프로펠러 형상에 따라 추력은 얼마나 달라질까?

드론의 프로펠러는 단순한 회전 날개처럼 보이지만, 그 형상이 기체 성능의 거의 모든 것을 좌우합니다. 블레이드가 공기와 만나는 각도, 스팬 방향을 따라 변화하는 블레이드 폭, 허브에 장착된 블레이드 수 — 이 요소들이 프로펠러의 추력, 소요 전력, 그리고 최종적으로 드론의 체공 시간을 결정합니다.

프로펠러 설계는 본질적으로 트레이드오프의 영역입니다. 블레이드의 피치각을 높이면 한 회전당 더 많은 공기를 밀어내어 추력이 증가합니다. 그러나 이 관계는 일정 수준까지만 유효하며, 동력 소모의 증가를 수반합니다. 또한 유효 받음각은 비행 풍속에 따라 달라지기 때문에, 동일한 피치 설정이라도 비행 조건에 따라 성능이 변화할 수 있습니다. 임계점을 넘어서면 블레이드 표면에서 유동이 박리되어, 양력으로 전환되어야 할 에너지가 난류로 소산됩니다. 마찬가지로 블레이드 수를 늘리면 공기를 밀어내는 총 면적은 증가하지만, 뒤따르는 블레이드가 앞선 블레이드의 후류 영역을 통과하면서 고유한 비효율이 발생합니다.

이러한 트레이드오프는 이론적으로 잘 알려져 있지만, 실제 공력 데이터에서 확인하는 것은 전혀 다른 문제입니다. 추력 시험대에서 얻을 수 있는 것은 힘과 동력 두 값뿐이며, 블레이드의 어느 지점에서 추력이 생성되고 어디에서 유동이 무너지는지는 알 수 없습니다. 그 답을 얻으려면 유동장 자체를 들여다봐야 합니다.

이번 포스트에서는 EverySim의 파라메트릭 프로펠러 생성기로 동일한 직경과 허브를 가진 세 종류의 프로펠러를 설계하고, 동일한 조건에서 CFD 시뮬레이션을 수행한 뒤 각 블레이드 형상 주위의 유동 거동을 비교했습니다.

비교 대상: 세 가지 프로펠러

명확한 결론을 도출하기 위해, 한 번에 하나의 설계 변수만 변경했습니다.

Case A — "크루저(Cruiser)" 는 기준 모델입니다. 2엽 프로펠러에 완만한 피치각을 적용하여 매끄럽고 효율적인 유동 특성을 갖도록 설계했습니다. 비행 시간을 우선시하는 대부분의 민수용 드론이 채택하는 설계 철학입니다.

Case B — "리프터(Lifter)" 는 블레이드 수만 2엽에서 3엽으로 변경하고, 나머지 조건은 Case A와 완전히 동일하게 유지했습니다. 피치, 코드, 두께 모두 같습니다. "블레이드를 하나 추가하면 실제로 어떤 변화가 생기는가?"라는 단일 질문을 검증하기 위한 케이스입니다.

Case C — "어그레서(Aggressor)" 는 Case A와 동일한 2엽 구성이지만, 루트·미들·팁 세 구간의 피치각을 대략 두 배로 높였습니다. 크루저가 공기를 얇게 가르는 형상이라면, 어그레서는 공기를 깊이 물어뜯는 형상입니다.

Case A vs. Case B — 블레이드 수 비교 (기타 파라미터 동일)

Case A vs. Case C — 피치각 비교 (동일 2엽)

시뮬레이션 조건

세 프로펠러 모두 직경 460 mm, 동일한 허브 치수를 적용했습니다. 차이점은 블레이드 수(Case A, C는 2엽 / Case B는 3엽)와 피치각(Case C는 각 구간의 α, β를 약 2배 증가)뿐입니다.

모든 시뮬레이션은 동일한 조건에서 수행했습니다.

결과 요약

두 가지 비교에서 전혀 다른 이야기가 나타납니다.

비교 1 — 블레이드 추가 효과 (Case A vs. Case B)

리프터는 크루저 대비 추력이 11% 증가(20.98 N vs. 18.88 N)한 반면, 소요 동력은 15% 증가(266 W vs. 231 W)했습니다. 단위 동력당 추력(N/W) 기준으로는 리프터가 소폭 불리합니다. 그런데 성능지수(Figure of Merit)는 오히려 리프터가 약간 더 높습니다(0.566 vs. 0.558). 이는 3엽 구성이 공력적으로 이상적인 추력 분포에 더 가깝다는 것을 의미합니다.

유동 가시화 결과가 이를 뒷받침합니다. 프로펠러 하류의 속도 분포를 보면, 크루저는 각 블레이드에 대응하는 두 개의 고속 영역(로브)이 뚜렷하게 구분되고 그 사이에 저속 구간이 존재합니다. 리프터는 세 개의 로브가 서로 겹치면서 더 균일한 속도 원판을 형성합니다. 작동원판 이론에서 완벽하게 균일한 속도 원판이 최대 효율에 해당하므로, 3엽의 후류가 이 이상에 더 근접합니다.

표면 전단응력 분포 역시 두 케이스 모두 깨끗한 부착 유동을 보여줍니다. 블레이드 전체에 걸쳐 균일한 저전단 분포를 보이고, 앞전 부근에서만 좁은 고전단 영역이 나타납니다. 유동 박리나 난류의 징후는 없습니다. 리프터의 최대 전단응력은 오히려 더 낮은데(21 Pa vs. 31 Pa), 이는 공력 하중이 더 넓은 블레이드 면적에 분산되기 때문입니다.

압력 분포에서도 차이가 확인됩니다. 3엽 프로펠러는 추가 블레이드로 인해 총 블레이드 면적이 더 넓어, 압력차를 생성하는 유효 면적이 증가합니다. 또한 3엽 설계의 압력면 최대 압력은 2엽 대비 약 5배 높게 나타났으며, 이것이 블레이드당 형상이 동일함에도 불구하고 더 높은 추력을 산출하는 원인입니다.

결론: 블레이드 추가는 안정적이고 예측 가능한 성능 향상 방법입니다. 11%의 추력 증가를 깨끗하고 안정적인 공력 특성 하에서 얻을 수 있습니다.

비교 2 — 피치 증가 효과 (Case A vs. Case C)

이 비교에서 시뮬레이션의 진가가 드러납니다.

어그레서의 추력은 크루저 대비 59% 증가한 30.09 N입니다. 추력 시험대 기준으로는 압도적인 우위입니다. 그러나 소요 동력은 659.7 W로 186% 증가 — 거의 세 배에 달합니다. 성능지수는 0.558에서 0.392로 급락하며, 이는 모터가 공급하는 에너지의 61%가 유효 추력이 아닌 열, 난류, 소음으로 소산됨을 의미합니다.

압력 분포에서 첫 번째 단서가 확인됩니다. 어그레서의 블레이드 표면 압력 범위는 -6,050 ~ +1,930 Pa로, 크루저의 -2,390 ~ +515 Pa 대비 약 세 배에 달합니다. 이 거대한 압력차가 59% 추력 증가의 원천입니다. 그러나 크루저의 압력장이 블레이드 표면에 밀착되어 있는 반면, 어그레서에서는 블레이드에서 벗어난 영역까지 압력 교란이 방사되는 것이 관찰됩니다. 이것은 모터가 소비했지만 추력으로 전환되지 못한 에너지입니다.

피치를 물속의 노 각도에 비유하면 이해가 쉽습니다. 완만한 각도로 저으면 물을 깔끔하게 가르며 효율적으로 전진합니다. 각도를 급하게 세우면 한 번에 더 많은 물을 밀어내지만, 동시에 사방으로 물이 튀기 시작합니다. 그 물보라가 곧 낭비되는 에너지입니다.

블레이드 단면을 관통하는 속도 분포에서 근본 원인이 드러납니다. 크루저에서는 공기가 블레이드 단면을 따라 매끄럽게 흐르는 전형적인 부착 유동이 나타납니다. 반면 어그레서의 블레이드 팁 부근에는 불규칙하고 비대칭적인 고속 패치가 관찰됩니다. 이것이 유동 박리입니다. 급격한 받음각에서 공기가 블레이드 표면을 따라가지 못하고 이탈하여 난류 와류로 전환되며, 운동에너지가 열로 소산됩니다.

표면 전단응력 분포가 추가적인 근거를 제공합니다. 크루저의 블레이드 표면은 전체적으로 균일하여 안정적인 경계층을 나타냅니다. 반면 어그레서에서는 중간 스팬과 팁 영역에 줄무늬 형태의 불규칙한 전단 패턴이 나타나며, 이는 경계층이 불안정해지고 박리가 시작되는 구간입니다. 공력 실속의 전조와 일치하는 양상입니다.

블레이드 피치각을 정지추력 조건에서 증가시키면, 유효 받음각도 함께 증가합니다. 축 방향 유입 유동이 없는 정지 상태에서는 블레이드 각도를 상쇄할 흐름이 없기 때문에, 전진 비행 시보다 공기가 더 가파른 입사각으로 블레이드와 만납니다. 이에 따라 프로펠러 하류에 더 큰 압력차가 형성되어 높은 추력이 발생합니다. 동시에 가파른 받음각은 각 블레이드의 공력 항력을 증가시켜 더 높은 토크가 필요하게 되고, 이는 곧 소요 동력의 증가로 이어집니다.

결론: 피치 증가는 확실히 추력을 높이지만, 그 관계는 선형적이지 않습니다. 초기 몇 도의 피치 증가는 효율적이고 안정적인 추력 향상을 가져옵니다. 그 이후에는 유동 박리와 에너지 소산에 따른 손실이 급격히 증가합니다. 추력 시험대는 어그레서가 60% 더 큰 힘을 낸다고 알려주지만, 입력 에너지의 61%가 소산되고 있다는 사실은 시뮬레이션만이 보여줄 수 있습니다. 또한 피치각에는 양력이 점진적으로 증가하는 최적 범위가 존재하며, 이를 넘어서면 유동 박리가 지배적이 되어 블레이드가 실속에 진입하고, 그 이후의 피치 증가는 오히려 역효과를 초래합니다.

결론: 최고의 프로펠러는 없다

최대 비행 시간이 목표라면 — 측량, 매핑, 점검 임무 — 크루저의 2엽 저피치 설계가 정답입니다. 축 동력의 56%를 유효 추력으로 전환하며, 루트부터 팁까지 유동이 깨끗합니다.

동력 시스템 변경 없이 양력을 늘려야 한다면 — 리프터의 3엽 구성이 안전한 선택입니다. 각 블레이드가 공력적 한계 이내에서 작동하고, 후류가 더 균일하며, 15%의 동력 증가는 감내할 수 있는 수준입니다.

중량 페이로드를 위한 절대 추력이 필요하다면 — 어그레서가 힘을 내긴 하지만, 물리적 효율이 역행하는 영역에서 작동하게 됩니다. 팁의 유동 박리로 인해 추력 2배를 위해 동력 3배를 지불합니다.

프로펠러 선택의 본질적인 질문은 "어떤 형상이 가장 큰 추력을 내는가"가 아닙니다. "어느 정도의 비효율을 감수할 수 있으며, 그 비효율이 어디에서 발생하는지 이해하고 있는가"입니다.

이제 직접 확인할 수 있습니다.

이 포스트의 모든 시뮬레이션은 파라메트릭 형상 생성부터 메쉬 생성, 후처리까지 EverySim 플랫폼 내에서 수행했습니다. 외부 CAD나 로컬 연산 자원 없이, 자신만의 블레이드 설계를 테스트해 보세요.

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