쿼드콥터
1. 개요
쿼드콥터(Quadcopter). 멀티콥터 비행체의 한 종류로, 회전날개(프로펠러)가 4개인 것을 의미한다. Quad = 4라는 의미. 같은 의미로 CPU의 쿼드코어는 4개의 CPU가 집적되어있다.
멀티콥터(회전익, 로터)라는 대분류에는 트라이콥터(3개의 프로펠러) 쿼트콥터(4개의 프러펠러) 헥사콥터 옥토콥터와 같은 여러 계열이 있으며, 비행체를 안장시키기 위해 최소한 2개를 초과한 회전날개(프로펠러)가 있어야 한다.
멀티콥터의 개념상 양력을 발생시키는 고정날개가 없거나, 의미가 없게 된다.
(아래 비행원리 참고) 모터나 엔진을 지지하기위한 날개처럼 생긴 지지대가 존재한다. 날개가 아니다!
2. 가장 흔한 멀티콥터
멀티콥터를 프롭(모터)의 수로 분류할 때 가장 흔한 것이 쿼드콥터이다. 쿼드콥터의 구조가 멀티콥터 중 가장 간단하기 때문이다.
내, 외부 부품의 회전 없이 추력을 발생시키는 장치가 만들어지지 않는 한, 수직이 착륙을 할 수 있는 싱글콥터(?)라는 것은 있을 수가 없다. 그 이유는 회전으로 인한 반작용으로 기체가 회전하기 때문이다. 비행기의 경우 양 주익의 양력을 다르게 해서 회전을 막을 수 있지만, 프롭의 추력이 곧 양력이 되는 콥터 종류에서는 이를 해결하기 힘들다. 사실 해결할 수 없는 것은 아닌데, 프롭 아래 커다란 판을 회전축을 중심으로 선대칭이 되도록 적당한 각도로 달아서 회전하는 방향으로 프롭에서 나온 바람의 방향이 꺾이게 만들면 프롭의 회전에 대한 반작용과 판에서 꺾여 나가는 바람의 반작용이 상쇄되어 회전하지 않고 떠오를 수 있다[1]. 그 밑에 판 두 개를 수직으로 붙이고 두 판의 각도를 조절할 수 있게 만들면 원하는 방향으로 기울게 할 수도 있으며, 이를 이용해 원하는 방향으로 비행하게 할 수도 있다. 게다가 넓은 판이 달려 있으니, 적당한 받음각으로 이 판의 양력을 이용하면 보다 효율적으로 비행할 수도 있다. 그리고 우리는 이것을 고정익 항공기, 즉, 비행기라고 부른다.
프롭이 두 개라면 그 둘을 서로 반대 방향으로 회전시키거나, 두 프롭을 앞뒤로 위치시키돠 한 프롭은 아래로, 한 프롭은 옆으로 바람을 내뿜으며 서로의 반토크를 상쇄할 수 있다. 물론 이것만으로는 원하는 방향으로 기울어져 날아가는 것이 불가능하므로, 일반적인 프롭이 아니라 가변피치프롭, 그것도 프로펠러날의 방향에 따라 받음각을 조절할 수 있는 가변 사이클릭 피치 프롭이 필요하다. 그리고 이것을 달고 날아다니는 항공기는 흔히 볼 수 있는데, 그것이 바로 헬리콥터다.
따라서 멀티콥터라고 부를 수 있는 것은 3개의 프롭을 가진 트리콥터부터인데, 프롭이 3개라면 홀수이므로 한 프롭의 반토크를 나머지 한 프롭이 상쇄한다고 쳐도 한 프롭이 납는다! 그래서 이걸 해결하기 위해서는 프롭의 크기가 서로 다르거나 서보를 이용해 모터의 각도를 조절하거나 등 복잡한 구조가 필요해진다.
따라서 프롭의 수가 짝수이며, 각 프롭의 회전축을 이은 선이 평면도형을 이룰 수 있어 그 안에 무게줌심을 둘 수 있기 때문에 사이클릭 피치 조작 없이도 전후좌우비행이 가능한 쿼드콥터가 가장 간단한 구조의 멀티콥터로 널리 사용되고 있다.
3. 쿼드콥터의 종류
멀티콥터는 크게 x형과 +형으로 구분할 수 있다.
3.1. X형 쿼드콥터
X형 쿼트콥터란 기체의 앞쪽을 12시 방향으로 놓고 봤을 때 X자 모양이 되는 콥터이다. 전진 시 전방에 위치한 두 모터의 출력이 줄어들고 후방에 위치한 두 모터의 출력이 증가해 앞으로 기울어져 날아가게 된다.
피치(비행기의 엘리베이터), 혹은 롤(비행기의 에일러론) 조종키 중 하나만 조작할 경우에도 모든 모터의 출력이 변하므로 반응이 빠르고 안정적이어서 쿼드콥터 중에서도 주류를 차지한다. 다만 피치와 롤을 동시에(특히 똑같이) 조작하면 +형 쿼드콥터의 전진 시처럼 한 모터의 출력이 크게 줄어들고 한 모터의 출력이 크게 늘어나므로 비스듬한 방향으로의 진행에선 상대적으로 반응이 느리다. 촬영용 드론이나 장난감 드론의 경우 피치나 롤 중 한 쪽만 조작하는 경우가 많다 보니 아무래도 X형은 쿼드콥터 중에서도 대세를 이루고 있다.
3.2. +형 쿼드콥터
+형 쿼트콥터란 기체의 앞쪽을 12시 방향으로 놓고 봤을 때 +자 모양이 되는 콥터이다. 전진 시 전방에 위치한 한 모터의 출력이 크게 줄어들고 후방에 위치한 한 모터의 출력이 크게 증가해 앞으로 기울어져 날아가게 된다.
X형 쿼드콥터와 반대로 피치, 롤 중 하나만 조작하면 그에 해당하는 한 쌍의 위치의 모터만 출력이 변하고 다른 한 쌍의 모터 출력은 그대로이므로, 두 쌍의 모터가 함께 변하는 X형 쿼드콥터에 비해 한 키만 쳤을 때의 반응은 다소 둔하다. 대신 한 키에 한 쌍의 모터가 독립적으로 조작되므로 움직임이 직관적이다. 예컨데 X형 쿼드콥터는 이론상 피치와 롤을 둘 다 끝까지 조작했을 때의 각속도가 오히려 피치 하나만 끝까지 조작했을 때의 각속도보다 느린데, +형 쿼드콥터는 둘 다 끝까지 조작했을 때 더 빨리 기울어진다. 그래서 극히 일부나마 명맥을 이어오고는 있다.
다만, 그 차이가 미세한 데 반해 FC가 거기까지 반응해 주지도 않기 때문에, 일반적으로는 느낄 수가 없는 차이이며, 왠만한 경우 두 키를 동시에 조작하는 경우보다 하나만 조작하는 시간이 더 길기 때문에 그다지 널리 쓰이지는 않는다.
4. 용도
쿼드콥터를 비롯한 멀티콥터의 원리와 기본 설계는 20세기 중반에 이미 확립되었으나, 네 개의 로터를 동시에 조종하는 것이 인간 파일럿에게 많은 부담을 주어 본격적인 실용화에는 이르지 못했다. 그러나 로터 컨트롤은 컴퓨터에게 맡기고 인간은 속도와 방향만 지정해주면 되는 플라이 바이 와이어 방식의 조종이 구현되면서, 21세기 들어 원격조종 또는 자율비행 무인기(드론)로 각광받고 있다.
물론 쿼드콥터 등의 멀티콥터를 사람이나 대형 화물을 수송하는 풀사이즈 회전익기로 사용하는 것이 불가능하지는 않다. 애당초 최초의 멀티콥터인 “비행 문어”(보티자트 헬리콥터, 1920년대)나 커티스-라이트 VZ-7(1950년대) 등은 파일럿이 탑승하는 유인기였다. 풀사이즈 쿼드콥터의 문제는 기체를 둘러싸며 배치된 여러 로터들 때문에 덩치가 너무 크다는 것이다. 이는 작은 드론에겐 별 문제가 되지 않지만, 4~6인승 캐빈이 달린 쿼드콥터가 착륙하려면 일반적인 헬리패드보다 25%~200% 가량 넓은 헬리패드가 필요하다. 헬리콥터의 가장 큰 장점은 자기 덩치보다 좀 넓은 평지만 있으면 수직 이착륙이 가능하다는 것인데, 멀티콥터는 자기 덩치가 워낙 크다보니 이 장점이 상당부분 상쇄된다는 것이 문제. 물론 탑승 인원을 줄이거나(예를 들어 1~2인승) 수송 중량을 낮추면 로터의 크기를 크게 줄일 수 있다.
[1] 물론 이 판의 각도를 바꾸면 원하는 방향으로 회전할 수도 있다.