고무동력기
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1. 개요
고무동력기는 프로펠러를 이용하여 고무를 꼬아 하늘로 날리는 모형 비행기이다. 양력 발생 원리를 이용하여 중력을 이겨내도록 설계되었으며, 앞날개, 수평날개, 수직날개, 고무줄 등의 부품으로 구성된다. 고무동력 모형 비행기는 1871년 알퐁스 페노의 기체로 시작되어 웨이크필드컵 경기 등에서 사용되었으며, 현재 FAI의 F1B급 경기로 이어지고 있다. 고무동력기의 성능을 유지하기 위해 보존, 윤활유 사용, 감는 방법 등을 관리하며, 와인더, 와인딩 스투지 등의 도구를 활용한다. 고무의 최대 감김 수, 토크 등을 측정하여 고무동력기의 성능을 평가하고, 고무의 품질과 기체의 효율 향상을 통해 성능을 지속적으로 개선하고 있다.
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- 모형항공기 - 무선조종 항공기
무선조종 항공기는 19세기 후반부터 시작되어 취미, 군사, 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 기체 재료와 조립 방식, 그리고 국가별 비행 규제가 존재한다.
| 고무동력기 | |
|---|---|
| 고무 동력 모형 항공기 | |
 | |
| 개요 | |
| 종류 | 모형 항공기 |
| 동력 | 고무 탄성 |
| 고안자 | 알퐁스 페노 |
| 첫 비행 | 1871년 |
| 역사 | |
| 초기 개발 | 1871년, 알퐁스 페노가 고무줄로 구동되는 모형을 설계함 |
| 추가 개발 | 1930년대, 숙련된 모형 제작자가 더 긴 고무 동력 비행기 체공 시간을 달성함 시간이 지남에 따라 고무를 늘리는 데 필요한 와인더 및 기타 장비가 개발됨 |
| 디자인 트렌드 | 가볍고 넓은 날개 면적 동체는 무게를 최소화하기 위해 "스틱"으로 만들어짐 |
| 구조 및 작동 | |
| 구조 | "스틱" 동체 날개 꼬리 프로펠러 |
| 동력 공급 | 프로펠러에 연결된 고무 밴드 고무 밴드를 감아 동력을 저장 |
| 비행 원리 | 풀린 고무 밴드가 프로펠러를 회전시켜 추력을 생성 항공기를 공중으로 추진 |
| 재료 | |
| 일반적인 재료 | 발사 나무 종이 가벼운 플라스틱 |
| 고무 밴드 | 높은 탄성 에너지를 저장할 수 있는 특수 등급의 고무로 만들어짐 |
| 성능 | |
| 요인 | 고무 밴드의 길이 및 장력 프로펠러 디자인 항공기 무게 |
| 비행 시간 | 몇 초에서 몇 분까지 다양함 |
| 용도 | |
| 취미 및 스포츠 | 모형 항공기 애호가에게 인기 있는 활동 경쟁 이벤트에서 사용됨 |
| 교육 | 항공의 기본 원리를 가르치는 데 사용됨 |
| 고무 동력기 (일반) | |
| 종류 | 무선 조종 고무 동력기, 자유 비행 고무 동력기 등 |
| 재료 | 가벼운 나무, 종이, 플라스틱 등 |
| 크기 | 다양함 |
| 특징 | 간단한 구조, 저렴한 비용 |
| 기타 정보 | |
| 추가 정보 | 고무의 종류, 프로펠러의 형태, 날개의 형태, 무게 중심의 위치 등이 비행 성능에 영향을 미침 |
2. 특징
글라이더와 비슷하게 생겼지만, 프로펠러를 이용하여 고무를 꼬이게 한 다음, 하늘로 날려 보내는 기구이다. 스페이스 챌린지 대회에서 많이 사용된다.
모든 물체는 중력에 의해 아래로 떨어지지만, 고무동력기는 중력을 잠시 이겨내도록 설계되었다. 양력은 유체가 빠를수록 압력이 낮아지는 원리를 이용한다. 날개 윗면의 공기 흐름을 빠르게 하여 압력 차이를 발생시켜 비행기를 뜨게 한다. 추력이 항력을 이겨내고 앞으로 나아가면 양력이 발생하여 비행기가 난다.
고무는 탄성이 크다는 점을 이용하여 옛날부터 간단한 동력원으로 사용되어 왔다. 1871년 프랑스의 알퐁스 페노가 고무 동력 모형 비행기의 비행(거리 60m, 고도 5m, 시간 13초)에 성공했다. 취미/스포츠로서 최초의 모형 비행기 붐(영국, 1910년경)은 고무 동력기에 의한 것이다.
고무 동력 모형 항공기는 현재의 FAI 국제 경기 종목에도 여러 종목이 포함되어 있으며, F1B급은 가장 전통이 오래된 경기 규격이다.
현재 FAI의 경기 규정에서는 고무 동력은 "신축성 동력(extensible motor)"으로 정의·구분되며, 논리적으로는 태엽, 고래 수염, 활, 특수한 직물 등, 탄성이 있는 모든 것을 포함하지만, 고무 이외에는 무게당 출력이 훨씬 적기 때문에 사용되지 않는다.
모형 비행기의 동력원인 고무는 약 1mm 각의 실 모양(실고무), 그리고 두께 약 1mm × 폭 약 3mm~6mm의 평평한 단면(평고무)의 것으로, 수 가닥~수십 가닥을 묶어 사용하며, 감아 되돌릴 때의 토크(회전력)를 이용하여 프로펠러 등을 구동한다. 파단 직전까지 감아, 탄성을 극한까지 이용하면, 양질의 경기용 동력 고무는 무게 1g으로 1kg·m의 에너지를 축적한다.
고무는 감는 것만으로 이용할 수 있는 간단한 동력원이지만, 그 토크는 감을수록 커져, 평균값의 수 배에 달한다. 엔진처럼 일정한 출력을 얻을 수 없으므로, 프로펠러의 회전수가 시종 변동하여, 높은 효율을 유지하기는 어렵다. 그 때문에, 경기 참가자는 사전에 사용 고무의 출력 측정을 실시, 선별하는 경우가 있다.
화학적·물리적 성질은 고무 항목에 자세히 나와 있다. 또한, 모형 항공기에 관해서는 모형 항공기, 모형 항공, 모형 항공 경기 항목을 참조하라.
3. 원리
고무는 탄성이 커서 간단한 동력원으로 사용되어 왔다. 1871년 프랑스에서 알퐁스 페노가 고무 동력 모형 비행기를 성공시켰다. 취미/스포츠로서 최초의 모형 비행기 붐(1910년경 영국)은 고무 동력기에 의한 것이다. FAI(국제 항공 연맹) 국제 경기 종목에도 포함되어 있으며, F1B급은 가장 전통이 오래된 경기 규격이다.
FAI의 경기 규정에서 고무 동력은 "신축성 동력(extensible motor)"으로 정의되며, 태엽, 고래 수염, 활 등도 포함되지만, 고무 이외에는 무게당 출력이 적어 사용되지 않는다.
모형 비행기의 고무는 약 1mm 각의 실 모양(실고무) 또는 두께 약 1mm × 폭 약 3~6mm의 평평한 단면(평고무)의 것으로, 여러 가닥을 묶어 사용하며, 감아 되돌릴 때의 토크(회전력)를 이용하여 프로펠러 등을 구동한다. 경기용 동력 고무는 무게 1g으로 1kg-m의 에너지를 축적한다.
고무는 감을수록 토크가 커져 평균값의 수 배에 달한다. 엔진처럼 일정한 출력을 얻기 어려워 프로펠러 회전수가 변동하므로, 높은 효율 유지가 어렵다. 따라서 경기 참가자는 사용 고무의 출력 측정을 하고 선별하기도 한다.
3. 1. 양력 발생 원리
모든 물체는 중력 때문에 아래로 떨어진다. 고무동력기는 이 중력을 잠시 이겨내도록 만들어졌다. 양력은 모든 유체가 속도가 빠를수록 압력이 낮아지는 원리를 이용한다. 날개 윗면의 공기 흐름을 아랫면보다 빠르게 만들어 날개 아래위 면에 압력 차이를 발생시켜 비행기를 뜨게 한다. 날개 단면을 보면 아랫부분은 평평하고 윗부분은 볼록하다. 비행기가 앞으로 나아갈 때, 날개 아랫부분의 평평한 면보다 볼록한 윗면을 지날 때 공기 속도가 더 빨라진다. 이는 볼록한 면을 휘어서 돌아가는 것이 평평한 면을 일자로 가는 것보다 빠르기 때문이다. 따라서 날개 윗부분의 압력이 낮아지고 아랫부분의 압력이 높아지면서 날개 아랫면을 공기가 위로 밀어주는 힘, 즉 양력이 생긴다. 이때 날개의 볼록한 면을 지나면서 공기 저항이 생기는데, 이를 항력이라고 한다. 추력이 항력을 이겨내고 앞으로 나아가면 양력이 발생하여 비행기가 뜨게 된다.
3. 2. 각 부위별 역할
4. 고무동력 모형 비행기의 역사
고무는 탄성이 크다는 점을 이용하여 옛날부터 간단한 동력원으로 사용되어 왔다. 1871년 프랑스에서 알퐁스 페노가 고무 동력 모형 비행기의 비행(거리 60m, 고도 5m, 시간 13초)에 성공했다. 취미/스포츠로서의 최초의 모형 비행기 붐(영국, 1910년경)은 고무 동력기에 의한 것이다.
고무 동력 모형 항공기는 현재의 FAI 국제 경기 종목에도 다종목이 포함되어 있으며, F1B급은 가장 전통이 오래된 경기 규격이다.
실내기는 1930년경 발사 혁명 이후 미국에서 발전하여 전 세계로 확산되어 현재에 이르고 있다.
5. 고무동력기 취급
고무동력기는 고무의 탄성을 이용해 작동하며, 보존, 윤활유, 감는 방법, 온도, 홀드 등 여러 요소를 고려해야 잘 다룰 수 있다.
고무동력기는 먼지, 빛, 열, 추위를 피해 캔 등에 넣어 보존한다. 과거에는 모형 비행기용 고무가 귀해 보존에 신경 썼지만, 현재는 구하기 쉬워도 품질 좋은 고무는 경기를 위해 장기간 보존하기도 한다.
고무줄이 엉키거나 달라붙지 않게 윤활유를 바르면 감는 횟수와 토크가 향상된다. 실리콘 오일이 주로 쓰이며, 과거에는 카스토 오일, 글리세린과 가성 칼륨 비누 혼합액 등이 사용되었다.
고무는 탄성이 커 예전부터 동력원으로 쓰였다. 고무를 늘이거나 감으면 분자가 정렬되어 유연해지는데, 이를 위해 '길들이기 감기'를 한다. 선수마다 방법은 다르지만, 한계까지 늘이거나 최대 감기 횟수의 80%까지 단계적으로 감는다.
고무 동력을 한계까지 늘여 감으면(스트레치 와인딩) 감는 횟수와 에너지가 증가한다. 1930년 세계 선수권 대회에서 미국 선수들이 시작했으며, 고무를 자유 길이의 5~10배로 늘여 감는다.
고무는 온도가 높을수록 출력이 커진다. 과거에는 고무를 보온했지만, 현재는 경기 규정상 금지되었다.
고무를 감은 채 유지하는 것을 "홀드"라 한다. 오래 방치하면 고무가 늘어나 출력이 저하된다.
5. 1. 보존
먼지, 빛, 열, 추위를 피하기 위해 캔 등에 넣어 보존하는 것이 좋다.과거에는 모형 비행기용 동력 고무가 귀중품이어서 보존 및 관리에 세심한 주의를 기울였다. 현재는 동력용 고무를 쉽게 구할 수 있지만, 생산 로트에 따라 출력에 차이가 있어, 품질이 좋은 고무는 중요한 경기용으로 장기간 보존된다.
5. 2. 윤활유
고무 동력 묶음의 각 고무줄이 서로 엉키거나 달라붙지 않고 원활하게 감기도록 윤활유를 바르면 감는 횟수와 토크가 모두 향상된다. 경기 규정상 고무 동력의 무게는 윤활유(리브리컨트)를 포함한 무게이므로, 너무 많이 바르면 고무 순량이 줄어든다.현재는 고무를 침해하지 않는 실리콘 오일 계열이 많이 사용된다. 1910년경부터 카스토 오일(피마자유)이나, 글리세린과 가성 칼륨 비누의 3:1 혼합액 등이 사용되었으며, 단순한 비눗물이나 헤어 오일 등 임시 윤활제도 효과가 있다.
5. 3. 감는 방법 (길들이기)
고무는 탄성이 커서 옛날부터 간단한 동력원으로 사용되어 왔다. 동력 고무는 경기 비행 등 본선에 사용하기 전에 어느 정도 잡아 늘이거나 감으면, 구성하는 긴 분자 사슬이 풀리고 잡아당겨진 방향으로 정렬된다. 이 결과 고무는 10% 정도 길이가 늘어나고 유연해진다.이러한 효과 때문에 본선 전에 '길들이기 감기(break-in, 또는 run-in)'를 한다.
길들이기 방법은 선수마다 다르며, 다음과 같은 여러 가지 방법이 있다.
- 한계에 가깝게 여러 번 잡아 늘인다.
- 최대 감기 횟수(후술)의 80% 정도까지 감는 횟수를 단계적으로 늘려가며 감는다.
- 추 등을 걸어 매달아 오랫동안 방치한다.
- 윤활유로 30분간 80°C~100°C로 온욕시켜 자연 냉각한다.
5. 4. 스트레치 와인딩
고무 동력을 한계 가까이까지 늘여서(스트레치) 감으면, 감는 횟수와 축적 에너지 모두 증가한다. 1930년 세계 선수권 대회에서 미국의 조 이어하트 선수 등이 시작했다고 하며, 이후 고무 감기 방법의 정석이 되었다. 이전에는 고무를 늘리지 않고 자유 길이 상태로 감았다.고무를 늘리는 길이는 브랜드나 종류마다 다르지만, 자유 길이의 5~10배이다. 늘인 위치에서 최대 감는 횟수(후술)의 1/2을 감고, 나머지 1/2은 고무를 줄이면서 감아 넣는 것이 일반적인 감기 방법이다.
5. 5. 온도 변화
고무는 온도가 높을수록 활성화되어 출력이 커진다. 이러한 성질을 이용하기 위해 고무 밴딩부터 비행 시작 전까지 고무를 보온하는 방법이 사용되던 시기가 있었다. 동체 등을 전열기나 휴대용 난로 등을 사용하여 보온했으며, 추운 지역에서 열리는 경기에서는 고무의 출력 저하를 방지하는 효과가 있었다. 현재는 경기 규정에서 사용이 금지되어 있다.5. 6. 홀드
동력 고무를 감은 채로 되감지 않고 유지하는 것을 "홀드"라고 한다. 장시간 방치하면 고무가 늘어나 출력이 저하된다.6. 고무동력 활용 도구
고무 동력은 고무 묶음을 감아 풀릴 때의 회전력을 이용한다. 모형 비행기는 수백 번, 실내 비행기는 2000회 이상 감는다. 이때 에너지는 수십 kg-m에 달하며, 이는 손으로 돌리는 잭으로 대형 차량의 타이어를 교환하는 것과 비슷하다.
고무 감기 작업의 효율을 위해 4~5배 증속하는 톱니바퀴 장치(주로 드릴)를 사용하며, 굵은 고무 묶음은 손잡이를 연장하기도 한다. 고무 감기 전용 와인더도 판매되며, 감는 횟수 카운터나 토크계가 내장된 것도 있다. 이런 와인더는 축 방향 베어링이 당기는 힘을 받아주어 감을 때 저항이 적다. 라이트 플레인 같은 소형 기체용 간이 와인더, 단3 건전지 2~4개로 작동하는 전동식 와인더도 판매된다. 실내 비행기는 가는 고무 묶음을 사용하므로 토크는 작지만 감는 횟수가 많다.
1960년대 이전에는 고무동력기의 고무를 감을 때 다른 사람이 기체를 잡아야 했다. 대형 기체는 강한 인장력을 견디기 위해 2명이 필요하기도 했다. 현재도 와인딩 스투지(고무 감기 지지대)를 사용할 수 없을 때는 사람이 직접 지지한다.
1960년대에 와인딩 스투지가 개발되어 혼자서도 비행이 가능하게 되었다. 기본 구조는 홈 형태의 동체 지지부를 나무 또는 금속 말뚝 상단에 부착하여 지면에 박는 것이다. 인장력을 견디기 위해 보통 2~3개의 지지 삭을 뒤로 당겨 말뚝을 고정한다.
대형 기체는 동력 고무의 앞쪽(프로펠러 측)을 감으므로, 동체 후부의 고무 부착부를 와인딩 스투지의 홈 형태 지지부에 핀으로 꽂아 고정한다. 라이트 플레인처럼 후단을 감는 형식은 홈 형태 지지대 대신 프로펠러 고정 후크 등을 사용한다. 이러한 동력 고무 고정구는 말뚝 상단에 고정하지만, 자동차 트렁크나 뒷문 개구부에 부착하기도 한다.
6. 1. 와인더
고무 동력은 고무 묶음을 감아 올리고, 그것이 풀릴 때의 회전력을 출력으로 이용한다. 감는 횟수는 야외에서 비행시키는 모형 비행기에서 수백 번, 실내 비행기에서는 2000회 이상에 달한다. 감을 때 입력되는 에너지는 수십 kg-m에 달하며(고무 1g의 축적량은 1kg-m로, 수십 g의 동력 고무 묶음이 사용된다), 손으로 돌리는 잭으로 대형 차량의 타이어 교환에 필적한다.고무 감기 작업을 효율화하기 위해, 4~5배로 증속하는 손으로 돌리는 톱니바퀴 장치(대부분 손으로 돌리는 드릴)가 사용된다. 굵은 고무 묶음을 감을 때에는 손잡이를 연장하는 개조도 이루어진다.
고무 감기 전용으로 특수 제작된 와인더도 소수가 판매되고 있으며, 감기 횟수 카운터나 토크계가 내장된 것도 있다. 이러한 것들은 축 방향의 베어링이 당기는 힘에 대응하고 있기 때문에, 감을 때의 저항이 적고 쉽게 감을 수 있다.
라이트 플레인 등, 소형 기체에 대응하는 소형의 간이 와인더가 시판되고 있다. 손으로 돌리는 방식 외에도, 단3 건전지 2~4개로 작동하는 전동식 와인더도 상품화되어 있다.
실내 비행기의 경우에는 가는 고무 묶음을 사용하므로, 토크가 작은 대신 감는 횟수가 일반적인 횟수의 수 배로 늘어난다.
6. 2. 와인딩 스투지 (고무 감기 지지대)
1960년대 이전에는 고무동력기의 고무를 감을 때 조수가 기체를 잡고 지탱해야 했다. 대형 기체의 경우 강한 인장력을 견디기 위해 2명이 붙잡아야 하는 경우도 있었다. 현재에도 와인딩 스투지(고무 감기 지지대)를 사용할 수 없는 경우에는 사람이 직접 지지한다.1960년대에 다른 사람에게 의존해야만 비행이 가능했던 불편함을 해결하기 위해 와인딩 스투지가 개발되었다. 기본적인 구조는 홈 형태의 동체 지지부를 나무 또는 금속 말뚝의 상단에 부착하여 지면에 박는 것이다. 위에 언급된 크기의 인장력을 견뎌야 하므로, 보통 2~3개의 지지 삭을 뒤로 팽팽하게 당겨 말뚝을 고정한다.
대형 기체는 동력 고무의 앞쪽(프로펠러 측)을 감으므로, 동체 후부의 고무 부착부를 와인딩 스투지의 홈 형태 지지부에 핀으로 꽂아 고정한다.
라이트 플레인처럼 후단을 감는 형식의 경우에는 홈 형태 지지대 대신 프로펠러를 고정하는 후크 등이 사용된다.
이러한 동력 고무 고정구는 일반적으로 말뚝의 상단에 고정되지만, 응용 사례로는 자동차의 트렁크나 뒷문 개구부에 부착하는 경우도 있다.
7. 고무동력 특성 측정 및 관리
고무는 탄성이 커서 옛날부터 간단한 동력원으로 사용되어 왔다. 1871년 프랑스에서 알퐁스 페노가 고무 동력 모형 비행기의 비행에 성공했고, 1910년경 영국에서는 고무 동력기를 이용한 모형 비행기 붐이 일었다. 국제 항공 연맹(FAI) 국제 경기 종목에도 고무 동력 모형 항공기가 포함되어 있으며, F1B급은 가장 전통이 오래된 경기 규격이다.
FAI 경기 규정에서 고무 동력은 "신축성 동력(extensible motor)"으로 정의되지만, 무게당 출력이 훨씬 적기 때문에 고무 외에는 사용되지 않는다. 모형 비행기용 고무는 약 1mm 각의 실 모양(실고무)이나 두께 약 1mm × 폭 약 3~6mm의 편평한 단면(평고무) 형태로, 여러 가닥을 묶어 사용하며, 감아 되돌릴 때의 토크(회전력)를 이용하여 프로펠러를 구동한다. 양질의 경기용 동력 고무는 무게 1g으로 1kg-m의 에너지를 축적할 수 있다.
고무는 감는 것만으로 이용할 수 있는 간단한 동력원이지만, 토크는 감을수록 커져 평균값의 수 배에 달한다. 엔진처럼 일정한 출력을 얻을 수 없으므로, 프로펠러 회전수가 시종 변동하여 높은 효율을 유지하기는 어렵다. 따라서 경기 참가자들은 사전에 사용 고무의 출력 측정을 실시, 선별하는 경우가 있다.
7. 1. 최대 감김 수 및 절단 계수
고무 동력의 축적력(대략 출력이 된다)의 크기는, 절단 직전이 최대가 된다. 경기는 한계까지의 출력이 요구되므로, 사전에 절단되는 감김 횟수를 알고, 그 직전까지 감는 것이 중요하다.고무 동력은 생산 로트나 보존 상태의 차이에 따른 품질 편차, 1줄의 단면적 치수의 편차, 묶음을 만들었을 때의 무게 편차 등, 각종 변동 요인이 있지만, 같은 사양의 고무 묶음을 끊어질 때까지 감으면, 해당 사양의 고무 묶음의 절단 감김 횟수의 추정치가 된다. 이 방식은 가장 정확하지만, 묶음 제작, 윤활제 도포, 익숙한 감기가 모두 필요하다. 게다가, 이 크기의 묶음을 다 감는 것은 육체적으로도 과중한 작업이며, 절단 시의 위험도 따른다.
그 때문에, 수 g의 작은 샘플 묶음을 여러 개 절단하여, 아래의 공식에 의해 묶음의 길이・두께(단면적)와 감김 횟수의 비례 정수(절단 계수)를 구한다. 그 절단 계수와, 실제로 사용할 큰 고무 동력 묶음의 길이・두께를 사용하여, 해당 고무 묶음의 절단 감김 횟수를 추정한다. 이 절차를 "고무 동력의 절단 테스트"라고 부른다.
- 절단 계수 = 절단 감김 횟수 × (고무 묶음의 단면적의 제곱근) / (고무 묶음의 길이)
- 절단 감김 횟수 = 절단 계수 × (고무 묶음의 길이) / (고무 묶음의 단면적의 제곱근)
고무 묶음의 사양을 위의 식에 대입할 때, 길이는 mm, 두께는 제곱 mm를 사용한다. 단면적을 구할 때, (공칭 단면적 × 가닥 수)를 사용하면, 공칭 단면적의 제조 오차의 영향이 나타난다. 고무의 밀도는 1.0에 매우 가까우므로, 고무 묶음의 체적(무게 g × 1000 세제곱 mm)을 고무 묶음의 길이(mm)로 나눈 값을 단면적(제곱 mm)으로 사용하는 경우도 있다.
경기 대회에서는 FAI( 국제 항공 연맹) 명칭의 고무 동력을 사용하지만, 해당 명칭의 절단 계수는 10을 넘는다. 모형 비행기용 고무 동력의 품질은 해마다 향상되어 왔으며, 전전~전중(1940년대)의 실용 감김 횟수의 표준적인 계수 값은 4~6으로 되어 있다. 단, 이 시대의 고무는 귀중품이었고, 현재처럼 소수 회 사용으로 교체할 수 없었으며, 장기간 사용되었으므로, 실용 감김 횟수는 낮게 설정되어 있다.
전후가 되어, 경기에서는 현재와 마찬가지로 한계까지 고무를 감게 되었다. 그 시기(1960~70년대)에는, 주로 피렐리(Pirelli) 제의 고무 동력이 사용되었지만, 실용 감김 횟수의 계수 값은 7.5~8 정도였다.
일반적으로, 많이 감을 수 있는(절단 계수가 큰) 고무는, 대량의 에너지를 축적할 수 있다고 여겨지며, 우수한 고무 동력을 선별할 때의 지표로 사용된다. 이 방법은 대략 옳지만, 예외적으로 감김 횟수는 많지만 토크가 약하고, 축적 에너지가 적은 것도 있다.
7. 2. 토크 테스트
모형 비행기는 동력 고무를 감았다가 풀 때 발생하는 토크를 이용하여 프로펠러를 회전시켜 추력을 얻는다. 이 회전력의 크기는 고무 묶음의 굵기(단면적)에 따라 달라지며, 풀리기 시작할 때부터 끝날 때까지, 그리고 고무의 품질, 상표, 온도 등 환경 조건에 따라서도 변한다.자유 비행 경기에서 이기려면 프로펠러 설계가 중요하며, 프로펠러 설계의 기초 데이터는 구동 원동기의 출력 특성이다. 고무 동력기의 경우, 조합되는 동력 고무 묶음의 토크 특성이 중요하다. 프로펠러 설계는 이를 바탕으로 기체에 적합한 효율 높은 프로펠러 사양(직경, 피치 등)을 찾는 작업이다.
동력 고무의 토크 특성을 측정하기 위해 다음과 같은 방법이 사용된다.
동력 고무 토크 테스트 장치는 고정단과 회전단이 있는 모형 비행기 동체 모양의 고무 부착 기구를 작업대 위에 고정하고, 회전축에서 고무의 토크를 출력시키는 방식이다. 회전축에는 프로펠러 대신 막대를 부착하고, 막대 끝에서 추나 용수철 저울을 사용하여 회전력(토크)을 측정한다. 이 장치에 동력 고무 묶음을 부착하고, 최대 감김 수까지 감은 후 풀면서 각 감김 수에서의 토크를 측정하고 기록한다.
예를 들어, 막대의 길이가 10cm이고 용수철 저울의 눈금이 100g이라면, 그 때의 토크는 다음과 같다.
: 100g × 10cm = 1000g-cm = 1kg-cm
모형 비행기 고무 묶음의 토크 측정에서는 g-cm 단위를 사용하는 것이 일반적이다.
동력 고무를 최대 감김 수까지 감고 측정하면, 최대 토크를 얻을 수 있다. 이후 일정 감김 수를 풀고 다시 측정하면, 해당 감김 수에 해당하는 토크 값을 얻는다. 이 과정을 반복하여 감김 수가 0이 될 때까지 측정하면, 각 감김 수에 대응하는 토크를 모두 측정할 수 있다. 풀리는 감김 수의 크기는 너무 세밀하면 측정 시간이 오래 걸리고 고무가 늘어나 토크가 과소 측정될 수 있으므로 적절한 수준으로 조절해야 한다.
측정된 감김 수와 토크의 관계를 그래프로 나타내면 (가로축: 감김 수, 세로축: 토크) 해당 고무 묶음의 토크 곡선이 된다.
토크 곡선의 형태는 일반적으로 다음과 같으며, 고무의 상표 등에 따라 크게 달라지지 않는다.
- 풀리기 시작하는 토크 값은 평균 토크의 4~5배로 높으며, 풀림 감김 수가 20%(남은 감김 수 80%)까지 급격히 감소하여 평균 토크에 근접한다. 이 구간을 "버스트(폭발)"라고 하며, 프로펠러 회전수는 평균의 2배, 추력은 10배 가까운 고출력을 낸다.
- 남은 감김 수가 80%에서 5%가 될 때까지는 토크가 완만하게 감소하며, 5%일 때에도 평균 토크의 70~80%를 유지한다. 이 기간은 "크루즈(순항)"라고 하며, 프로펠러 회전수와 출력은 거의 일정하다.
- 남은 감김 수 5%에서 0%까지는 토크가 다소 급격히 감소하여 0이 된다.
막대 끝의 토크 측정점은 1회전하면 반지름의 2π배만큼 이동하므로, 일의 양은 (토크 × 2π)가 된다. 토크 곡선 그래프의 세로축을 2π배 하면 출력 곡선을 얻을 수 있다. 출력 곡선의 아랫부분 면적, 즉 출력을 감김 수로 적분한 값이 해당 고무 묶음의 총 출력이다. 총 출력을 고무 묶음의 무게로 나누면, 동력 고무 1g당 출력이 되며, 이 값이 큰 고무가 우수한 고무이다.
현재 FAI 상표의 고무 중 우수한 것은 1g당 1kg-m를 축적한다고 하며, 1.2kg-m 등의 더 높은 수치도 발표되고 있다. 1970년 당시의 피렐리 고무는 0.7kg-m~0.8kg-m, 던롭 상표 등은 0.6kg-m 정도였다고 한다. 16번 고무줄(무게 0.15g, 길이 62mm)을 측정한 결과, 절단 계수 8~8.5, 무게 1g당 축적 에너지 0.4kg-m~0.5kg-m의 값을 얻었다.
7. 3. 출력 평가
국제 항공 연맹(FAI)의 국제 경기 종목에는 고무 동력 모형 항공기가 여러 종목 포함되어 있으며, F1B급은 가장 전통이 오래된 경기 규격이다. 경기 참가자는 사용 고무의 출력 측정을 사전에 실시하여 선별하기도 한다. 고무 동력기는 엔진처럼 일정한 출력을 얻을 수 없어, 프로펠러 회전수가 계속 변동하므로 높은 효율을 유지하기 어렵다.
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