무인항공기의 구조와 재료

태초에 인간은 항상 비행을 꿈꿔왔습니다. 날아오르기 위해 인간은 연구했고, 날아오르기 위해 수많은 학자들의 희생이 있었지요. 그중 실제 날아오르는 것이 가능하다는 것을 보여준 사람이 있었습니다.

라이트형제의 날것이 만들어지기 훨씬 이전인 1877년 오토 릴리엔탈(Otto Lilienthal : 1848-1896)

 

 

은 글라이더를 처음으로 시험제작 하였고 1891년 무게 20kg, 비행거리 15m 라는 기록을 남겼습니다. 이에 감명 받은 라이트형제가 최초로 동력 비행에 성공하게 되고 항공의 역사가 시작되었습니다.

그럼 본론으로 들어가 보겠습니다. 항공기 만이 아니라 어떠한 기구, 기계장치, 건축물을 제작하기 위해서는 재료가 필요합니다.이 재료의 선택에 있어서 무게, 버티는힘 등이 달라지게 됩니다. 그래서 목적에 맞는 재료를 선택하는 것이 가장 중요합니다.

하늘을 나는 기계장치는 어떤 재료가 최우선이 되어야 할까요? 이유여하를 막론하고 가벼워야 합니다. 무거운 모래주머니를 차고 멀리 뛸 수 없듯이, 하늘을 날기 위해서는 가벼운 것이 유리 할 것입니다.

그럼 무조건 가벼우면 될까요? 수수깡으로 구조물을 만들면 적은 힘으로도 파괴되듯이 가벼우면서도 버틸 수 있는 힘이 큰 재료를 선택해야 할 것입니다.

그럼 먼저 항공기의 구조를 간단히 분류해 볼까합니다.

 

 

트러스구조

 

 

과거의 항공기는 단순히 나무로 뼈대를 만들고, 천을 덮어 씌어 제작하였습니다. 이러한 구조는 뼈대가 모든 하중을 견디고, 외피는 단지 공기의 흐름을 제어해주는 역할만 해줍니다. 물론 가장 단순한 구조이며, 제작이 용이하고 비용적인 측면도 줄어드는 것은 덤입니다.

 

모노코크 구조

내부에 뼈대가 존재 하지 않고 외피가 뼈대와 스킨의 역할까지 모두 하는 구조입니다. 페트병을 생각 하면 이해가 빠를 것 입니다. 이 구조는 하중을 견디기 위해 자칫 잘못하면 굉장히 무거워 질수 있고, 외부의 충격에 아주 약할 수 있습니다.

 

 

 

세미모노코크 구조

위에 언급한 바와 같이 트러스구조와 모노코크 구조를 적절히 조합한 방식입니다. 현대의 항공기 및 자동차에 많이 쓰이는 구조입니다.

이제는 이러한 구조들에 쓰이는 재료를 소개해 볼까 합니다. 과거에는 나무를 주로 사용했고, 더 나아가 합금을 이용한 금속재료를 사용하였습니다. 그러나 이러한 재료들은 무게에 발목이 잡혔고, 금속이 아닌 복합재(Composite Materials)를 사용하여 항공기를 제작하기 시작했습니다.

우리가 많이 보는, 무인항공기, 드론 에는 이 복합재가 주를 이루고 있습니다. 복합재는 두 가지 이상의 재료를 섞어서 전체적인 재료의 특성을 향상시킨 혼합 재료로서, 일반적으로 유리 섬유나 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유 같은 고강도 섬유 재료를 액체 플라스틱에 적셔서 굳히며, 중량을 가볍게 하면서 강도를 증대시킬 목적으로 사용됩니다.

 

유리섬유

유리를 가열하여 잡아당겨얇게 섬유처럼 뽑아내고, 그가닥을 섬유처럼 직조 하여 만든 재료입니다.

 

 

탄소섬유

아크릴등 유기고분자 물질을 높은온도로 태워 섬유로 뽑아내어 직조한 재료입니다.

 

 

아라미드섬유

케블라 섬유라고도 불리며, 위의 두 섬유 보다 질겨, 일반적인 가위로는 자르기가 힘들정도이며, 이를 활용하여 방탄복 등도 제작합니다. 또 다른 특징으로는 내화성(불에강함) 을 가지고 있으나 물에 젖으면 약해지는 성질을 지니고 있습니다.

 

 

에폭시 수지

위의 섬유들을 붙여 굳히는 역할을 하는 본드라고 생각하면 이해가 빠릅니다. 섬유들에 충분히 스며들게 적셔, 굳히면 이 섬유들이 굳어 형체를 유지하게 됩니다.

 

 

위와 같은 재료들을 틀(몰드에) 올리고 에폭시를 적셔가며 쌓아올리는 방식을 적층이라고 합니다. 실제 제작 방식을 소개하도록 하겠습니다.

 

먼저 형태를 제작하기 위한 틀을 제작 합니다.

 

제작하고 싶은 형태의 몰드를 만든 다음 표면 처리를 진행합니다.

 

 

형태를 만들고 표면 처리를 완료 하고 나면 이러한 표면이 나오게 됩니다.

 

이제 이 표면에 적층을 시작합니다. 먼저 고운 유리섬유를 크기에 맞게 재단한 다음, 한 겹 올려 적층을 시작합니다.

 

 

이후 탄소섬유를 재단하여 한겹한겹 올려가며 적층을 합니다.

 

 

적층을 완료 하고 나면 24시간 이상 굳힙니다. 굳히는 동안 이 에폭시 수지는 열을 발산하며 딱딱하게 굳어 갑니다. 완전히 굳고 나면 몰드에서 굳은 복합재를 탈형 합니다.

 

 

완성된 모습입니다.

이후 튀어나온 에폭시 수지와 불필요한 부위를 다듬으면 원하는 형태의 복합재가 완성됩니다. 이번 글에서는 기체의 구조와 재료, 제작방식을 간단히 소개 해 드렸습니다. 다음 글에서는 무인항공기의 동력장치 에 대해 소개 해 볼까 합니다. 기술적인 이야기를 쉽게 풀어 무인항공기를 이해하기 쉽게 설명하도록 하겠습니다.

 

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정시윤

/ 아나드론스타팅필진
4차 산업혁명의 가장 핵심인 드론에 대한 관심으로 시작하여 드론을 경찰업무에 활용하기 위하여 연구하는 전문적 학습공동체(폴드론아카데미) 일원으로 활동하고 있습니다. 현재 경찰 드론 실종자 수색 연구를 하고 있습니다. airplane1206@police.go.kr

폴드론아카데미는 전원 현직경찰관들로 구성되어 활동하는 전문적학습공동체로, 드론을 활용하여 효율적인 치안업무의 도움을 주고자 연구하는 경찰 내 현장학습동아리 입니다.

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