[과학을읽다]드론의 프로펠러가 4개인 이유

비행 중인 드론의 모습. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]'드론(Drone)'이 일상 속으로 들어왔습니다. 드론이란 '(벌 등이) 왱왱거리는 소리' 또는 '낮게 웅웅거리는 소리'를 의미합니다. 기체에 사람이 타지 않고 지상에서 원격 조종하기 때문에 '무인항공기(UAV, Unmanned aerial vehicle)'라고도 합니다.

최근 드론의 가장 많이 알려진 용도는 공중 촬영입니다. 그동안 헬리콥터를 이용해야 했던 촬영을 저비용으로 보다 쉽게 할 수 있게 됐지요. 또 농약을 살포하거나, 택배를 보내거나, 지도를 제작할 때도 활용됩니다. 군사용으로는 정찰 등으로 폭넓게 활용되고 있습니다.

드론은 프로펠러의 개수에 따라 바이콥터(2개), 트리콥터(3개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개), 옥토콥터(8개) 등으로 구분합니다. 이들 중 프로펠러가 4개 이상인 기체가 대다수인데, 4개의 프로펠러를 가진 쿼드콥터가 드론의 대세입니다.

드물게 프로펠러 개수가 3개인 드론도 있지만 거의 사용되지 않습니다. 3개의 프로펠러 중 하나의 프로펠러는 꼬리가 돼야 하는데 공중에서 제자리 비행을 하는 호버링(hovering)을 시키려면 꼬리 부분에 프로펠러를 추가로 달거나 프로펠러의 크기를 다르게 해야 하는 등 안정적 비행을 위해서는 손이 많이 가기 때문입니다. 즉, 프로펠러 갯수가 더 많은 드론보다 효율적이지 못하다는 말입니다.

그래서 대체로 프로펠러의 갯수가 짝수이거나, 대부분은 프로펠러가 4개인 쿼드콥트를 사용합니다. 쿼드콥터는 자세제어가 직관적이어서 제어코드를 짜기 쉬운 덕분에 실제 비행이 가장 안정적이고, 제작 비용도 저렴합니다. 국제 드론스포츠대회나 국내 드론레이싱대회 등에서 '쿼드콥터'로 기량을 겨루는 이유도 여기 있습니다.

드론이 공중에 뜨는 원리는 헬리콥터의 원리와 같습니다. 뉴턴의 제3법칙인 '작용 반작용의 법칙'을 활용하는데 프로펠러가 공기를 아래로 밀어내려는 작용으로, 기체를 위로 띄우려는 반작용이 일어나게 하는 것입니다.

쿼트콥터의 경우 마주보는 프로펠러 한 쌍은 시계방향으로 회전하고, 다른 한 쌍은 반시계방향으로 회전합니다. 4개의 프로펠러 중 2개는 같은 방향으로, 2개는 다른 방향으로 회전한다는 말입니다.

프로펠러가 4개인 쿼드콥터의 프로펠러는 둘씩 회전방향이 서로 다릅니다. [그림=위키피디아]

프로펠러가 모두 같은 힘으로 돌면서 그 힘이 드론의 무게를 이겨내면 이륙하고, 전진할 때는 나아가는 방향의 프로펠러 한 쌍의 회전속도는 약하게, 뒤쪽의 프로펠러 한 쌍은 강하게 회전해야 합니다. 프로펠러가 느리게 도는 쪽의 양력이 작아지고 빨리 회전하는 쪽의 양력이 커지면서 드론이 앞쪽으로 기울면서 앞으로 나아갑니다. 뒤에서 더 큰 바람이 불고, 그 바람이 드론을 앞으로 밀어내는 것과 같습니다.

반대로 후진할 때는 앞 프로펠러들이 빨리, 뒤쪽 프로펠러들은 느리게 회전해야 합니다. 전진과 후진의 속도는 바람의 강도에 따라 다른 만큼 앞뒤 프로펠러의 회전속도를 달리하면서, 전체 프로펠러의 회전속도를 높여 바람을 더 강하게 불게 하면 됩니다.

왼쪽 프로펠러 2개보다 오른쪽 프로펠러 2개를 더 빠른 속도로 회전시키면 오른쪽 양력이 더 커지면서 드론이 왼쪽으로 이동합니다. 반대로 왼쪽 프로펠러를 더 빠르게 회전시키면 오른쪽으로 이동하게 됩니다. 착륙할 때는 프로펠러의 회전수를 차츰 줄여 바람의 힘을 줄여 나가면 드론의 무게로 아래로 내려갑니다.

만약, 프로펠러가 모두 같은 방향으로 회전하면 어떻게 될까요? 프로펠러가 회전하는 반대방향으로 드론 몸체가 회전하면서 날아가는 우스꽝스러운 모습을 볼 수 있지 않을까요?

제자리에서 회전할 때는 대각선 방향의 프로펠러 속도를 조절하면 됩니다. 그림의 A와 C, B와 D가 서로 짝이 돼 회전속도를 맞추는 것입니다. AC가 늦게 돌면 BD는 빨리, AC가 빨리 돌면 BD는 늦게 도는 것이지요.

드론의 프로펠러는 항상 일정한 회전수로 돌고 있어야 합니다. 비행 중 프로펠러 하나가 약하게 돌거나 멈출 경우에는 자세 제어를 할 수가 없기 때문에 추락하게 됩니다.

최근에는 드론 제작기술이 발달해 GPS로 위치를 자동 계산하는 것은 기본이고, 자동으로 주변 장애물을 파악하는 비전센서, 초음파로 장애물과 고도를 측정하는 초음파센서, 기압을 활용해 드론의 위치를 일정하게 유지하는 기압센서, 조종하지 않아도 일정 고도에서 비행하는 자동 호버링 기능도 장착된다고 합니다. 민간에서 더욱 편리하게 드론을 활용할 수 있으면 좋겠습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr