쿼드로터 사이클로콥터의 비행을 위한 시스템 개선 및 실험적 연구

Abstract

최근 다양한 분야에서 무인비행체가 사용되고 있다. 시장의 규모 또한 빠르게 성장하고 있으며, 새로운 형태의 비행체들이 무인기로서 개발되고 있다. 사이클로콥터는 기존의 회전익기와 다른 형태의 수직이착륙 비행체로서, 사이클로이달 블레이드 시스템을 이용한다. 다수의 날개가 주기적으로 피치 운동을 하며 로터의 축에 평행하게 회전하여 고기동성 및 저소음 특성이 예상되고, 신개념 비행체로서 미래의 개인용항공기 시대의 후보 기술 중의 하나이다. 서울대학교 항공우주구조연구실에서는 지난 2000년도부터 사이클로콥터에 대한 연구를 지속하고 있으며, 다양한 형태의 비행체를 개발하여 성능 실험 등을 진행해 왔다. 본 논문의 연구 목표는 공중에서 안정적인 자세 유지가 가능하며 저속으로 비행이 가능한 쿼드로터 사이클로콥터를 개발하는 것이다. 이를 위해 기존의 연구 결과를 토대로, 쿼드로터 사이클로콥터의 각 시스템을 개선했다. 먼저, CFD 해석을 통해 로터 성능 해석을 수행하고 설계변수를 결정하고, 전진 비행 등 실제 비행 후에 고려해야 하는 주제에 대해 선행 연구를 진행했다. 사이클로이달 블레이드 시스템을 구현하기 위한 로터제어장치를 개발하고, 허브 스포크 형상 또한 개선했다. 개선된 로터에 대해서는 유한요소 구조해석을 통해, 구조 안전성 및 안정성을 검토하였다. 한 개의 전기 모터로 네 개의 로터를 구동할 수 있도록 동력 전달 장치를 설계하였으며, 이를 위해 동체를 재설계했다. 쿼드로터 사이클로콥터에 대해 동역학 모델링을 하고, 기체의 자세제어 방식을 결정하였다. 그리고 비행시 안정적으로 자세를 유지하기 위해, PID제어기를 설계하여 자세제어장치를 구성했다. 제작 완료된 사이클로콥터는 비행에 앞서 지상실험 및 안전줄 실험을 통해 성능을 검증했다. 로드셀과 각종 측정장치로 이루어진 지상실험 장치를 구성하여, 그 위에 사이클로콥터를 고정하고 로터의 개수를 증가시키면서 추력 및 소모 전력 등을 측정했다. 단일 로터 실험에서는 해석으로 예측했던 로터의 성능 실험 결과를 확인했고, 지상 실험 단계에서 지면 효과의 영향은 매우 작음을 확인했다. 2-로터 실험에서는 로터 성능에 대한 로터제어장치 위상각의 영향을 살펴보고, 로터의 추력 및 성능이 최대가 되도록 위상각을 조정하였다. 네 개의 로터를 모두 작동하여, 제자리비행 및 최대추력 발생 시의 쿼드로터 사이클로콥터의 운용 조건을 결정하였다. 이후 안전줄 실험 단계에서, 경험적 방법을 통하여 사이클로콥터 자세제어장치의 PID 제어 변수들을 조정했다. 마지막으로 제자리 비행 및 저속 수평 비행을 성공적으로 완료하고 연구 목표를 달성했다.