Common-form statistical relations for conceptual sizing of electric and hybrid VTOL unmanned aircraft

헬리콥터처럼 공중에 떠 있을 수 있으면서 동시에 비행기처럼 앞으로 날아갈 수 있는 항공기를 설계하는 것은 현대 공학에서 가장 까다로운 난제 중 하나입니다. VTOL(수직 이착륙) 드론이라고 불리는 이 기체들은 매우 다른 두 가지 물리 법칙을 동시에 만족해야 합니다. 제자리 비행(호버링)을 위해서는 무게를 지탱하기 위해 공기를 수직 아래로 밀어내는 강력한 로터가 필요합니다. 반면, 효율적으로 전진 비행을 하기 위해서는 에너지를 절약하기 위해 로터는 훨씬 느리게 회전하면서도 양력을 만들어낼 수 있는 날개가 필요합니다. 엔지니어들의 과제는 이 두 가지 요구 사항이 종종 서로 상충한다는 점입니다. 호버링을 위해 큰 로터를 가진 설계는 전진 속도를 떨어뜨리는 무겁고 저항이 큰 날개를 가질 수 있고, 매끈하고 빠른 비행기는 수직 이륙을 위한 충분한 힘을 갖추지 못할 수도 있습니다. 수십 년 동안 이러한 하이브리드 기체를 만드는 과정은 값비싼 시제품을 제작하고, 테스트하고, 수학적 계산이 맞지 않으면 다시 처음부터 시작하는 과정을 반복해 왔습니다.

소피아 기술 대학교의 연구팀은 단 하나의 금속 조각을 자르기도 전에 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 제안했습니다. 그들은 새로운 드론 설계를 매번 고유한 미스터리로 취급하는 대신, 2011년부터 2026년 사이에 제작된 수십 대의 기존 전기 및 하이브리드 드론으로부터 데이터를 수집하여 공통된 패턴을 찾아냈습니다. 그들은 이 기체들이 구축된 네 가지 주요 방식, 즉 별도의 리프트용 모터를 가진 방식, 엔진 전체를 기울이는 방식, 날개를 기울이는 방식, 그리고 꼬리로 착륙하는 비행기 형태의 방식을 조사했습니다. 다양한 설계로부터 얻은 실제 수치를 분석한 결과, 연구진은 형태가 다름에도 불구하고 이들이 모두 유사한 통계적 규칙을 따른다는 것을 발견했습니다. 이 발견 덕분에 엔지니어들은 드론의 무게와 목표 속도만 알면 날개의 크기, 로터의 크기, 배터리 전력이 얼마나 필요한지에 대해 신뢰할 수 있는 첫 번째 추측을 할 수 있게 되었습니다.

연구진은 먼저 동료 검토를 거친 논문, 제조사 사양서, 연구용 시연기 등으로부터 방대한 데이터 모음을 구성했습니다. 그들은 전기 및 하이브리드 드론에 집중하여 이들을 네 가지 건축학적 가족으로 분류했습니다. 각 가족에 대해, 기체의 무게와 날개 크기 사이의 관계, 그리고 무게와 회전하는 로터의 총 면적 사이의 관계를 조사했습니다. 그들은 특정 순항 속도에 대해, 기체의 무게를 날개 면적으로 나눈 값이 설계 유형별로 예측 가능한 패턴을 따른다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 리프트와 순항을 위한 별도의 모터를 사용하는 드론은 날개를 기울여 비행하는 드론과 비교했을 때 무게 대비 날개 크기가 다를 수 있습니다. 이러한 패턴을 계산함으로써 연구팀은 엔지니어가 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 돌리지 않고도 즉시 필요한 날개 면적과 로터 크기를 추정할 수 있게 해주는 계수, 즉 스케일링 인자(scaling factors) 세트를 만들었습니다. 이 계수들은 엔지니어에게 특정 설계 스타일을 선택했을 경우, 필요한 날개 면적과 로터 크기를 즉시 추정할 수 있다는 것을 알려줍니다.

연구진은 또한 이 기체들의 전력 요구 사항을 지도화했습니다. 연구진은 호버링에 필요한 에너지가 로터의 부하량(각 제곱미터의 로터 면적이 지탱해야 하는 무게의 척도)과 직접적으로 연결되어 있음을 발견했습니다. 부하가 높을수록 더 많은 전력이 필요하지만, 그 관계는 모든 서로 다른 드론 유형에 걸쳐 일관된 곡선을 따릅니다. 마찬가지로, 일정한 속도로 전진 비행하는 데 필요한 전력은 속도에 비례하며, 각 설계 방식마다 특정 승수가 존재함을 발견했습니다. 이는 엔지니어가 순항 속도를 결정하면, 모터가 지속적인 비행을 유지하기 위해 필요한 전력을 즉시 계산할 수 있음을 의미합니다. 또한 팀은 배터리 저장 용량을 조사하여, 성공적인 설계들에서 기체 무게 1kg당 일반적으로 설치되는 에너지 양을 결정했습니다. 이는 설계자가 이륙하기에는 너무 무거운 배터리를 장착하거나, 목적지에 도달하기 전에 전력이 소진되는 흔한 실수에 빠지는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

연구진은 자신들의 방법이 작동함을 증명하기 위해 50kg의 페이로드를 운반하도록 설계된 TERES-02라는 특정 개념 모델에 이 공식들을 적용했습니다. 그들은 총 무게, 33m/s의 원하는 순항 속도, 그리고 4개의 리프트 로터라는 단 세 가지 기본 입력값에서 시작했습니다. 통계적 규칙을 사용하여, 그들은 드론에 1.75㎡의 날개 면적과 약 0.88m의 직경을 가진 로터가 필요하다는 것을 계산했습니다. 이어지는 수학적 계산을 통해, 모터가 호버링을 위해 약 12.87kW의 전력을, 순항을 위해 2.23kW의 전력을 생산해야 한다는 것을 밝혀냈습니다. 마지막으로, 5분간의 수직 비행 구간을 감당하기 위해 배터리가 최소 1.34kWh의 용량을 가져야 한다는 것을 결정했습니다. 보통 몇 주간의 상세한 모델링이 걸리는 이 전체 과정이 단 한 단계로 완료되었으며, 이는 추가 개발을 위한 견고한 출발점을 제공했습니다.

이 연구의 가치는 설계 프로세스의 아주 초기 단계에서 불확실성을 줄이는 능력에 있습니다. 단순한 계수를 통해 다양한 형태에 적응하는 단일 수학적 구조를 사용함으로써, 연구진은 거의 모든 고정익 VTOL 드론에 적용 가능한 도구를 만들었습니다. 연구진은 이 공식들이 초기 스크리닝 단계를 위한 것이며, 이후의 상세한 엔지니어링을 대체하는 것이 아님을 주의 깊게 명시했습니다. 사용된 데이터는 한정된 수의 기존 항공기에서 온 것이므로, 결과에 대한 신뢰도는 데이터베이스에 포함된 것들과 유사한 설계를 할 때 가장 높습니다. 예를 들어, 틸트 로터 설계에 대한 데이터는 단 5대의 항공기를 기반으로 했기에, 리프트 앤 크루즈 설계(8대의 사례 보유)에 비해 해당 수치들은 더 불확실할 수 있습니다. 연구진은 또한 현재 데이터베이스의 주요 한계점으로, 많은 출처가 실제 비행 시 모터가 사용하는 전력이 아닌 이론적 또는 정격 전력만을 보고하기 때문에 일관된 실측 전력 데이터가 부족하다는 점을 확인했습니다.

이러한 한계에도 불구하고, 이 연구는 차세대 무인 항공기를 위한 명확한 경로를 제시합니다. 이 방식은 항공기의 기하학적 구조를 에너지 시스템과 분리하여, 설계자가 가장 효율적인 기체 형상에 배터리나 연료 전지와 같은 다양한 동력원을 조합할 수 있게 해줍니다. 연구진은 이 방법이 테스트의 필요성을 없애는 마법 같은 해결책이 아니라, 첫 번째 설계 시도가 이미 만들어진 것들의 현실에 근거하도록 보장하는 방법임을 강조합니다. 기존의 수많은 프로젝트로부터 얻은 집단적 경험에 의존함으로써, 엔지니어들은 가장 흔한 실수를 피하고 기본 치수를 추측하는 대신 설계를 정교화하는 데 자원을 집중할 수 있습니다. 이 접근 방식은 항공기 설계의 초기 단계를 운에 맡기는 게임에서 예측 가능한 과학으로 바꾸어 놓으며, 이 다재다능한 기체들이 설계도를 넘어 하늘로 더 빠르게 날아오를 수 있도록 돕습니다.