기후 풍동에서의 프로펠러 착빙 시험

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propeller wind tunnel test

서론

본 논문은 결빙 조건에서 드론의 성능을 조사한 Sirris 대형 기후 시험 시설(벨기에 안트베르펜)에서 수행된 연구를 요약한 것입니다.

연구팀에는 Windshape(스위스)의 Guillaume Catry, Nicolas Bosson, Luca J. Bardazzi, Sergio Márquez, Özlem Ceyhan 및 Daniele Brandolisio(벨기에 OWI-Lab), HES-SO 서부 스위스 응용과학예술대학교의 Flavio Noca가 참여했습니다.

기후 풍동

그림 1: Sirris 대형 기후 시험 시설

시험 구성

시험 구성은 드론 추진 시스템의 성능과 결빙 현상을 규명하도록 설계되었습니다. 구성 요소는 다음과 같습니다.

  1. 결빙 발생에 필요한 온도 및 습도 조건을 조성하기 위해 Sirris 대형 기후 시험 시설(벨기에 안트베르펜)을 사용했습니다. 결빙 시험 장치는 6 m x 4 m 면적을 덮는 갠트 크레인에 25개의 분무 노즐이 장착된 형태로 새롭게 제작되었습니다. 노즐은 물의 유량을 조절하여 다양한 크기의 물방울을 생성할 수 있으므로 글레이스 얼음과 림 얼음을 모두 만들 수 있습니다.
  2. Windshaper 풍동을 사용하여 프로펠러에 겉보기 바람을 발생시켰습니다. 이 시스템은 110 W급 서로 반대 방향으로 회전하는 팬 유닛 162쌍으로 구성되며, 1.5 m x 0.75 m의 수직 평면에 균일하게 배치되어 있습니다. 시스템은 1 m/s에서 16 m/s 사이의 풍속을 생성할 수 있습니다.
  3. Tyto Robotics의 Series 1585 추력 시험대를 사용하여 최대 50 N의 추력, 최대 2.0 Nm의 토크, RPM, 전력 및 효율을 포함한 추진 시스템 성능을 측정했습니다. 로드셀은 견고한 암에 장착되어 프로펠러 피치 각도를 조절할 수 있습니다. 시험대의 소프트웨어 플랫폼은 모터를 제어하는 PWM 신호를 생성합니다. 저자들은 소프트웨어 내에 PID 제어 스크립트를 설계하여 프로펠러에 얼음이 얼어도 일정한 모터 속도로 시험할 수 있도록 했습니다.
  4. 브러시리스 DC 모터는 Taft Hobby 3553 1550kv, 10극 제품으로, Turnigy 60A SimonK ESC를 통해 12V 실험실 전원 공급 장치에 연결되었습니다. 프로펠러는 피치 5인치의 3엽 9인치 HQProp MacroQuad 제품을 사용했습니다.
  5. 프로펠러에 얼음이 형성되는 모습을 시각화하기 위해 이미지 캡처 시스템을 제작했습니다. 이 시스템에는 1μs만큼 짧은 플래시를 생성하는 두 개의 단시간 스트로보 조명이 장착되어 있습니다. 플래시는 모터의 각도 위치(RPM 센서)를 기반으로 추력 시험대 제어 장치에서 트리거되어, 모든 사진에서 동일한 블레이드가 동일한 위치에 있도록 했습니다.
  6. 이미지는 최대 개방 조리개로 설정된 80mm f/1.8 렌즈를 장착한 풀프레임 디지털 SLR 카메라 Canon 5D Mk2(ISO 6400 설정)로 촬영했습니다. 실험 중에는 2초마다 사진을 촬영했습니다.

프로펠러 결빙 시험

그림 2: (1) 프로펠러, (2) 추진 장치용 시험대, (3) Windshaper, (4) 물 분무, (5) 카메라, (6) 스트로보 조명을 포함한 시험 구성. 

     다음 매개변수의 조합을 사용하여 총 21회의 시험을 완료했습니다:

    1. 프로펠러 속도: 3,500 RPM 및 5,000 RPM
    2. 풍속: 3.2m/s, 6m/s 및 9m/s
    3. 분무수압: 2bar 및 8bar

    모든 시험은 표준 프로펠러로 한 번, 방빙 코팅을 입힌 유사한 프로펠러로 두 번째 수행되었습니다. 모든 시험에서 온도는 -10°C로 유지되었습니다.

    결과

    프로펠러의 얼음 축적은 모든 시험에서 유사한 양상을 보였습니다. 분무 시작 후 몇 초 만에 얼음이 형성되기 시작하고, 20초까지 상당한 얼음이 축적되며, 약 60초에 프로펠러 추력이 완전히 상실되고, 약 80초에 축적된 얼음이 떨어져 나갔습니다.

    드론 프로펠러 결빙

    그림 3: 프로펠러의 얼음 축적

    추력 시험대에서 기록된 성능 결과(코팅된 프로펠러)에서 몇 가지 흥미로운 사실이 밝혀졌습니다.

    1. 결빙 조건에 노출된 직후 거의 즉시 추력 상실이 관찰되었습니다.
    2. 추력이 1.6 N에서 0 N으로 감소하는 데 1분 조금 넘게 걸렸습니다.
    3. 약 75초에 프로펠러에서 얼음이 떨어져 나갈 때, PID가 안정화하기 전에 RPM이 증가하면서 추력이 급격히 증가했습니다.
    4. 얼음이 떨어져 나가기 직전 얼음 축적의 질량은 17 g이었습니다.
    5. 얼음이 축적됨에 따라 프로펠러 효율은 점차 감소하여 떨어져 나가기 직전에는 0%가 되었습니다.
    6. 방빙 코팅이 된 프로펠러는 코팅이 없는 프로펠러보다 약 4배 더 오래 0 N 이상의 추력을 유지했습니다(12초 대비 48초).

    결빙 조건에서 프로펠러 성능

    그림 4: 풍속 3.2m/s로 설정한 3500 RPM 시험 중 추력, 모터 토크, 얼음 무게, 프로펠러 효율 및 모터 속도의 변화. 점선은 결빙이 없는 대조군을 나타냅니다. 실선은 분무수압을 8bar로 설정한 결빙 상황을 나타냅니다.

    프로펠러 방빙 솔루션 성능

    그림 5: 일반 프로펠러와 방빙 코팅이 된 프로펠러의 성능 비교.

    결론

    결론적으로, 본 연구의 저자들은 결빙 조건에서 드론의 성능을 연구할 수 있는 수단을 제공하는 현실적인 시험 구성을 개발했습니다.

    전체 논문은 여기에서 다운로드할 수 있습니다.