항공기 지면효과 - 헬리콥터

2012 포스팅 자료실 2012.05.11 22:00
지면효과

헬리콥터도 고정익 항공기와 마찬가지로 이착륙에서 지면과의 거리가 가까워지면 양력이 더 커지는 현상이 일어난다. 이것을 지면효과라 한다. 여기서 지면과 가깝다는 뜻은 로터면이 낮은 고도에 있어 로터의 후류가 지면에 의해 영향을 받게 되는 것을 의미한다.

후류속도가 지면의 영향을 받아 줄어들게 되므로 로터면을 지나는 유도속도도 감소하게 된다. 유도속도의 감소는 로터깃의 단면에 대해 받음각을 증가시키는 결과를 가져와 양력벡터의 크기를 증가시킬 뿐만 아니라 그 방향도 수직에 더욱 가깝도록 재배치시켜 회전면에 수직한 공기력은 크게 증가하게 된다. 따라서 같은 동력을 가지고 지면에서 멀리 있을 경우 보다 지면효과가 나타나는 고도에서 큰 중량을 지탱할 수 있다.

좀더 자세하게 알아보자면,
지면효과가 없으면 로터를 흐르는 공기속도는 회전면 훨씬 위에서 거의 영인 상태로 시작하여 회전면을 통과할 때는 헬리콥터의 크기와 무게에 의하여 정해지는 속도로 증가하고 로터를 지난 후류속도는 로터면을 지날 때에 비하여 거의 두 배가 된다.
깃에 작용하는 공기속도는 로터의 회전에 의한 선속도와 유도속도라고 부르는 아랫방향 속도에 의하여 결정된다. 이 두 속도 성분의 백터합성은 깃 시위선보다 바로 아래에서 작용한다.
정의에 의하여 양력은 속도벡터에 수직이므로 양력이 뒤쪽으로 약간 기울어진다. 뒤로 기울어진 양력은 깃에서 항력을 만드는데 이것이 유도항력이며 엔진에 의하여 이겨나가야 한다. 제자리비행할 때 작용하는 또다른 항력성분은 공기마찰에 의한 것으로 형상항력이라고 부른다. 대부분의 헬리콥터에서 제자리비행할 때의 형상항력은 전체 항력의 1/3 정도밖에 되지 않는다.
만약, 로터가 지면에 가까이 있으면 회전면을 지나는 공기속도는 지면에서 영이 되어야 하므로 로터면을 지날 때를 포함하여 모든 유도속도가 감소된다. 이것은 깃에서의 속도 합성벡터가 OGE (Out of Ground Effect, 지면효과가 없는 상태) 만큼 뒤로 기울여지지 않는다는 것을 의미하므로 유도항력이 감소되고 결과적으로 엔진으로부터의 필요동력이 감소된다.

로터면이 로터반경 정도의 높이에 있는 경우 지면효과에 의한 추력의 증가는 약 7% 가 되며, 로터면의 높이가 로터직경보다 커지면 지면효과가 거의 나타나지 않는다. 실제적으로 로터면은 헬리콥터 동체 위에 있으므로 로터면과 지면사이의 높이가 로터직경의 1/3 이하로는 될 수 없다는 점을 감아해야 한다. 그리고 지면의 딱딱한 정도에 따라 지면효과는 다소 다를 수 있다.

이는 또한 동력절감이라는 이점을 가져온다.
로터직경의 20%정도 되는 높이에서 로터가 제자리비행하고 있으면(이 정도의 높이는 대부분의 헬리콥터에서 로터가 취할 수 있는 가장 낮은 위치이다) 회전면에서의 유도속도는 약 30% 감소되고, 전체 동력 절감은 약 20%에 달한다.
만약, 제자리비행할 때 아랫방향 힘이 크게 작용하는 부피가 큰 동체를 가진 헬리콥터라면 지면효과에 의한 이득은 실제로 더 커질지도 모른다. 지면 근처에서 동체는 국부적으로 올려씻음 흐름이 있는 영역에 위치해 있으므로 부력효과를 받는다.

이러한 현상에 의해 조종사들은 지면에 가까워 질수록 쿠션에 앉는 느낌이 들고, 멀어질 수록 밑으로 빠져드는 느낌이 난다고 한다.

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