나만의 작은 틸트로터 만들기 1 - 요구사항 정의

오래전부터 만들고 싶었지만 지식과 경험의 부족, 그리고 금전적 문제로 잊고 있던 것을 해보려고 한다.

개인적으로 생각하는 VTOL의 구성은 트윈틸트로터이지만, 이것저것 찾아보자.

 

Case Study

V-22를 보았을 때, 참으로 신개념이라고 생각되지 않을 수 없었다.

요근래에 들어서 수직이착륙 성능에 다들 관심을 가지게 되어 이러한 컨셉의 기체를 개발하게 된다.

약 15년 전 정도 쿼드로터가 대두되고, 10년전 즈음 쿼드로터와 고정익을 섞은 쿼트플래인을 보게되었던 것 같다.

 

1. 벨(Bell) 사의 V-22 Osprey : Twin-Rotor Type

https://namu.wiki/w/V-22

두 로터 모두 Collective/Cyclic Pitch Control이 가능하다.

Bell V-22 Osprey Image

2. 한국항공우주산업(KAI)에서 개발하고 있는 NI-500VT에서 미익 로터도 틸트 되는 구성 : Quad-Rotor Type

해당 기체를 보면 틸팅이 되는 로터는 Collective Pitch Control 만 가능하다. 이는 멀티로터 모드일 때, 미익의 고정 로터를 통해서 피칭 모멘트를 얻을 수 있기 때문에 종축방향으로 좀 더 자유롭게 무게중심의 이동이 가능하다.

KAI - NI-500VT Image

3. 국내 UAM 스타트업인 플라나(PLANA)의 기체 컨셉 구성 : Hexa-Rotor Type

로터가 많아질 수록 무게 중심에 여유가 생기며, 안전성에도 강점을 가질 수 있다. 실 기체가 없기 때문에, Collective/Cyclic Pitch Control하는지는 정확히 알 수는 없으나, 유인기이기 때문에 탑승감에서 오는 진동문제 때문에 Collective Pitch Control은 사용할 것이라고 생각된다.

PLANA - AAM Concept Image

 

위 기체들을 살펴보면 Collective/Cyclic Pitch Control이 필요할 것으로 생각한다.

저렴하게 연구할 수 있는 기체 세팅을 위한 요구사항을 정리해보자.

---

요구사항 정의

스스로 정의하는 요구사항은 다음과 같다.

1. 수직이착륙이 가능해야한다.
2. 상용 기성품(COTS)을 활용하여 저렴하게 만들 수 있어야 한다. (사실 이게 제일 중요하다)
3. 실 기체와 시뮬레이션을 만들고 구현하기 편한 플랫폼을 사용해야한다.
4. 비행 테스트를 위해 10분 이상 호버링이 가능해야한다.

 

1항으로부터 Dead-weight 이 없는 구성이면 V-22의 Tilt Twin-rotor 혹은 Tilt Tri-rotor 구성이 좋다.

멀티로터 모드에서 제어가 가능하기 위해서, 일부 로터는 Cyclic Pitch Control이 가능해야한다.

 

2항으로부터 조사하면 Cyclic Pitch Control 이 되는 구조물을 구매하기 위해 조사해보면 다음과 같다.

450 급 로터 어셈블리, 3~5 Paddle : 4.5~6.0만원

https://ko.aliexpress.com/item/10000234737052.html

450 급 로터 어셈블리, 2 Paddle : 5.2 만원

ko.aliexpress.com/item/1005002776090966.html

500 급 로터 어셈블리, 2 Paddle : 6~8만원

https://ko.aliexpress.com/item/1005002051639865.html

500 급 로터 어셈블리, 4 Paddle : 10 만원

https://ko.aliexpress.com/item/1005005863064214.html

550 급 로터 어셈블리, 2 Paddle : 8.7 만원

https://ko.aliexpress.com/item/1005004733951305.html

600 급 로터 어셈블리, 4 Paddle : 24 만원

https://ko.aliexpress.com/item/1005003766224321.htm

대략적으로 살펴보았을 때, 500 급을 넘어가면 가격이 급상승하는 것을 확인했다.

또한 Paddle 갯수 조절을 위해서 450~500 급으로 선택하는 것이 좋다.

 

로터 어셈블리가 견딜 수 있는 하중 조건은 분석하기 어렵다.

해당 급수에서 사용하는 MTOW와 모터의 전력 소모의 분석으로부터 전력 계통의 설계 목표를 정의할 필요가 있다.

 

3항으로부터 Open-Source Flight Control SW 인 Ardupilot과 PX4를 놓고 볼 수 있다.

두 플랫폼 모두 시뮬레이션과 실 기체가 연동되어 개발이 가능하다.

그러나 항공기에서는 검증이 중요하기 때문에 시뮬레이션 지원내용이 강한 PX4를 선택한다.

두 플랫폼 모두 VTOL 세팅을 해서 날린 이력이 있다.

Ardupilot : https://discuss.ardupilot.org/t/e-flite-convergence-using-matek-f405-wing/35810/8

PX4 : https://docs.px4.io/main/en/frames_vtol/tiltrotor.html

 

설계 목표 정리

요구사항으로부터 정리한 설계 목표는 다음과 같다.

1-1. Twin/Tri Tilt-rotor 개념의 형태

2-1. 450~500 급의 로터 어셈블리 사용

2-2. 하중 관점에서 로터 어셈블리가 허용가능한 프로펠러 선정

2-3. 추진 시스템으로부터 모터 및 전력 계통 설계

3-1. 시뮬레이션으로 Multi-vehicle Sim을 염두해두고 Gazebo를 타겟으로 개발

3-2. Gazebo에서 Collective/Cyclic Pitch Control이 가능한 헬기 시뮬레이션 모델 구현

3-3. Tilt-rotor 타입의 제어 아키텍쳐의 분석 및 수정

 

---

 

다음 글은 설계 목표 2-1, 2-2를 달성하기 위한 450급 로터 어셈블리의 최대 추력을 분석해볼 것이다.

2편 : 나만의 틸트로터 만들기 2 - 로터 어셈블리 한계 하중 추정, https://stella47.tistory.com/460

 

** EOF **