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RC(Radio-Controlled) 항공기 알아보기
2015.06.16 18:43

RC(Radio-Controlled) 항공기 알아보기 - 2. RC 항공기의 구조와 기자재

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 RC 항공기는 실제 항공기의 모형에 해당하지만 기본적인 구조는 크게 다르지 않습니다. 그래서 각 부위의 이름도 동일한 것을 사용합니다. RC 항공기의 각 부위에 대한 명칭은 아래 그림을 통해 확인하실 수 있습니다.


Plane.jpg



Heli.jpg


 각 그림은 엔진을 사용하는 RC 항공기에 대한 것이지만 전동기의 경우 엔진 관련 부분이 모터, 전자변속기, 배터리로 대체된 것을 빼면 동일한 구조를 가집니다. 굉장히 복잡한 것처럼 보이기도 하지만 실제로 RC 항공기를 다루다 보면 쉽게 외우게 되죠. RC 항공기의 구성을 크게 나누어 보면 동력을 제공하는 부분, 기체, 양력을 발생시키는 날개로 구분됩니다. 이는 비행기와 헬리콥터가 동일하고 날개 부분만 비행기의 경우 고정익이, 헬리콥터의 경우 회전익이 적용된 차이만 있다고 보시면 됩니다. 전동기의 경우 동력 시스템은 모터, 전자변속기로 구성됩니다. 모터는 대부분 일반적인 DC 모터가 아닌 높은 전력 밀도를 가지는 brushless DC(BLDC) 모터가 사용됩니다. 특히 RC 항공기용 모터는 크기와 무게 대비 큰 출력을 내기 위해 단시간 동안 매우 높은 전력으로 구동됩니다. 전류의 경우도 조약돌 만한 모터가 수 십 A의 전류를 소비하는 수준입니다. 모든 종류의 모터가 그렇듯 BLDC 모터 또한 부하에 의해 소비 전류가 결정되며 이러한 부하는 프로펠러의 직경과 피치, 날 수에 의해 결정됩니다. 보통 각 모터 별로 정격 전압과 권장 프로펠러 사이즈가 정해진 표가 제공됩니다. 모터에 적합하지 않은 프로펠러는 효율을 떨어트리거나 많은 열을 발생시켜 모터를 태울 수 있습니다.


emax bldc.jpg

일반적인 형태의 RC 항공기용 outrunner BLDC 모터


 전자변속기(Electric speed controller, ESC)는 엔진 시스템의 변속기와 같이 모터의 회전 속도를 바꿔 줍니다. 모터의 속도는 수신기로부터 받은 신호로부터 결정합니다. 전자변속기가 기계 변속기와 다른 점은 감속비가 아닌 전기적 신호를 통해 모터의 속도를 조절한다는 점입니다. 사실 일종의 BLDC 모터 드라이버라고 할 수 있습니다. 전자변속기는 모터의 속도 제어 뿐만이 아닌 전동 시스템 전체에 전원을 공급하는 역할도 합니다. 보통 BEC(Battery eleminator circuit)라고 하는 전압 강하 모듈을 내부에 장착하고 있어 배터리로부터 오는 높은 전압을 수신기나 서보가 사용 가능한 저전압으로 낮춰 줍니다. 예전의 엔진기 같은 경우에는 BEC가 존재하지 않았기 때문에 수신기와 서보를 동작시키기 위한 배터리를 별도로 장착하였습니다. 전자변속기에 내장된 BEC는 최대 전류가 큰 편은 아니기 때문에 대형 전동기나 다수의 서보가 사용되는 경우에는 별도의 외부 BEC를 장착하게 됩니다. 변속기는 모터가 소비하는 최대 전류보다 큰 용량을 가진 것을 골라야 합니다. 모터 소비 전류가 변속기의 용량을 초과하는 경우에는 변속기 내부의 전력 제어 소자들이 타 버리며 RC 항공기 자체가 불에 휩싸이는 참사를 맞게 될 수도 있습니다. 전자변속기의 연결은 +, - 두 가닥짜리 선을 배터리에, 굵은 세 가닥짜리 선은 모터에, 가는 세 가닥짜리 선은 수신기에 연결합니다. 모터가 돌아야 하는 방향의 반대로 도는 경우에는 모터에 연결한 선 중에서 아무 것이나 두 가닥을 바꿔 끼거나, 변속기 자체에서 회전을 반대로 하도록 프로그래밍하면 됩니다.


esc.jpg

일반적인 RC 항공기용 BLDC 전자변속기


 배터리는 전동 RC 항공기의 밥줄이자 관리하기가 가장 까다로운 부품입니다. RC 항공기는 어느 어플리케이션 보다도 높은 무게 대비 전력이 요구됩니다. 그래서 RC 항공기용 배터리들은 일반적인 배터리에 비해 자기 용량 대비 허용 전류를 나타내는 특성인 '방전율'이 매우 높습니다. 최근의 RC 항공기에는 대부분 리튬-폴리머 배터리가 사용되며 배터리 내구성이 요구되는 경우 제한적으로 리튬-인산철 배터리가 사용되고 있습니다. RC 항공기용 배터리들은 전용 충전기를 이용해서 충전하게 되며 충전기 값은 다른 기자재에 비해 높은 편입니다. 전용 충전기는 배터리의 최대 전압, 충전 전류, 온도, 셀간 전압 편차를 제어하며 일반적인 아답터 등으로 배터리를 충전하면 화재가 발생할 가능성이 매우 높습니다. 일반적으로 배터리의 사용 과정은 배터리의 전압, 전류, 과충전, 과방전, 셀간 전압 편차, 온도, 계절별 관리, 충격 등에 대한 종합적인 관리가 필요합니다. 여기서 전부 언급하기에는 분량이 많으니 배터리의 사용과 관리에 대해서는 개별적으로 다루도록 하겠습니다.


battery.jpg

RC 항공기에 사용되는 리튬폴리머 배터리 팩


 자동 비행을 하는 UAV가 아닌 경우 RC 항공기는 지상에서 조종자가 직접 명령을 내려 움직입니다. RC 항공기에 명령을 전달하는 전파 조종 시스템은 송신기와 수신기로 구성되어 있습니다. 예전에는 송신기 쪽에서 수신기 쪽으로 한 쪽으로만 명령을 전달하였지만 요즘에는 수신기 쪽에서 송신기 쪽으로 각종 정보를 전달하는 양방향 통신도 활성화되어 있습니다.


 송신기의 성능 지표는 여러 가지가 있지만 대표적으로 몇 가지 명령을 내릴 수 있는지가 중요합니다. 명령을 보낼 수 있는 가상의 통로를 '채널'이라고 부르며 채널 수에 따라 송신기의 가격도 많은 차이가 납니다. RC 항공기의 사용하는 채널 수는 비행기는 4채널, 헬리콥터는 6채널이 가장 일반적입니다. 비행기의 경우 모터의 출력 조절(스로틀), roll(에일러론), pitch(엘레베이터), yaw(러더) 동작에 4채널을 사용하고, 헬리콥터의 경우 모터의 출력 조절(스로틀), 로터의 회전면을 기울이는 서보 3개 각각 1채널씩, 메인로터의 피치 조절, 테일로터의 피치 조절에 6채널을 사용합니다. 비행기의 타면 각도 조절과 달리 헬리콥터의 로터의 회전면 기울기 조절은 송신기의 한 가지 조작이 한 부품만 움직이지 않습니다. 예를 들어 로터의 회전면을 앞뒤로 기울이려는 경우 송신기에서는 피치 레버 하나만 조작하지만 헬리콥터 쪽에서는 3개의 서보가 동시에 움직입니다. 이런 식으로 송신기의 한 가지 동작이 수신기의 여러 채널을 동시에 움직이는 것을 믹싱(mixing)이라고 합니다. 믹싱은 송신기에서 제공하는 기능이며 완구형이나 저가형 송신기에서는 제공하지 않는 경우가 많습니다.


 수신기는 작은 3핀 짜리 커넥터를 여러개 꽂을 수 있는 헤더가 있고, 안테나가 나와 있는 작은 박스 모양의 부품입니다. 꽂을 수 있는 헤더핀의 수는 수신기의 채널 수만큼 있으며, 일부 수신기의 경우 엔진기에 사용할 시 수신기 배터리를 따로 꽂을 수 있는 여분의 헤더가 있기도 합니다. 3번 채널에는 변속기 커넥터를 연결하여 변속기에 신호를 보내면서 BEC로부터 전원을 공급받습니다. 보통 채널 번호별로 어떤 기능을 하는지는 편의상 미리 정해져 있다고 보시면 됩니다.


 물리적으로 명령을 전달하는 과정은 각 조작 레버의 위치가 전기적 신호로 변환되고, 이것이 변조되어 전파 형태로 보내진 다음 수신기에서 역변조를 통해 명령을 읽고 각 부품에 동작 신호를 보내는 식입니다. 여기서 전파를 통해 신호가 전달되는 과정으로부터 radio control이라는 용어가 비롯된 것입니다. 송수신기에 관한 나머지 부분에 대해서는 다음 번에 별도 항목에서 자세히 설명드리도록 하겠습니다.


txrx.jpg

Futaba사의 T8FG Super 14채널 송신기와 R6208SB 8채널 수신기


 송신기로부터 명령을 받아 실제로 RC 항공기의 제어 기구를 움직이는 것은 서보모터, 줄여서 서보라고 하는 전동 액추에이터입니다. RC용 서보는 일반적인 산업용 서보모터에 비해 구조가 간단하며 가볍지만 위치 정밀도가 떨어지는 특징이 있습니다. 서보는 내부에 동력 발생을 위한 소형 모터를 가지고 있으며 감속을 위한 기어박스와 위치 결정을 위한 potentiometer, 내부 회로 등으로 구성되어 있습니다. 서보는 일반적인 모터처럼 전원을 투입한다고 해서 바로 돌아가지 않습니다. 서보에는 3가닥의 선이 나와 있는데 이는 전원선 두 가닥과 신호선 한 가닥으로 이루어져 있습니다. 전원선에 전원이 공급되는 상태에서 신호선에 정해진 주기와 duty cycle을 가진 PWM 파형을 넣어 주면 출력 축이 해당 신호에 맞는 위치로 이동하게 됩니다. 일반적인 아날로그 RC 서보는 위치 피드백이 되지 않기 때문에 위치를 유지하려면 신호를 지속적으로 보내 주어야 합니다.. 디지털 서보라고 하는 종류의 서보들은 파형을 한 번만 입력하여도 자신의 위치를 유지하는 특징이 있습니다. 서보의 출력 축에는 horn또는 arm이라고 부르는 플라스틱이나 금속제 기구가 달려 있으며 여기에 와이어나 rod를 연결하여 원하는 부분의 운동을 제어하게 됩니다. 예전엔 한 개당 몇 만원에 이르는 고가의 부품이었지만 지금은 수 천원짜리 중국산 서보가 매우 흔해졌습니다. 이들은 좌우 회전 뒤 복귀지점이 각각 다르다거나 내구성이 약하다는 등의 문제점이 많지만 매우 싼 가격 때문에 많은 이들이 애용합니다. 보통 손가락과 눈에 의지하는 RC 항공기 조종에서는 큰 문제가 아니지만 UAV를 제작하거나 오토파일럿을 적용하는 경우에는 정밀도가 생명인 만큼 검증된 메이커의 서보를 사용하는 것이 좋습니다.


sg90.jpg

RC 비행기에 많이 사용되는 저가형 서보


 그 밖에 RC 항공기를 구성하는 대표적인 부속으로는 프로펠러 또는 로터블레이드, 링키지 부품 등이 있습니다. 비행기에 장착되는 프로펠러는 매우 고속으로 회전하기 때문에 보통 모터 축에 바로 끼우지 않고 프롭 어댑터라는 별도의 부품을 이용해 고정합니다. 프로펠러는 고속 비행용과, 저속 비행용이 구분되어 있으며 회전 속도와 풍량에서 차이를 보입니다. 또한 직경과 피치에 따라 같은 제조사에서도 매우 많은 종류의 제품이 나와 있습니다.


 헬리콥터의 로터블레이드는 프로펠러와 달리 날이 한개씩 별도로 분리되어 있습니다. 이는 로터블레이드가 전부 펼쳐졌을 때 너무 많은 공간을 차지하기도 하고, 충격을 받았을 때 접혀질 수 있도록 되어 있기 때문입니다. 로터블레이드를 평소에 접어 두었다가 어느 정도 대충 편 상태에서 돌리면 원심력에 의해 완전히 바깥으로 펴지게 됩니다. 일반적인 6채널 RC 헬리콥터는 체급이 규격화되어 있고 로터 자체에서 피치를 조절할 수 있기 때문에 로터 길이는 상당히 적은 종류로 규격화되어 있습니다. 예를 들어 흔하게 접할 수 있는 450급 전동 헬리콥터의 경우엔 블레이드 하나의 길이가 325mm인 것을 사용합니다.


 프로펠러나 로터블레이드는 대부분 플라스틱으로 제작됩니다. 조금 더 비싼 것은 내부에 섬유를 넣어 플라스틱으로 굳힌 FRP나 carbon composite로 된 것도 있습니다. 드물기는 하지만 대형기나 엔진기의 경우에는 나무에 금속으로 보강된 것을 사용하기도 합니다.


 링키지 부속들은 RC 항공기 내에서 실제 구동이 필요한 부분과 서보를 연결해 주는 부품이며 몇 가지 방식들이 가격이나 취향에 따라 사용되고 있습니다. 가장 간단한 것은 강철선을 Z자로 구부려 서보 혼과 타면의 혼을 연결하는 것이 있습니다. 이런 방식은 매우 간단하지만 길이를 조절할 수 없다는 문제점이 있습니다. 정밀한 길이 조절이나 유지 보수를 쉽게 하려는 경우엔 rod-end-adjuster 또는 linkage stopper라고 불리는 부품을 사용하여 와이어나 막대를 통과시킨 뒤 렌치 등으로 고정시킬 수 있습니다. 아니면 링키지 로드 자체에 나사산을 내어 회전을 통한 길이 조절을 하는 것도 있습니다. 체결 부분에서도 Z자로 꺾지 않고 clevis라는 별도의 부품을 사용하여 유격을 줄이고 연결을 확고하게 하기도 합니다. 헬리콥터의 경우 ball과 cage로 되어 있는 ball joint 링키지 연결 부품을 많이 사용합니다.


prop.jpg carbonblade.jpg

RC 항공기에 사용되는 프로펠러와 로터블레이드


linkage.jpg

Z형 링키지 로드 끝단



ballandthread.jpg     clevis.jpg    stopper.jpg

여러 가지 링키지 부품들. 좌측부터 ball joint, clevis, linkage stopper.


 여기까지 RC 항공기의 기자재에 대해 간략히 다루었습니다. RC 쪽에서는 기자재라는 단어의 실제 의미와 약간 다르게 전기가 들어가는 모터, 변속기, 배터리, 송수신기, 서보만 기자재로 분류하고 나머지는 부속 취급하기도 합니다. 이 다음부터는 주요 기자재들에 대해 각각 자세히 알아 보도록 하겠습니다.


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