24.5 옥토로터(Octorotor)의 공력 특성과 하중 용량

1. 옥토로터의 구조

옥토로터(octorotor)는 여덟 개의 로터를 가진 멀티로터 비행체이다. 로터 배치는 두 가지 주요 형태로 구분된다. 첫째, 평면 옥토로터는 여덟 개의 로터가 동일 평면 상에 45° 간격으로 배치된 구성이다. 둘째, X8 옥토로터는 네 개의 암(arm) 각각에 상하 이중 로터를 배치한 구성이다. 각 배치는 장단점을 가지며, 임무 요구에 따라 선택된다.

2. 평면 옥토로터

평면 옥토로터는 여덟 개의 로터가 원주 상 균등 배치되어 있다. 로터 위치는 기체 중심에서 \ell 거리에서 \psi_i = i \cdot 45° 방위각에 위치한다. 인접 로터는 교대로 반대 방향으로 회전한다. 이 구성은 원주 방향으로 큰 기체 면적을 차지하지만, 평면 상에서 최대한 많은 로터를 배치할 수 있어 고 추력과 이중화 능력을 제공한다.

3. X8 옥토로터

X8 옥토로터는 네 개의 암 각각에 상하 이중 로터를 배치한 구성이다. 각 암에서 상부 로터와 하부 로터가 동축이며, 반대 방향으로 회전한다. 이 구성의 장점은 다음과 같다. 첫째, 기체 평면적이 쿼드로터와 비슷하게 유지된다. 둘째, 단위 평면적 당 추력이 2배이다. 셋째, 상하 로터의 반작용 토크가 자동으로 상쇄된다. 단점은 상하 로터 간 공력 간섭이 있으며, 동축 구성의 효율 손실이 포함된다.

4. 추력 용량과 하중 수송

옥토로터는 동일 로터 크기에서 쿼드로터 대비 2배의 추력을 제공한다. 이로 인해 다음과 같은 대하중 임무에 적합하다. 첫째, 전문 촬영용 RED 카메라 또는 시네마 카메라의 수송. 둘째, LIDAR 스캐너 또는 고해상도 측량 장비의 수송. 셋째, 중대형 배송 패키지. 넷째, 농업용 방제 장비와 화학 물질. 다섯째, 비상 의료 물자. 옥토로터의 상용 제품은 일반적으로 10 ~ 30 kg의 페이로드를 수송할 수 있다.

5. 이중화와 신뢰성

옥토로터는 매우 높은 이중화 능력을 제공한다. 단일 로터 고장 시에는 7개의 잔여 로터로 안정적 비행이 가능하며, 심지어 2개 로터 고장 시에도 적절한 제어 할당으로 비행을 유지할 수 있다. 이러한 이중화는 다음과 같은 임무에서 필수적이다. 첫째, 유인 승객 운송의 잠재적 확장. 둘째, 인구 밀집 지역 비행. 셋째, 임무 실패가 큰 손실을 유발하는 전문 운용. 넷째, 규제 준수를 위한 안전성 보장.

6. 공력 간섭 특성

이 표는 옥토로터의 두 가지 주요 구성에서의 공력 간섭 유형을 요약한 것이다. X8 구성의 상하 로터 간섭은 약 10 ~ 20%의 효율 손실을 유발할 수 있다.

7. 제어 할당

옥토로터의 과여유 특성은 다양한 제어 할당 전략을 가능하게 한다. 4개의 가상 지령(총 추력, 세 축 모멘트)에 대해 8개의 작동기가 존재하므로, 4개의 추가 자유도가 있다. 이 자유도는 다음과 같이 활용될 수 있다. 첫째, 각 로터의 부하를 균등화하여 피로 수명 연장. 둘째, 에너지 효율 최적화. 셋째, 특정 로터의 고장에 대비한 여유 배분. 넷째, 소음 방사 방향성의 조정.

8. 질량과 크기의 영향

옥토로터는 로터와 모터의 수가 증가하므로 기체 질량이 증가한다. 이는 다음의 설계적 영향을 가진다. 첫째, 구조 프레임의 강도 요구가 증가한다. 둘째, 관성 모멘트가 증가하여 기동성이 감소한다. 셋째, 배터리 용량 요구가 증가한다. 넷째, 이륙 중량에 대한 페이로드 비율이 변화한다. 이러한 요인을 종합적으로 고려하여 설계가 최적화된다.

9. 에너지 효율

옥토로터의 에너지 효율은 로터 간 간섭과 기체 질량 증가로 인해 동일 페이로드 기준 쿼드로터보다 약간 낮을 수 있다. 그러나 디스크 하중 측면에서는 옥토로터가 낮은 값을 제공하여, 이상 Froude 효율 관점에서 이점을 가진다. 구체적 효율 비교는 기체 설계와 운용 조건에 따라 다르다.

10. X8 구성의 특성

X8 구성은 평면 옥토로터와 구별되는 다음의 특성을 가진다. 첫째, 기체 평면적이 작아 좁은 공간 운용에 적합하다. 둘째, 상하 로터 쌍의 반작용 토크가 자동 상쇄되어 요 제어가 단순해진다. 셋째, 단일 쌍의 상부 또는 하부 로터 고장 시에도 기체 균형을 유지할 수 있다. 넷째, 동축 구성의 특유한 공력 특성(후류 재결합, BVI)이 나타난다.

11. 응용 분야

이 표는 옥토로터가 주로 선택되는 응용 분야를 요약한 것이다. 고 신뢰성과 대형 페이로드 요구가 공통적 특징이다.

12. 시뮬레이션과 해석의 복잡도

옥토로터의 시뮬레이션과 공력 해석은 쿼드로터보다 복잡하다. 주요 고려 사항은 다음과 같다. 첫째, 8개 로터의 개별 공력 모델링. 둘째, 로터 간 상호작용의 정확한 재현. 셋째, X8 구성의 상하 로터 간 동축 상호작용. 넷째, 과여유 제어 할당의 수치적 안정성. 이러한 복잡도는 고충실도 시뮬레이션과 CFD 해석의 중요성을 증대시킨다.

13. 로봇공학적 의의

옥토로터는 자율 비행 로봇의 고 신뢰성, 대하중 운용의 대표적 구성이다. 연구와 상업 응용에서 다음의 중요성을 가진다. 첫째, eVTOL 기체 연구의 참조 플랫폼. 둘째, 과여유 제어 연구의 실험 대상. 셋째, 고장 허용 운용의 시험 플랫폼. 넷째, 유인 비행체로의 확장 가능성. 이러한 특성은 옥토로터가 자율 비행 로봇의 중요한 설계 옵션임을 보여 준다.

14. 출처

• Mahony, R., Kumar, V., and Corke, P. “Multirotor Aerial Vehicles: Modeling, Estimation, and Control of Quadrotor.” IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 19, no. 3, 2012.
• Mueller, M. W., and D’Andrea, R. “Stability and Control of a Quadrocopter Despite the Complete Loss of One, Two, or Three Propellers.” IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2014.
• Ducard, G. J. J., and Hua, M.-D. “Discussion and Practical Aspects on Control Allocation for a Multi-Rotor Helicopter.” International Conference on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics, 2011.
• Valavanis, K. P., and Vachtsevanos, G. J. (eds.). Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Springer, 2015.
• Leishman, J. G. Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed. Cambridge University Press, 2006.

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