무인 수직이착륙기(VTOL) 풍동 시험: 과도 응력과 진동 주파수 FFT 분석
무인 수직이착륙기(VTOL)는 활주로 없이 이륙하고 착륙할 수 있다는 장점 때문에 물류, 시설 점검, 재난 대응 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 연구되고 있습니다. 특히 여러 개의 로터를 사용하는 멀티콥터형 VTOL은 정지비행과 수직 상승·하강이 가능하지만, 비행 중 발생하는 진동과 구조하중을 어떻게 관리하느냐가 중요한 설계 과제가 됩니다.
항공기의 공력 성능은 컴퓨터 시뮬레이션만으로 판단하기 어렵습니다. 실제 축소모델이나 시험체를 풍동에 설치하고 바람을 가하면서 힘과 모멘트, 압력, 진동 등의 데이터를 측정하면 설계 단계에서 예상하지 못한 문제를 찾는 데 도움이 됩니다.
NASA 역시 멀티콥터 무인항공기를 대상으로 풍동시험을 수행하면서 자세, 로터 회전수, 풍속에 따른 힘과 모멘트 및 전력 데이터를 측정한 사례를 공개하고 있습니다.
1. VTOL 풍동시험은 무엇을 확인할까?
풍동시험의 기본적인 목적은 실제 비행 환경과 유사한 공기 흐름을 시험체에 만들어 항공기의 반응을 측정하는 것입니다.
VTOL에서는 단순히 양력만 측정하는 것이 아니라 로터의 회전과 기체 구조가 서로 영향을 주는 현상까지 살펴볼 필요가 있습니다.
대표적인 측정 항목은 다음과 같습니다.
| 측정 항목 | 확인하는 내용 |
|---|---|
| 양력 | 수직 방향으로 발생하는 힘 |
| 항력 | 공기 흐름에 의해 발생하는 저항 |
| 피칭 모멘트 | 기체 앞뒤 방향 회전 경향 |
| 롤링 모멘트 | 좌우 기울어짐 |
| 요 모멘트 | 기체의 좌우 회전 |
| 진동 가속도 | 구조물의 진동 크기 |
| 변형률 | 구조물에 발생하는 변형 |
| 압력 | 날개·로터 주변 압력 변화 |
이러한 데이터를 동시에 확보하면 단순히 “비행이 가능한가”를 넘어 어떤 조건에서 구조물이 불안정해지는가까지 분석할 수 있습니다.
2. 과도 응력이 중요한 이유
VTOL은 정상적인 순항 상태만 경험하는 것이 아닙니다.
갑작스러운 돌풍을 만나거나 로터 회전수가 변하거나 자세를 급격하게 변경하면 짧은 시간 동안 구조물에 큰 하중이 발생할 수 있습니다.
이처럼 시간에 따라 급격하게 변하는 하중에 의해 발생하는 응력을 **과도 응력(transient stress)**이라고 이해할 수 있습니다.
예를 들어 비행 중 갑작스러운 바람이 들어오면 기체의 한쪽 로터와 다른 쪽 로터에 작용하는 공력 조건이 달라질 수 있습니다. 그 결과 기체가 순간적으로 기울고 구조물에는 평상시보다 큰 하중이 발생할 가능성이 있습니다.
따라서 평균적인 힘만 보는 것보다 시간에 따른 하중 변화를 함께 기록하는 것이 중요합니다.
3. 풍동에서 진동을 어떻게 측정할까?
진동 분석에서는 가속도계와 같은 센서를 시험체의 주요 구조물에 부착해 시간에 따른 움직임을 측정할 수 있습니다.
예를 들어 센서가 초당 수천 개의 데이터를 기록한다면 시간축 데이터에는 매우 많은 정보가 포함됩니다.
문제는 이 데이터를 눈으로만 확인해서는 어떤 주파수에서 진동이 집중되는지 알아내기 어렵다는 것입니다.
이때 사용하는 대표적인 방법이 **FFT(Fast Fourier Transform·고속 푸리에 변환)**입니다.
FFT는 시간 영역에서 기록한 신호를 주파수 영역으로 변환해 신호 안에 어떤 주파수 성분이 강하게 포함되어 있는지를 분석하는 방법입니다.
쉽게 말하면,
시간에 따른 진동 데이터 → FFT 변환 → 주파수별 진동 크기 확인
이라는 과정입니다.
4. FFT 분석으로 무엇을 알 수 있을까?
VTOL의 로터는 일정한 회전수로 회전하기 때문에 반복적인 진동이 발생할 수 있습니다.
예를 들어 로터 회전과 관련된 특정 주파수에서 진동 크기가 높게 나타난다면 해당 주파수 성분이 구조물에 전달되고 있는지 확인할 필요가 있습니다.
FFT 결과에서는 일반적으로 가로축에 주파수(Hz), 세로축에 진폭 또는 진동 크기를 표시합니다.
특정 구간에서 높은 피크가 나타난다면 해당 주파수에 강한 진동 성분이 존재한다는 의미입니다.
다만 피크 하나만 보고 곧바로 구조적 결함이라고 판단해서는 안 됩니다.
센서 설치 위치, 시험장치의 공진, 로터 회전수, 풍동의 유동 특성 등 여러 요인이 함께 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
5. 공진 주파수와 비교해야 하는 이유
FFT 분석이 중요한 가장 큰 이유 가운데 하나는 공진 가능성을 확인할 수 있다는 점입니다.
구조물에는 각각 고유한 진동 특성이 있습니다.
외부에서 가해지는 반복적인 힘의 주파수가 구조물의 고유진동수와 가까워지면 진동이 크게 증가할 수 있습니다. 이를 공진 현상이라고 합니다.
VTOL에서는 로터가 만들어내는 반복 하중과 기체 구조의 고유진동수가 서로 가까워지는 상황을 피하는 것이 중요합니다.
NASA도 eVTOL의 공력탄성 연구에서 유연한 날개가 돌풍 등에 의해 진동하고 불안정성이 발생할 가능성을 연구하고 있습니다.
6. 로터 회전수와 진동 주파수의 관계
멀티로터 VTOL에서는 로터 회전수(RPM)가 진동 분석에서 중요한 변수입니다.
예를 들어 어떤 로터가 분당 3,000회 회전한다면 1초 동안의 회전 횟수는 50회입니다.
따라서 기본 회전 주파수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
회전 주파수(Hz) = RPM ÷ 60
3,000RPM을 예로 들면,
3,000 ÷ 60 = 50Hz
가 됩니다.
실제 진동 신호에는 기본 회전 주파수뿐 아니라 여러 배수 성분과 구조물의 고유진동 특성이 함께 나타날 수 있습니다.
따라서 FFT 결과와 로터 RPM을 함께 비교하면 특정 진동이 로터 회전과 연관되어 있는지 판단하는 데 도움이 됩니다.
7. 풍동시험에서 보는 과도 응력과 진동
두 데이터를 함께 분석하면 더욱 유용합니다.
| 분석 대상 | 시간 영역에서 확인 | 주파수 영역에서 확인 |
|---|---|---|
| 구조 응력 | 순간적인 하중 변화 | 반복 하중 성분 |
| 진동 | 시간에 따른 가속도 변화 | 주요 진동 주파수 |
| 로터 영향 | RPM 변화에 따른 응답 | 회전 관련 주파수 |
| 돌풍 영향 | 순간적인 응답 | 특정 주파수 변화 |
| 공진 가능성 | 진동 급증 구간 | 고유진동수와 피크 비교 |
예를 들어 특정 풍속에서 진동이 갑자기 증가한다면 해당 조건에서 구조적 공진이나 공력적 상호작용이 발생하는지 추가적인 분석이 필요합니다.
NASA의 풍동 연구시설에서도 회전익 및 틸트로터 구성의 성능과 하중, 안정성 특성을 조사하고 있으며 공력탄성 문제를 분석하기 위한 시험이 수행되고 있습니다.
8. 시험 결과를 설계 개선에 어떻게 활용할까?
풍동시험의 목적은 단순히 데이터를 많이 수집하는 것이 아닙니다.
시험 결과를 실제 설계 개선에 연결하는 것이 중요합니다.
예를 들어 특정 조건에서 진동이 크게 나타났다면 다음과 같은 방향을 검토할 수 있습니다.
- 로터 회전수 운용 범위 조정
- 구조물 강성 개선
- 진동 전달 경로 변경
- 센서 및 전자장비 장착부 보강
- 로터와 기체의 공력 간섭 개선
- 구조물의 고유진동수 변경
- 제어 알고리즘의 진동 억제 기능 검토
다만 어떤 해결책이 적합한지는 시험 데이터와 기체 설계에 따라 달라집니다.
9. 풍동시험에서 발생할 수 있는 측정 오류
풍동시험 데이터가 항상 실제 비행을 그대로 나타내는 것은 아닙니다.
축소모델을 사용하는 경우 실제 항공기와 크기와 질량, 로터 특성, 레이놀즈수, 구조 강성 등이 다르기 때문에 스케일 효과를 고려해야 합니다.
2025년 공개된 항공기 풍동시험 관련 종합 연구에서도 축소모델의 스케일링 문제와 시험 비용·시간·기술적 한계가 풍동시험 정확도에 영향을 줄 수 있는 중요한 과제로 정리됐습니다.
또한 풍동시험 장치 자체가 진동할 수도 있습니다.
2025년 발표된 연구에서는 풍동모델 지지 시스템의 낮은 강성과 감쇠 특성 때문에 광대역 풍하중에서 여러 진동 모드가 결합될 수 있으며, 이를 억제하기 위한 진동 제어 방법이 연구됐습니다.
따라서 FFT 결과에 피크가 나타났다고 해서 모두 VTOL 기체 자체의 문제라고 단정해서는 안 됩니다.
10. 실제 인증 단계에서는 더 많은 검증이 필요하다
풍동시험은 중요한 개발 과정이지만 이것만으로 항공기의 안전성이 최종적으로 입증되는 것은 아닙니다.
FAA의 항공기 인증 과정에서도 설계 검토, 지상시험, 비행시험 및 적합성 확인 등을 통해 항공기가 정해진 안전 요구사항을 만족하는지 검증합니다.
FAA는 항공기 동역학 분야에서 진동, 구조하중, 공력탄성을 중요한 기술 영역으로 분류하고 있습니다.
따라서 VTOL 개발에서 풍동시험과 FFT 분석은 최종 결과 자체라기보다 설계 검증과 안전성 평가를 위한 중요한 데이터 확보 단계라고 보는 것이 정확합니다.
11. 앞으로의 VTOL 진동 분석
미래의 무인 VTOL은 더 많은 센서와 비행 데이터를 활용하게 될 가능성이 있습니다.
풍동시험에서 얻은 데이터를 구조해석 및 비행 시뮬레이션과 연결하면 특정 풍속과 로터 회전수에서 어떤 하중이 발생할 가능성이 있는지 사전에 예측할 수 있습니다.
특히 자율비행 시스템에서는 비행 중 진동 데이터를 실시간으로 모니터링하고 정상 상태와 다른 패턴을 감지하는 기술도 중요해질 수 있습니다.
최근 NASA의 eVTOL 연구에서도 풍동시험을 이용한 공력·추진 특성 및 감쇠 특성 분석이 계속 진행되고 있습니다. NASA RAVEN 연구 자료에는 2025~2026년 eVTOL의 공력추진 감쇠 특성을 자유운동 풍동시험으로 분석한 연구가 소개되어 있습니다.
결론
무인 수직이착륙기(VTOL) 풍동시험은 단순히 비행 가능한지를 확인하는 시험이 아닙니다.
풍속과 로터 회전수, 기체 자세 등을 변화시키면서 발생하는 힘과 모멘트, 구조 응력, 진동을 측정하고 이를 분석함으로써 실제 운용 환경에서 발생할 수 있는 문제를 개발 단계에서 찾아내는 것이 핵심입니다.
특히 FFT 분석은 시간에 따라 기록된 진동 데이터를 주파수별로 분해해 특정 주파수에서 진동이 집중되는지 확인하는 데 유용한 방법입니다.
하지만 FFT 그래프의 높은 피크 하나만으로 공진이나 구조적 결함을 확정할 수는 없습니다. 로터 회전수, 센서 위치, 풍동 지지장치, 구조 고유진동수 등을 함께 비교해야 합니다.
결국 좋은 VTOL 풍동시험은 측정 → FFT 분석 → 원인 추적 → 구조·제어 설계 개선 → 추가 시험으로 이어지는 반복적인 검증 과정에 가깝습니다.
UAM과 무인항공기가 더 높은 수준의 안전성과 신뢰성을 요구받게 될수록 이러한 데이터 기반 시험과 진동 분석의 중요성도 더욱 커질 것으로 예상됩니다.