아두이노 RC 비행기 제작 (작성중)

부족한 부분도 많고 설명을 자세하게 쓰지는 못할 것 같지만 취미니깐 배워나가고 또, 비행 상정하기보단 소프트웨어와 하드웨어를 간단하게 구현하는데 의의를 둬본다. 더 전문적인 지식을 배워나가는 기회가 되었으면 좋겠다.
아두이노로 RC기를 제작하는 데에 필요한 내용들을 학습하며 적어본다.
항공기에 대한 전문적인 지식은 많은 블로그에 방대한 내용이 정리되어 있으니 그것들을 참고하시길 바란다.

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1. 무인 비행장치 법규와 자격증
*무인 비행장치는 다음과 같이 정의하며, 국토교통부령에 의한 항공안전법을 준수하여야 한다.
한국교통안전공단 배움터에서 무인 비행장치 관련 자격증 학습과 습득에 대한 도움을 받을 수 있다.

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2. 고정익 항공기 구조의 주요 부분
-기체(Body), 동력장치(Power Unit), 비행전자제어시스템(Flight Electrical Control Systems)
RC(Radio Controlled) 항공기의 동력장치는 엔진 관련 부분을 BrushLess DC Motor, Electric Speed Controller, Battery 로 대체하면 대부분이 엔진항공기와 동일한 구조를 가짐. 어떻게 보면 더욱 단순화 된 구조.
1)고정익 항공기의 구성과 구조부재

주날개, 꼬리날개, 착륙장치,조종면(주조종면, 부조종면)
-주조종면(선회, 방향 전환)
보조익 aileron: 좌우 대칭으로 장착됙 서로 상하 반대 방향으로 작동하여 롤링축으로 회전하게 하여 선회를 돕는다. 에일러론 대신 양력 증대 기능이 합쳐진 플랩퍼론 flapperons으로 장착되는 항공기도 있다.
방향타 Rudder: 수직 꼬리날개 뒤에 있으며 요축을 조절하여 항공기의 방향 전환을 조종한다.
승강타 Elevator: 수평 꼬리날개 뒤에 있으며 피치각을 조절하여 상승과 하강을 조절한다.
-부조종면(양력, 항력 등 조절)
스포일러 spoiler: 날개 위쪽 공기흐름을 교란시켜 앙력을 감소시키고 항력을 증가시킨다. 항력 증가로 속도가 감소하기 때문에 착륙거리를 단축하기에 용이하다.
플랩 flap: 주날개 뒷전에 장착되어 주날개의 형상을 바꿈으로써 높은 양력을 발생시키는 고양력장치
슬랙 slat: 주날개 앞전에 있으며, 슬랫을 확장시켜 날개 위쪽의 공기흐름을 변화시켜 실속속도를 낮추고 양력을 증가시키는 양력증강장치, 고정되어 있거나 접을 수 있는 형태로 고정형의 경우 저속성능이 우수하고 짧은 이착륙 거리를 갖는다.
트림 탭 trim tap: 평행 비행 제어 시 1차 비행조종장치를 사용하지 않고 항공기가 평형상태에 있으면서 조종간에 힘이 걸리지 않도록 만들어 주는 장치가 트림 탭으로, 조종사가 조종 장치에 계속해서 힘을 가하지 않아도 그 상태를 유지할 수 있게 하는 장치이다.

 

에어브레이크 air brake: 항력을 증가시켜 착륙거리를 단축시키는 역할을 한다.
-구조부재
*골격, 세로거더, 세로대, 벌크헤드, 리브, 외피
Frame, Stringer, Longeron, Bulkhead, Rib, Skin Rinkage etc.

주날개

꼬리날개

2) RC 비행기의 구성

추진 시스템(모터/엔진, 프로펠러/모터, 배터리/연료), 비행제어시스템(비행제어컴퓨터, 센서, 구동기/조종면), 지상통제시스템(통신장치, 지상통제장치, 조종기/수신기), 탑재체시스템(카메라/김발, 영상전송장치), 기체시스템(전원공급장치, 착륙장치).

(1) 기체 구성
동체(Fuselage) - 날개(Wing) - 꼬리날개(Empennage) - 조종면(Control Surface) - 착륙장치(Landing Gear) - 모터 마운트와 낫셀(Motor Mount & Nacelle) - 링키지(Linkage)

 

동체, 날개, 꼬리 날개, 조종면, 착륙장치, 모터마운트: 3D 모델링 사이트에서 얻은 것을 사용하기로 했다. 사이즈 mm 단위로 조절해가며 열심히 출력함.

(2) 추친시스템와 비행제어시스템 구성
-아두이노로 구현하는 추진시스템
BLDC모터 - 로터블레이드(Rotor Blade) - ESC - Battery
-아두이노로 구현하는 비행전자제어시스템
UNO 보드와 확장 쉴드 - RF24 모듈 - Servo 모터 - Slide Potentiometer - GPS - MPU6050

(3) RC 비행기 구조 부재(Structural Member)

Z type Linkage & end

(Linkage를 제외한 기체의 복잡한 모든 부분은 3D 모델이 다 해결해주었다!, 오픈소스(?) 만세! 하지만 내구성은 포기해야할 듯하다.)

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3. 항공기에 작용하는 힘
(1) 하중 Load
외부에서 기체에 가해지는 힘으로 무게에 의한 중력Gravity , 공기력 Aerodynamic Forces (양력, 항력), 추력(관성력, 가속력, 원심력), 충격력 Impursive Forces 등의 힘.
-양력 Lift: 항공기 수직 상방으로 작용하는 공기력의 합성 성분/ 날개와 꼬리날개에서 불균등 분포 하중형태로 발생하여 날개와 동체 결합부에 응력을 유발.
-무게 Weight: 항공기 수직 하방으로 작용하는 기체와 탑재물의 중량/ 각 구조부분의 전체 하중으로 한 부분의 개별하중으로 작용하며, 비행 중 하중으로는 무게 중심에 집중하는 집중하중으로 계산하되 항공기의 균형을 잡기 위해 주어진 한계내에 있어야 한다.
-객실여압하중 Cabin Pressurization: 동체 외피에 작용하는 힘으로 전단하중 Shear Flow을 유발하여 동체를 파괴할 수 있는 하중(워핑 Warping, 좌굴현상 Bulking, 오일 캐닝 Oil Canning 등)을 유발.
*워핑: 비틀림 모멘트에 의해 단면이 찌그러지는 현상
*좌굴현상: 단면에 비해 길이가 긴 부재가 압축력을 받을 때 부재가 휘어지는 현상

버클링의 모습

*오일 캐닝: 석유통 등 박판 제품의 곡률이 작은 면의 볼록한 부분을 누르면 튀어나온 부분이 들어가고 대신 반대쪽이 볼록하게 튀어나오는 경우, 평면 부분의 판이 지나치게 커서 나타나는 요철, 판금 제품의 불량 현상의 하나.
-추력 Thrust: 항공기 진행 방향으로 작용하는 추진력
-항력 Drag: 항공기 진행 역방향으로 작용하는 공기력의 합성 성분/ 기체 각 부분에서 공기력에 의해 발생하는 불균등 분포 하중으로서 기체 결합부에 집중하중으로 작용.
-관성력 Inertial Force: 상승 Climbinh, 하강 Descent, 롤링Rolling 시에 발생하는 가속력과 원심력에 의해 발생, 주로 조종면에서 발생하여 날개와 꼬리날개로 전달.
-돌풍에 의한 하중: 항공기가 등속수평비행을 할 때, 갑작스런 상승기류로 인해 순간적으로 주날개의 받음각이 증가해 과도한 양력이 발생하여 생기는 하중.
-C.G Center of Gravity: 항공기 무게중심
-A.C Aerodynamic Center: 항공기에 작용하는 공기력 중심

(2) 응력 Stress
압축 Compression, 인장 Tension, 비틀림 Torsion, 전단 Shear, 굽힘 Bending
-크리프 응력Creep Stress
일정 응력상태(변화하지 않을 때)에서 온도와 시간의 변화에 따른 변형률(늘어난 길이: Strain)의 변화를 일으킴.

크리프 단계

-피로 응력 Fatigue Stress
특정 부의에 반복적인 하중의 횟수 증가로 인하여 발생하는 응력으로 한계 하중을 예측하기 어려움.
-제한하중 Limit load factor
사용 운용상태에서 예상되는 최대하중, 항공기 운용상태에서 일어날 수 있다고 예상되는 최대하중, 제한하중 내에서 변형이 일어나면 바로 원상복귀 시켜야 한다. (구조시험: 제한하중을 제거했을 때 잔류변형이 없을 것)
-극한하중 Ulitmate load factor
재료에서 파괴를 일으키기 직전의 하중, 강도설계법으로 부재를 설계할 때 사용하는 하중으로, 사용 하중에 하중계수를 곱한 하중. (구조시험: 극한 하중에서 최소한 3초간 파손이 발생하지말 것, 잔류변형 허용)

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*참고한 사이트
Another Name for Engineering Passion -post - https://enssionaut.com/board_aerospace

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항공직업전문학교-항공정비전공-전공자료실

에이스항공직업전문학교

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