드론, 시끄럽지 않으신가요?
다양한 드론 프로펠러
대형드론의 붕붕 하고 울리는 묵직한 느낌의 프로펠러 회전음, 레이싱 기체의 위이잉~ 하는 귀를 찢는듯한 소리, 움직이는 물체가 당연히 소리를 내지만 드론의 바람을 가르는 날카로운 소리를 많이 거슬려 하는 분들이 많습니다. 이 소리는 잘 아시다시피 회전하는 프로펠러와 공기가 부딪쳐 나는 소리입니다.
드론을 좋아하지 않는 일반인에게는 귀에 거슬리는 소리이지만, 저에게는 솔직히 공기를 찢는 듯 한 이 소리가 너무 시원하고 경쾌해 드론을 날릴 때마다 스트레스가 확 풀립니다. 저만 그런 건 아니죠? ^^
일반인 분들에게 이 소리가 귀에 거슬리는 이유로 요즘에는 저소음 프로펠러들도 많이 나오고 있습니다.
일반형 프로펠러
저소음 프로펠러저소음 프로펠러는 위의 사진처럼 날개 끝부분이 회전하는 반대방향으로 구부러져 있습니다. 날개 끝부분이 구부러져 있는 이유는 날개 중심에서 가장 멀리 있는 부분이 가장 빠르게 회전해 공기와 가장 강하게 부딪히기 때문에, 이 소음을 줄이기 위해 끝단의 모양을 변형시켜서 제작을 합니다.
그래서 드론 제작업체들은 공기와 가장 세 개 부딪히는 부분인 프로펠러 끝단의 모양을 설계하는 데 많은 공을 들이고 있습니다.
드론 프로펠러는 규격, 강도, 뒤틀린 정도, 디자인, 가격 등 다양한 여러 가지 요소에서 차이가 많습니다. 실제로 여러 가지 드론을 이용해 비행하다 보면 프로펠러의 종류에 따라 많은 차이가 있는 드론이 있고 또, 별다른 차이가 없는 프로펠러들도 있습니다. 이런 많은 특징을 가지고 있는 프로펠러중 내 드론의 용도에 맞는 프로펠러를 선택해 직접 사용하기란 정말 쉽지 않습니다.
자! 그러면 오늘은 비행을 위한 필수 아이템인 프로펠러에 대해 함께 살펴보겠습니다.
프로펠러의 규격
먼저 프로펠러의 규격에 대해서 알아보죠. 위 사진의 프로펠러를 살펴보면 규격을 알려주는 네 가지 숫자(XXYY)를 볼수 있습니다.(대부분의 드론 프로펠러에 이 4가지 규격이 기입되어 있습니다.), 자세히 보니 5045라고 적혀 있네요
앞에 적힌 50이라는 숫자는 프로펠러의 회전지름을 의미합니다. 그리고 뒤에 적힌 45라는 글자는 프로펠러가 한 바퀴 회전할 때 나아가는 거리인 피지(Pitch)를 의미합니다.
다시 말하면 5045는 프로펠러가 그리는 원의 지름이 5.0인치이고, 프로펠러의 1회전에 따른 이동거리는 4.5인치인 제원을 가진 프로펠러라는 뜻입니다. 이 네 가지 숫자는 프로펠러의 길이와 피치를 알려주고 있는 매우 중요한 기본 정보입니다.
프로펠러가 기체를 공중으로 띄워 올리는 원리
아시다시피 프로펠러는 떠오르는 힘, 즉 양력(揚力)을 만드는 절대적인 도구입니다. 프로펠러의 단면을 보면 기본적으로 바가지를 뒤집어 놓은 모양을 하고 있습니다.
한번쯤은 이름을 들어봤음직한 베르누이라는 과학자가 실험을 통해서 바람이 빠르게 흐르는 지점은 다른 지점보다 압력이 낮아진다는 것을 알아냈습니다.
위 그림에서 아래의 빨간부분이 보이시죠? 바로 이 부분이 프로펠러의 모양과 닮아 보이지 않으신가요?
공기가 빠르게 흘러가는 프로펠러 위쪽이 날개 아래보다 압력이 낮고, 날개 아래 부분은 윗 부분에 비해서 상대적으로 압력이 높기 때문에 프로펠러를 위로 들어올리는(기체가 상승하게 되는) 양력이 발생하게 됩니다. 당연히 흐르는 공기가 빠를수록(프로펠러가 빠르게 회전할수록), 또 날개가 넓을수록 이 힘은 더욱 커지게 됩니다.
프로펠러의 비틀림 각도
위에서 설명한 피치(Pitch)는 프로펠러의 뒤틀림 각도에 의해서 달라집니다. 위 그림처럼 스크류 드라이버의 나사를 보면 피치 각도의 의미를 이해하기가 쉽습니다. 골 간격이 넓은 나사를 드라이버로 한번 회전하여 돌리는데 들어가는 깊이(이동거리)는 골 간격이 좁은 것보다 더 깁니다.
마찬가지로 동일한 길이의 프로펠러를 달고 있더라도 뒤틀림 각도가 크면 같은 회전수에 그만큼 더 많은 양의 공기를 밀어내 더욱 멀리 이동할 수 있게 됩니다.
더 쉽게 설명드려 볼까요? 위 그림에서처럼 왼쪽의 나사는 5바퀴를 돌리면 끝지점에 도착하지만, 오른쪽의 나사는 12바퀴를 돌려야 끝 지점에 도착합니다. 드론 프로펠러로 생각한다면 왼쪽의 나사못은 피치가 높은 것이고(더 작은 회전수로 더 멀리가기 때문에)
오른쪽의 나사못은 피치가 적습니다.(같은 거리를 가기 위해서는 더 많은 회전이 필요합니다.)
참고로 프로펠러가 같은 속도로 회전한다면 피치가 높은 왼쪽이 더 많은 추력(이동하는 힘)을 발생시켜주지만 그만큼 부하가 크게 걸리기 때문에 그만큼 큰 힘을 발휘하는 모터와 기타부품들이 필요합니다.
모터 성능이 뒷받침이 안 된 상태에서 피치가 큰 프롭을 끼우게 되면 모터에 무리가 가게 되는 이유입니다.
같은 의미로, 드론에 설치할 모터의 KV값이 높으면(회전수가 많기 때문에), 길이도 짧고 피치도 작은 프로펠러를 사용하는 것이 유리할 것이고, KV가 낮은 모터를 설치할 경우에는 길이가 길고 피치도 높은 프로펠러를 사용하는 것이 유리하게 됩니다.
소재에 관하여
프로펠러의 성능은 소재에 따라서(무르거나 강한 정도) 따라서도 영향을 받습니다. 최근 일반 플라스틱과 강화플라스틱이 대세를 이루고 있지만, 기체 사양에 따라서 카본, 나무재질도 있습니다.
나무 재질은 이전에 RC비행기에는 일부 사용되었지만 요즘에는 거의 없다고 보시면 됩니다.
프로펠러 소재의 특성 때문에 레이싱드론처럼 추락이나 부딪힘이 잦은 기체들은 잘 휘어지거나 잘 부러지는 일반플라스틱과 강화플라스틱을 주로 사용하고 있고, 무게가 비교적 무거운 촬영 드론이나 대형 드론의 경우 잘 휘어지는 소재의 프로펠러는 비행성에 악영향을 미칠수가 있어서 강도가 높은 강화플라스틱 소재를 많이 사용하기도 합니다.
요즘에는 카본 재질의 프로펠러가 인기를 끌고 있지만, 카본은 타 재질의 프로펠러에 비해 매우 단단해서 프로펠러가 물체에 부딪힐 경우 프로펠러가 잘 부러지지 않아 그 충격이 고스란히 모터와 기체에 전해지는 큰 단점이 있습니다.(잘 부러지지 않기 때문에 프로펠러와 사람이 부딪히면 더 크게 다칠 가능성도 매우 높아집니다.) 그래서 카본 재질의 프로펠러를 선택할때는 신중해야 합니다.^^
프로펠러 날개(블레이드)의 개수
프로펠러의 날개(블레이드) 숫자가 늘어날수록 이론상으로는 공기와의 접촉면이 늘어나기 때문에 더 많은 추력이 발생할 수 있습니다. 하지만 무조건 블레이드의 숫자가 많을수록 좋지만은 않습니다. 이론적으로는 날개의 갯수가 늘어날수록 추력이 늘어난다고 하지만, 날개의 개수에 정 비례해서 추력이 늘어나지 않고 오히려 효율이 떨어지는 경우도 생기기 때문입니다.
그래서 대형기체나 센서형(인스파이어, 매빅 등)의 기체는 2엽 프로펠러가 자리 잡았고, 그보다 작은 소형기체
인 레이싱 드론들은 3엽 프로펠러들이 주로 사용되고 있습니다.
요즘에는 2엽과 3엽 프로펠러가 거의 자리를 잡았다고 보셔도 무방합니다.
결국 프로펠러는 위에서 열거했다시피 드론의 모터가 회전하는 힘을 드론이 떠오를 수 있는 힘인 양력으로 바꿔주는 결정적인 역할을 하는 부품이며 프로펠러의 모양과, 길이, 비틀린 정도, 재질, 프로펠러 날개의 개수 차이에 따라서 생성되는 양력이 달라지기 때문에 자신이 날리고자 하는 기체 스타일에 맞는, 그리고 제작하고자 하는 기체에 맞는 프로펠러를 신중하게 잘 선택해야 하는 이유입니다.
그러면 프로펠러를 어떻게 선택해야할까?
결론적으로 프로펠러의 선택은 비행하는 드론 모터의 KV값과 사용자의 비행 목적과 용도에 맞춰서 결정해야 합니다.(사실 몇가지 고려사항이 더 있기는 합니다.) 또한 같은 길이와 피치를 가지고 있더라도 소재에 따른 차이 등이 많아서.. 프로펠러를 선택할 때 쉬운 방법은 기존사용자들의 리뷰를 참고해서 결정하는게 좋습니다. 말은 참 쉽죠?
다만, 상용 드론의 경우에는 기체 성능에 최적화된 프로펠러들이 연구되어 장착되어 나오기 때문에 선택의 고민은 없습니다. 혹시라도 직접 드론을 제작하려고 하시는 분이 있다면 프로펠러를 고르실 때 위의 항목들에 대해서 고민해보시며 프로펠러를 선택하시면 좋을 것 같네요.
직접 드론을 제작하지는 않더라도 이번 글이 우리의 소중한 드론의 프로펠러에 대해서 또 다시 알 수 있는 작은 기회가 되었으면 좋겠습니다.
이상으로 조그마하지만 드론 비행성능에는 매~우 큰 영향을 미치는 드론 프로펠러에 대한 글을 마치겠습니다. 감사합니다.
WRITER 김준완
드론에 대한 작은 관심으로 시작되어 현재는 드론을 경찰업무에 적용하기 위해 연구하는 전문적 학습공동체(폴드론 아카데미) 일원으로 경찰 실종자 드론수색업무를 하고 있으며 관련분야 연구를 하고 있습니다. kjunwan@hanmail.net
