재학생들이 레오나르도 다 빈치의 스케치를 이용해 드론을 만들었다
1480년대 후반 레오나르도 다 빈치는 '공기 나사'로 추진되는 1인용 헬리콥터의 정교한 구조를 스케치했다. 아마 여러분도 그의 스케치를 본 적이 있을 것이고, 이런 헬리콥터가 언젠가 날 수 있을지 궁금했을 것이다. 이제 그 답을 안다. 이 이탈리아 천재의 생각이 옳았다.
2019년부터 메릴랜드대학교 엔지니어 팀은 설계 공모전의 일환으로 기본 기술을 개발하고 시험해 왔다. 이후 연구팀 멤버인 오스틴 프레테는 다 빈치의 나선형 설계를 사용해 쿼드콥터 무인 드론 Crimson Spin을 만들었고, 이를 여러 차례 짧게 비행시켰다.
"이게 작동할 줄은 정말 몰랐습니다"라고 프레테는 말했다. 그는 대학 항공우주공학과 석사 과정 대학원생으로, 이 기기를 석사 학위를 받기 위해 만들었다. 처음에는 그와 다른 팀원들이 회의적이었지만, 일부 컴퓨터 시뮬레이션과 3D 프린터로 출력한 프로펠러 시제품이 유망한 결과를 보이자 다 빈치의 설계에 더 큰 기대를 갖게 되었다.
그는 지난주 캘리포니아주 산호세에서 열린 '변혁적 수직 비행 2022' 컨퍼런스에서 연구 결과와 항공기 첫 비행 영상을 발표했다.
이 프로젝트는 현대 기술이 기존 비행기와 헬리콥터의 설계와 어떻게 달라지는지를 잘 보여주는 사례다. 15세기의 비행 장치가 머지않아 아마존 택배를 배송할 가능성은 낮지만, 이번 컨퍼런스에서는 헬리콥터처럼 수직으로 이륙했다가 비행기처럼 수평으로 날 수 있는 다양한 특이한 비행체들이 소개되었다.
Kitty Hawk, Airbus, Transcend Air, Jaunt 같은 기업들은 이 산업을 혁신하고 사람을 에어 택시로 실어 나를 수 있기를 기대하고 있다.
프레테가 만든 것은 작은 드론에 불과하지만, 이 기술은 사람을 태울 만큼 충분히 큰 비행체에도 적용될 수 있다. "저는 이 기술이 꽤 잘 확장될 수 있어야 한다고 진심으로 생각합니다"라고 오스틴은 말했다.
메릴랜드 대학원생은 다 빈치가 구할 수 없었던 소재의 도움을 받았다. 르네상스 시대의 목재와 가죽 같은 건축 재료는 항공기에 쓰기에는 너무 무거웠다. 또한 다 빈치에게는 소형 에너지원도 없었다.
프레테는 공기 나사 설계를 가능하게 한 알루미늄, 플라스틱, 전기 모터, 배터리, 컴퓨터 제어 시스템을 사용할 수 있었다. 엔지니어가 시제품을 개발하고 컴퓨터 안에서 공기역학을 시뮬레이션하는 데 사용한 설계 자동화 소프트웨어와 전산 유체역학 소프트웨어도 유용했다.
현대의 쿼드콥터 기술도 이 설계를 실용적으로 만드는 데 도움이 되었다. 이 기술은 프로펠러 회전 속도의 미세한 변화를 조절해 어떤 방식으로든 드론을 기울인다. 프레테에 따르면, 일반 헬리콥터처럼 단일 회전축 구조를 만들려고 했다면 훨씬 더 어려웠을 것이다. 헬리콥터는 회전하는 각 로터의 기울기를 지속적으로 조절하기 위해 복잡한 기어 전달 장치와 조종 장치를 사용한다.
하지만 더 무거운 공기 나사 무게와 잠재적인 불안정성 등 여러 문제도 있다. 프레테는 어떤 특이한 공기역학 효과가 Crimson Spin을 공중에 떠 있게 도왔을 가능성이 높다는 것을 발견했다.
콩코드 초음속 여객기처럼 삼각형 날개를 가진 항공기는 날개 앞전 바로 뒤에서 소용돌이 형태로 회전하는 공기 와류를 만든다. 이 와류는 저압 영역을 만들어 양력을 높일 수 있다. 시뮬레이션에 따르면 비슷한 와류가 공기 나사의 평평한 표면 바깥 가장자리를 따라 형성되어 구조 전체를 나선형으로 타고 내려오며 상승 추력을 만든다.
이 공기역학의 결과 중 하나는 공기 나사가 일반 프로펠러보다 아래로 향하는 기류를 적게 만든다는 점이다. 대학원생에 따르면, 이는 그 아래에 먼지, 모래 및 기타 날려 올라갈 수 있는 물질이 적다는 뜻이다. 또한 아마 훨씬 조용할 것이다.
이 작동하는 공기 나사는 DJI 드론 정도 크기의 소형 무인기지만, 프레테는 "형상 최적화와 다양한 비행 모드에서의 성능 연구"를 통해 개선할 수 있다고 본다. 그는 더 이상 이 프로젝트에 참여하지 않겠지만, 관심과 자금이 있다면 메릴랜드대학교에서 연구가 계속될 수 있다고 생각한다.
“이것은 사람을 태울 수 있는 수준까지 확장될 가능성이 있는 실용적인 부유 기기일 수 있지만, 기능, 신뢰성, 성능에 대한 추가 연구가 이뤄지기 전까지는 현재 기업들의 개발에서 그 활용 가능성은 보이지 않는다. 그럼에도 결국에는 덕트 로터와 같은 위치에서 작동할 수도 있다”
다 빈치의 스케치에서 영감을 받은 이 드론은 이륙해 이동할 수 있다. 비행 중 이 특이한 프로펠러는 무인기에서 흔치 않은, 드릴 소리에 더 가까운 소음을 낸다.
