*** MAV 설계 포인트 ***

[snaproll]

일반적인 소형 수신기, 서보, 모터와 함께 리튬폴리머의 대중화로 25~30cm급 MAV를 비행하는 것은 이제 아주 쉬운 일이 되었습니다.

그동안의 경험을 바탕으로 15~25cm급 MAV의 설계 포인트를 정리해 보았습니다.

1. 미익기와 무미익기 (無尾翼機, 全翼機, Flying Wing)

빠른 속도로 비행하는 MAV는 무미익기가 유리합니다.
수평미익은 속도관성에 의해 안정성을 유지하는 것입니다.
굳이 수평꼬리 날개를 두어 항력을 증가시킬 필요는 없습니다.
S-캠버의 익형으로 날개의 뒷부분이 세로안정성을 지켜줍니다.
그러나 빠른 속도를 가진 MAV는 핸드런치로 이륙시에 실패확률이 매우 높습니다. 또한 비행속도가 빠른 만큼 기동과 자세반응도 빨라서 약간의 키에도 순간적으로 자세를 잃기 쉽습니다.
조금만 비행하여 진행하면 금방 50m 이상 멀어지게 됩니다.
이 거리에서는 순간적으로 자세를 파악하기가 매우 어려워서 조종자가 당황하게 되어 추락의 위험이 매우 높아집니다.

아래 그림은 전형적인 무미익 MAV의 개념 설계도 입니다.

느리고 쉬운 비행을 하려면 수평꼬리날개가 있는것이 좋습니다.
수평미익은 최대받음각에서 실속을 상당히 지연시켜 줍니다.
수평미익이 있더라도 꼬리까지의 길이가 짧아 모멘트볼륨 (수평꼬리날개의 면적 x 공력중심과의 거리)이 작아지므로 미익의 크기는 적당히 커야 합니다.
일반적인 모형비행기의 꼬리날개는 주익면적의 1/6~1/8 이지만 이 정도 급의 MAV는 1/4~1/5 은 되어야 한다는 생각입니다.
역시 적당히 큰 수평미익이 있더라도 날개의 익형은 어느정도 S-캠버 형태를 가져야 합니다.

아래 그림은 익면적을 최대화 하고 미익을 사용하여 저속 안정성을 높인 MAV의 개념 설계도 입니다.

2. 익단 비틀어 내림 (Wash Out)

비행시험 결과 이 정도로 작은 기체에서도 Wash Out는 가로안정성에 큰 도움을 가져옵니다.
익근과 익단의 익형을 다르게 하는 것도 가로안정성 유지 방법중의 하나입니다.

3. 익형 (Airfoil)

빠른 속도로 비행하는 무미익기의 익형은 제대로 형태를 갖추어야 합니다.
참고로 건국대 MAV인 SPOT 기체의 익형은 Eppler182(익근), Eppler186(익단)을 사용합니다. (아래 사진)

 

상대적으로 저속으로 비행하면서 수평꼬리날개를 가진 기체는 익형의 아랫면이 파인 언더캠버로 하거나 익형의 아랫면이 없고 윗면만 있는 익형이 바람직합니다.
어느정도 항력이 발생하여 속도를 줄여 주면서 최대한의 양력을 발생시켜주기 때문입니다.

아래의 사진처럼 의외로 단순한 익형이 비행에는 도움이 될수도 있습니다. 저속형으로 설계된 MAV 입니다.

4. 붙임각 (Incidence Angle)

붙임각 역시 기체의 비행성격(비행속도)에 따라 크게 달라집니다.
어차피 MAV는 작은 레이놀즈 영역이고 익하중이 상대적으로 높아서 익형에 의한 양력발생 만으로는 비행이 곤란합니다.
붙임각 2도 내외의 일반적인 모형비행기와는 달리 비행속도에 따라 4~6도 정도의 큰 붙임각이 필요합니다.

5. 추력 (Thrust)

정지추력을 기체 총무게로 나눈값을 무게대추력비(Power/Weight Ratio)라고 합니다.
일반적인 모형비행기는 20~40%의 추력비를 가지고도 수평비행이 유지 되지만 높은 익하중과 큰 붙임각을 가지고 있는 MAV는 추력의 상당부분은 항력으로 손실되기 때문에 비교적 높은 추력비를 가져야 합니다.
25~30cm급 MAV는 40% 정도의 추력비에서 수평비행이 되지만 15~20cm급 MAV는 50~70% 정도의 추력비에서 겨우 수평비행을 합니다.
물론 기체크기와 익하중에 따라 필요한 추력비도 크게 달라집니다.

6. 하향 트러스트 (Down Thrust)

고속형 MAV는 적은 붙임각과 고속익형으로 추력의 여유가 있어도 되지만 저속형 MAV는 큰 붙임각으로 인해 추력이 남는 경우에는 Full Throttle에서 기수를 드는 현상이 크게 발생합니다.
이를 상쇄 시키기 위해서는 많은 Down Thrust가 필요하게 됩니다.
기체의 성격(비행속도)과 추력비에 따라 3~10도의 큰 Down Thrust를 갖도록 하여야 하는데 역시 많은 비행시험을 통해 결정되어야 할 부분입니다.

7. 익하중 (Wing Loading)

역시 가장 민감한 부분이 익하중이 아닐까하는 생각입니다.

* 최대길이 30cm급의 익하중 이 크기라면 최대 익면적을 5dm2 정도로 만들수 있습니다.
일반적인 모터와 감속기, 프로펠러, 서보, 수신기를 사용하면 배터리 포함 장비의 무게가 90g 정도이고 기체무게를 30g 정도로 하면 총무게가 120g이 됩니다.
120g / 5dm2 = 24 g/dm2 으로 위에 언급한 부분의 설계가 적절하면 아주 여유있게 비행이 됩니다.
50g의 추를 더하더라도 170g / 5dm2 = 34 g/dm2 로 어렵게나마 그럭저럭 비행이 됩니다.
이 정도 크기의 기체에서는 익하중 20~30g/dm2 에서 비행이 됩니다.

* 최대길이 20cm급의 익하중 이 크기라면 최대 익면적이 2.2dm2 정도 밖에 안됩니다.
40~50만원의 고가의 모터와 감속기, 프로펠러, 서보, 수신기를 사용하더라도 배터리 포함 장비의 무게가 30~45g 정도이고 기체무게를 20~25g 정도로 하면 총무게가 50~70g이 됩니다.
50~70g / 2.2dm2 = 23~32 g/dm2 으로 위에 언급한 부분의 설계가 적절하더라도 비행이 매우 어렵습니다.
같은 익하중이라도 기체크기가 작아지면 비행성이 아주 나빠지기 때문입니다.
이 정도 크기의 기체에서는 익하중 15~20g/dm2 에서도 비행이 쉽지 않습니다.

8. 기체강성

계속적인 시험비행을 통해 기체를 수정하려면 어느정도 기체의 강성이 있어야 합니다.

아래의 사진은 모형비행기 프로이신 조철님의 기체로 FRP로 제작되어 상당한 강성을 가집니다.
그러나 이런 경우에도 착지시 모터의 손실은 각오하여야 합니다.

9. 비행

익하중이 높은 기체는 적당한 기속이 확보될때까지 항상 실속의 위험에 직면하고 있습니다.
손으로 던져서 이륙시에 이 점이 문제가 되므로 가급적이면 발사장치(Launcher)를 사용하느 것도 좋은 방법입니다.
익하중이 높은 기체는 선회시 뱅크(기울임각)를 많이 주게 되면 속도가 있어도 사이드 슬립과 함께 스핀으로 말려 버리는 현상이 발생합니다.
따라서 익하중이 높을 때에는 뱅크를 적게 주며 서서히 달래주듯이 선회하여야만 합니다.
급격한 기동은 금물입니다.

아래의 사진은 날개길이 170mm, 187mm(최대길이 200mm, 220mm)의 미익을 가지고 있는 중/저속형 MAV입니다.

워시아웃이 있고 수평꼬리날개가 있는 기체는 안정성 측면에서도 상당히 유리합니다.

아래 사진은 날개길이 170mm(최대길이 200mm)로 가장 저가의 일반적인 장비만을 사용한 미익을 가지고 있는 중/저속형 MAV로 총무게 58g, 익면적 2.3dm2, 익하중 22g/dm2 인데 추력이 조금 부족하였습니다. 저속성능과 안정성이 뛰어나 조종자에게 접근하여 최대 받음각으로 저속으로 끌고 들어와 발앞에 착지시키는 것이 가능합니다. 그러나 전압을 높여 추력을 증가시키면 최대트로틀에서 기수들림현상이 발생하고 안정성이 떨어져 조종성이 나빠집니다.

아래 사진은 날개길이 187mm(최대길이 220mm)로 위의 기체를 개선하고 역시 가장 저가의 일반적인 장비만을 사용한 MAV로 극도로 무게를 줄여 총무게 40g, 익면적 2.7dm2, 익하중 15g/dm2 인데 역시 추력이 부족하고 기체가 너무 약해 비행 할때마다 보수를 하여야 합니다.

10. 결론

위에 언급한 아홉가지 요소들은 서로 밀접한 상호 연관성을 가지고 있습니다. 따라서 종합적으로 검토가 배려 되어야만 합니다.

자신의 조종능력에 따라 기체성격을 정하고 투자비용등을 고려하여 기체크기와 비행임무(비행시간)등의 목표를 정해 이에 걸맞는 MAV를 만들어 보십시요. 무엇보다도 경험이 중요합니다. 물론 시행착오를 줄이려면 이런 설계 포인트를 최대한 참고하는것이 바람직 할겁니다.

MAV와 유사한 기체를 즐기는데 도움이 되었으면 하는 마음으로 나름대로의 Knowhow를 주저하지 않고 공개하였습니다.
이 정도의 포인트만 짚고 있어도 어느정도는 도움이 되리라고 확신합니다.

이 외에도 세세한 많은 것들이 있지만 글로 다 표현하지는 못하겠군요.
아무쪼록 즐거운 비행 바랍니다!!!