21.27 다중 로터의 공기역학적 간섭 (Aerodynamic Interference of Multiple Rotors)

21.27 다중 로터의 공기역학적 간섭 (Aerodynamic Interference of Multiple Rotors)

1. 다중 로터 시스템의 공기역학적 특성

멀티로터(multirotor) 비행체는 다수의 로터를 동시에 운용하여 추력과 모멘트를 생성하며, 각 로터의 후류(wake)가 인접 로터 및 기체와 상호 작용하는 복잡한 공기역학적 환경에서 운용된다. 이러한 로터 간의 공기역학적 간섭(aerodynamic interference)은 개별 로터의 성능을 고립 조건(isolated condition) 대비 변화시키며, 비행체 전체의 추력 효율, 동력 소비, 비행 안정성에 영향을 미친다.

일반적으로 다중 로터 시스템에서 로터 간 간섭에 의해 개별 로터의 추력이 고립 조건보다 감소하고 요구 동력이 증가하는 경향이 있다. 이러한 간섭 효과의 크기는 로터 간 간격, 상대 배치(수평, 수직, 경사), 회전 방향, 비행 상태(호버링, 전진 비행, 상승/하강) 등에 의해 결정된다.

2. 수평 배치 로터의 간섭: 호버링 조건

멀티로터의 표준적 구성에서 로터들은 동일 수평면에 배치된다. 호버링 조건에서 수평 배치 로터 간의 간섭은 주로 인접 로터의 유도 유동(induced flow)에 의한 영향이다.

인접 로터가 생성하는 하향류(downwash)는 이웃 로터의 유입 유동 조건을 변화시킨다. 특히 로터 디스크의 겹침 영역(overlapping region)이 존재하면, 한 로터의 후류가 인접 로터의 디스크 일부를 직접 통과하여 국소적으로 유효 유도 속도를 증가시키고 추력을 감소시킨다.

실험적 연구에 따르면, 일반적인 쿼드로터 구성에서 호버링 시 개별 로터의 추력은 고립 조건 대비 약 2~6% 감소한다. 이 손실은 로터 간 간격이 작을수록(로터 직경 대비 축 간 거리 비율이 낮을수록) 증가한다 (Theys et al., 2016).

3. 수직 배치 로터의 간섭

코축(coaxial) 로터나 다층(stacked) 로터 구성에서 상부 로터의 후류가 하부 로터의 유입 유동에 직접적으로 영향을 미친다. 상부 로터의 하향류가 하부 로터의 유입 속도를 증가시켜 하부 로터의 유효 받음각을 감소시키고, 추력이 동일 회전 속도에서 현저히 감소한다.

코축 로터에서 운동량 이론에 의한 분석에 따르면, 하부 로터가 상부 로터의 완전히 수축된 후류 내에 위치한 이상적 조건에서 하부 로터의 유도 속도는 고립 조건보다 증가하며, 코축 로터 시스템의 총 동력은 동일 추력을 생성하는 두 개의 고립 로터 대비 약 22% 증가한다(동일 디스크 면적 가정).

실제로는 상부 로터 후류의 불완전한 수축과 와류 상호 작용으로 인해 이론적 예측과 차이가 존재하며, 상하 로터 간의 간격이 클수록 간섭 효과가 감소한다.

4. 로터 회전 방향과 간섭

멀티로터에서 인접 로터의 회전 방향은 공기역학적 간섭 특성에 영향을 미친다. 표준적인 쿼드로터 구성에서는 대각선 방향의 로터가 동일 방향으로 회전하고 인접한 로터가 반대 방향으로 회전하여, 전체 반작용 토크를 상쇄한다.

인접한 로터가 반대 방향으로 회전하면(counter-rotating), 로터 사이의 영역에서 유도 유동이 상방으로 향하는 경향이 있어 로터 간 간섭의 부정적 효과가 다소 경감될 수 있다. 반면, 동일 방향으로 회전하면(co-rotating), 로터 사이의 접선 유동이 강화되어 간섭 효과가 상이하게 나타난다.

코축 로터의 경우 상하 로터를 반대 방향으로 회전시키는 것이 표준이며, 이를 통해 반작용 토크를 상쇄하면서 후류의 회전(swirl) 성분도 부분적으로 회복하여 효율 개선에 기여한다.

5. 전진 비행에서의 간섭 효과

전진 비행(forward flight) 시 로터 간의 공기역학적 간섭 양상은 호버링과 현저히 달라진다. 전진 비행에서 로터의 후류는 비행 방향 후방으로 기울어지며(후류 경사, wake skew), 이에 따라 전방 로터의 후류가 후방 로터와 부분적으로 겹칠 수 있다.

전방 로터의 후류가 후방 로터를 직접 통과하면 후방 로터의 유입 조건이 악화되어 추력 손실이 발생한다. 이 효과는 비행 방향과 로터 배치의 관계에 따라 달라지며, X-형 멀티로터(비행 방향이 두 로터 사이를 향함)가 +형 멀티로터(비행 방향이 한 로터를 향함)보다 전진 비행에서 간섭 효과가 적은 경향이 있다.

6. 후류-기체 간섭

로터의 후류는 기체 동체(fuselage), 착륙 장치, 페이로드 등과 상호 작용하여 추가적인 항력과 유동 교란을 유발한다. 호버링 시 로터의 하향류가 기체 하부에 충돌하여 항력을 발생시키며, 이는 추가적인 요구 동력(기생 동력)의 원인이 된다.

기체 형상의 공력적 설계는 후류-기체 간섭을 최소화하는 데 기여할 수 있다. 유선형 동체, 로터 아래 개방 구조, 공력적 페어링(fairing)의 적용이 이에 해당한다.

7. 간섭 해석을 위한 수치적 방법

다중 로터의 공기역학적 간섭을 해석하기 위한 수치적 방법은 다양한 충실도(fidelity) 수준에서 존재한다:

자유 와류 방법(free vortex method): 각 로터 블레이드에서 방출되는 끝 와류와 시트 와류를 라그랑주적으로 추적하여 후류 구조의 시간적 발전을 계산한다. 와류 간의 상호 유도 효과를 직접 포착할 수 있어 다중 로터의 간섭 해석에 적합하지만, 계산 비용이 높다.

BEMT 기반 간섭 모델: 각 로터를 BEMT로 해석하되, 인접 로터의 유도 유동을 근사적으로 모델링하여 유입 조건을 수정한다. 계산 효율이 높아 실시간 시뮬레이션이나 비행 제어 모델에 적합하지만, 간섭의 세부 물리를 정확히 포착하기 어렵다.

전산 유체역학(CFD): RANS 또는 LES 방법으로 다중 로터 유동장을 직접 해석한다. 가장 높은 충실도를 제공하지만, 회전 격자(rotating mesh)의 처리와 방대한 계산 비용이 과제이다. 슬라이딩 메시(sliding mesh) 또는 오버셋 메시(overset mesh) 기법이 사용된다.

8. 로터 간 간격의 최적화

로터 간 간격(로터 축 간 거리 대 로터 직경 비, d/D)은 공기역학적 효율과 기체 크기의 trade-off에서 핵심적 설계 변수이다.

  • d/D가 큰 경우(넓은 간격): 로터 간 간섭이 최소화되어 효율이 고립 조건에 근접하지만, 기체의 크기와 중량이 증가하고, 구조적 굽힘 모멘트가 커진다.
  • d/D가 작은 경우(좁은 간격): 기체가 컴팩트해지지만, 간섭에 의한 효율 손실이 증가한다.

실험적 연구에 따르면, d/D \approx 2.0 이상에서 수평 배치 로터의 간섭 효과가 미미해지며, d/D \approx 1.5에서도 간섭에 의한 추력 손실이 수 퍼센트 이내로 제한된다. 대부분의 상용 멀티로터는 d/D \approx 1.2 \sim 1.5 범위에서 설계된다.

9. 비정상 간섭과 소음

다중 로터 시스템에서 로터 간의 비정상적(unsteady) 공기역학적 간섭은 소음(noise)과 진동(vibration)의 주요 원인이다. 한 로터의 블레이드가 인접 로터의 끝 와류를 통과할 때 블레이드에 급격한 공력 하중 변동이 발생하며, 이는 충격 소음(impulsive noise)으로 방사된다.

다중 로터의 소음 저감을 위한 공기역학적 접근법은 다음과 같다:

  • 로터 간 위상 동기화(phase synchronization): 인접 로터의 블레이드 위상을 제어하여 와류 간섭의 시간적 패턴을 최적화한다.
  • 블레이드 수의 비대칭 배치: 인접 로터에 서로 다른 블레이드 수를 사용하여 소음의 주파수 분산을 유도한다.
  • 끝 속도의 제한: 블레이드 끝의 마하 수를 낮게 유지하여 압축성에 의한 소음을 억제한다.

10. 로봇 공학에서의 다중 로터 간섭 관리

멀티로터 비행 로봇의 설계와 제어에서 로터 간 간섭의 이해와 관리는 성능 최적화와 정밀 제어의 핵심이다.

비행 제어 시스템에서는 간섭에 의한 추력 변동을 보상하기 위해 각 로터의 추력 모델에 간섭 효과를 반영하여야 한다. 특히 전진 비행, 하강 비행, 근접 지면 비행 등 간섭 양상이 현저히 변화하는 비행 조건에서는 적응적(adaptive) 추력 보정이 필요하다.

편대 비행(formation flight)이나 군집 비행(swarm flight)에서는 비행체 간의 후류 간섭이 추가적으로 발생하며, 안전한 비행체 간 간격의 설정과 후류 회피 경로의 계획에 공기역학적 간섭 모델이 활용된다 (Shukla & Komerath, 2018).

참고 문헌

  • Johnson, W. (2013). Rotorcraft Aeromechanics. Cambridge University Press.
  • Leishman, J. G. (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics (2nd ed.). Cambridge University Press.
  • Shukla, D., & Komerath, N. (2018). Multirotor drone aerodynamic interaction investigation. Drones, 2(4), 43.
  • Theys, B., Dimitriadis, G., Hendrick, P., & De Schutter, J. (2016). Influence of propeller configuration on propulsion system efficiency of multi-rotor unmanned aerial vehicles. In Proceedings of the International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), IEEE.

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