamental of aerodynamics 책에서 일부를 발췌한 것입니다. however부터 보시면
"만약 우리가 완벽히 비점성의 세계에 살고 있다면 airfoil(날개 단면 형상)은 양력을 생성할 수 없을 것입니다.
실로 마찰의 존재는 우리가 양력을 가지는데 매우 합리적인 이유입니다. 이는 이상하게 들립니다, 심지어 앞 문단에서한 우리의 토론에 모순됩니다.이게 무슨말이가? 그 답은 현실 세계안에 있습니다. 그 이유는 날개 끝단(trailing edge)에서 부드럽게 공기흐름이 떠나려고 하는 자연의 습성때문입니다. 즉, 자연이 그림 4.18c에 도시 된 흐름을 선택하기 위해 사용하는 메커니즘은 점성 경계층이 모든 방법으로 날개끝단의 표면에 붙어 유지하는 것입니다.
자연은 마찰의 도움으로 쿠타상태를 유지시킵니다. 만약 (마찰이 없어) 경계층이 없다면 물리적 매커니즘은 현실세계에서 쿠타상태를 성취하지 못할 것입니다. 그래서 우리는 양력에 대한 가장 모순적인 해로 이끌려왔습니다. 그리고 그것은 표면 압력 분포로 만들어졌습니다. 비점성 현상, 그것은 마찰이 없는 세상에는 존재하지 않을 것입니다. 이것에 관하여 우리는 마찰없이 양력도 없다고 말할 수 있습니다. 그러나 우리는 위의 토론에 대해 알려진 방법안에서 이것을 말합니다.
짧은 영어로 해석했는데 설명을 드리자면 kutta condition이라는 것이 있습니다.
그림 10에 첫번째 날개는 trailing edge (뾰족한 뒷부분)에서 윗 바람의 흐름과 아랫바람의 흐름이 일치하지 않아서 양력이 발생하지 않는 다는 것이고 아랫그림은 위아래 바람의 속도가 같아서 양력이 잘발생한 다는 것입니다.
자연에서 쿠타상태를 유지한다면 비점성 비압축성으로 공기를 고려해도 무방하다 ...
아무튼 아싸 !! 쉽게 할 수 있다는 것입니다.
그래서 저는 포텐셜플로우로 항공기의 공력을 해석하는 XFLR5라는 프로그램을 이용할 것입니다. 이것을 통해서 항공기의 양력과 항력 그리고 모멘트를 예측하여 공력해석을 할 것입니다.
XFLR5 : http://www.xflr5.tech/xflr5.htm
XFLR5
General description XFLR5 is an analysis tool for airfoils, wings and planes operating at low Reynolds Numbers. It includes: XFoil's Direct and Inverse analysis capabilities Wing design and analysis capabilities based on the Lifiting Line Theory, on the Vo
www.xflr5.tech
이 프로그램은 무료로 배포되었기에 위 홈페이지에 가서 다운받으시면 됩니다. 그리고 사용방법은 다음의 유튜브를 참조하시면 됩니다.
XFLR5 튜토리얼 : https://www.youtube.com/watch?v=U7saOcozpi8&list=PLtl5ylS6jdP6uOxzSJKPnUsvMbkmalfKg
이 프로그램을 통해서 비행기의 공기력을 알아볼 것입니다.
더 자세한 사항은 공기역학 편에서 따로 다루도록 하겠습니다.
rc비행기의 심장 즉, 추진계통은 크게 2가지로 나눠집니다.
1. 엔진 2. 모터입니다.
그러나 엔진은 크기가 작을 수록 효율이 열역학 법칙에 따라 너무 떯어짐으로
재미를 위한 것이 아니라면 비추이고 돈이 많이 들어 역시 비추입니다.(가성비가 읍서)
그래서 저는 모터를 추천합니다.
질문충답게 또 질문을 던지겠습니다.
모터란 무엇일까요?
전기에너지를 회전에너지로 바꿔주는 것이라고 답할 수 있겠습니다.
그렇다면 rc비행기에는 어떤 모터를 사용해야 할까요?
고려해야할 4가지 사항이 있습니다.
무게와 크기는 모터뿐만아니라 비행기의 모든 요소들에게 있어서 중요한 사항입니다.
무거우면 그만큼 더 큰 속도, 추력, 양력이 필요하니까요..
그런대 특히나 모터에서 무게와 크기가 중요합니다.
실제 항공기를 포함한 거의 모든 비행기에게 모터(엔진)의 무게는 그비중이 10%~40%까지 차지한다느 사실!!
그렇습니다. 비행기에게 있어서 모터는 넘나 무거운 것입니다.
따라서 가벼운 모터부터 찾고 다른 고려사항을 보는 것이 좋습니다.
Ah (시간당 전류량)는 암페어시라고 부릅니다.
암페어는 전류, 시는 hour 즉, 시간입니다.
따라서 시간당 전류가 소비되는 양을 나타냅니다.
이게 왜 중요한가?
비행기의 모터는 그 특성상 가벼워우면서 큰 힘을 내야합니다.
ㅋㅋㅋㅋ 가벼우면서 큰 힘을 내야한다니 생각만 해도 어렵내요.
하지만 현재까지 모터기술이 많은 발전을 했고
rc비행기 만들기 좋은 모터들이 많이 나와있습니다.
(Tmotor꺼 추천합니다 http://store-en.tmotor.com/)
그래서
rc비행기용 모터들은 전기를 많이 먹습니다. 따라서 rc비행기들은
혼자 쇼를 하면서 가지고 놀면 10분이면 배터리가 끝나고
얌전하게 가지고 놀아도 1시간을 비행기 쉽지 않습니다.
그림 13는 Tmotor사의 임의의 모터입니다.
빨간색 박스를 보시면 쓰로틀 %가 나오고 100%일때 9.7A의 전류를 사용한다고 나옵니다.
그렇다면 100%의 파워로 모터를 돌리면 어느정도 전류를 사용하는 지 알수있게 됩니다.
비행기에 있어서 모터가 거의 90%의 전기를 사용하기때문에
모터의 데이터만 잘 분석해도 비행기가 얼마나 비행할지 알 수 있습니다.
더 정확한 내용을 따로 글을 올리도록 하겠습니다.
마지막은 비행기의 머리 항법제어설계에 대해서 말씀드리겠습니다.
꽤 많은 사람들이 비행제어컴퓨터 (FCC : Flight control computer)를 따로 부착해서 rc비행기를 즐기지는 않습니다.
하지만 비행제어컴퓨터를 사용하면 훨씬 더 재밌고 편하게 즐기실수 있습니다.
비행제어컴퓨터 (FCC)를 비행기에 부착하면 여러가지 센서를 통해서 비행정보를 알 수 있습니다.
대충 이런것들
경로 및 거리정보 (GPS 센서)
속도 (피토관 : 압력차로 속도측정)
가속도 (가속도 센서)
회전각도 및 각속도, 각가속도 (자이로센서)
그리고 더 중요한 것은 비행기에 무슨 문제로 조종이 잘안될때
비행제어컴퓨터 (FCC)가 비행제어알고리즘으로 어느정도 자동으로 문제를 해결합니다.
(TMI :이 또한 PID제어를 사용할 경우 P gain, I gain, D gain의 값의
변화를 통해서 비행기에 문제가 있다는 것을 알 수도 있습니다. )
이러한 제어뿐만아니라 항법의 역할도 FCC는 수행합니다. 영어로는 네비게이션 (Navigation) 즉, 원하는 곳으로 비행기를 보낼수 있습니다. 이를 유식한 말로 자동조종(Autopilot)이라고 하기도 하지요.
고정익 비행기와 별개로 쿼드콥터 우리가 흔히 말하는 드론은 이 FCC가 없으면 아예 비행이 안됩니다. 그만큼 현재 FCC가 널리 사용되고 있고 단순한 비행기 조종을 넘어서 더 많은 재밌는 것들을 즐기실 수 있습니다.
상용 비행제어컴퓨터 (FCC)는 큰 2개의 줄기가 있습니다.
그림 15는 연구용으로 많이 사용되는 픽스호크 (pixhark)
그림 16은 취미용으로 많이 사용되는 아두파일럿 (Ardupilot)
픽스호크는 항공우주연구원에서 군집드론비행을 할때 수정보안하여 사용되었기에 연구용으로 사용된다고 생각합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=TgCKhgIjWW8
위의 동영상은 항공우주연구원에서 3.1절 100주년을 기념하기위해서 실시한 군집드론쇼입니다.
(TMI : 무인항공기 워크숍에서 이 군집드론 책임연구원 형? (30대후반)이 발표한 걸 들었는데
픽스호크 코드를 많이 수정하고 시행착오를 거처서 저정도 기술까지 왔다고 했는데 신기했습니다.)
픽스호크도 자율비행할때 많이 사용하는데 아두파일럿을 사용하는 취미알씨파가 전세계적으로 엄청 많아서 소개드립니다. 아두이노를 기반으로 만들었기때문에 호환성에 문제가 많아서 연구개발용으로 사용은 많이 못하지만 취미로 사용하는데 있어서 아두파일럿이 접근성이 더쉽다고 하더라구요 ㅎㅎ
그래도 세계적인 추세인 픽스호크를 추천합니다.
제가 항법제어설계라고 했는데 위의 내용은 설계라기 보다는 상용품에 대한 소개였습니다.
그렇다면 실제로 FCC는 어떻게 만들까요? 엄청 어렵겠죠?
그래도 한번 만들어봅시다 !!!
인생의 버킷리스트로 두고 해도 좋구요.
천천히 연재하는 대로 따라서 만들어 보시는 것도 추천합니다.
어떻게 FCC를 만드나요?
그림 17은 현대 비행역학 전공서적입니다.
저는 1년동안 이 책을 공부했었습니다. 물론 지금도 완벽하다고 할 수는 없으나
어떻게 비행기를 만드는가?
FCC가 무엇이고 어떻게 만드는가?
이 두 질문에 어느 정도 답을 할 수 있습니다.
이 책의 모든 내용을 다 공부할 필요는 없고 이 책에서 예제로 사용하는 미군 훈련기 Navion 설계를 따라가면서
이해도를 높여가면 됩니다. 이 책에서 비행제어기를 어떻게 만드는 지도 나오기때문에 제가 정리해서 연재하겠습니다.
앞으로 항법제어설계에 대해서도 깊고도 얕게 연재하도록 하겠습니다. ㅋㅋ;;
비행기 설계에 관한 첫 글은 이 정도에서 마치도록 하겠습니다.
매우 긴 글 읽어주셔서 진심으로 감사합니다.
앞으로도 많은 관심부탁드립니다. !!
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