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전기 비행기
2009년 8월 6일
2009년 9월 12일 업데이트. 전기 크리크리의 첫 비행. 장-루크 수리에 조종사
우리가 지금 살고 있는 시대는 전기 비행기와 전기 자동차의 등장 시대이다. 전기 자동차의 성패를 한 번 살펴보자:
전기 자전거에 대한 짧은 설명과 함께 몇 가지 데이터를 제시한다:
배터리: 파나소닉 리튬 이온 용량: 8 Ah 26V 주행 거리: 50~70km; 3단계 보조 기능 충전 시간: 3시간 모터: 페달링 내부, 180W 프레임: 도시용 알루미늄; 사이즈 45cm 포크: 스틸 시트: 키네틱 휠: 26인치 알루미늄 브레이크: V-브레이크 앞뒤 변속기: 넥서스 3 자동 전환 타이어: 26 x 1,75 크기: 175 x 65cm 무게: 22kg
중국에서는 자전거 배터리의 두 개 요소 중 하나가 분리 가능하다. 사용자는 출퇴근 후 집에 돌아오면 배터리를 꺼내 집에서 충전하고, 직장에서도 마찬가지로 한다. 이 배터리의 분리 가능성이 차량의 주행 거리를 늘려준다(모델에 따라 50~70km). 전기 차량의 이상적인 형태를 생각할 때 여러 문제가 생긴다. 이 장치가 이중 좌석이 되었으면 좋겠다. 또한 쇼핑도 가능해야 한다. 그러나 스마트와 같은 소형 자동차를 생각할 때 간과하는 점은 전기 자동차는 완전히 오염이 없으며, 상점 갤러리 안으로 들어가거나 지하 통로를 이용하거나 어디든 갈 수 있다는 점이다. 또한 도시 간 교통 수단에 시스템을 통합하는 것도 가능할 것이다.
또한 이 장치에 내연기관을 이용한 두 가지 추진 방식을 갖추는 것도 문제가 되지 않는다. 내연기관은 비상용 시스템으로 작용할 수 있다. 나는 중국의 좁은 도로를 달리는 삼륜차를 참고하여 다음과 같이 제안하고자 한다:
이중 좌석 전기 삼륜차
이 이중 좌석 삼륜차(중국식 모델을 참고)는 좁고, 공간을 덜 차지한다. 차체(중국에서는 경량 합금과 펙시)는 부분적으로 분리 가능하다. 전기 자전거용보다 더 큰 배터리가 있지만, 사용자가 어디든 가져가서 충전할 수 있는 분리 가능한 요소가 있다. 주차장이나 충전기 등에 전기 소켓을 설치할 수 있다.
배터리: 파나소닉 리튬 이온 용량: 8 Ah 26V 주행 거리: 50~70km; 3단계 보조 기능 충전 시간: 3시간 모터: 페달링 내부, 180W 프레임: 도시용 알루미늄; 사이즈 45cm 포크: 스틸 시트: 키네틱 휠: 26인치 알루미늄 브레이크: V-브레이크 앞뒤 변속기: 넥서스 3 자동 전환 타이어: 26 x 1,75 크기: 175 x 65cm 무게: 22kg
전기 에너지 저장 분야에서는 지난 수십 년 동안 큰 진보가 있었다. 오늘날 모든 가정용 전기 드릴이 재충전 가능한 배터리로 작동하는 것은 수십 년 전에는 상상할 수 없었던 일이다. 중국도 이 분야에서 뒤처지지 않는다.
태양광 센서의 효율은 20%를 넘었다.
이 "초경량" 분야에서 맥크리디의 이름이 가장 먼저 떠오른다.
폴 맥크리디
그가 뒤에 있는 이상한 장치는 무엇일까? 단지 1987년 오스트레일리아 태양광 자동차 경주에서 2위 선수보다 하루 앞서 승리한 전기 자동차일 뿐이다(...)
폴 맥크리디의 태양광 자동차, 1987년 오스트레일리아 경주
더 날렵한 모습. 오스트레일리아 횡단; 3500km, 최고 속도 113km/h
전면 캡이 제거됨
조종사 위치와 후면 캡
보는 바와 같이, 뒷부분 상단은 완전히 태양광 패널로 이루어져 있다. 차량은 평평한 패널 위에 있으며, 보강재가 있다. 차량의 형태는 양력을 제공하여 기체에 가해지는 하중을 줄여준다.
1925년 태어남. 16세에 단독 비행 첫 시도. 1941년, 23세에 미국 조종사 챔피언. 프랑스에서 세계 조종사 챔피언을 수상.
이후, 그는 조종사의 근육 에너지를 이용해 항공기를 비행시키는 첫 번째 기계인 고사머 콘도르를 설계했다.
고사머 콘도르 3면도
맥크리디는 앞날개형 구조를 선택하여 양력을 발생시키는 안정판을 만들었다. 왜냐하면 날개의 양력은 "피크링 토크"라는 비용을 치르기 때문이다. 내 책 "만약 우리가 날 수 있다면"을 보라. 이 책은 http://www.savoir-sans-frontieres.com에서 무료로 다운로드 가능하며, 33개 언어로 350편이 넘는 책이 있다.
3년 전 설립된 기업으로, 어떤 매체도 언급한 적이 없다
무게를 줄이기 위해 맥크리디는 앞부분의 날개를 케이블로 고정하는 방식을 선택하여, 길이를 줄여서 굴절력만을 견뎌내도록 했다.
고사머 콘도르: 인간 최초 비행
자전거만큼 빠름.....
고사머 알바트로스가 맨체스터를 횡단함
이 모든 비행은 "지면 효과"를 이용해 이루어진다. 자전거 조종사는 핸들을 통해 먼저 지지점을 확보하고, 앞날개의 양력을 조절한 후, 앞날개를 기울여 약간의 회전을 할 수 있다. 날개의 기울기는 자동으로 유도되는 롤링에 의해 이루어진다. 에일러론은 없었다. 그러나 이 기체는 강한 기울기로 회전하는 데는 설계되지 않았다.
이후, 맥크리디의 아들인 마크 레디의 아들 마셜(13세, 40kg)이 3900개의 니켈 카드뮴 태양광 패널을 장착한 고사머 펭귄에 탑승하여 1974년에 태양광 추진으로 처음 비행했다. 기체의 무게는 34kg. 기체는 캐터펄트를 통해 이륙했다.
태양광 추진으로 처음 비행, 1974년. 여전히 자전거와 지면 효과
태양광 에너지를 이용해 비행한 최초의 인간: 맥크리디의 아들, 13세
13세인 마셜, 이륙 중
그러나 나사가 이어받아 1981년에 태양광 챌린저를 비행시켰다. 출력: 2.5kW
폴 맥크리디의 태양광 챌린저
이제 상황이 완전히 달라졌다. 더 두꺼운 실루엣으로 흐름에 대한 저항을 견뎌내도록 설계되었다.
측면에서 본 모습. 에일러론이 있음을 알 수 있다.
기체의 꼬리는 양력을 균형 잡기 위해 뒤로 기울어진 프로파일을 갖추고 있다. 위쪽은 완전히 평평하며, 많은 태양광 패널을 장착할 수 있다.
태양광 챌린저, 상단에서 본 모습
고정된 부분은 패널을 지지한다. 이동 가능한 부분은 흰색 띠처럼 보이며, 패널이 없다. 프랑스에서 영국까지 300km를 비행하여 1981년 7월 5시간 23분 동안 비행했다. 고사머 펭귄보다 무게가 3배 이상 무거운(조종사 제외), 16,000개의 태양광 패널을 장착하고, 두 개의 전기 모터를 타임스 테이드로 장착하여 각각 3마력의 출력을 내며, 사마륨 코발트 permanent magnet을 사용한다. 기체는 새로운 재료의 고강도 대 무게 비율을 활용한 모든 진보를 반영하며, 가변 피치 풍차를 갖추고 있다.
질적인 도약은 매우 크다.
재료의 고급 기술을 제외하고, 장거리 장시간 태양광 비행은 완전히 가능해졌으며, 기체의 외형은 전통적인 비행기와 비슷하게 유지할 수 있다. 그러나 맥크리디는 이에 관심이 없다. 그는 무인 항공기(UAV)를 고려하고 있다. 이 기체는 낮에는 중요한 고도에 도달하고, 밤에는 약간 낮아지며, 또는 축적된 전기 에너지를 일부 방출하여 무한히 공중에 머물 수 있다.
그는 고도가 높은 비행기로, 긴 날개를 가진 "미국형" 비행기로 향한다. 강한 날개의 유연성은 바람을 흡수할 수 있게 하며, 큰 디드르를 허용한다. 기체의 안정성은 컴퓨터가 날개 뒷면에 있는 여러 개의 스포일러를 조절하여 항공탄성 효과를 제어하는 데 달려 있다.
****전체 프로젝트 (영문 PDF)
30km(100,000피트)의 고도에 도달하는 것은 실제로 가능했다. 태양광 센서의 효율은 20%를 초과한다. 기체는 자체적으로 이륙할 수 있다. 다양한 방식이 차례로 사용되었으며, 처음에는 완전 태양광에서부터 배터리에 에너지를 저장하거나 수소 연료 전지로 전기를 생성하는 혼합 시스템까지였다.
1990년대 중반, 나사는 드라이든 실험센터에서 ERAST(환경 연구 항공기 및 센서 기술) 프로그램을 시작했다. 연구는 맥크리디가 설립한 Aero Vironment 회사에서 수행되었다.
첫 번째 기체는 패스파인더였다. 30m의 스팬, 6개의 모터. 배터리로 비행한 후 태양광 센서를 이용해 비행했다. 1995년 17,000m, 1997년 23,000m의 고도에 도달했다.
패스파인더: 30m 스팬, 8개의 모터
날개는 양력을 발생시키기 위해 피크링 토크를 발생시킨다. 이 토크를 균형 잡기 위해 날개의 프로파일은 진화한다. 날개의 중심부는 가장 양력을 발생시키며, 긍정적인 곡률을 갖는다. 날개 끝부분은 S형의 자가 안정 프로파일을 가지며, 사진에서 명확히 보인다. 이러한 날개 요소는 낮은 양력을 발생시킨다. 맥크리디는 이 방식을 사용하여 "꼬리 없는" 단일 날개 비행기, 즉 고도가 높은 비행기를 개발했다. 컴퓨터로 비행을 제어하는 데 너무 많은 의존을 했다.
패스파인더의 측면도, 디드르가 보임
나사는 이후 1996-1998년에 70m의 스팬, 14개의 모터를 갖춘 프로토타입 센티우니언으로 넘어갔다. 이 기체는 100,000피트(30km)의 고도에 도달하도록 설계되었다.
센티우니언 (1996-1998). 70m 스팬, 14개의 전기 모터
사진은 아래에서 촬영되었다. 후면 프로파일에서 뚜렷하게 보이는 투명한 얇은 뼈대는, 태양광 센서가 없는 상태에서 비행 성능 평가를 위한 자격 시험을 위한 것으로 보인다. 상면과 하면은 맥크리디가 이전에 만든 기체와 마찬가지로 얇은 미러 필름으로만 덮여 있다.
무엇을 더 볼 수 있을까?
14개의 전기 모터가 작동 중이며, 각각 2m 지름의 이중 블레이드 풍차를 갖추고 있다. 아마도 배터리로 작동하며, 상대적으로 짧은 비행을 위해 설계되었다. 각 모터는 1.5kW의 출력을 낸다. 날개의 앞부분은 불투명하다. 여기에 기체의 주요 구조 요소인 길이가 있을 것이다. 이 길이 앞부분에는 경량 폴리스티렌(스티로폼)으로 덮인 경량 전면이 추가된 뼈대가 연장되어 있다.
앞에서 보게 되겠지만, 태양광 패널을 장착한 센티우니언 기체는 추가적인 중앙 요소를 추가하여 헬리오스 HP01로 변환되었으며, 태양광 패널을 장착하고 최대한 경량화(1160kg, 1㎡당 5kg의 하중)되어, 태양광으로만 추진하는 기체가 고도를 매우 높이 올릴 수 있는지 확인하기 위해 설계되었다. 성공적인 시험(30km 고도).
앞에서 보게 되겠지만, HP03 버전은 두 번째 비행 중에 파손되었으며, 그 이유를 살펴보게 된다. 떠 있는 조각들을 확대하면, 길이가 원통형이고 뼈대가 있는 것을 볼 수 있다. 맥크리디가 이 길이에 기체의 전체 기계적 강성을 집중시켰고, 나머지는 단지 외장일 뿐이라는 것이 보인다. 30의 스팬을 가진 이 날개는, 어떤 케이블도 없이, 어떻게 항공탄성 현상을 극복할 수 있을까? 이 현상은 상대적으로 이해하기 쉽다. 약간의 돌풍이 있을 때 날개 끝이 휘어질 수 있다. 국부적인 공기 각도가 증가한다. 날개의 일부가 들어올라가며 굽어진다. 그 후 구조물의 탄성 반응이 초기 위치로 되돌리려는 경향을 갖는다. 결과적으로 기체가 "날개를 퍼덕이게" 되며, 이 현상은 파손에 이르기까지 악화될 수 있다.
많은 항공기 제조업체가 다양한 기체에서 이러한 문제를 겪었다. 초기 항공기에서는 케이블로 고정하는 것이 해결책이었으며, 이는 항공 저항을 증가시켰다. 구조 내부의 기계적 특성을 개선함으로써 항공기들은 이 진짜 거미줄 같은 케이블에서 벗어날 수 있었다. 나사의 기체에서는 어떤 케이블도 없었다. 길이가 이 "퍼프트"에 대한 모든 힘