요약: 오늘날 시장에서 볼 수 있는 UAV의 파워 시스템은 주로 피스톤 엔진 시스템과 전기 파워 시스템이며, 전기 파워 시스템은 에너지 밀도가 높고 크기가 작으며 무게가 가볍고 유지보수가 용이하다는 점 때문에 민간 UAV의 대부분을 차지합니다. 본고에서는 전기 UAV의 파워 시스템 구성 요소를 보다 자세히 소개합니다.

[주요어]UAV 파워 시스템 파워 전원 속도 제어

현재 대형, 소형 및 경량 UAV에 널리 사용되는 동력 장치는 피스톤 엔진 시스템입니다. 반면 초소형 UAV에서는 비용과 사용 편의성 때문에 전기 파워 시스템이 일반적으로 사용됩니다. 전기 파워 시스템은 주로 전원, 동력 모터, 속도 조절 시스템의 세 부분으로 구성됩니다.

1 전원

전원은 주로 동력 모터의 작동에 필요한 전기 에너지를 공급합니다. 전기 무인기의 전원으로는 일반적으로 화학 배터리가 사용되며, 주로 니켈-수소 배터리, 니켈-크롬 배터리, 리튬 폴리머, 리튬 이온 파워 배터리가 있습니다. 이 중 처음 두 종류의 배터리는 무게가 무겁고 에너지 밀도가 낮아 리튬 폴리머 파워 배터리로 대부분 대체되었습니다. 파워 배터리는 일반적인 의미의 배터리와 달리 에너지 밀도가 높고 무게가 가볍다는 특징이 있습니다. 배터리는 성능을 식별하는 여러 가지 표기가 있으며, 가장 중요한 파라미터는 전압 값, 에너지 저장 용량 및 방전 용량입니다.

1.1 배터리의 전압 값

전원의 전압 값은 볼트(V)로 표기합니다. 예를 들어 고전압 버전 리튬 폴리머 배터리의 공칭 전압은 3.7V이고, 완전 충전 시 전압은 4.35V까지 도달하며 최소 방전 전압은 3.5V입니다. NiMH 배터리의 공칭 전압은 1.2V이고, 완전 충전 시 전압은 1.5V까지 도달하며 최소 방전 전압은 1.1V입니다.

1.2 에너지 저장 용량

전원의 에너지 저장 용량은 밀리암페어시(mAh)로 표기하며, 이는 일정 전류로 방전할 때 배터리가 1시간 동안 방전될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 리튬 폴리머 배터리 표기(15C, 20000mAh, 14.8V)와 같습니다.

1.3 방전 용량

전원의 방전 용량은 방전율(C)로 표기하며, 이는 전원에 표기된 에너지 저장 용량에 따라 달성할 수 있는 최대 방전 전류 수치를 의미합니다. 예를 들어 2200MA, 20C로 표기된 전원의 최대 연속 전류는 다음과 같이 계산합니다: 용량 X 방전 C 수 = 2.2X20 = 44A. 전원이 44A를 초과하여 장시간 작동하면 배터리 수명에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 사용하는 리튬 폴리머 파워 배터리는 완전 충전 시 단셀 전압이 4.15~4.20V가 적절하며, 사용 시 단셀 최소 전압은 3.5V 이상이어야 합니다. 장기간 보관이 필요한 경우 단셀 전압은 3.85V가 가장 좋습니다. 과방전과 장기간 완충 상태 보관은 배터리에 큰 손상을 주므로 반드시 유의해야 합니다.

2 동력 모터

초소형 UAV에 사용되는 동력 모터는 브러시 모터와 브러시리스 모터의 두 가지로 나눌 수 있습니다. 이 중 브러시 모터는 효율이 낮아 드론 분야에서는 점차 사용되지 않습니다. 모터의 모델은 주로 크기를 기준으로 합니다. 예를 들어 브러시리스 모터 2814의 표기는 축과 전자 코일을 제외한 모터의 길이가 14mm이고 모터 스테이터 코일의 직경이 28mm임을 의미합니다. 때로는 크기가 아니라 어느 등급에 속하는지를 나타내는 표기도 있습니다. 동력 모터에는 많은 기술 지표가 있으며, UAV의 동력 특성과 가장 관련이 깊은 두 가지는 회전수와 출력입니다. 모터 회전수는 흔히 kV로 표기하며, 이는 전압이 1볼트 증가할 때의 모터 회전수 증가량을 의미합니다. 예를 들어 모터에 kV1400으로 표기되어 있고 12.6V 배터리를 사용하면 회전수는 1400 x 12 = 17,640에 도달합니다. 즉 분당 17,640회입니다.

3 속도 제어 시스템

동력 모터의 속도 제어 시스템을 ESC라고 하며, 정식 명칭은 전자 변속기(electronic speed controller)이고 약칭하여 ESC라고 합니다. 동력 모터에 따라 브러시 ESC와 브러시리스 ESC로 나눌 수 있습니다. 비행 컨트롤러에서 보내는 PWM 신호에 따라 동력 모터의 속도를 제어합니다.

전원, ESC, 동력 모터의 연결 관계는 일반적으로 다음과 같습니다:

(1) 전원의 전원 입력선이 ESC에 연결됩니다;

(2) 비행 컨트롤러의 제어 신호선이 ESC의 신호선에 연결됩니다;

(3) ESC의 전원 출력선이 동력 모터에 연결됩니다.

참고로 ESC에는 일반적으로 전원 출력선(BWC)이 있으며, 보통 신호선에 위치하고 전압은 약 5V로 비행 컨트롤러, RC 수신기 또는 방향타에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.

4 프로펠러

프로펠러의 작동 원리는 프로펠러 블레이드가 고속으로 회전하면 다량의 공기가 계속 뒤쪽으로 밀려나고, 그에 따라 블레이드에 반대 방향의 힘이 발생하며 이것이 드론의 동력원이라는 것입니다. 프로펠러를 절단하면 단면이 날개 단면과 매우 유사한 것을 볼 수 있습니다. 회전 후 기류에 대한 프로펠러의 속도는 전진 속도 + 회전 속도의 두 부분으로 구성됩니다. 회전에 의해 프로펠러 블레이드에 공기역학적 힘이 형성되며, 전진 방향의 분력이 우리가 흔히 말하는 프로펠러 추력입니다. 또한 프로펠러가 회전할 때 프로펠러의 회전을 방해하는 모멘트가 형성되는데 이를 흔히 반토크라고 하며, 이 모멘트는 엔진 모멘트에 의해 균형을 이룹니다. 프로펠러 프로파일의 코드와 회전 평면이 이루는 각도를 프로펠러 장착각이라고 합니다. 마지막으로 프로펠러가 1회전할 때 전진하는 거리를 흔히 프로펠러 피치라고 합니다. 실제로 프로펠러 위 각 프로파일의 전진 속도는 동일하지만 원주 속도는 회전축에서의 거리(반경)에 비례하므로, 회전축에서 멀어질수록 각 프로파일의 상대 기류와 회전 평면 사이의 각도는 점차 작아집니다. 이것이 각 프로펠러 블레이드에 트위스트가 있는 이유입니다. 예를 들어 흔히 사용되는 1240 2엽 프로펠러는 프로펠러의 직경이 12"이고 피치가 40임을 나타냅니다.

5 기체 유형과 모터 및 프로펠러의 관계

드론이 사용하는 프로펠러가 클수록 프로펠러가 기체에 발생시키는 반토크도 커집니다. 따라서 프로펠러를 선택하는 방법은 드론의 윙스팬 길이와 관련이 있으며, 프로펠러를 선택할 때에는 대응하는 모터의 파라미터에도 주의해야 합니다. 예를 들어 1240 프로펠러를 사용한다면 고정익 UAV의 윙스팬은 90CM 이상이 적합하며, 그렇지 않으면 토크가 커져 비행이 불안정해집니다. 또 다른 예로 6040 프로펠러는 윙스팬 40CM 이상에 적합합니다. 4530 프로펠러를 윙스팬 1미터 이상의 드론에 사용하는 것이 가능할까요? 물론 가능하지만 기체는 전력을 매우 많이 소모하며 비행합니다. 윙스팬이 커서 비행 저항이 크고, 4530 프로펠러가 발생시키는 추력은 상대적으로 작기 때문입니다. 이는 마치 작은 말이 마차를 끄는 것과 같습니다. 따라서 UAV 파워 시스템을 선택할 때에는 전원, 동력 모터, ESC, 프로펠러 네 가지의 관계에 주의해야 하며, 먼저 UAV 모델의 크기와 날개 및 윙스팬을 확인한 다음 이에 맞는 동력 모터, 프로펠러, 전원을 선택해야 합니다. 특히 주의할 점은 큰 직경의 프로펠러와 높은 KV 모터를 절대 함께 사용해서는 안 된다는 것입니다. 모터가 타버릴 수 있고 배터리 수명에 영향을 주며 심지어 ESC까지 손상될 수 있습니다.

6 기타 장치

유인 터보제트 기술의 발전과 함께 무인 항공기용 터보제트 엔진의 개발은 중요한 기술적 기반을 제공합니다. 현재 소형 터보제트 엔진은 일부 고속 무인 표적기와 방공용 드론에 사용되고 있습니다. 소형 터보제트 엔진의 구조는 압축기, 연소실, 터빈, 노즐의 네 부분으로 구성됩니다. 압축기의 역할은 공기를 고속으로 유로를 통과시켜 최종적으로 연소실에 도달하게 하는 것입니다. 연소실은 주로 유입된 연료를 점화하여 연소시키는 데 사용됩니다. 팽창한 공기는 터빈을 구동하고, 터빈은 다시 압축기를 제어하는 방식으로 순환하며 엔진이 작동합니다. 노즐에서 나오는 가속된 고온 가스는 최종적으로 전체 기체의 추력으로 사용됩니다. 위 파워 시스템 외에도 UAV에는 터보샤프트, 터보프롭, 터보팬 등 다른 동력 장치도 일부 적용되고 있습니다.