■ 헬리콥터의 비행 원리
헬리콥터는 비행기 에어포일 형상과 같은 단면적을 가지는 로터블레이드(rotor blade)의 회전을 통하여 플로펠러(propeller)와 같이 양력을 발생하여 비행을 하게 된다.
헬리콥터 역시 비행기에서 작용하는 네가지 힘 즉, 양력(lift), 무게(weight), 추력(thrust), 항력(drag)이 작용하며 양력은 무게를 지지하고 추력은 항력을 압도하여 요구하는 방향으로 비행하게 된다.
헬리콥터의 비행
- 정지비행 (Hovering)
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그림 7-1 정지비행 (호버링)
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헬리콥터가 제자리에서 정지비행을 할 때 이를 호버링(hovering)이라 한다.
헬리콥터가 무풍상태에서 호버링시 로터(rotor)의 회전면(rotor disc) 혹은 깃끝 경로면(tip path plane)은 수평지면과 평행이다. 호버링하는 동안 양력과 추력, 항력과 무게는 동일 방향으로 작용하며, 양력과 추력의 합은 무게와 항력의 합과 같다.
호버링 상태에서 추력을 증가시켜 양력과 추력의 합이 항력과 무게의 합보다 크게되면 헬리콥터는 상승비행을 시작하고, 반대로 추력을 감소시켜 양력과 추력의 합이 항력과 무게의 합보다 작게되면 헬리콥터는 하강비행을 시작한다. |
- 전진/후진비행
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그림 7-2 전진/후진비행
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헬리콥터는 로터의 회전면(rotor disc)을 앞뒤 좌우로 기울여 전/후진, 횡진비행을 수행한다. 그림 7-2와 같이 헬리콥터의 로터회전면을 앞뒤로 기울였을 때, 양력과 무게의 크기는 같고 추력이 항력보다 크다면 헬리콥터는 로터회전면이 기운 방향으로 수평 전진/후진 비행을 시작한다. |
- 횡진비행
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그림 7-3 횡진비행
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그림 7-2와 같이 헬리콥터의 로터회전면을 좌우로 기울였을 때, 양력과 무게의 크기는 같고 추력이 항력보다 크다면 헬리콥터는 로터회전면이 기운 방향으로 수평 횡진 비행을 시작한다. |
양력 불균형 (Dissymmetry of Lift)
양력 불균형(dissymmetry of lift)이란, 로터 회전면에서 발생하는 양력이 균일하지 않고 불균형하게 발생하는 현상으로써 전/후/횡진 비행시 상대풍에 대한 전진하는 로터블레이드(advancing rotor blade)와 후퇴하는 로터블레이드(retreating rotor blade)의 상대속도 차에 의해서 발생한다. 양력 불균형은 상대풍에 대한 로터블레이드의 상대속도 차에 의해서 발생하므로 헬리콥터가 정지비행(hovering) 시에는 발생하지 않는다.
그림 7-4 양력 불균형 발생원리
그림 7-4에서 보는 바와 같이 로터블레이드 끝 속도가 350 Knot으로 회전하면서 정지비행을 수행하고 있던 (그림 7-4 A) 헬리콥터가 속도 100 Knot로 전진비행을 시작한다면, 상대속도는 뒤쪽에서 앞쪽으로 전진하는 로터 블레이드에서는 100 Knot씩 증가하고 앞쪽에서 뒤쪽으로 후퇴하는 로터 블레이드에서는 100 Knot씩 감소하게 된다. 따라서, 회전면내 블레이드의 받음각이 동일하다면 회전면 우측에서의 양력은 좌측에서의 양력보다 훨씬 크게 되어 헬리콥터가 좌측으로 기우는 양력 불균형의 원인이 된다.
양력 불균형을 해소하기 위하여 헬리콥터는 다음의 방법을 사용한다.
- 플래핑 로터 블레이드 (Flapping Rotor Blade): 플래핑이란 로터 블레이드가 회전하면서 오르락 내리락 하는 것을 말한다. 플래핑 로터 블레이드란 관절식 로터(articulated rotor)로써 로터 뿌리에 힌지를 장착하여 블레이드가 아래위로 움직일 수 있게 한 것을 말한다. 헬리콥터가 전진 수평비행시 전진하는 블레이드는 양력에 의해 위로 플래핑되고 받음각이 감소하게 되어 양력이 감소하게 된다. 반대로 후퇴하는 블레이드는 양력감소로 아래로 플래핑 되고 받음각이 증가하여 양력이 증가하게 된다. 이러한 플래핑에 의해 양력 불균형 현상은 해소된다.
플래핑 장치의 또 다른 하나로 Semirigid Rotor가 있는데, 이 것은 허브(hub, 로터 뿌리부분)에 힌지가 없고 허브 자체가 회전하면서 경사를 주어 플래핑 운동을 할 수 있게 작동한다.
- 싸이클릭 피치 조종장치 (Cyclic Pitch Control System): 싸이클릭 피치 조종장치는 로터 블레이드가 플래핑을 하는 대신, 회전시 전진하는 블레이드의 받음각을 감소시키고, 후퇴하는 블레이드의 받음각은 증가되도록 만든 장치이다. 회전시 받음각의 조정으로 양력 불균형 현상을 해소시킨다.
그림 7-5는 양력 불균형이 해소된 (전 회전면에서의 양력이 균일한) 로터 블레이드 회전면 내에서 로터 블레이드의 받음각 분포를 나타낸다.
그림 7-5 회전면 내 로터 블레이드 받음각 분포
실제 헬리콥터의 로터 블레이드 회전방향은 상면에서 내려보았을 때 위 그림과 같이 반시계 방향으로 회전하지만 모형 헬리콥터에서의 로터 블레이드는 시계방향으로 회전합니다. 회전 방향이 다르기 때문에 회전하는 로터 블레이드, 스테빌라이저의 장착방향 역시 실제와 모형은 서로 반대로 되어 있습니다. 회전방향이 다른 것은 별다른 이유는 없고 최초 설계시 설계자가 시계방향 또는 반시계방향을 택했기 때문입니다. 참고로, 실제 헬리콥터 로터블레이드 회전방향은 미국(Bell 등)은 반시계 방향, 구소련/러시아(Sikorsky 등)는 시계방향입니다. 국가별/지역별 개성이나 주관일까요?
로터블레이드의 운동방정식
그림 7-6 전진중 회전날개에 작용하는 속도 성분
그림 7-6에서 보는 바와 같이 헬리콥터가 전진 비행시 회전날개의 로터 블레이드는 양력이 로터 뿌리에서 만드는 모멘트와 원심력이 로터 뿌리에 만드는 모멘트와 평형이 될 때까지 위로 쳐들게 되어 회전면을 밑면으로 하는 원추(cone) 모양을 만들게 된다. 이 때 회전면과 원추 모서리가 이루는 각을 코닝각(coning angle: β)이라 한다.
로터 블레이드가 받는 상대속도는 다음 공식과 같다.
[Vψ: 블레이드의 상대속도, V: 상대풍 속도(전진속도), α: 받음각, β: 코닝각, Ψ: 방위각, Ω: 각속도(dΨ/dt)]
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