지식더하기 무궁무진한 드론의 발전

공원이나 한강 변을 걷다 보면 왱왱거리는 벌레 소리를 내며 하늘을 둥둥 떠다니는 장난감, '드론(Drone)'을 흔하게 볼 수 있다. 군사용 정찰기로 시작한 이 무인 항공기는 이제 택배 상자를 나르고, 불이 난 건물에 진입하며, 농약까지 뿌리는 현대의 만능 일꾼으로 진화했다. 그런데 가만히 보면 드론의 생김새는 비행기보다는 헬리콥터와 비슷하게 생겼다. 비행기처럼 커다란 날개(양력)가 있는 것도 아니고, 헬리콥터처럼 뒤통수에 긴 꼬리(테일 로터)가 달려있지도 않다. 그저 몸통 하나에 프로펠러 4개가 달린 기괴한 거미(쿼드콥터) 모양일 뿐이다. 도대체 이 4개의 프로펠러는 어떤 물리학적 마법을 부리길래 뒤집어지지도 않고 허공에 기가 막히게 못이 박힌 듯 멈춰(호버링) 있을 수 있는 걸까? 무궁무진한 드론 비행의 숨겨진 역학적 원리를 파헤쳐 보자.

작용과 반작용의 딜레마

헬리콥터가 하늘에 떠 있으려면 커다란 프로펠러가 미친 듯이 돌아가야 한다. 그런데 뉴턴의 제3법칙인 '작용-반작용'에 따르면, 프로펠러가 시계 방향으로 맹렬하게 돌아가면(작용), 그 아래에 달린 몸통은 그 힘을 받아 반대인 반시계 방향으로 미친 듯이 빙빙 돌게 된다(반작용, 토크). 꼬리 로터가 고장 난 헬리콥터가 영화 속에서 팽이처럼 돌다가 추락하는 이유가 바로 이 반작용(토크) 때문이다. 드론은 헬기에 있는 이 꼬리 로터가 없다. 그렇다면 몸통이 팽이처럼 도는 것을 어떻게 막는 것일까?

4개의 프로펠러, 2대 2의 완벽한 상쇄

드론(쿼드콥터) 설계자들은 천재적인 해답을 내놓았다. 4개의 프로펠러를 그냥 다 똑같이 돌리는 것이 아니다. 대각선으로 마주 보는 2개의 프로펠러는 '시계 방향'으로 돌리고, 나머지 마주 보는 2개의 프로펠러는 '반시계 방향'으로 돌린다. 이렇게 하면 2개는 몸통을 오른쪽으로 비틀려고 하고(우회전 토크), 나머지 2개는 몸통을 왼쪽으로 비틀려고 한다(좌회전 토크). 우회전 힘과 좌회전 힘이 '+2'와 '-2'로 완벽하게 부딪혀 '0(Zero)'으로 상쇄되어 버리는 것이다. 덕분에 드론의 꼬리가 없어도 몸통이 빙글빙글 돌지 않고 얌전하게 허공에 떠 있을 수 있다.

속도를 다르게 하면 방향이 꺾인다

그렇다면 앞으로 가거나 옆으로 꺾을 때는 어떻게 할까? 드론은 자동차처럼 바퀴를 틀거나 비행기처럼 꼬리 날개를 까닥거릴 수 없다. 드론은 오직 4개 프로펠러의 '회전 속도(RPM)'만 조절해서 모든 움직임을 통제한다. 만약 드론이 앞으로 전진하고 싶다면, 뒤쪽에 있는 2개의 프로펠러 속도를 미친 듯이 높이고 앞쪽 2개의 속도를 늦춘다. 그러면 드론의 엉덩이가 쑤욱 들리면서 기체가 앞으로 기울어지고, 뿜어내는 바람이 대각선 뒤를 향하게 되어 자연스럽게 앞으로 쓩 하고 나아간다. 오른쪽으로 회전하고 싶으면 시계 방향으로 도는 모터 2개만 팍 세게 돌려버리면 된다. 그러면 토크의 균형이 깨지면서 몸통이 부드럽게 우회전을 한다.

센서가 지배하는 균형, 자이로스코프와 가속도계

이론은 완벽하지만, 현실의 하늘에는 돌풍이 불고 비가 내린다. 바람이 불어 드론이 기우뚱하는 찰나의 순간에, 사람이 조종기로 4개의 모터 속도를 일일이 계산해서 균형을 잡는 것은 신이라도 불가능하다. 그래서 드론의 몸통 안에는 기울기를 기가 막히게 측정하는 '자이로스코프 센서'와 움직임을 감지하는 '가속도 센서'가 들어있다. 드론이 바람을 맞아 오른쪽으로 1도 기우는 순간, 이 센서들이 초당 수백 번씩 계산기를 두드려 즉각 오른쪽 모터의 출력을 '위잉!' 하고 높여서 스스로 기체의 수평을 귀신같이 잡아버린다(비행 제어 컨트롤러, FC). 우리가 드론 조종기를 놔버려도 드론이 허공에 딱 멈춰있는 이유는 인간이 조종을 잘해서가 아니라 기계가 미친 듯이 속도 연산을 하고 있기 때문이다. ![갑작스러운 강풍에 맞서 프로펠러를 빠르게 기울여 드론을 완벽하게 가만히 유지하는 드론 내부 자이로스코프와 가속도계 칩의 미세한 다이어그램](https://image.pollinations.