Toroidal Propeller의 특징
MIT의 Toroidal 프로펠러는 한 블레이드의 끝이 다른 블레이드로 다시 휘어지도록 함께 반복되는 두 개의 블레이드로 구성되어 있다. 이 닫힌 형태의 구조는 블레이드 끝에서 생성된 소용돌이치는 와류(Vortex)의 항력을 최소화하고 프로펠러의 전반적인 강성을 강화한다. 이러한 특징은 프로펠러의 음향 특성을 감소시킨다.
무게를 추가하거나, 전력 소모를 늘리거나, 추력을 희생하지 않고, Toroidal 프로펠러는 인간이 가장 민감한 주파수 범위의 신호를 줄임으로써 소음을 줄인다. 이것은 그들이 1-5kHz 범위의 소음 수준이 감소하여 전통적인 디자인보다 약간 더 조용하다는 것을 의미한다. 그들은 또한 특정 RPM 범위에서 효율성 향상을 제공한다.
Toroidal 프로펠러의 독특한 디자인으로 인해, 날카롭고 뾰족한 끝이 있는 전통적인 프로펠러보다 드론의 경로에서 물체나 표면을 자르거나, 잡거나, 고정할 가능성이 적다.
DJI의 드론(a)에 사용되는 기존 프로펠러와 토로이드 프로펠러(b)의 비교는 토로이드 프로펠러가 달성한 상당한 소음 감소를 보여준다.
Toroidal 프로펠러 제작 및 시험
Toroidal 프로펠러는 그 특이한 구조로 되어 있어 생산하기 어려운 부분이 있다. 이 부분을 해결하기 위해서 사용 된 것이 3D 프린터이다. 개발은 MIT에서 되었지만 이 컨셉을 이용해 드론 관련자들이 3D프린터를 사용하여 실제 제작 및 시험을 진행하였다. 아래 동영상은 설계부터 제작, 시험을 담은 영상이다. 실제 소리를 들어봐도 기존 프로펠러와는 다르게 소음이 작은 것을 알 수 있다.
MIT LINCOLN 연구소 자료에서는 기존 프로펠러와 유사한 추력값을 낸다고 나와 있으나 FPV 커뮤니티에서는 위 테스트 결과를 토대로 분석 하였을 때 프로펠러의 추력은 감소하고 항력은 증가하여 전반적인 효율성이 떨어진다고 보았으며, MIT에서 개발 시 소음 저감에 집중하여 성능은 잡지 못한 것이라 의심의 눈초리를 보내고 있다. 하지만 위 테스트는 MIT에서 제공한 형상을 이용한 것이 아닌 공개된 사진을 토대로 그린 형상이며, 제품의 재료의 의한 강건도도 달라 정확한 성능 파악은 힘들 것으로 생각된다. 그렇기 때문에 이 혁신적이고 새로운 디자인의 프로펠러의 소음 감소와 효율성 사이의 절충점을 결정하기 위한 추가 테스트가 필요할 것이라 생각한다.
향후 진행 아이템 – 전산유체역학을 이용한 공력성능 해석
Grab CAD 사이트에서 해석 아이템을 찾던 중 발견한 Toroidal 프로펠러 형상을 보고 유동해석을 해보고 싶다는 생각을 갖게 되었다. 현재 Sliding Mesh를 사용하여 해석을 진행 중이며, 그 결과를 공유하고자 한다. 사실 특정 검증 데이터도 없으며, 비교자료도 없어서 여기서는 프로펠러가 가지고 있는 추력과 와류형상, 토크값을 일반 프로펠러와 같이 비교해 성능을 비교해 보고자 한다. 특히 이 프로펠러의 장점인 소음 감소특성에 대해서도 공력소음 해석을 통해 수치로 비교할 예정이다.