고회전 드론 프로펠러 결빙에 관한 NRC 연구

실험에서는 직경 8인치에서 14인치까지 네 개의 프로펠러를 테스트했습니다. 네 개 중 세 개는 탄소 섬유(CF)로 제작되었으며, 네 번째는 유리 섬유 강화(GFR) 플라스틱으로 제작되었습니다.

특성은 표 1에 요약되어 있습니다. 모든 실험에서 추력이 50% 감소하면 테스트를 종료하는 기준으로 설정했습니다. 

표 1: 실험에 사용된 프로펠러의 특성

파트 1: 물방울 크기의 중앙 부피 직경(MVD)

첫 번째 테스트에서는 세 개의 CF 프로펠러에 대한 물방울 크기가 결빙 축적과 추진 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 물방울의 MVD는 20, 40 또는 60μm로 설정하고, 다른 매개변수는 RPM = 8000, TAS = 15m/s, AOS = 0°, SAT = -12°C, LWC = 0.5g/m³로 일정하게 유지했습니다.

모든 프로펠러에서 모든 MVD 값에 대해 결빙 축적이 추력에 영향을 미치기 시작하는 데 약 20초가 걸렸으며, 그 후 추력의 N값이 서서히 점진적으로 감소했습니다.

Prop1의 경우, MVD = 20μm 및 40μm에서 추력 감소가 잠시 정체된 후 다시 감소하기 시작했습니다. Prop1의 MVD = 60μm에서는 이 현상이 관찰되지 않았으며, Prop21과 Prop3에서는 “유사하지만 더 짧은 정체 구간”이 관찰되었습니다.

흥미롭게도 Prop1이 50% 추력에 도달하는 데 걸린 시간은 Prop21(48~64초) 및 Prop3(40~47초)에 비해 약 두 배 더 오래 걸렸습니다(75~130초)(그림 4a). 

그림 4: 서로 다른 MVD 값에서 시간에 따른 추력 증가(a) 및 토크 감소(b)

결빙 축적으로 인해 토크와 모터의 전기 전력도 증가했습니다. 50% 추력에서 Prop1은 결빙 발생 시작 시점 대비 150% 토크(그림 4b) 및 100% 전기 전력(그림 5)에 도달했습니다.

토크와 전기 전력의 증가 폭은 Prop21의 100% 및 60%, Prop3의 40% 및 25%에서 더 완만했습니다.

그림 5: 결빙 축적 시간에 따른 전기 전력 증가

연구진은 추력 정체 현상의 원인을 프로펠러 블레이드 끝단으로의 얼음 탈락 및/또는 얼음 이동으로 보았습니다. MVD = 60μm에서 각 프로펠러가 50% 추력에 도달하는 데 필요한 총 얼음 질량과 시간은 표 2에 나와 있습니다.

필요한 시간은 프로펠러 직경이 커질수록 감소했습니다. 

표 2: MVD = 60μm에서 프로펠러가 50% 추력에 도달하는 데 필요한 얼음 질량 및 분무 시간

파트 2: 액체 수분 함량(LWC)

이 일련의 테스트는 테스트 영역의 LWC 변화가 프로펠러 결빙과 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행되었습니다. LWC는 0.2, 0.5 또는 1.0g/m³로 설정하고 다른 변수는 RPM = 8000, TAS = 15m/s, AOS = 0°, SAT = -12°C, MVD = 20μm로 일정하게 유지했습니다.

LWC는 MVD와 유사하지만 결빙 내성에 더 뚜렷한 영향을 미쳤습니다. LWC가 증가할수록 50% 추력에 도달하는 데 필요한 시간이 감소했습니다.

세 가지 LWC 값에 따라 결빙 축적 시간에 상당한 차이가 있었으며, LWC = 0.2g/m³에서는 20~50초, 0.5g/m³에서는 45~130초, 1.0g/m³에서는 120~430초가 걸려 50% 추력에 도달했습니다.

MVD 결과와 마찬가지로 세 가지 LWC 값 모두에서 추력이 한동안 정체되었으나, 정체 구간은 1.0g/m³보다 0.2 및 0.5g/m³에서 더 뚜렷했습니다. 이에 따라 LWC = 1.0g/m³에서는 얼음 탈락이 관찰되지 않았으며, 이는 50% 추력으로 더 빠르게 감소한 이유를 부분적으로 설명해 줍니다(그림 6). 

그림 6: LWC = 0.2g/m³에서는 얼음 탈락이 발생하지만 LWC = 1.0g/m³에서는 발생하지 않음(왼쪽과 오른쪽)

MVD 결과와 마찬가지로 토크와 전기 전력이 증가했으며, LWC = 0.5g/m³에서 가장 높았습니다. 이 LWC 수준에서 토크와 전기 전력의 증가 폭은 Prop1에서 130% 및 80%, Prop21에서 100% 및 60%, Prop3에서 30% 및 20%였습니다.

전반적으로 LWC는 MVD보다 결빙 내성에 더 큰 영향을 미쳤으며, 이는 LWC = 1.0g/m³일 때 50% 추력에 도달하는 시간이 단축된 것으로 입증되었습니다(표 3). 

표 3: LWC = 1.0g/m³에서 프로펠러가 50% 추력에 도달하는 데 필요한 얼음 질량 및 분무 시간

파트 3: 정적 공기 온도(SAT)

세 번째 테스트 세트는 다른 변수를 RPM = 8000, TAS = 15m/s, AOS = 0°, MVD = 20μm, LWC = 0.5g/m³로 일정하게 유지하면서 -2°C, -5°C, -12°C의 세 가지 SAT 값에서 SAT가 결빙 내성에 미치는 영향을 조사했습니다.

세 개의 프로펠러 모두 SAT = -12°C에서 추력이 가장 빠르게 감소했으며, 그 다음으로 SAT = -5°C에서 감소했습니다. 흥미롭게도 SAT = -2°C에서는 Prop21과 Prop3가 50% 추력에 도달하지 못했으며, 실험 내내 원래 추력의 최소 80%를 유지했습니다.

SAT = -5°C에서 Prop1과 Prop21은 여러 번의 얼음 탈락 주기를 겪었으며, Prop1은 결국 50% 추력에 도달했지만 Prop21은 그 지점까지 감소하지 않았습니다. Prop1은 세 가지 SAT 값 모두에서 50% 추력에 도달한 유일한 프로펠러였습니다(그림 7).

그림 7: 서로 다른 SAT 값에서 시간에 따른 추력 증가(a) 및 토크 감소(b)

얼음 축적과 탈락은 진동 수준에도 영향을 미쳤습니다. 진동은 테스트 스탠드에서 중력 가속도(g) 단위로 측정되었습니다.

얼음이 쌓일수록 진동이 증가했으며, 프로펠러에서 얼음이 탈락하면 진동이 낮아졌습니다(그림 8). 

그림 8: 얼음 탈락 주기에 따른 진동

파트 4: 로터 속도

다음 테스트 세트에서는 이전 테스트인 8000 RPM보다 1000 RPM 높은 9000 RPM에서 결빙 내성을 연구했습니다. 이전 테스트에서 MVD보다 결빙 내성에 더 큰 영향을 미쳤던 변수인 LWC와 SAT를 변화시켰습니다.

전반적으로 회전 속도를 9000 RPM으로 높여도 얼음 축적과 추력 손실에 상당한 변화를 일으키기에는 충분하지 않았습니다.

이는 SAT = -12°C, MVD = 20μm, LWC = 1.0g/m³의 최악의 결빙 조건에서 Prop21의 8000 RPM 및 9000 RPM에 대한 정규화된 추력을 비교한 그림 9에서 확인할 수 있습니다. 

그림 9: Prop21의 8000 RPM 및 9000 RPM에서 시간에 따른 정규화된 추력

연구진은 테스트 후 프로펠러 블레이드를 육안으로 검사하여 특정 조건에서 9000 RPM일 때 얼음 탈락이 더 많이 발생했음을 확인했습니다. 그러나 이는 두 조건 사이에 성능의 유의미한 차이를 초래하지 않았습니다.

파트 5: 측면 미끄럼각

다섯 번째 실험 세트는 풍동의 기류에 대해 프로펠러를 측면 미끄럼각(AOS) 30°로 기울여 전진 비행 중인 UAV의 프로펠러 결빙 내성을 측정하는 것을 목표로 했습니다.

회전 속도는 8000 RPM, MVD는 20μm로 설정했습니다. LWC는 0.2, 0.5, 1.0g/m³ 사이에서 변화시켰으며, SAT는 -2, -5, -12°C 사이에서 변화시켰습니다.

추가 읽을거리: 오타와 대학교 풍동을 이용한 추진 장치 테스트

결빙 발생 시작 시점에서 동적 추력이 증가하는 현상이 관찰되었으며, 연구진은 이를 프로펠러가 15m/s가 아닌 30°에서 13m/s의 유효 대기 속도를 받기 때문으로 보았습니다.

30° 각도는 그 외에 Prop21의 결빙 내성에 눈에 띄는 차이를 일으키지 않았으며, Prop21은 다시 최악의 결빙 조건(SAT = -12°C, MVD = 20μm, LWC = 1.0g/m³)에서 테스트되었습니다(그림 10).

그림 10: Prop21의 0° 및 30° AOS에서 시간에 따른 정규화된 추력

파트 6: 블레이드 재질

마지막 테스트에서는 CF 블레이드와 비교하여 GFR 블레이드의 서로 다른 결빙 내성을 연구했습니다. GFR 프로펠러(Prop22)는 동일한 직경의 CF 프로펠러(Prop21)와 동일한 조건에서 테스트되었으며, AOS는 0°, RPM은 8000으로 유지하고 LWC는 0.2, 0.5, 1.0g/m³ 사이에서 변화시켰으며 SAT는 -2, -5, -12°C 사이에서 변화시켰습니다.

GFR 프로펠러에서는 두 가지 주요 차이점이 관찰되었는데, 첫 번째는 LWC = 0.2g/m³에서 Prop21에 비해 추력이 더 빠르게 감소한 것입니다.

두 번째 차이점은 SAT = 2°C에서 얼음 탈락 전에 Prop22가 약 25%의 추력 감소를 겪었으며, 이는 Prop21의 추력에는 영향을 미치지 않았습니다(그림 11).

그 결과 토크와 전기 전력이 그만큼 증가했으며, 이 또한 Prop21에서는 관찰되지 않았습니다. 그 외에는 동일한 조건에서 GFR 프로펠러의 결빙 내성은 CF 프로펠러와 매우 유사했습니다.

그림 11: Prop22의 추력, 토크 및 전력 대 얼음 축적 시간

결론

본 연구는 고속 RPM에서 소형 UAV 프로펠러의 결빙 내성을 규명하는 데 훌륭한 성과를 거두었습니다. 결과는 드론 운용자가 활용할 수 있는 몇 가지 실질적인 시사점을 제시합니다.

첫째, 블레이드에 얼음이 쌓이면서 추력이 50%로 떨어지는 데 더 큰 프로펠러가 더 적은 시간이 걸렸으며, 이는 프로펠러 직경이 결빙 내성에 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 또한 GFR 블레이드는 CF 블레이드보다 결빙 내성이 낮아 추력을 더 쉽게 잃었습니다.

본 연구는 또한 성능 지표를 잘 이해하지 못할 경우 오해를 불러일으킬 수 있음을 보여주었습니다. 여러 테스트에서 추력 감소는 프로펠러의 얼음 탈락으로 인해 정체 구간을 겪었습니다.

이러한 현상은 드론 조종사로 하여금 결빙으로 인한 충격이 정점에 도달했다고 믿게 할 수 있지만, 이러한 정체기 직후에는 추력이 급격히 감소했습니다.

이러한 실험을 통해 조치 없이 프로펠러 결빙은 일반적으로 호전되기보다는 악화된다는 사실이 확인되었으므로, 드론 조종사는 성능 변화 이면에 담긴 의미를 매우 잘 숙지해야 합니다.

NRC 연구진은 이러한 지식 기반을 더욱 확장하기 위해 더 큰 프로펠러를 사용한 추가 실험을 수행하기를 기대하고 있습니다.

추가 읽을거리: 브러시리스 모터 및 프로펠러 효율 측정 방법