목 차 Ⅰ.연구의 필요성 및 목적 3 Ⅱ.용어정리 4 Ⅲ.연구내용 4 Ⅳ.이론적 배경 4 1.용어의 정의 4 2.자이로콥터 탐구 6 Ⅴ.연구 과정 및 결과 8 1.1차 비행체 제작 7 2.1차 비행체 비행 10 3.2차 비행체 제작 (비행체 보완) 13 4.2차 비행체

작품번호 1714 제 59회 전 국 과 학 전 람 회 저속 비행이 가능한 'SS705' 비행체 출품분야 학생부 출품부문 산업 및 에너지 2013.7.10. 구 분 출품학생 지도교사 성 명 조수빈,오수안 정진숙

목 차 Ⅰ.연구의 필요성 및 목적 3 Ⅱ.용어정리 4 Ⅲ.연구내용 4 Ⅳ.이론적 배경 4 1.용어의 정의 4 2.자이로콥터 탐구 6 Ⅴ.연구 과정 및 결과 8 1.1차 비행체 제작 7 2.1차 비행체 비행 10 3.2차 비행체 제작 (비행체 보완) 13 4.2차 비행체 비행 22 Ⅵ.결론 24 Ⅶ.결론 및 전망 25-2 -

Ⅰ.연구의 필요성 및 목적 초등학교 6학년 때,담임선생님께서 학교에 신기한 모형 비행기를 가지고 오셔서 교실에서 우리에게 무선조종으로 날리는 것을 보여주셨다.그 모형비행기는 공중에 안정감 있게 떠서 이리저리 움직이다가 원하는 곳에 쉽게 착륙을 했다.이 신기한 비행체는 몸체가 헬리콥터 같기도 하였고,프로펠러가 달려있는 것을 보면 보통의 비행기 같기도 했다.그래서 선생님께 이 비행체의 정체가 무엇이냐고 질문을 하니 자이로콥터 라고 하셨다. 그날 우리는 자이로콥터가 무엇인지 궁금하여 인터넷을 이리저리 찾아보았다.자 이로콥터의 구조는 비행기의 고정날개 대신에 회전날개를 장착한 것이다.그래서 외형은 헬리콥터처럼 보이기도 한다.하지만 헬리콥터와는 또 다른 차이가 있었다. 헬리콥터는 동력에 의해 회전날개를 직접 회전시켜 양력을 발생시키지만,자이로콥 터의 경우 회전날개는 동력을 사용하지 않고 무동력으로 양력을 발생시킨다.그 대 신에 프로펠러 등으로 추진을 얻어 앞으로 전진 또는 상승(양력)하여 비행을 하게 된다.이러한 자이로콥터의 가장 큰 장점은 저속에서도 실속하지 않는다는 것이다. 우리는 자이로콥터를 찾아보다가 궁금증이 생겼다. 자이로콥터는 양력을 발생시킬 때 꼭 무동력으로만 발생시켜야 할까? 우리는 이 궁금증에 꼭 그렇지만은 않다고 생각했다.그래서 우리는 자이로콥터의 형태와 비행특성을 응용한 새로운 비행체를 개발해 보기로 하였다. 우선은 기존에 나온 연구 내용이 있는지 찾아보았다.찾아보니 2008년에 전국과학 전람회에 나왔던 소형 자이로콥터의 개발과 안정성 탐구 라는 연구 내용이 있었 다.그 연구에서는 소형 자이로콥터를 만들었는데,동체의 앞부분에 추력을 발생시 키는 프로펠러를 달고 동체의 중간부분에는 무동력으로 회전하는 회전날개와 안정 판이 부착되어 있는 형태였다. 다행히 기존의 연구 내용은 우리가 개발하려는 자이로콥터를 응용한 새로운 비행 체인 'SS705'와는 달랐다.우리는 우리가 개발할 새로운 비행체를 머릿속으로 구상 을 해 보았다.우리는 시중에서 판매하는 고무동력기를 보완하여 만들기로 하였다. 기존의 고정날개는 그대로 두고,비행체의 앞에는 추력을 발생시키는 장치를,날개 의 양 끝에는 기존의 자이로콥터와는 다르게 동력으로 회전하면서 양력을 발생시키 는 장치를 부착하기로 하였다. 이 연구에서는 자이로콥터의 형태와 비행특성을 응용한 새로운 비행체 'SS705'를 개발하고자 한다.'SS705'비행체는 기존의 자이로콥터와는 달리 회전날개에 동력이 제공되며 저속에서도 충분히 큰 양력이 발생하기 때문에 이착륙 시 활주거리가 짧아 도 된다는 장점을 가지고 있어,항공촬영용이나,무인 정찰기 등으로 활용가능하리라 기대된다. - 3 -

Ⅱ.용어정리 1.자이로콥터란 자이로콥터란 헬리콥터와 달리 주회전날개가 자유회전하면서 비행에 필요한 양력 을 얻어 비행하는 항공기의 일종이다.즉,양력을 무동력으로 얻는다는 특징이 있 다.다른 용어로 오토자이로라고도 한다. 2.SS705 이 연구에서 개발한 비행기의 명칭으로서,회전날개가 동력에 의해 회전하며,저속 에도 실속하지 않고,저속에서 양력이 충분히 발생하기 때문에 이착륙시 활주거리 가 짧은 장점을 가지고 있다. 3.비행 안정성 우리의 연구 과정에서 앞으로 말할 안정성이란 비행기의 무게가 어느 한쪽으로 치 우치지 않아 수평을 이루며,비행도중 불시착과 추락을 하지 않고 안정적으로 비행 을 하는 것을 비행 안정성이라고 정의를 내렸다. Ⅲ.연구내용 1.자이로콥터의 형태와 비행특성을 응용한 SS705'비행체를 설계 및 제작한다. 2. SS705'비행체의 저속 양력특성에 대해 연구한다. 3. SS705'비행체의 비행 안정성 대해 연구한다. Ⅳ.이론적배경 1.용어의 정의 가.양력 날개를 펴고 활공하는 것 들은 그 체중을 받치고 있는 힘을 공기로부터 받고 있 으며,하늘높이 비행하는 점보제트기도 수백 톤이나 되는 중량을 받치는 힘을 공기 로부터 받고 있다. 이와 같이 유체 속을 수평으로 운동하는 물체가 유체로부터 받는,진행방향에 대 - 4 -

해 수직인 위쪽을 향하는 힘을 양력이라 한다. 항공기의 날개 단면은 빠른 스피드에 대해 유체로부터 받는 저항이 최소가 되는 형상,즉 유선형인데 위쪽과 아래쪽에서는 느리므로 날개의 아래쪽이 받는 압력은 위쪽이 받는 압력보다 커서 그 차이에 상당하는 압력으로 날개는 밑에서 밀어 올라 간다. 나.추력 추력이란 프로펠러,터보 팬 또는 터보제트 엔진에서 발생하는 힘으로 공기를 후 방으로 밀어내 반작용으로 항공기를 앞으로 미는 힘이 생긴다. 주행물체나 비행물체를 진행방향으로 밀고 나아가는 힘.항력과 가속에 의한 관성 력의 합에 해당한다. 프로펠러를 회전시켜 추력을 발생시키는 것과,제트엔진 로켓 등과 같이 유체의 운동에너지 증가로 직접 추력을 발생시키는 것이 있다. 다.저항력 저항력이란 유체 속을 물체가 운동할 때,물체가 유체로부터 받는 힘을 말한다. 라.실속 받음각을 일정각도 이상으로 증가시키면 불충분한 비행 속도로 인해 공기의 흐름 이 불안정해 진다.이때 항공기는 하강하려는 현상을 보인다.받음각을 증가시키면 양력계수(양력)가 증가하나 일정 각도 이상으로 증가하면 반대로 양력계수(양력)가 감소하기 시작하는데 이러한 현상을 실속이라 한다. [그림 1] 비행기의 비행원리 [그림 2] 양력 - 5 -

2.자이로콥터 탐구 가.자이로콥터란 자이로콥터는 일반 비행기처럼 안정을 담당하는 꼬리날개와 추진을 담당하는 프로펠러 가 부착되어 있다.자이로콥터는 프로펠러에 의해 전진하게 되면 뒤로 기울어진 무동 력 회전날개가 상대풍에 의해 회전하면서 양력을 발생하여 비행하는 비행체이다. 나.헬리콥터와의 차이점 헬리콥터는 주회전날개를 회전시켜 대부분의 양력 및 추력을 얻는 항공기이다. 헬리콥터는 회전날개를 엔진의 힘으로 회전시키는 데 반해 자이로콥터는 헬리콥터 와 형태적으로 유사하나 회전날개는 비행기가 전진할때 받는 공기의 힘으로 자동적 으로 회전하며 동력기관과 프로펠러는 비행기를 전진시키는 용도로만 사용된다.이 것이 헬리콥터와 자이로콥터의 가장 큰 차이점이다.헬리콥터는 수직 이 착륙이 가 능하나 자이로콥터는 이 착륙시 활주가 필요하다.또한 정지 비행을 못한다는 것만 제외하고는 헬리콥터와 유사한 효과를 기대할 수 있다. 다.고정날개 비행기와의 차이점 고정날개 비행체와 비교 시 뚜렷한 장점은 실속하지 않고 저속으로 비행할 수 있 다는 것이다.반면에 고정날개 비행체에 비교해 볼 때,회전날개의 높은 저항력 특 성으로 인해 고속 비행과 장거리 비행에는 비효율적이라는 단점이 있다. 고정날개 비행기,헬리콥터를 통틀어 가장 뛰어난 장점은 상대적으로 안전하다는 점이다.엔진이 멈추어도 자이로콥터는 회전날개의 자전에 의해 낙하산처럼 천천히 하강할 수 있다는 것이다. 라.자이로콥터의 특징 헬리콥터와의 차이점으로 인해 자이로콥터는 비행을 위해 약간의 지상활주가 필요 하며 헬리콥터와 같은 수직이착륙 및 수직상승,공중정지비행(Hovering)등의 기동 은 불가능하다.자이로콥터의 비행은 다음과 같은데 일반적으로 기체 후면에 장착 된 기관을 시동하여 프로펠러를 회전시켜 추진력을 얻고 기체가 전진해감으로서 공 기의 상대적인 속도차가 생기면 기체 윗면의 회전익이 회전하기 시작한다.회전이 충분이 빨라져서 비행이 가능할 정도의 양력이 발생하면 기체는 비행이 가능하게 된다. 마.자이로콥터의 용도 자이로콥터는 이착륙시 활주거리가 짧으므로 군용 및 보도용과 같은 특수한 용도 로 사용되었으나 그 외의 용도로는 별로 일반화되지 못하였다.현대에 들어와서는 - 6 -

헬리콥터 및 단거리이착륙기(STOL,ShortTakeOf& Landing)등이 발달하면서 찾아보기 힘들게 되었다. [그림 3] 소형 자이로콥터 Ⅴ.연구 과정 및 결과 1.1차 비행체 제작 가.준비물 :고무동력기,부직포,슈구,유제,모터,프로펠러,전자저울, 카본,포멕스,배터리,전선,납땜기,0.7V 스텝다운 다이오드,공작도구 등 나.연구 과정 1 우리가 만들려고 하는 비행기를 구상한다. 2 구상한 비행기를 심층 분석 후 설계한다. 3 시중에서 흔히 볼 수 있는 고무동력기를 구입한다. 4 설계 도면을 참고 하여 고무동력기를 제작한다. 5 스프레이 통에 유제를 넣는다. 6 유제를 넣은 통에 슈구를 넣는다. 7 슈구가 유제에 다 녹을 때 까지 흔든다.(약 1시간) 8 다 녹으면 날개 곳곳에 뿌려준다. 9 포멕스를 사각형으로 잘라서 카본을 수직으로 고정시킨다. 10 모터와 프로펠러를 조립한 후 리튬 폴리머 3.7V 배터리와 연결한다. 11 카본에 테이프를 이용하여 모터를 고정시킨다. 12 소형 전자 저울에 위,아래로 프로펠러를 돌릴 수 있도록 +단자,-단자를 준비한다. - 7 -

13 정회전과,역회전을 이용 추력을 계산한다. 14 준비한 카본에 모터와 프로펠러를 연결하여 일정한 간격으로 고정시킨다. 15 납땜기를 사용하여 배터리를 연결한다.(+,-극에 주의하여 연결) 16 비행기 앞부분에 장착한다. 17 카본 막대를 우리 비행체와 맞게 25cm로 자른다. 18 카본 막대에 구리 테이프를 붙인다. 19 모터에 종이테이프를 붙이고,구리 테이프에 본드로 고정을 시킨다. 20 배터리와 연결한다. 21 우리가 구상한 자이로콥터형 비행체가 완성 된다. [그림 4] 우리가 만들려고 하는 비행체 의 초기 설계도이다. [그림 5] 습자지로 되어 있는 날개를 보 완하여 부직포로 날개를 제작한다. 우리만의 비행체는 비행체의 앞쪽에 추력을 발생시키는 추력장치가 장착되어 있 고,고정날개에는 양력 발생에 도움을 주는 양력도움장치 가 장착되어 있다.이 양 력도움장치가 동력을 사용하여 회전한다는 점에서 기존의 자이로콥터와 차이가 있 다. 우리는 W사의 퍼펙트 R-2 고무동력기를 구입했다.우리는 위의 탐구 과정을 거 치면서 원래의 고무동력기는 날개가 습자지로 제작되어 쉽게 찢어진다는 단점을 발 견했다.쉽게 찢어진다면 실험비행에 상당히 지장을 줄 것이라고 생각했다.그 단점 을 어떻게 보완하면 좋을지 생각하다가 부직포를 이용하기로 했다.부직포는 습자 지보다 질기면서도 무게가 얼마 나가지 않는다는 장점이 있다.그리고 부직포를 붙 인 주위에 돼지 표 본드를 발라서 고무동력기가 하늘을 날 때,바람을 타고 날 수 있도록 했다.이렇게 해서 우리는 고무동력기의 단점을 보완한 우리만의 고무동력 기를 제작했다. 부직포에 바람을 불면 바람이 부직포를 통과하게 된다.이렇게 하면 비행기가 하 - 8 -

늘을 날면서 양력을 손실할 가능성이 크다.우리는 양력 손실을 최대한으로 줄이기 위해 그림 8,9단계를 거쳤다. 유제란 잉크를 녹이는 액체이다.그리고 슈구는 운동선수들이 신발 밑창을 수리 및 보강하는데 사용하는 것으로 굳으면 고무가 된다. 우리는 유제와 슈구를 섞어서 부직포에 뿌려 주면 바람이 부직포를 통과하는 것을 막을 수 있다고 생각했다.그래서 슈구와 유제를 섞어서 날개에 뿌려준 결과 바람 이 부직포를 통과하지 못하게 되었다.이로써 우리는 양력 손실을 최대한으로 줄이 게 되었다. 구 분 습자지 부직포 슈구 처리를 한 부직포 무게 (g) 0.3 0.4 0.5 <표 1> 습자지, 부직포, 슈구 처리를 한 부직포의 무게비교 우리는 인터넷을 찾고 전문가를 만나서 우리의 비행체에 가장 적합한 모터를 찾아 보았다.그 결과 5000RPM DC 모터가 가장 적합하다고 판단되었다.그 이유는 소 형 모터를 모두 합친 것과 같은 대형 모터를 1개 사용하면 편리하긴 하지만 우리의 비행체는 고무동력기를 보완시킨 것이므로 대형 모터의 무게를 견딜만한 힘이 부족 하였다.그래서 우리는 소형모터를 여러개 사용하기로 하였다. 하나하나 무게를 제어 본 결과 모터는 1.7g,프로펠러는 0.2g이었다.추력을 계산하 기 위한 장치는 70.2g이었다. 우리는 두 가지 조건을 다르게 하면서 추력을 제어 보았다. 구 분 바람이 위로 발생할 때 바람이 아래로 발생할 때 추력장치의 무게 (A) 70.2g 70.2g 프로펠러가 회전할 때의 무게 (B) 추력 (C) (A-B=C),(B-A=C) 77.1g 67.8g 77.1g-70.2g=6.9g (B-A=C) 70.2g-67.8g=2.4g (A-B=C) <표 2> 추력장치를 이용하여 추력계산 프로펠러가 회전할 때 바람이 아래로 부는 경우와,위로 부는 경우,추력의 차이 가 많이 났다.하지만 이것은 우리의 실험의 오차가 아니라,바람이 아래로 불 때 아랫부분이 뚫려 있지 않고 막혀 있어서,실제의 추력이 발생하지 못한 것이었다. 그러므로 우리가 사용하려는 모터의 추력은 6.9g이라는 결과를 얻게 되었다. 여러 번의 실패를 거듭한 결과 모터와 배터리 연결에 성공하였고,모터가 정상적 - 9 -

으로 회전하는 것을 확인하였다.우리는 카본의 가운데를 기준으로 양쪽에 모터를 2개씩 달았다.모터가 한 방향으로만 회전한다면 힘의 반작용으로 인하여 한쪽 방 향으로 비행체는 기울어 질 것이다.그래서 왼쪽 모터는 전면 방향,오른쪽 모터는 오른쪽 방향으로 약 2~3도 방향으로 틀어서 고정을 시켰다. [그림 6] 추력을 계산하기 위해서 우리 만의 추력 계산 장치를 만들었다. [그림 7] 완성된 1차 비행체이다. 우리는 날개의 양 끝에 전선이 많이 있으면 복잡할 것 같아 카본에 구리 테이프를 붙임으로써 전선의 개수를 최소한으로 줄였다. 3.7V 배터리로는 모터의 힘이 세지가 않아서,3.7V 배터리를 2개를 합쳐서 7.4V 의 전압을 만들었다.하지만 우리의 모터는 전압이 6V 일 때 최대의 효과를 낸다. 그래서 우리는 0.7V 전압을 다운시켜주는 스텝다운 다이오드 세 개를 사용하여 적 정전압인 6V를 만들어 내었다. 전압을 3.7V에서 6V로 만들어 놓으니 전보다 훨씬 모터의 힘이 세졌다. 이로써,우리가 만들려는 자이로콥터 형태의 1차 비행체가 완성이 되었다. 2.1차 비행체 비행 가.준비물 :1차 비행체,배터리충전기,카메라 나.탐구 과정 1 1차 비행체를 바람의 영향을 받지 않는 무풍인 실내 체육관에서 날려본다. 2 날리는 장면을 카메라 동영상으로 촬영한다. 3 촬영한 것을 다시 한 번 확인 후 비행체의 문제점을 찾아본다. 4 문제점을 찾아 비행체를 개선한다. 5 엘리베이터와 에일러론을 조건에 따라 다르게 하여 비행을 한다. 6 비행 장면을 카메라 동영상으로 촬영한다. - 10 -

7 촬영한 동영상을 보고 비행체의 문제점과 개선해야 할 점을 찾는다. 8 7 과정에서 찾은 문제를 개선한다. 9 80mAh7.4V리튬 폴리머 배터리 대신 350mAh용량의 배터리로 교체한다. 10 배터리를 제외한 같은 조건 하에 비행을 한다. 11 비행을 한다. 12 추력 장치만 단 비행체를 실내 체육관에서 비행한다. 13 기존에 촬영한 자이로콥터형 비행체 동영상과 비교한다. 우리가 만든 비행체로 첫 비행을 한 결과 비행체가 위로 높이 치솟았다가 바닥으 로 곤두박질치는 것을 볼 수 있었다.우리는 이러한 탐구 결과를 얻어낸 후 왜 우 리의 비행체가 이렇게 날까 생각하였다.원인을 분석해 보니 추진력에 있었다.우리 의 비행체는 추진력을 일으키는 모터 4개,양력을 일으키는 모터 6개로 구성되어 있다,하지만 우리가 만든 비행체의 무게에 비해서 추진력을 발생하는 힘이 적어서 비행체가 잘 비행하지 못하였다.그리고 우리의 비행체는 착지하면서 왼쪽으로 트 는 이상한 현상이 발생하였다.이는 우리가 비행체를 제작할 때,양쪽 날개의 무게 를 똑같이 해주지 않아서 발생하였다.우리는 이러한 현상을 개선하기 위하여 꼬리 날개에는 승강타인 엘리베이터를,앞날개에는 방향타인 에일러론을 장착하여 이러 한 현상을 막았다. 좌우로 틀어짐을 보완하는 에일러론을 장착함에도 불구하고 우리의 비행체는 여전 히 착지할 때 왼쪽으로 돌았다.이러한 문제점을 개선하기 위하여 우리가 생각해 낸 방법은 추력장치를 오른쪽으로 조금 틀어서 다는 것이다.이렇게 되면 바람의 영향으로 왼쪽으로 도는 것을 막을 수 있다.그래서 추력장치 부분의 카본 막대를 틀을 수 있도록 'FRP판 에 카본막대를 부착하여 주었다. 에일러론과 엘리베이터,FRP판의 조건의 각각 다르게 하여 비행하면서 우리가 알 아낸 사실은 대체적으로 엘리베이터를 위로 하였을 때 비행기가 안정성 있게 난다 는 것이었다.따라서 비행의 안정성에 영향을 미치는 것은 엘리베이터이라는 것을 알게 되었다. 그러나 우리가 이러한 조건을 다르게 하는데도 우리의 비행체는 원하는 만큼 안정 성 있게 비행하지 못하였다.우리는 왜 이럴까 하고 생각한 결과,추력이 약하고, 배터리의 펀치력(배터리에서 순간 사용할 수 있는 방전률)즉 파워가 약하기 때문 이라는 생각을 하게 되었다. 그래서 다음번에 비행 할 때는 같은 조건 하에 배터리의 용량을 늘려 실험 비행을 하기로 했다. - 11 -

구 분 에일러론 수평 엘리베이터 수평 에일러론 위 엘리베이터 위 에일러론 아래 엘리베이터 아래 에일러론 위 엘리베이터 아래 에일러론 아래 엘리베이터 위 비행 속도 보통 천천히 비행 보통 보통 천천히 비행 비행 거리 짧다 길다 짧다 짧다 보통 착지시 오른쪽으로 휨. 오른쪽으로 휨 왼쪽으로 휨 오른쪽으로 휨 왼쪽으로 휨 안정성 x o x x o <표 3> FRP판을 일직선으로 둔 후 비행 에일러론 수평 엘리베이터 수평 에일러론 위 엘리베이터 위 에일러론 아래 엘리베이터 아래 에일러론 위 엘리베이터 아래 에일러론 아래 엘리베이터 위 비행 속도 보통 천천히 비행 보통 보통 천천히 비행 비행 거리 짧다 보통 짧다 짧다 짧다. 착지시 왼쪽으로 휨. 오른쪽으로 휨 왼쪽으로 휨 오른쪽으로 휨 왼쪽으로 휨 안정성 x o x x o <표 4> FRP판을 왼쪽으로 틀은 후 비행 에일러론 수평 엘리베이터 수평 에일러론 위 엘리베이터 위 에일러론 아래 엘리베이터 아래 에일러론 위 엘리베이터 아래 에일러론 아래 엘리베이터 위 비행 속도 보통 보통 보통 보통 천천히 비행 비행 거리 짧다 짧다 짧다 짧다 짧다. 착지시 오른쪽으로 휨. 오른쪽으로 휨 왼쪽으로 휨 오른쪽으로 휨 오른쪽으로 휨 안정성 x x x x o <표 5> FRP판을 오른쪽으로 틀은 후 비행 우리는 비행기의 무게에 비해 배터리의 펀치력 즉 파워가 너무 약한 것 같아서 전 압은 같고 용량은 약 4배가량 큰 350mAh7.4V 리튬 폴리머 배터리로 교체하였다. 배터리를 교체하고 비행을 하니,다음 사진과 같이 비행체가 오래날았고,비행 거 리도 배터리 교체 전과 비교했을 때 훨씬 길어졌다.비행체가 비행하는 속도도 배 - 12 -

터리 교체 전보다 빨라졌다.또한 배터리의 펀치력이 강해 졌으므로 비행체가 높게 날았다. 비행체가 수평을 유지하고 안정성 있게 비행하였으며,흔들림 없이 나는 것을 확 인 할 수 있었다. 다.탐구 결과 1차 비행체는 에일러론과 엘리베이터를 장착함에도 불구하고 착지할 때 좌우로 틀 어지는 현상이 개선되지 않았다.그 원인은 양쪽의 프로펠러가 같은 방향으로 회전 하였으며,제작시 양쪽 날개의 무게를 동일하게 해 주지 않았다.또한 여러번의 실 험비행을 통해 비행체의 날개가 뒤틀리게 되었으며,핸드런칭으로 인해 조건을 통 제해 주지 못하였다. 3.2차 비행체 제작(비행체 보완) 가.비행체 보완 이유 1차 비행체는 고무동력기를 개선시켜 제작하여 여러 번의 탐구비행을 통해서 날개 가 쉽게 뒤틀리게 되었으며 이러한 현상이 비행체의 안정성에 영향을 주었다. 또한 고무동력기의 사이즈에 맞추어 소형 모터를 사용하였는데,소형모터는 크기 가 매우 작다보니 양쪽의 모터가 각각 정회전과 역회전을 할 수 없었다.비행체를 보완 할 때는 규격이 더 큰 모터를 사용하여 정회전과 역회전을 할 수 있게 해주기 로 하였다. 1차 비행체를 비행할 때 핸드런칭을 하였기 때문에 조건을 통제해 줄 수 없었다. 1차 비행체가 좌우로 방향을 틀면서 비행한 이유가 핸드런칭에 있다고 생각하였다. 그래서 우리는 비행체를 보완할 때는 조종장치를 장착하여 같은 조건에서 비행할 수 있게 해주기로 하였다. 나.보완방향 논의 우선은 우리의 자이로콥터를 응용한 비행체를 더 크고 튼튼하게 제작하기로 하였 다.작품규격인 가로 100cm,세로 90cm,높이 60cm 를 고려해서 제작하기로 했다. 우리는 보완방향을 논의하면서 우리만의 비행체 정의를 더욱 확실하게 했다.자이 로콥터를 응용한 새로운 비행체는 양력은 동력을 사용하여 얻고,해리어 기동(F-35 전투기)을 응용하여 활주거리를 단축하기로 하였으며,저속에서도 실속을 최대한 줄 일 수 있는 비행 특성을 가진 비행체를 설계하기로 논의하였다. 일반 고정익 비행기는 가속도에 의하여 양력을 얻으면 비행체가 이륙할 수 있지 - 13 -

만,우리의 자이로콥터를 응용한 비행체는 속도에 크게 영향을 받지 않고 비행체의 무게를 줄일 수 있는 양력보조장치의 프로펠러 도움으로 비행체의 질량을 줄여주어 활주거리가 짧아도 쉽게 이 착륙 할 수 있을 것이라 생각했다. 비행체는 EPP를 사용하여 제작하기로 하였다.EPP란 사전적 의미로는 프로필렌을 중합하여 얻는 열가소성 수지이다.쉽게 말해서 스티로폼과 비슷한데,스티로폼보다 는 훨씬 단단하고,고무처럼 잘 휘어지며,부러지지 않는 특징이 있다.또한 비행체 에 조종장치를 달아 직접 조종하면서 날릴 수 있게 하기로 논의하였다.그리고 비 행체의 크기와 무게가 늘어남에 따라 기존의 모터보다 규격이 더 큰 모터를 사용하 여 비행거리와 비행시간도 늘리기로 하였다. 비행체 보완의 진행 방법은 우선 가상기체를 제작해서 실험비행 해보고,실기체를 제작하여 탐구비행 하기로 하였다.이때 가상기체에는 모터와 변속기 등은 제외하 고 제작할 것이다. [그림 8] 비행체의 종류에 따른 활주거리 비교 (왼쪽), 보완비행체 설계도 (오른쪽) 다.2차 비행체 설계 우리는 보완할 비행체의 설계도를 제작해 보았다.비행체의 고정날개는 상반각을 넣어주어서 모터가 회전할 때,양쪽의 흔들림 현상을 최소화 시켜 주기로 하였다. 그리고 에일러론의 면적을 고정날개의 1/3로 하기로 하였다.또한 러더와 엘리베이 터도 마찬가지로 면적을 넓게 하기로 하였는데,그 이유는 우리의 비행체는 저속으 로 비행해야하므로 에일러론,러더,엘리베이터의 면적이 작으면 미세하게 조종하기 - 14 -

가 어려우므로,면적을 넓게 해 주었다. 비행체 고정날개 양쪽의 모터 좌우측 회전수가 정확히 맞아야 하므로 변속기는 해 상도가 비교적 높은 것을 선택하기로 하였다. 비행체의 조종장치는 8채널 조종기를 사용하기로 하였다.이때 1채널은 트로틀( 추 력장치의 가속),2 채널은 에일러론,3채널은 엘리베이터,4 채널은 러더,그다음 양쪽 날개의 양력도움장치는 AUX3 ( 8 번채널) 을 선택하기로 하였다. 라.날개제작 1 )준비물 :열선 컷팅 기계,EPP 자재,설계도면 2)탐구과정 ① 컴퓨터 프로그램을 사용하여 가상날개 세부 설계도를 제작한다. ② 제작한 가상날개 설계도를 열선 컷팅 기계로 전송한다. ③ 열선 컷팅 기계에 EPP자재를 두고 열선 컷팅 작업을 실행한 후 완료될 때까지 기다린다. 3)탐구결과 [그림 9] 열선컷팅작업 중이다. [그림 10] 시행착오를 겪은 가상날개 우리는 [ 그림 8 ]의 설계도를 컴퓨터에 더욱 자세하게 그려보았다.그리고 컴퓨터 의 설계도를 열선컷팅기계로 전송하여 EPP 자재를 사용한 초기의 가상날개를 제작 하였다.가상날개의 원에는 모터가 들어갈 부분인데,초기의 가상날개는 원의 크기 가 작아 프로펠러가 커 원안에서 정상적으로 회전을 할 수 없음을 알게 되었다. 우리는 이러한 시행착오를 겪고 설계도의 원 부분을 조금 크게 수정하고,다시 열 선컷팅기계로 가상날개를 제작하였다. 완성된 가상날개와 프로펠러의 크기를 비교해 보니 모터가 정상적으로 회전할 수 있을 것이라고 판단되었다. 완성된 가상날개는 상반각이 약 15 도가 되도록 제작해 보았다.그 결과는 [ 그림 11 ]과 같이 되었다. - 15 -

[그림 11] 날개의 상반각을 약 15도 정 [그림 12] 완성된 가상날개와 프로펠러 도 주었다. 의 크기를 비교한 사진이다. [그림 13] 이 사진을 보아 프로펠러의 크기와 가상날개의 원의 크기가 동일하 다는 것을 알 수 있다. 마.가상기체 제작 1)준비물 :EPP 자재,가상날개 설계도,가상 동체 설계도,열선컷팅기계,카 본,공작기구 등 2)탐구과정 ① 제작된 가상날개 설계도와 가상 동체 설계도를 열선컷팅기계에 전송하여 열선컷 팅작업을 한다. ② 열선컷팅작업이 완성된 가상날개와 동체 그리고 꼬리날개를 조립해 본다. ③ 가상기체가 완성된다. - 16 -

3)탐구결과 [그림 14] 모터의 위치가 날개의 바깥쪽 에 있는 A안 날개와, 안쪽에 위치한 B 안 날개의 비교 사진 우리는 가상날개 제작 단계에서 모터의 위치가 안쪽에 위치한다면 어떨까? 하는 생각을 하게 되었다.만약 모터의 위치가 안쪽에 위치한다면 바깥쪽에 위치할 때 보다 흔들림 현상이 적을 것이라고 생각되었다.그래서 우리는 모터의 위치가 날개 의 바깥쪽에 있는 A안 날개와 안쪽에 위치한 B안 날개를 제작하여 서로 비교를 해 보면서 이 연구를 진행하기로 하였다. [그림 15] A안 날개를 적용시켜 제작한 [그림 16] B안 날개를 적용시켜 제작한 가상기체이다. 가상기체이다. 우리는 각각 A안,B안의 날개를 적용시킨 가상 기체를 제작하였다.이때 날개의 형태를 바로잡기 위하여 날개에 카본을 넣어 주었다.이로써 [ 그림 1 5]과 [ 그림 16 ] 와 같은 가상기체가 완성되었다. - 17 -

바.실기체 제작 1 )준비물 :가상기체,변속기,배터리,모터,프로펠러,서보,수신기,조종기, 공작도구 등 2 )탐구과정 ① 가상기체를 준비한다. ② 준비한 가상기체에 양력도움장치의 모터는 제외하고 나머지 기자재를 올린다. ③ 완성된 실기체를 가지고 처녀비행을 한다. ④ 실기체가 잘 비행하는지 확인한다. 3)탐구결과 [그림 17] 실기체를 제작하고 있는 중이 [그림 18] 실기체를 제작하고 있는 중이 다. (날개면 고정) 다. (랜딩기어 조립) 우리는 완성된 실기체를 가지고 처녀비행을 하러 주변 공터에 가서 비행을 해 보 았다.원래의 계획은 우리가 직접 비행체를 조종하려고 했으나,단기간에 배우기에 는 약간의 무리가 있어서 비행조종이 가능한 지인의 도움을 받아 조종을 부탁하였 다. - 18 -

[그림 19] 실기체의 날개의 구멍을 막고 비행한 결과 일반 고정익 비행기처럼 비행하였다. 첫 번째 처녀비행 때는 고정날개에 양력도움장치의 모터가 들어갈 부분을 막고 비 행을 해 보았다.그결과 우리의 실기체는 일반 고정익 비행기처럼 지상활주를 하다 가 이륙하였으며,안정적으로 비행을 하였다.6바퀴 정도 비행을 해 보았는데,6바 퀴 모두 비행도중 추락을 하지 않았으며,실속이 발생하지 않았다. 두 번째 시도한 비행 때에는 고정날개에 구멍이 있는 상태로 비행을 해 보았다. 그결과 고속으로 비행을 하면 안정적으로 비행을 하였으나,속도를 조금 줄이니 불 안정적이며,비행체가 고도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 사.2차 비행체 완성 1.준비물 :실기체,모터,프로펠러,수신기,조종기,변속기,공작도구 등 2.탐구과정 1 완성된 실기체를 준비한다. - 19 -

② 고정날개의 양력도움장치 부분에 모터와 프로펠러를 고정시키고,변속기와 연결 시킨다. ③ 수신기를 부착하여 조종기와 신호를 연결한다. ④ 완성된 비행체의 전선을 정리한다. 3.탐구결과 [그림 18] 우리만의 비행체를 완성시키 [그림 19] 완성된 비행체의 전선을 정리 는 과정이다. 하는 중이다. [그림 20] 변속기가 제대로 작동되는지 [그림 21] 우리 비행체의 양력도움장치 테스트하는 중이다. 의 사진이다. - 20 -

[그림 22] 완성된 비행체를 앞에서 본 [그림 23] 완성된 비행체를 위에서 본 모습이다. 모습이다. 동체에 고정날개와 꼬리날개가 부착되어 있는 가상기체를 준비한다.이때 가상기 체는 동체의 앞부분과 고정날개 양끝의 길이를 같게 고정시켰으며,이와 마찬가지 로 꼬리날개도 길이를 같게 해서 고정시켰다.그 후 전체적으로 균형이 맞는지 확 인을 하였다.동체의 앞부분에 랜딩기어를 부착하여 주었다. 그 후 서보를 장착하였다.엘리베이터 서보와 에일러론 서보,러더 서보를 달아 주 었다.서보는 9g의 서보를 사용하였으며 총 4개의 서보를 사용하였다. 그 다음 추력장치의 모터를 모터마운트와 함께 부착하여 준다.양력도움장치의 모 터도 모터마운트와 함께 부착하여 준다.[ 그림 22 ] 에서 ( 왼쪽으로부터)첫 번째 모 터는 230 0KV 모터로 추력장치에 사용하였고 모터 1개당 약 600 g~70 0g 의 추력을 발생시켜 우리의 비행체에 적합하였다.두 번째 모터인 10 00KV 모터와 세 번째 모 터인 2 000 KV 모터는 RPM에 비해 무게가 많이 나가 사용하지 않았다.네 번째 모 터인 38 50KV 모터는 양력도움장치에 사용하였다.RPM이 높으면서도 무게는 적게 나가기 때문에 우리의 비행체에 적합했다.모터마운트는 비행체에 쉽게 부착할 수 있도록 포멕스를 이용하여 제작하였다. 모터와 변속기를 연결해 주었다.양력도움장치 모터의 변속기는 해상도가 높은 6Amh 변속기를 사용하였고,추력장치 모터의 변속기는 20Amh 변속기를 사용하였 다. 모터와 프로펠러를 연결해 주었다.양력도움장치의 프로펠러는 3 엽 프로펠러를 사 용하였으며 규격은 5x 3이다.비행체 날개의 왼쪽은 역핏치 오른쪽은 정핏치 프 로펠러를 사용하였다. 그 외에 프로펠러와 모터를 고정시켜주는 프롭아답타와 서보와 엘리베이터,에일 러론,러더를 연결시켜주는 로드 앤드 어저스트,배터리와 변속기를 연결해 주는 J S 단자를 사용하여 비행체의 각 부분을 연결시켜 주었다. 추력용 배터리는 7. 4V 100 0mAh 배터리를, 양력도움장치용 배터리는 7. 4 V 50 0mAh 배터리를 사용하였다.배터리 2개를 사용한 이유는 하나로 사용하면 과부 - 21 -

화가 걸려 실험결과 선에 열이 많이 발생하여 배터리가 손상될 염려가 있어 별도로 양력도움장치용 배터리를 준비하였다. 마지막으로 조종기인 XG8과 수신기를 셋팅하였다.1번 채널에는 스로틀(추력장치 모터의 회전속도 조절)2번 채널에는 에일러론,3번 체널에는 엘리베이터,4번체널 에는 러더,8번 채널인 AUX3에는 양력도움장치 모터를 구동할 수 있도록 설정 하 였다. 이로써 우리가 만들고자 하였던 비행체가 완성되었다. 4.2차 비행체 비행 가.A안 비행체와 B안 비행체 비행 1)준비물 :A안 비행체,B안 비행체,조종기 2)탐구과정 1 A안 비행체와 B안 비행체,조종기를 가지고 근처 비행에 적합한 장소로 간다. 2 양력도움장치 모터의 세기를 다르게 하면서 비행을 한다. 3 비행체의 이륙과 비행 중의 모습을 분석해 본다. 3)탐구결과 구 분 A안 비행체 B안 비행체 양력도움장치 모터 작동하지 않았을 때 양력도움장치 모터 10% 사용 양력도움장치 모터 50%사용 길다. 택싱을 하면서 일반 고정익 비행기처럼 이륙 짧다. <표 6> 양력도움장치 모터 세기에 따른 이륙거리 길다. 택싱을 하면서 일반 고정익 비행기처럼 이륙 짧다. - 22 -

구 분 A안 비행체 B안 비행체 양력도움장치 모터 10% 사용 양력도움장치 모터 50% 사용 양력도움장치 모터 70% 사용 양력도움장치 모터 100% 사용 정상적으로 비행 비행체가 상승함. 속도가 줌 속도가 더 많이 줌 비행체가 상승함. 속도가 더 많이 줌. <표 7> 비행도중 양력도움장치 모터 세기에 따른 현상 정상적으로 비행 비행체가 상승함. 속도가 줌. 속도가 더 많이 줌 비행체가 상승함. 속도가 더 많이 줌. 나.비행 결과 정리 1)준비물 :비행을 촬영한 동영상 2)탐구과정 : 1 비행을 촬영한 동영상을 분석한다. 2 동영상 분석 후 최종 비행 결과를 정리한다. 3)탐구결과 : [그림 24] 2차 비행체 이륙 [그림 25] 2차 비행체 비행 중 - 23 -

[그림 26] 2차 비행체 비행 중 [그림 27] 2차 비행체 착륙 우리는 B안 비행체가 A안 비행체 보다 더 안정성이 좋을 것이라고 생각했었다. 하지만 결과는 A안 비행체가 B안 비행체보다 안정성이 좋았다. 그 이유는 우리가 비행을 하던 날 측풍과 잡바람이 불었었는데,A안 비행체는 비 행시 좌우 안정성이 탁월했으나,B안 비행체는 좌우 안정성이 조금 불안했다. 따라서 바람이 불지 않았을 때는 A안 비행체와 B안 비행체의 안정성은 서로 같 았다. 측풍이 부는 날에는 A안 비행체가 B안 비행체보다 안정성이 더 좋았다.그 이유 는 A안 비행체가 양력을 발생시킬 때 양쪽 측면으로 발생시켜 롤링 현상이 적기 때문이다. 이륙시 양력도움장치 모터의 세기를 세게 해줄수록 이륙거리가 짧아졌으며,비행 중 양력도움장치 모터의 세기를 세게 해줄수록 비행체가 상승하는 현상을 보이며 비행하였다. Ⅵ.결론 우리는 고무동력기 형태의 비행체를 개선하여 우리만의 비행체를 만들었다.가상 기체 제작후 실기체를 제작하였으며,그 다음 실기체 위에 여러 기자재들을 올려 우리만의 비행체를 완성시켰다. - 24 -

비행체를 가지고 탐구비행을 한 결과 비행체를 매우 안정성 있게 비행하여 주었 다.양력도움장치의 모터 세기를 다양하게 하며 탐구비행을 하였는데 양력도움장치 의 모터 세기를 세게 할수록 양력이 많이 발생하여 비행체가 상승하였으며 저속으 로도 안정성 있게 비행하였다. 이러한 특성이 있는 우리의 비행체는 총 3가지 장점이 있다. 첫 번째는,양력도움장치로 인해 이 착륙 활주 거리가 짧아 졌다.두 번째는 저속 에서도 실속하지 않고 안정성 있게 비행할 수 있다는 특징이다.세 번째는 비행체 가 고속에서 저속으로,저속에서 고속으로 속도 변화를 하며 비행할 수 있다.일반 비행체 같은 경우에는 이렇게 속도를 변화시켜 주면 실속의 위험이 있지만 우리의 비행체는 안정성 있게 속도를 변화시켜 줄 수 있다. 이로써 우리의 비행체는 이 세상에 하나 밖에 없는 독창적이고 안정성 있는 비행 체 이다. 또한 우리의 비행체는 7월 5일에 마침내 하늘을 날았으므로,우리의 비행체는 수 빈의 S 와 수안의 S 를 따서 'SS705'(더블에스칠공오)가 되었다. Ⅶ.전망 1.첩보용 우리나라는 세계에서 유일한 분단국가이다.따라서 우리나라는 휴전 협정에 의하 여 남북간 서로 경계를 하고 있다.우리만의 비행체는 크기가 작아 레이더망에 잡 히지 않는다는 장점이 있다.이 비행체로 북한의 모습을 관찰하면서 핵무기의 위치 나,미사일 발사대의 위치 등을 확인 하여 우리나라를 보호하여 한층 더 안전한 국 가로 만드는데 기여할 수 있는 비행체 이다. 2.항공촬영 이 비행체에 조종 이송 장치를 장착하고,항공 촬영용 장비를 비행체에 달아서 항 공 촬영을 할 수 있다.이러한 항공촬영을 이용하여 고속도로에서 교통상황과,신호 위반 및 속도위반 차량을 단속 할 수 있으며,일반 도로에서 불법 주정차 차량을 단속 할 수도 있다.또한 스포츠 경기를 촬영하여 생방송 중계를 할 수 있다.그리 고 돌아다니는 CCTV 역할을 하여 범죄 예방을 할 수도 있다. 3.사람의 역할을 대신한다. 요즘 초소형비행체가 이슈가 되고 있는 까닭은 사람이 가기 힘든 곳을 초소형비행 체가 가서 사람의 역할을 대신 할 수 있기 때문이다.예를 들어 미국의 무인 비행 - 25 -

기가 이란의 전쟁현장을 자동 비행을 하여 조종자 없이 전쟁현장을 무인 비행체만 갔다 온 일이 있다는 인터넷 기사를 보았다.그리고 원전 사고 현장과 같은 사람이 가기 위험한 곳을 대신 갈 수도 있다.이처럼 우리의 비행체는 사람이 가기 힘든 곳을 대신 가서 일을 수행 할 수 있다. 4.군용기로서의 사용 우리의 비행체를 크게 만들어서 여러 가지 군용기로 사용할 수 있다.강력한 무기 로 무장을 한 전투기로 사용할 수 있으며,자재,인원,화물 등의 항공 수송의 임무 를 맡은 수송기로 사용할 수 있다.또한 고공에서 폭탄을 투여하여 목표를 공격하 는 폭격기로 사용할 수 있으며,항공연료를 수송하여 다른 비행체에 상공에서 연료 를 급유하는 비행기로 사용할 수 있다. - 26 -