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    학술행사 취재기 게시판 내용
    제목 2017 PAV 드론 기술 경연대회 참가기
    작성자 박지원
    작성일 2017-11-16 오후 2:46:36



     



     



    영화 속 서기 2084년의 지구, 새로운 운송수단인 호보카는 빌딩 사이를 자유자재로 날아다니고 중력을 이용해 수직으로 하강하기도 한다. SF영화에 미래형 운송수단으로 자주 등장하는 하늘을 나는 자동차는, 꽉 막힌 도로에서 운전을 하다 보면 종종 생각하게 된다. 자동차에서 날개가 펴져 하늘을 날아갔으면 좋겠다는 상상은 누구나 한 번쯤 해보았을 것이다.

    하늘을 날 수 있는 자동차를 의미하는 PAV(Personal Aerial Vehicle)는 자동차와 항공기의 장점을 결합한 차세대 개인용 운송수단으로, 기존의 도로를 3차원으로 이용할 수 있어 도로 인프라의 포화로 인한 시간적, 경제적 손실을 해결할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.


    PAV에 대한 연구개발은 오래전부터 이루어져 왔으며, 미국의 Curtis Aeroplane & Motor Company의 Auto Plane(1917년) 이후 미국, 유럽연합 등의 국가 연구기관에서 진행한 연구 프로젝트와 소규모 항공 벤처회사의 시제품 개발을 중심으로 진행됐다.

    국내에서도 PAV의 장점 및 경제적 가치에 대해 인식하고, 2010년 1월 “항공 산업 발전 기본계획(2010-2019)”과 "미래형 항공기 개발 로드맵"을 통해 PAV 개발에 대한 정부 기관의 구체적인 추진 방향을 발표하였다.

    경남테크노파크 항공우주센터는 도내에 위치한 항공 국가 산업단지를 기반으로, 친환경 고효율 미래형 비행체 개발에 필요한 핵심기술과 운용개념을 도출하고, 세계적인 자동차 생산기술국으로 축적된 아이디어와 항공기술을 접목한 미래형 비행체 개발의 밑거름을 마련하기 위해, 2010년부터 매년 국제 PAV 드론 기술 경연대회를 개최하고 있다.



    국제 PAV 드론 기술 경연대회는 각 팀에서 설계하고 제작한 축소형 PAV을 토대로 학술 심사 및 비행시연을 통해 설계의 타당성과 비행체의 성능을 평가하고, 실현 가능성 및 PAV의 개념에 대한 부합 정도를 평가하는 대회이다. 산업체 및 동호인으로 구성된 일반팀과 대학(원)팀 다수가 매년 출전하고 있으며, 해외 대학팀의 출전도 지속해서 이루어지고 있다. 또한, 대회에 출품되는 결과물의 수준도 꾸준히 향상되고 있다.

    올해 개최된 제7회 국제 PAV 드론 기술 경연대회는 경상남도, 진주시, 고성군이 주최하고 (재) 경남테크노파크의 주관해서, 10월 27~28일 양일간 경남 고성군에 위치한 무인항공기 비행장에서 개최되었다.


    이번 대회는 건국대학교 대학(원)생, 마이크로엔지니어링, University of Glasgow 등 무인항공기 관련 기업과 국내외 대학 22개 팀이 참가 신청하고, 설계 제안서 및 기술 심사 등 예선 심사를 통해 본선 대회는 최종 선발된 국내 7개, 해외 1개 팀이 출전했다.

    건국대학교 Neo PAV팀은 1회 대회부터 이번 7회 대회까지 매년 대회에 참가하고 있고, 6회 대회부터는 틸트 멀티로터형 플랫폼으로 출전하고 있다. 틸트 멀티로터는 틸트로터와 멀티로터가 결합한 형태를 의미하며, 틸트로터보다 천이 경로가 넓고 천이 시스템 설계가 단순해 경량화 및 소형화가 가능한 장점이 있는 비행체이다.
     







    초기 PAV의 개념은 자동차에 비행 기능을 더한 형태로, 이동 중에 발생하는 정체 현상의 극복 등을 위해 주행 중에 필요할 경우 비행이 가능한 개념으로 등장하였지만, 효용성 측면에서 주행 기능의 중요성은 점차 줄어들어 Door to Door 방식으로 이동 가능한 개인 항공기로 개념이 점점 바뀌고 있다.
     



    따라서 PAV의 임무 형상은 이착륙장 이동 → 이륙 → 상승 및 천이 → 목적지까지 비행 → 하강 및 천이 → 주기장 이동으로 구성하였고, 임무 형상을 바탕으로 설정한 설계 목표는 이착륙장 및 주기장으로 이동 가능한 수준의 주행성능을 갖추고, 수직으로 이착륙하며 고정익 비행이 가능한 틸트 멀티로터형 비행체로 선정했다.




    비행체의 외형은 틸트로터와 멀티로터가 결합한 틸트 멀티로터형 플랫폼으로 설계하였다. 틸트로터 시스템은 회전날개/고정익 모드의 변환을 위해 360도 회전이 가능한 엔코더 서보모터를 이용하여 0도부터 90도까지 틸트가 가능하도록 설계하였고, 모드변환을 위한 틸트를 시작하면 피토관에서 측정된 Airspeed를 이용하여 Airspeed와 틸트 각도 사이의 관계식을 통해 틸트 각을 조정할 수 있도록 하였다.

    주행 모드에서는 동력원을 비행 모드와 공유하고, 날개 좌·우에 위치한 나셀을 이용하여 전진할 수 있도록 설계했다. 조향은 일반적인 항공기와 마찬가지로 비행체의 전방에 위치한 조향 바퀴를 회전시키는 방법을 통해 이동 중 방향전환을 수행할 수 있도록 하였고, 전진과 후진에 필요한 동력은 날개 좌, 우에 위치한 나셀의 각도를 조정하여 얻을 수 있도록 하였다.


    주행 모드에서 주행 동력원으로 사용되었던 나셀을 수직 이착륙 모드에서 수직으로 세운 뒤에 쿼드로터와 같이 추력을 발생시키도록 하는 방법을 통해 이륙 및 착륙하도록 하였다. 전년도 대회에 출품한 비행체에서 Yaw 축 제어력이 부족해서 강한 바람이 불 때 비행체가 바람 방향으로 돌아가는 경우가 발생해서, 이 점을 보완하기 위해 쿼드로터의 모터는 동체 방향으로 3도 기울여, 비행체의 Yaw 제어력을 보충할 수 있도록 개선하였다.  
     



    수직 이륙 후에 비행체는 나셀을 수평 방향으로 기울여 수직이착륙 모드에서 고정익 모드로 전환하는 천이 비행을 하게 된다. 비행 모드를 전환하는 과정에서 안전한 전환을 위해 비행체의 Conversion Corridor를 충분히 확보할 수 있도록 쿼드로터는 비행체의 고도유지에 보조적인 역할을 하도록 했다. 고정익 비행 모드로 완전히 전환한 이후에는 고정익 비행을 이용하여 목적지까지 이동하도록 설계하였다.



    비행체의 외형 설계 후 Airfoil 선정과 날개의 크기 등을 계산하기 위해, 항공기 개념설계 관련 서적에서 설계에 필요한 식과 수치를 정리하여 계산하였으며, 계산 결과는 풍동시험을 통해 검증하였다.


    공력설계 결과 NACA 63(2) - 615 익형을 사용하여 날개 길이 1.7m, 시위길이 0.33m로 계산 되었고, 이 외의 설계 결과에 따른 제원은 표로 정리하였다. 계산 결과와 설계된 도면을 바탕으로 3D 프린터와 CNC 등을 사용하여 비행체를 제작하였으며, 설계 결과를 검증하기 위해 풍동 시험을 실시하였다.



    풍동 실험은 건국대학교 폐회로식 아음속 풍동에서 진행하였고, 풍동의 최대 시험 속도가 10m/s이기 때문에 운용속도 10m/s에서 30m/s까지는 0~10m/s 측정값을 토대로 양력과 항력을 추정하는 방법을 사용하였다. 그 결과 30m/s에서 최대 77.44(N)의 양력과, 18.67(N)의 항력이 발생하는 것으로 나타났다.


    풍동 실험과 더불어 비행체에 적용한 모터와 프로펠러에 대한 추력시험도 실시하였다.

    설계한 비행체와 유사한 형태인 미국의 V-22 Osprey나 한국의 Smart UAV와 같은 틸트로터 형태의 항공기의 경우, 나셀의 프로펠러 후류와 날개 사이의 간섭 때문에 추력이 감소하는 경향이 있고, 보통 15%내외의 감소가 발생하는 것으로 추정한다.


    따라서 설계 과정에서는 30%의 추력감소가 발생할 것으로 가정하고 설계하였지만, 추력 시험 결과 나셀의 추력 손실은 70%가량 발생하는 것으로 나타났다. 그리고 비행체 하단에 위치한 쿼드로터는 약 10%의 추력 감소가 발생하는 것으로 측정되었다. 따라서 나셀과 날개의 간섭으로 인한 추력감소를 줄이기 위해, 나셀과 날개사이 간격을 늘려 추력손실을 60%까지 줄일 수 있도록 했다. 그 결과, 나셀에서는 총 13.5N, 쿼드로터에서는 69.7N의 최대 추력이 발생하는 것으로 측정되었다.

    추력이 설계보다 다소 작게 발생하는 것으로 나타났지만, 비행체의 비행은 가능한 수준으로 측정되어 동력원을 교체하지는 않았다.



    틸트로터나 틸트 멀티로터 형태의 항공기는 수직이착륙모드에서 고정익모드로 안전하게 비행모드를 변경하기 위해, 천이경로를 계산하고, 설정된 경로선에 따라 틸트 비행을 해야 한다. 

    천이경로는 Airspeed와 틸트 각도사이 관계식을 그래프로 나타낸 것으로 천이경로의 좌측 영역은 비행할 경우 실속이 발생 할 수 있는 영역을 의미하고, 우측 영역은 비행체의 한계 속도를 나타내는 영역이다. 따라서 천이 비행을 할 때는 천이경로의 가운데 영역 안에서 천이비행하면서 비행체의 모드를 전환 한다.



    Neo PAV 기체도 틸트 멀티로터 형태로, 수직이착륙 모드에서 고정익 모드로 모드를 변경하기 위해서는 천이 경로를 설정하여야 하는데 이 때 양력과 항력, 추력이 천이경로 계산에 필요한 변수로, 풍동 시험과 추력 시험을 종합해서 그래프로 나타내었다.



    Neo PAV기체는 수직이착륙 모드에서 천이비행을 시작한 비행체는 천이경로선에 따라 천이 및 역천이 비행을 하게 된다.

    천이 비행을 시작하게 되면 나셀을 90도에서 10도 기울여 전진방향 가속도를 얻은 후, 피토관에서 측정된 Airspeed에 따라 나셀을 10도씩 기울인 후 20m/s부터는 고정익 비행으로 목적지까지 이동한다. 목적지에 도착해서는 다시 수직이착륙 모드로 변경하기 위해 역천이비행을 하게 되고, 20m/s에서 다시 나셀을 Airspeed에 따라 수직으로 기울인 후 5m/s에서 역천이 비행을 종료하고 수직 이착륙 모드에서 착륙하게 된다.




    틸트 멀티로터형 비행체는 쿼드로터와 틸트로터가 결합하여 비행제어 및 틸트 시스템의 구성요소가 타 멀티로터 항공기나 고정익 항공기에 비교해 많다. 그리고 대부분의 출전팀에서 상용 비행제어 컴퓨터를 사용하지만, 틸트 멀티로터를 지원하는 상용 비행제어 컴퓨터가 없기 때문에, 팀에서 자체적으로 시스템의 하드웨어와 소프트웨어를 개발하였다. 적용한 비행제어시스템은 Neo PAV 비행체 이전에 진행한 틸트 멀티로터의 천이 비행을 통해 일정 부분 검증을 마쳤고, 지속적인 연구와 개발을 통해 완성도를 높여가고 있다.







    설계 및 제작, 시험을 통해 완성한 비행체는 대회에 앞서 한강 드론 공원에서 지상 및 비행시험을 하였다. 지상시험의 경우 각 부분의 정상동작과, 설계한 비행체의 주행 시 선회반경과 실제 선회반경을 비교하였고, 비행시험은 고정익 비행시험과 고정익 비행시험을 수행하였다.

    시험 결과 최소 선회반경은 대회에서 실제 도로환경을 축소 모사한 도로의 최소 선회반경이 3m에 비해 약 0.8m의 작은 선회반경을 가져 충분한 성능을 가진 것으로 나타났으며, 비행시험도 고정익 비행과 회전익 비행을 모두 성공적으로 마쳤다.







    대회 본선은 10월 27일~28일 양일간 고성 무인 항공기 비행장 일원에서 개최되었다, 27일에는 최종 보고서 및 발표를 통한 학술 심사, 28일에는 PAV의 주행 및 비행 시연을 통한 평가가 진행되었다.




    1일 차 학술 심사에서는 팀 소개 및 PAV 설계 과정에 대한 소개 및 질의가 있었으며, 각 팀이 주어진 조건 안에서 PAV의 개념에 부합하고 현실성 있는 형태의 PAV을 설계하고자 한 노력이 발표자료에 고스란히 녹아 있었다. 또한, 설계된 PAV을 축소 형태로 구현하고, 날개가 접히는 등의 기구류의 구현에 많은 어려움을 겪고 해결한 과정에서 배울 점과 내년도 대회에 참고할 수 있는 부분이 많았다.

    사전 비행이 있었던 21일~ 22일에 태풍으로 인한 강한 바람으로 대부분 팀의 기체가 비행하지 못했지만, 남은 기간 동안 완성도를 더욱 높여 2일 차 임무 수행 심사에서는 완성도 높은 PAV의 주행과 비행 성능을 보여, 인상적이었던 팀들이 높은 점수를 획득하여 수상도 하였다.

    Neo PAV 팀은 대회 전 사전 점검을 마치고 임무 수행 심사에서 주행 미션을 수행하였고, 비행 미션을 위해 수직 이륙 후 천이 비행 과정에서 비행체가 추락하여 아쉽게도 수상은 하지 못했다.



    대회 준비를 위해서 설계하고, 제작하고, 시험하면서 노력도 했고, 배운 점도 많았지만 여러가지 미흡한 부분이 많아 천이비행시험을 하지 못하고 대회에 참가한 것이 가장 큰 문제점이였다고 생각한다. 대회 기간 동안 여러 가지로 힘들었던 팀원들에게 고생했다고 전하고 싶고 이번 결과는 다소 아쉽지만, 대회 전반적인 과정을 준비하면서 얻은 경험과 원인분석을 토대로 내년 대회에서는 좋은 결과가 있었으면 한다.


     



     


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    전체댓글2

    사용자 프로필 이미지
    |2017.11.23
    수업시간에 배웠던 지식을 직접 하나하나씩 적용하고 분석하고 실용화 시키는 모습에 박수를 쳐 드리고 싶습니다. 처음 시작은 미약했으나 그 끝은 갈수록 발전 되리라 생각됩니다. 화이팅 입니다.
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