[항공우주] 선풍기 날개? 드론/헬리콥터의 프로펠러/로터 원리와 특징

무서운 더위가 계속되는 요즘입니다.

돌아가는 선풍기를 가만히 쳐다보다
선풍기 날개를 보며 프로펠러의 원리에 대해
함께 알아보고자 오늘 이렇게 글을 씁니다.

A. 프로펠러 원리

모터나 엔진과 같은 동력장치에 의해 회전하며,
위 사진과 같이 프로펠러 면이 뒤틀려있어서
회전 시 베르누이 법칙에 의해
프로펠러 앞쪽이 뒤쪽보다 압력이 낮아집니다.

이에 따라 앞쪽의 공기가
프로펠러 뒤쪽으로 밀어지면서
작용/반작용으로 비행기를 앞으로 밀어
추력을 발생시킵니다.

프로펠러의 단면은 비행기의 날개 단면과 같은
에어포일 형상을 가지고 있습니다.

따라서 비행기는 앞으로 가면서 양력을 발생시키고,
프로펠러는 회전하며 양력을 발생시킨다고 이해하시면
위 원리 설명과 동일하겠습니다.

B. 프로펠러 종류

- 카본 : 강도 및 강성이 크면서도 가볍지만, 상대적으로 고가입니다.
- 목재 : 무게가 가벼우며 효율이 좋으나, 충격에 약합니다.
- 플라스틱 : 가격이 저렴하고 충격에 강하나, 강성이 작습니다.

따라서 보통 교육이나 레져용 드론은
플라스틱 프로펠러를 자주 사용합니다.

C. 프로펠러 규격

<기본규격>
직경x피치 = DxP (inch, 인치)

a) 직경(D) : 프로펠러가 만드는 회전면의 직경입니다.
직경이 클수록 큰 추력이 발생 가능하나,
회전에 필요한 엔진의 힘이 강해야하므로
엔진의 크기가 커질 수 있습니다.

b) 피치(P) : 프로펠러의 기하학적 뒤틀림입니다.
수치의 척도는 가상의 유체 내에서
프로펠러가 1회전 했을 때
프로펠러가 전진한 거리를 나타냅니다.

피치가 클수록 프로펠러가 많이 뒤틀려있으며,
따라서 밀어내는 유체의 양이 큽니다.
고속의 비행체일수록 일반적으로 피치를 크게 사용하여
회전 당 밀어내는 기체의 양을 늘려
추력효율을 향상시킵니다.

D. 프로펠러 특징

프로펠러의 회전 중심과 무게중심이
일치하지 않을 경우에는
동체 전체에 진동이 발생하기도 하는데요.

이는 모터축 및 베어링에 피로를 누적시켜
부품의 수명 단축과
동체의 센서에 오차를 발생시킵니다.

따라서 프로펠러의 진동을 최소화하기 위해
회전과 무게의 밸런싱이 필요하죠.

또한 프로펠러는 회전방향에 따라
시계방향(CW)과 반시계방향(CCW)으로 나누는데요.

돌림힘(토크)의 작용/반작용으로 인해
동체의 회전 안전성을 보장하려면
프로펠러의 회전방향 또한 고려해야 합니다.

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프로펠러의 형상은 은행나무 씨앗을 보고
설계했다고 하는데요.

그 작고 스스로 움직이지도 못하는 생명체가
공기를 이용해 비행할 수 있는 능력이
스스로 얻어졌다고는 결코 믿을 수 없군요.

오늘도 조물주의 지혜에 감탄하며
포스팅을 마칩니다.