프로펠러는 유체(보통 공기나 물)를 흡입하여 회전 운동으로 유체를 밀어내도록 설계되었습니다. 어떤 의미에서 프로펠러는 아르키메데스 나사의 진화형이며, 아르키메데스가 기원전 234년에 이를 기술하기 전 수천 년 동안 고대 이집트에서 사용되었을 것으로 추정됩니다.

토로이달 프로펠러: 더 조용하고 효율적인 설계로, 선박 엔진에 개조 적용하면 연료 소비를 최대 20%까지 줄일 수 있습니다

그러나 오랫동안 회전하도록 설계된 장비에는 혁신적인 설계 변화가 거의 없었습니다. 프로펠러 구동 항공기는 여전히 꼬인 날개 블레이드 프로펠러를 사용하며, 그 설계는 2,400년 전 중국 어린이들이 즐겼던 대나무 잠자리와 유사합니다. 1903년 라이트 형제가 풍동에서 개발한 목재 프로펠러와 비교해도 효율 향상은 미미합니다. 여전히 스크루형 프로펠러를 사용하는 선박의 변형은 18세기로 거슬러 올라갑니다.

그 결과, 우리는 크게 다른 형상의 프로펠러, 특히 기존 설계보다 훨씬 조용할 뿐만 아니라 효율도 더 높은, 특히 해양에서 그런 이상한 꼬인 링 형태를 사용하여 공기와 물에서 상당한 이점을 입증했다고 주장하는 그룹들을 발견했습니다.

MIT의 초저소음 3D 프린팅 토로이달 프로펠러, 상용 드론에 장착하여 테스트 중

공중에서의 잠재적 게임 체인저

멀티로터 프로펠러의 핵심 문제는 성가신 소음이며, 그 상당 부분이 아기 울음소리와 같은 주파수 대역에 있어 흔히 “윙윙거림”으로 표현됩니다. 인간은 약 100Hz에서 5kHz 사이의 소리에 가장 민감합니다. 이 대역이 바로 우리가 언어 소통의 핵심 모음을 듣는 영역입니다. 그러나 멀티로터 항공기가 잠재력을 발휘하여 빠르고 경제적이며 청정한 항공 배송 서비스로 하늘을 가득 채우려면 소음이 핵심 문제가 될 것입니다.

“아시다시피 프로펠러는 소음이 매우 큽니다.”라고 링컨 연구소 구조 및 열유체 공학 그룹의 수석 연구원인 Thomas Sebastian 박사는 말했습니다. “우리는 날개를 보며 어떻게 작동하는지 살펴볼 수 있습니다. 20세기 초와 제2차 세계대전 당시 사람들이 항공기 아이디어를 내놓을 때 기본적으로 이러한 원형 날개를 사용한 설계가 여러 가지 있었습니다. 그래서 저는 원형 날개를 가져와 비슷한 것을 프로펠러로 만들면 어떤 모습일지 궁금했습니다.”

Sebastian은 이어서 말했습니다. “우리는 더 조용한 프로펠러를 만들기 위해 토로이달 날개 형상을 사용한다는 초기 개념을 떠올렸습니다. 그 개념을 바탕으로 3D 프린터를 사용해 일련의 시제품을 제작했습니다.”

최대 소음 저감은 필요한 곳, 즉 1-5kHz 주파수 대역에서 이루어집니다

여러 시도 끝에 연구팀은 주어진 추력 수준에서 전체 소음 수준을 낮출 뿐만 아니라 1-5kHz 대역의 소음도 줄이는 설계를 찾아냈습니다.

실제로 이 프로펠러는 프로펠러라기보다 날카로운 미풍 같은 소리를 내어 거슬림이 훨씬 적었습니다. 연구팀에 따르면 이 프로펠러를 장착한 드론은 두 배 거리에 있는 일반 드론과 비슷한 소음을 냅니다.

Sebastian은 말했습니다. “프로펠러를 더 조용하게 만드는 핵심은 프로펠러가 생성하는 와류를 끝단에만 집중시키지 않고 전체 형상에 분산시키는 것입니다.” “그러면 와류가 대기 중에서 훨씬 빠르게 소멸합니다. 와류가 멀리 이동하지 않으므로 소리가 들릴 가능성이 줄어듭니다.”

프로펠러 소음은 프로펠러 경로 주위에 음향 처리 링을 배치하여 해결할 수 있으며, 안전 측면에서 프로펠러 가드 역할도 할 수 있습니다. 그러나 이러한 링은 부가 중량을 더하고 배터리 수명을 단축시키며, 야외에서는 바람의 영향을 받아 드론이 안정을 유지하기 위해 더 많은 출력을 내야 합니다.

연구팀은 이러한 독특한 형상의 링 지지대가 추력 효율을 떨어뜨리는지 분석했습니다. 결과적으로 그렇지 않았습니다. 연구팀의 가장 성능이 우수한 B160 설계는 주어진 추력 수준에서 테스트한 최고의 표준 프로펠러보다 더 조용했을 뿐만 아니라, 주어진 출력 수준에서 더 많은 추력을 발생시켰습니다. 표준 프로펠러는 100년 이상의 역사를 가지고 그 뒤에 축적된 개발 성과가 있는 반면, 이 토로이달 방식은 아주 초기 단계로 최적화가 많이 필요한 점을 고려하면 놀라운 결과입니다.

MIT 연구팀은 이 독특한 형상의 프로펠러의 효율을 최적화하는 데 많은 시간을 투자하지 않았지만, 주어진 출력 수준에서 표준 프로펠러보다 더 많은 추력을 발생시켰습니다.

더 중요한 것은 토로이달 형상이 구조적 안정성을 높일 뿐만 아니라 프로펠러에 베이거나 끼이거나 걸릴 가능성도 줄여준다는 점입니다.

단점은 형상이 상당히 복잡하여 저렴하고 단순한 사출 성형을 사용하는 표준 프로펠러보다 제조가 어렵다는 것입니다. 3D 프린팅으로 제작해야 할 수도 있습니다. 그러나 일반 프로펠러보다 2~3배 비싸더라도 드론에서는 저비용 부품에 해당합니다.

이러한 설계가 더 큰 규모로 적용되어 고정익 항공기나 전기 에어택시의 기존 프로펠러를 대체할 수 있을지는 불분명합니다. 후자는 이미 헬리콥터보다 훨씬 조용한 것으로 보이지만, 빠르고 경제적이며 친환경적인 항공기로 도심 상공을 가득 채우게 된다면 소음의 1데시벨 하나하나가 대중과 규제 당국의 저항 측면에서 특히 중요해질 것입니다. 실제로 여기서의 문제는 이러한 대형 프로펠러가 오디오 스펙트럼에서 어떤 주파수를 차지하는지, 그리고 링 프로펠러가 소리를 인간 친화적인 방향으로 이동시키는지입니다.

연구팀은 이 설계에 대한 특허를 출원했으며, 상용화 계획이 있는지는 불분명하지만 MIT는 관심 있는 제조사에 라이선스를 제공할 준비가 되어 있는 것으로 보입니다.

다양한 아웃보드용 Sharrow의 애프터마켓 링 프로펠러: 비싸지만 뛰어난 이점

수중에서 더 큰 이점

드론과 항공은 별개이지만 공기역학과 유체역학은 밀접하게 관련되어 있으며, 해양 분야에는 이미 매우 유사한 접근 방식을 사용한 양산 단계에 가까운 제품이 존재합니다.

Sharrow Marine은 표준 블레이드 대신 링을 사용한 보트 프로펠러로 놀라운 결과를 얻었습니다. 수년간의 개발 끝에 이 회사는 현재 수백 개의 표준 프로펠러와 자사 프로펠러를 비교 테스트했으며 그 차이는 믿기 어려운 수준입니다. Sharrow의 프로펠러는 에너지 손실의 주요 원인이자 아웃보드 엔진 전체 소음에서 큰 비중을 차지하는 끝단 와류를 전혀 발생시키지 않습니다.

중간 속도 유속에서 효율 향상은 놀라운 수준으로, 보트 가속 곡선의 뚜렷한 공백을 채우고 많은 에너지를 절약합니다

토로이달 프로펠러는 프로펠러 측면으로 “빠져나가는” 유체의 양을 크게 줄여 더 많은 물을 끌어들여 보트를 앞으로 밀어냅니다. 이들은 저속에서 중속 구간에서 보트 속도를 흔히 두 배로 높여 모터의 실효 속도 범위를 근본적으로 확장합니다. 동시에 연료 소비를 약 20% 줄입니다. 프로펠러 구동 보트의 막대한 에너지 수요와 산업 규모를 고려하면 이는 매우 큰 수치입니다.

Sharrow는 이 프로펠러가 가속 중 보트가 뒤로 기우는 경향을 크게 줄여주며, 대신 전체 보트가 더 높은 성능 수준을 유지하면서 물 위로 떠오른다고 설명합니다. 가장 중요한 것은 소음 제어에 미치는 영향도 매우 크다는 점입니다.

실제로 이 회사는 거의 모든 아웃보드 엔진에 장착할 수 있는 이 프로펠러를 30mph(48km/h)로 조용히 추진하면 탑승자가 목소리를 높이지 않고도 대화할 수 있다고 말합니다.

Sharrow는 이미 대부분의 주요 제조사의 다양한 일반 아웃보드 엔진에 맞게 CNC 가공한 토로이달 프로펠러를 판매하고 있습니다. 이 제품의 단점은 가격으로, 어떤 모델이든 4,999달러이며 일반 프로펠러는 500달러에 조금 못 미치는 수준입니다. 그러나 이는 많은 보트의 총비용에서 작은 부분이며, 연료 소비가 매우 크다는 점을 고려하면 단기간에 비용을 회수하면서 탑승자에게 더 쾌적한 승차감을 제공할 수 있습니다.