사이클로콥터 : 100년의 도전과 첨단 항공 이동수단의 미래 전망

I. 요약: 사이클로콥터의 역사적 실패와 현대적 부활

사이클로콥터(Cyclocopter), 또는 사이클로자이로(Cyclogyro)의 개념은 20세기 초, 헬리콥터와 거의 동시에 등장했지만 1, 주류 항공 수단으로 발전하지 못하고 오랫동안 잊힌 기술로 남아 있었다. 이러한 역사적 실패는 주로 당시의 기술로는 극복 불가능했던 기계적 복잡성과 그로 인해 발생하는 무게 패널티, 그리고 동역학적 불안정성에 기인했다. 복잡한 사이클릭 피치 연결 장치는 과도한 중량과 낮은 추력-중량비(Thrust-to-Weight, T/W)를 초래했고 2, 이는 실용적인 수직 이착륙(VTOL) 항공기로서의 경쟁력을 상실하게 했다.

 

 

그러나 사이클로콥터는 기체 기울임 없이 360도 전방향 추력 벡터링이 가능하며 4, 소음 수준이 낮고 6, 협소한 공간에서 우수한 기동성을 제공한다는 강력한 이론적 이점을 보유하고 있었다.

 

21세기에 들어서면서 상황이 역전되었다. 첨단 재료 공학의 발전으로 초경량, 고강성 소재가 개발되었고 6, 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 및 고조파 제어(HHC) 같은 정교한 컴퓨테이셔널 제어 기술이 등장하면서 7, 과거의 핵심 장벽들이 성공적으로 완화되었다. 프로토타입 단계에서 추력-중량비는 역사적인 2.5:1 미만에서 5:1 이상으로 크게 개선되었으며 3, 이는 실질적인 수직 비행 능력의 확보를 의미한다.

 

결론적으로, 사이클로콥터는 헬리콥터나 멀티콥터를 완전히 대체하기보다는, 초정밀 제어, 저소음, 그리고 안전성이 최우선시되는 도시 항공 모빌리티(UAM)의 특정 영역이나 멀티모달 마이크로 드론과 같은 틈새 시장을 위한 전문화된 수단으로 자리매김할 가능성이 높다.5

 

II. 사이클로이드 추진의 기본 원리 및 개발 역사

II. A. 개념의 기원과 초기 개발 (1909년경)

사이클로자이로의 아이디어는 100년 전에 처음 등장했다. 가장 초기의 문서화된 특허 중 하나는 1909년 Gabriel Babillot이 출원한 영국 특허 No 27,771이다.9 초기 설계는 얇은 에어포일이나 '스쿱' 형태의 날개를 사용했는데, 이는 당시 항공 연구가 이루어지던 매우 낮은 레이놀즈 수 환경에서 두꺼운 날개보다 효과적이었기 때문이다.9

 

1930년대에는 Kirsten의 오리지널 기어 및 캠 제어 메커니즘이 등장했으며, 이는 초기 사이클로자이로의 제어 메커니즘의 기반이 되었다.2 당시 발명가들, 예를 들어 Wheatley는 사이클로자이로가 기존 항공기에 비해 우수한 제어력과 기동성을 제공할 것이라고 예측했다.2 Sachse는 이 로터를 경비행선에 적용하여 추진기로 사용할 것을 제안하기도 했다.2

 

II. B. 작동 원리: 사이클릭 피칭 및 추력 벡터링

사이클로로터(Cyclorotor)는 회전축에 평행한 여러 개의 블레이드를 사용하여 양력을 생성한다.4 이 블레이드들은 로터가 한 바퀴 회전하는 동안 공기역학적 힘(양력 또는 추력)을 축의 수직 방향으로 생성하기 위해 회전당 두 번 주기적으로 피칭(Cyclically Pitched) 각도를 조절한다.4

 

이러한 블레이드 피칭은 로터 회전의 상부 절반에서는 양의 피치(날카로운 모서리가 회전 중심에서 바깥쪽을 향함)로, 하부 절반에서는 음의 피치로 조정되어 순수한 상향 공기역학적 힘을 유도한다.4

 

사이클로로터의 가장 독특하고 강력한 특징은 360도 전방향 추력 벡터링이다. 날개의 주기적인 피치 각도 위상(phase)을 변경함으로써, 기체의 구조물을 기울일 필요 없이 추력의 크기와 방향을 회전축에 수직인 임의의 방향으로 즉각적으로 바꿀 수 있다.4 이러한 능력은 비행 경로와 기체 자세를 분리(decoupling)할 수 있게 한다.5

 

또한, 사이클로로터는 날개 공격각(AoA)을 빠르게 증가시키거나 감소시켜 실속(stall)을 지연시키고 양력을 얻는데, 이러한 비정상(unsteady) 양력의 활용은 소형 규모, 낮은 속도, 그리고 높은 고도에서 기존의 프로펠러 설계보다 더 효율적일 수 있다.4

 

II. C. 수상 분야에서의 성공과 항공 분야의 난제

사이클로이드 추진 원리는 수상 환경에서 이미 성공적인 상업적 응용 사례를 가지고 있다. Voith Schneider Propeller (VSP)는 사이클로로터 디자인을 기반으로 하며, 견인선이나 페리에서 높은 기동성과 즉각적인 추력 방향 변경 능력을 제공하며 광범위하게 사용된다.4 VSP의 성공은 이 추진 원리 자체가 근본적으로 유효함을 입증한다.10

 

그러나 수상 분야에서의 성공과 항공 분야에서의 초기 실패는 유체 매질의 영향과 시스템의 고유한 복잡성이 성능에 미치는 치명적인 영향을 시사한다. 수상 환경(높은 유체 밀도)에서는 블레이드와 기어 장치 같은 주요 구성 요소에 가해지는 기계적 하중을 견디기 위해 무겁고 견고한 시스템이 허용된다.11 VSP의 경우, 우수한 제어 능력을 얻기 위해 높은 출력 밀도와 무게를 감수하는 것이 합리적인 상쇄 요인으로 작용한다.

 

반면, 공중 환경(낮은 유체 밀도)에서는 추력 생성 대비 중량 증가가 치명적이다. Kirsten의 복잡한 캠 제어 메커니즘과 초기 사이클로콥터의 복잡한 기계적 연결 장치 2는 항공기 시스템에 허용될 수 없는 질량을 추가했다. 이 무게는 항공기의 필수적인 성능 지표인 추력-중량비(T/W)를 심각하게 저하시켰으며 3, 결국 사이클로콥터가 역사적으로 헬리콥터의 경쟁에서 밀려난 주된 요인이 되었다. 즉, 사이클로로터의 기계적 복잡성이 항공 환경에서 발생하는 질량 패널티를 극복하지 못했기 때문에, 이 추진 원리는 오랫동안 실용화되지 못했다.

 

III. 경쟁 기술 분석: 사이클로콥터 대 전통적인 VTOL

사이클로콥터 기술에 대한 현대적 관심의 증가는 기존 수직 이착륙(VTOL) 플랫폼 대비 제공하는 고유한 이점들을 기반으로 한다.

 

III. A. 제어 및 기동성 우위

사이클로콥터의 추력 벡터링 능력은 헬리콥터나 멀티로터와 근본적으로 다르다. 전통적인 VTOL 항공기는 전진 추력을 얻기 위해 기체 전체를 기울여야 하지만, 사이클로콥터는 기체의 자세(attitude)를 일정하고 수평하게 유지하면서도 360도 전방향으로 추력을 생성할 수 있다.5 이는 비행 경로와 기체 자세가 분리됨을 의미하며, 센서 장비를 탑재하거나 승객을 수송하는 플랫폼에 큰 이점을 제공한다.5

 

이러한 우수한 기동성은 특히 협소하거나 장애물이 많은 환경에서 유리하다.5 예를 들어, 군사용 정찰 임무나 인프라 검사, 재난 구호 지역의 매핑 등 특수 임무에서 사이클로콥터는 높은 안정성을 유지하며 정밀하게 비행할 수 있는 잠재력을 가진다.13

 

III. B. 음향 특성 및 소음 저감 가능성

도시 항공 모빌리티(UAM)의 수용성(public acceptance)에 있어 소음은 핵심적인 제한 요소이다.14 사이클로콥터는 소음 저감 가능성을 내포하고 있다.6

 

기존 헬리콥터 및 멀티콥터 로터는 고속으로 회전하는 블레이드 끝단에서 주로 추력이 발생하며, 이는 높은 회전 속도(RPM)와 블레이드 충격 소음(blade slap)을 유발한다.6 이에 반해, 사이클로로터는 전체 블레이드 스팬(span)이 축에 평행하며 유사한 속도로 작동하므로 4, 블레이드 전체 길이에서 효율적으로 추력을 생성할 수 있다.6 이로 인해 동일한 추력을 달성하는 데 필요한 RPM이 낮아져 잠재적으로 소음을 줄일 수 있다.6

 

III. C. 공기역학적 효율성

사이클로로터는 전통적인 로터가 직면하는 설계 복잡성을 부분적으로 해소한다. 기존 프로펠러는 뿌리(root)에서 끝단(tip)으로 갈수록 속도 성분이 증가하기 때문에 블레이드의 코드(chord), 트위스트(twist), 에어포일 형태 등을 변화시켜야 한다.4 그러나 사이클로로터는 블레이드가 회전축에 평행하기 때문에, 블레이드의 각 스팬 부분은 유사한 속도로 작동하며, 전체 블레이드를 단일 공기역학적 조건에 최적화할 수 있다.4

 

또한, 테스트 결과, 사이클로로터는 동일한 디스크 하중(disk loading)에서 기존 로터보다 더 높은 출력 하중(Power Loading)을 달성할 수 있음이 확인되었다.4 이는 비정상 양력의 활용과 블레이드 전반에 걸친 일관된 공기역학적 조건 유지 덕분이다.4

 

III. D. 핵심 성능 및 설계 비교

사이클로콥터의 설계 특성은 도시 환경에서의 안전성과 효율성을 강조하는 방식으로 나타난다. 전통적인 VTOL 항공기가 번잡한 지역에서 야기하는 안전 문제(노출된 대형 로터, 전진 시 기체 기울임)와 비교할 때, 사이클로로터는 밀집된 지역에서의 안전 요구사항을 충족시키기 위해 추가적인 안전성과 안정성을 내재적으로 제공한다.5 이러한 특성은 엄격한 항공 안전 표준을 충족하는 데 유리하게 작용하며, UAM 시장에서 경쟁력을 확보하는 데 중요한 요소가 된다.5

 

Table 1: 주요 성능 및 설계 비교: 사이클로콥터 대 기존 VTOL 기술

 

매개변수	사이클로콥터 (Cyclogyro)	일반 헬리콥터	멀티콥터 (고정 피치)
추력 생성 방식	사이클릭 피칭 / 비정상 양력 활용 4	집단/사이클릭 피치 / 정상 양력	차등 추력 (고정 피치)
벡터링 방식	기체 자세 고정 상태에서 360° 즉각적 추력 벡터링 5	로터 디스크 기울임 (기체 기울임 발생)	차등 추력 (기체 기울임 발생)
기계적 복잡성	높음 (정교한 피치 연결 장치) 16	중~고 (스와시플레이트 시스템)	낮음 (단순 고정 허브)
소음 잠재력	낮음 (낮은 RPM, 전체 스팬 추력) 6	높음 (블레이드 팁 속도 및 충격)	보통 (높은 RPM 요구)
호버링 효율 지표	높은 출력 하중 4	높은 성능 지표(Figure of Merit, FM) [17]	디스크 하중에 따라 다름

 

IV. 20세기 사이클로콥터 개발을 가로막았던 주요 기술적 장벽

사이클로콥터가 헬리콥터나 멀티콥터와 달리 상업적으로 성공하지 못한 것은 우수한 이론적 장점에도 불구하고, 시스템 수준의 고질적인 기술적 난제 때문이었다.

 

IV. A. 복잡한 기계 장치와 신뢰성 문제

사이클로로터 설계는 다수의 블레이드에 대해 정확한 타이밍으로 주기적인 피치를 제어하기 위해 정교하고 복잡한 연결 장치, 기어, 캠 시스템을 요구한다.2 이러한 높은 부품 수는 필연적으로 시스템의 복잡성, 비용, 그리고 유지보수 부담을 증가시킨다.18

 

특히 마이크로급 설계에서, 피치 연결 장치는 메인 로터 샤프트와의 간섭을 피하기 위해 샤프트 끝단을 넘어 캔틸레버 방식으로 경첩을 달아야 하는데 16, 이는 구조적 강건성(robustness)과 소형화를 모두 어렵게 만드는 설계 제약을 부과했다.

 

IV. B. 추력-중량비(T/W)의 위기 및 크기 조정 문제

역사적으로 사이클로콥터의 가장 큰 걸림돌은 압도적인 중량 패널티였다. 복잡한 기계 장치(기어, 연결 장치, 강성 확보를 위한 부품)가 필수적으로 추가되면서, 생성되는 추력 대비 기체 무게가 지나치게 무거워졌다. 과거 사이클로로터의 T/W 값은 종종 2.5:1 미만으로 보고되었는데 3, 이는 실용적인 수직 비행에 필요한 마진을 확보하기 어려웠다.

 

사이클로로터는 동일 규모의 헬리콥터 로터에 비해 추력 대비 디스크 면적이 상당히 작다. 이러한 제한은 이착륙 시 매우 높은 유입 속도(inflow)를 유발하며, 이는 높은 유도 항력(induced drag)과 효율 저하로 이어진다.1 따라서 이 항력 패널티를 극복하기 위해서는 높은 T/W 비율이 필수적이었지만, 복잡한 제어 시스템의 무게가 이 T/W 비율을 깎아내리는 악순환을 만들었다. 즉, 제어 메커니즘의 복잡성이 무거운 구조를 요구하고, 이 무게는 T/W 비율을 감소시켜 더 높은 전력과 비효율성을 초래했다.3

 

더욱이, eVTOL 애플리케이션을 위해 사이클로로터를 대형화할 때, 추력 단위 질량이 일정하게 유지되더라도, 로터 크기가 증가함에 따라 내부 블레이드 응력(stress)이 단조 증가(monotonically increase)하는 구조적 문제가 발생한다.21 이는 대형화 시 구조적 파손을 방지하기 위해 로터의 종횡비(Aspect Ratio, 블레이드 스팬/로터 직경)를 줄이는 방식, 즉 블레이드 스팬보다 직경을 더 빠르게 증가시키는 비유사(non-similar) 기하학적 크기 조정이 필요함을 의미하며, 이는 설계 복잡성을 가중시킨다.21

 

IV. C. 동역학적 불안정성, 진동 및 피로

사이클로로터 블레이드는 끊임없이 피칭 각도를 바꾸며 작동하기 때문에 매우 불안정한 공기역학적 환경에 노출된다. 이로 인해 공기역학적 하중과 관성 하중이 지속적으로 변동하며 8, 이는 로터 블레이드와 허브에 큰 진동 하중을 발생시킨다.8

 

이러한 강한 진동은 부품의 피로(fatigue) 문제를 야기하여 신뢰성을 떨어뜨리고 재앙적인 실패 위험을 증가시킨다.22 또한, 기존 로터크래프트에 비해 사이클로로터의 진동 응답은 상대적으로 연구가 덜 되었고 이해도가 낮았다.8 특히 블레이드의 공격각이 35도 이상 증가할 경우 동적 실속(dynamic stall)이 발생할 수 있는데 23, 과거에는 고속 컴퓨터 모델링 없이는 이러한 복잡한 비정상 공기역학 현상(예: 와류 발생 및 실속 행동)을 정확하게 예측하고 제어 전략을 수립하는 것이 사실상 불가능했다.8

 

V. 현대 기술을 통한 장벽 극복 노력 및 실현 가능성

사이클로콥터가 21세기에 부활할 수 있었던 것은 순수하게 재료, 계산 능력, 그리고 제어 이론의 획기적인 발전 덕분이다. 이는 과거 기술의 내재된 결함을 정면으로 해결했다.

 

V. A. 구조 및 재료 혁신 (T/W 비율 개선)

가장 중요한 발전은 무게 문제의 해결이다. 마이크로 항공기(MAV) 연구에서는 머리카락 굵기의 탄소 섬유 가닥과 5마이크로미터 두께의 마일라(Mylar) 시트를 사용하여 초경량 블레이드를 제작하는 기술이 개발되었다.6 예를 들어, 텍사스 A&M 대학교에서 개발된 프로토타입은 총 중량이 29그램에 불과했다.6

 

이러한 경량화 기술은 추력-중량비를 혁신적으로 개선했다. 최근 실험적인 설계에서는 1600 RPM에서 약 3.25:1의 T/W 비율을 달성했으며 20, 일부 개발 프로젝트에서는 5.3:1에 달하는 추정 T/W 비율을 보고하고 있다.3 이는 과거의 치명적인 2.5:1 미만의 비율에서 벗어나 실용적인 수직 비행이 가능한 영역으로 진입했음을 의미한다. CycloTech와 같은 선도 기업들은 5세대에 걸친 로터 최적화를 통해 T/W 비율을 68%까지 향상시키기도 했다.24

 

V. B. 첨단 비행 제어 및 진동 억제

사이클로로터의 제어 동역학은 본질적으로 비선형적이다. 기계적 복잡성이 유발하는 비선형적인 공기역학적 동역학과 높은 진동은 피할 수 없는 특징이며, 이를 극복하기 위해서는 고성능의 능동적 제어 및 보상 시스템이 필수적이다.

 

1. 비선형 모델 예측 제어 (NMPC): NMPC와 같은 현대적인 제어 프레임워크는 사이클로콥터 모델의 복잡한 비선형성을 처리하고 자세, 위치 및 그 파생 변수에 대한 견고하고 민첩한 6-자유도(DOF) 제어를 달성하는 데 결정적이다.7 이는 위치 추적 오류를 크게 줄이는 데 효과적임이 입증되었다.25
2. 고조파 제어 (Higher Harmonic Control, HHC): 헬리콥터의 진동 감소를 위해 개발된 HHC는 26 사이클로로터의 진동 하중을 완화하기 위해 적용되고 있다.8 연구 결과는 HHC를 포함할 경우 사이클로이드 로터의 진동 응답이 모든 테스트 케이스에서 성공적으로 감소되었음을 보여준다.8 이는 역사적 실패의 주요 원인이었던 부품 피로 및 신뢰성 문제를 직접적으로 해결하는 핵심 기술이다.8
3. 최적화된 피치 운동학: 단순한 정현파(sinusoidal) 피치 법칙을 넘어, Kriging 대리 모델(surrogate model)과 유전 알고리즘을 결합한 최적화 프레임워크는 피치 프로파일을 개선하여 추력과 추진 효율을 10%–20% 증가시키는 데 성공했다.28

 

V. C. 대형화의 난제와 구조적 확장성

현대 기술은 사이클로로터가 대형 eVTOL 애플리케이션으로 확장될 수 있는 분석적 기반을 마련했다. 전산 유체 역학(CFD) 모델링 결과, 사이클로로터는 크기가 커질수록 레이놀즈 수가 증가할 때 무차원 토크와 동력이 크게 감소하며, 이는 공기역학적 효율성 측면에서 대형화에 유리하게 작용함을 보여준다.21

 

그러나 앞에서 언급했듯이, 구조적 건전성 측면에서는 크기가 커질수록 블레이드 응력이 증가하는 구조적 제약이 따른다.21 이러한 구조적 불안정성을 극복하기 위해, 대형 설계에서는 블레이드 스팬 대비 로터 직경을 더 빠르게 증가시켜 로터 종횡비를 줄이는 적절한 크기 조정 법칙이 수립되었다.21 이러한 통찰을 바탕으로 개발된 최적화 프레임워크는 1파운드에서 1000파운드의 추력 범위에 대한 최적의 사이클로로터 구성을 도출하는 데 사용되어, 대형 플랫폼으로의 확장 가능성을 입증하고 있다.21 이는 소규모에서 최적이었던 공기역학적 형상이 대규모에서는 구조적 안전성을 보장하지 못할 수 있다는 설계 상의 상충 관계(trade-off)를 명확히 하고, 그 해결책을 제시했다는 점에서 중요하다.

 

VI. 현재 글로벌 개발 현황 및 연구 주체

사이클로콥터 기술 개발은 상업적 UAM 시장과 국방/연구 분야라는 두 가지 주요 동력에 의해 추진되고 있다.

 

VI. A. 상업적 개척자 (UAM/eVTOL 중심)

CycloTech GmbH (오스트리아/독일)는 사이클로로터 개발 분야에서 세계적인 선두 주자로 인정받고 있다.29 이 회사의 주요 사업은 첨단 항공 모빌리티(AAM)를 위한 하이브리드-전기 VTOL 또는 eVTOL 승객 및 화물 항공기의 추진 시스템으로 사이클로로터를 개발하고 최적화하는 것이다.29

 

CycloTech는 2024년에 기술 시연기(Technology Demonstrator)를 800회 이상의 성공적인 비행 끝에 퇴역시키며 비행 영역 신뢰성을 입증했으며 5, 2025년 4월 3일에는 BlackBird 시연기의 성공적인 처녀 비행을 완료하며 UAM의 미래를 위한 중요한 도약을 알렸다.5

 

CycloTech는 로터의 콤팩트한 디자인과 360도 전방향 기동성이 도시 및 공간 제약이 있는 환경에 이상적이며, 안정적인 비행 모드를 통해 엄격한 항공 안전 표준을 충족하여 추가적인 안전성을 확보한다고 강조한다.5

 

VI. B. 학술 및 국방 연구

사이클로콥터 연구는 국방 분야, 특히 마이크로 항공기(MAV) 개발에서 활발하게 이루어지고 있다.6 미국 육군 프로그램의 지원 하에 텍사스 A&M 대학교 등에서는 30그램 미만의 초소형 사이클로콥터를 개발하여 도시 협곡이나 숲 캐노피와 같은 험난한 지형에서의 정찰 및 감시 임무에 대한 실현 가능성을 시험했다.6

 

최근 연구는 사이클로로터를 지상 및 수상 기능과 결합한 멀티모달 마이크로 항공기(MMAV)로 확장되고 있다.7 바퀴가 로터 엔드플레이트에 통합된 20 전 지형 사이클로콥터 프로토타입은 공중, 지상, 수상 모드에서 모두 작동할 수 있음을 입증했으며, 복잡한 환경에서 뛰어난 다재다능성과 민첩성을 보여주었다.7 이러한 연구는 정찰, 구조, 인프라 검사와 같은 틈새 시장에서의 사이클로콥터의 잠재적 우위를 강조한다.13

 

유럽에서는 CROP (Cycloidal Rotor Optimized for Propulsion) 컨소시엄이 결성되어, 높은 호버링 안정성과 빠른 전진 속도를 동시에 요구하는 장거리 구난 차량과 같은 승객 수송 임무를 위한 대규모 사이클로이드 로터를 개발하는 데 집중하고 있다.31

 

VII. 미래 시장 실현 가능성 및 전망

사이클로콥터는 전통적인 VTOL 기술이 충족하기 어려운 특정 운영 요구사항을 해결하는 전문화된 운송 수단으로 등장할 가능성이 매우 높다.

 

VII. A. 틈새 시장 지배력

사이클로콥터는 그 독특한 특성으로 인해 틈새 시장에서 지배적인 위치를 차지할 수 있다.

 

1. 멀티모달 유틸리티: 로터 엔드플레이트를 지상 이동을 위한 바퀴로 활용하는 것과 같은 통합 설계 능력은 20 재난 구호, 정찰, 그리고 접근이 어려운 인프라 검사 등에서 탁월한 다용도 드론(MMAV)을 가능하게 한다.7
2. 협소 공간 전문성: 사이클로콥터의 정밀한 제어력과 콤팩트한 크기는 굴뚝, 탱크 내부 또는 장애물이 많은 지역과 같이 접근이 제한된 공간을 탐색하고 매핑하는 데 매우 유리하다.5

 

VII. B. 도시 항공 모빌리티 (UAM) 잠재력

사이클로콥터는 UAM의 상업적 도입에서 가장 큰 두 가지 장벽인 소음과 안전 문제를 직접적으로 해결할 수 있다.5

 

• 향상된 안전성: 콤팩트하고 종종 덮개(shrouded) 안에 배치되는 디자인은 5 대형 헬리콥터 로터에 비해 도심 환경에서 보행자 및 인프라와의 안전성을 높인다.
• 운용의 안정성: 기체가 수평 자세를 유지하면서 추력을 벡터링하는 능력 5은 승객의 편의성(superior handling qualities)을 높이고 32, 복잡하고 붐비는 도심 공역에서 정밀하고 안전한 이착륙 및 항법을 가능하게 한다.

이러한 특성들은 사이클로콥터가 UAM의 특정 임무, 즉 초정밀 도킹, 저소음 운행이 필수적인 '라스트 마일' 비행 등에서 전략적 우위를 점할 수 있음을 시사한다.

 

VII. C. 속도 제약과의 상충 관계

사이클로콥터의 미래 경쟁력을 평가할 때 중요한 고려 사항은 고속 전진 비행 능력이다. 사이클로로터는 비정상 양력을 활용하며 호버링 및 저속 비행에 최적화되어 있다.4 그러나 고속 전진 비행 시에는 블레이드가 전진 및 후퇴할 때 발생하는 공기역학적 문제(advancing and retreating blade issues)와 큰 전면 면적(frontal area)으로 인한 높은 항력에 직면한다.1

 

유럽의 CROP 프로젝트처럼 고속 비행이 가능한 구조(예: 고속 구난 차량)를 목표로 하는 연구가 진행 중이지만 31, 사이클로로터의 고유한 기계적 복잡성과 높은 전진 속도에서 발생하는 동적 하중 증가는 전통적인 헬리콥터의 고속/장거리 성능을 완전히 대체하는 데 여전히 제약이 될 수 있다.22 따라서 사이클로콥터는 순수한 순항 속도보다는 수직 이착륙 능력, 정밀한 기동성, 저소음을 우선시하는 임무 영역에서 최적의 해법으로 자리 잡을 가능성이 높다.

 

VIII. 결론 및 전략적 권고 사항

사이클로콥터는 기술적 실현이 시대를 앞선 혁신적인 아이디어였다. 그 역사적 실패는 복잡한 기계 시스템이 초래한 구조적 중량 패널티와, 20세기 기술로는 제어할 수 없었던 동역학적 불안정성 때문이었다. 이 두 가지 근본적인 문제로 인해 사이클로콥터는 초기 헬리콥터나 점차 단순화된 멀티콥터 솔루션과의 경쟁에서 밀려났다.

 

그러나 21세기 초경량 소재와 NMPC, HHC와 같은 능동 제어 기술의 발전은 이러한 장벽을 체계적으로 극복했다. 프로토타입의 T/W 비율이 실용적 수준에 도달하고, 복잡한 비선형 동역학을 처리하는 제어 기술이 확보되면서, 사이클로콥터는 이제 이론적 잠재력을 실현할 수 있는 상업화 단계에 진입하고 있다.

 

사이클로콥터는 특히 도시 환경에서 안전, 소음, 기동성 측면에서 기존 VTOL 기술과 차별화되는 고유한 경쟁 우위를 제공하며, 이는 첨단 항공 모빌리티(AAM)의 미래를 위한 중요한 대안으로 부상하고 있음을 의미한다.

 

전략적 권고 사항

 

1. 투자 집중 분야: 사이클로로터의 콤팩트함과 저소음 이점이 가장 높은 경쟁 차별화를 제공할 수 있는 500 kg에서 2,000 kg 사이의 중형 eVTOL 플랫폼 개발 및 UAM 시장에 대한 투자를 우선시해야 한다.
2. R&D 핵심 영역: 장기적인 신뢰성 확보를 위해, 고조파 제어(HHC)의 적용 범위를 확대하고, 블레이드 와류 발생 및 실속 현상과 같은 복잡한 공기역학 현상을 정확하게 예측하는 고정밀 CFD 모델링 연구를 지속하여 진동과 부품 피로를 최소화해야 한다.8
3. 구조적 위험 관리: 대형 항공기를 설계할 때는 반드시 비유사 기하학적 크기 조정 법칙(로터 종횡비 감소)을 초기 단계에 적용하여 블레이드 응력 증가 문제를 선제적으로 관리하고 구조적 무결성을 보장해야 한다.21

 

참고 자료

1. Cyclorotor aircraft - Liftoplane project, 11월 1, 2025에 액세스, https://liftoplane.com/concept/Cyclorotors.htm
2. Review of Historic and Modern Cyclogyro Design - AIAA ARC, 11월 1, 2025에 액세스, https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2009-5023
3. How would you design a cyclocopter? | Page 9 - FliteTest Forum, 11월 1, 2025에 액세스, https://forum.flitetest.com/index.php?threads/how-would-you-design-a-cyclocopter.63491/page-9
4. Cyclorotor - Wikipedia, 11월 1, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclorotor
5. CycloTech Revolution of motion - Home, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.cyclotech.aero/
6. Tiny drones, big questions | Texas A&M University Engineering, 11월 1, 2025에 액세스, https://engineering.tamu.edu/news/2017/02/tiny-drones-big-questions.html
7. 6-DOF All-Terrain Cyclocopter - arXiv, 11월 1, 2025에 액세스, https://arxiv.org/html/2309.13631v1
8. Cycloidal Rotor Systems - the University of Bath's research portal, 11월 1, 2025에 액세스, https://researchportal.bath.ac.uk/en/studentTheses/cycloidal-rotor-systems
9. The Cyclogyros - Douglas Self, 11월 1, 2025에 액세스, http://www.douglas-self.com/MUSEUM/TRANSPORT/cyclogyro/cyclogyro.htm
10. Voith Schneider Propeller - Wikipedia, 11월 1, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Voith_Schneider_Propeller
11. Voith Schneider Propeller Types and Dimensions, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.voith.com/corp-en/vsp-types-and-dimensions.pdf
12. The Cyclocopter: The Future of Flight That Doesn't Spin Like Anything You've Seen, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.youtube.com/watch?v=jqe5j0b1Ij4
13. Cyclocopters: Drones of the future - Risk Frontiers, 11월 1, 2025에 액세스, https://riskfrontiers.com/insights/cyclocopters-drones-of-the-future/
14. Vehicle Configurations, Infrastructures, and Future of Urban Air Mobility: A Review - AIP Publishing, 11월 1, 2025에 액세스, https://pubs.aip.org/aip/acp/article-pdf/doi/10.1063/5.0185525/18847283/050001_1_5.0185525.pdf
15. Cyclorotors are now capable of the same thrust as propellers. I did thrust tests with a cyclorotor and a propeller, and I reached the same exact thrust and power consumption levels at the same disk loading. Advantages such as maneuverability might mean that you might see cyclorotors on drones soon. : r/engineering - Reddit, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.reddit.com/r/engineering/comments/y198aw/cyclorotors_are_now_capable_of_the_same_thrust_as/
16. Design and Development of a 30 g Cyclocopter - ResearchGate, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/330219185_Design_and_Development_of_a_30_g_Cyclocopter
17. Multirotor drones: quadcopters, hexacopters, octocopters - flyeye.io - Fly Eye, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.flyeye.io/multirotor-drones/
18. Quadcopter vs Multirotor vs Hexacopter vs Octocopter: What's the Difference? - Grepow, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.grepow.com/blog/quadcopter-vs-multirotor-vs-hexacopter-vs-octocopter.html
19. (PDF) All-Terrain Cyclocopter Capable of Aerial, Terrestrial, and Aquatic Modes, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/344528938_All-Terrain_Cyclocopter_Capable_of_Aerial_Terrestrial_and_Aquatic_Modes
20. Understanding Upward Scalability of Cycloidal Rotors for Large-Scale UAS Applications, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/361462235_Understanding_Upward_Scalability_of_Cycloidal_Rotors_for_Large-Scale_UAS_Applications
21. Novel Conceptual Designs for Stopped-Rotor Aerial Vehicles and Other High-Speed Rotorcraft, 11월 1, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20240000574/downloads/1683_Young_Final_011924.pdf
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23. Markus Steinke on CycloTech's cycloidal rotor concept - Vertical Magazine, 11월 1, 2025에 액세스, https://verticalmag.com/q-and-a/markus-steinke-cyclotech-cycloidal-rotor-concept/
24. A Comparative Study of Nonlinear MPC and Differential-Flatness-Based Control for Quadrotor Agile Flight - arXiv, 11월 1, 2025에 액세스, https://arxiv.org/html/2109.01365v6
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27. Comparisons of the aerodynamic performance of cycloidal propellers a) C... - ResearchGate, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/figure/Comparisons-of-the-aerodynamic-performance-of-cycloidal-propellers-a-C-T-b-C-M-and_fig6_318143788
28. CycloTech D-Dalus (concept design) - Electric VTOL News, 11월 1, 2025에 액세스, https://evtol.news/cyclotech-d-dalus
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30. (PDF) Cycloidal rotor aerodynamic and aeroelastic analysis - ResearchGate, 11월 1, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/296634800_Cycloidal_rotor_aerodynamic_and_aeroelastic_analysis
31. Model Predictive Control for Helicopter Flight Control - TU Delft Repository, 11월 1, 2025에 액세스, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:d4ce40e0-6af6-446c-81d2-95a5562dccd6