[헬기] 헬리콥터 장단점 3

2012 포스팅 자료실 2012.01.06 00:30
**헬리콥터 장점과 단점**


헬리콥터의 장점

1. 제자리비행(호버링)이 가능하다.
 제자리비행(Hovering)이란 일정한 고도와 방향을 유지하면서 공중에 머무는 비행술로 헬리콥터 비행술의 기본이다. 고정된 날개를 갖고 있는 비행기는 엔진에서 발생한 회전력을 프로펠러에 전달하여 추력(thrust)을 발생시키고 여기서 발생한 추력과 날개를 이용하여 동체를 부양시키는 힘을 발생시킨다. 그러나 헬리콥터는 고정된 날개가 없기 때문에 회전하는 회전체(blades)가 형성하는 회전면에 의해서 추력과 날개의 역할을 동시에 수행한다. 따라서 헬리콥터는 회전날개의 피치각(blade pitch angle)에 의해서 부양할 수 있는 힘을 얻고 회전면(plane of rotation)의 경사에 의해서 추력을 발생한다. 무풍 상태라고 가정할 때 제자리비행은 회전면이 지면과 수평을 이룰 때 상층부의 공기를 직하방으로 밀어내면서 헬리콥터는 부양하는 힘을 얻고 제자리비행이 가능하다. 헬리콥터는 제자리비행에서 시작하여 제자리비행으로 종료된다고 할 수 있을 정도로 여러 면에서 활용되고 있으며, 초임 조종사에게 조종술의 반을 차지하고 있다고 해도 과언이 아니다.

2. 측방 및 후진 비행이 가능하다. 
 헬리콥터를 이해하는데 있어서 회전면(plane of rotation)을 항상 고려해야 한다. 고정날개 항공기는 상상할 수 없는 측면 및 후진비행은 회전면을 측방으로 혹은 후방으로 기울임으로써 가능하다. 동체 상부의 구동축(driveshaft)에 연결되어 있는 블레이드는 매우 빠른 속도로 회전하기 때문에 회전체를 단일 개체로 고려할 수 없다. 제자리비행 상태에서 회전면이 좌측이나 우측으로 경사지면 헬리콥터는 경사진 방향으로 추력을 얻을 수 있다. 조종사가 사이클릭(cycle)을 측방으로 또는 후방으로 조종압을 적용하면 원하는 방향으로 비행할 수 있으며, 그만큼 활동 영역이 증대된다.

3. 수직 이착륙(VTOL)이 가능하다.
 제자리비행이 가능하다는 특성은 헬리콥터의 동체 길이가 허용하는 정도의 공간만 확보되어도 그 장소에서 이착륙이 가능하다. 그러나 수직 이착륙은 헬리콥터의 많은 동력을 요구하기 때문에 매우 제한된 조건에서만 활용된다. 일반적으로 헬리콥터는 어느 조건에서나 수직 이착륙을 실시하는 것으로 잘못 인식하고 있으나, 대부분의 이착륙은 충분한 이륙 활주 및 착륙 활주(take off roll or landing roll)가 가능한 조건에서 이루어진다. 한없이 엉켜 있는 도심의 지상 교통망에 아랑곳하지 않고 목적지 빌딩 옥상에 착륙하는 것은 헬리콥터만의 진풍경이라 할 수 있다.

4. 비상시 오토로테이션으로 착륙한다.
 현대에 개발되는 항공기 엔진은 고도로 정밀하게 제작되었기 때문에 비행 중 엔진고장율이 극이 낮으나 엔진고장의 가능성을 완전히 배제할 수는 없다. 고정날개 항공기는 기종에 따라 활공율에는 차이가 있지만 활공할 수 있는 성능이 있고 최후의 경우 낙하산을 이용하여 탈출을 시도할 수 있다. 회전날개 항공기는 엔진에서 발생한 동력으로 회전날개를 규정된 분당회전수(RPM)에서 운용되고 있으며 필수적으로 이 규정 RPM은 유지되어야 한다. 스로틀을 이용한 동력 자체를 변화시켜 추력을 변화시키는 고정날개 항공기와 달리 헬리콥터의 로터 블레이드 RPM은 반드시 규정 범위를 유지해야 한다. 그러나 규정 RPM보다 낮아지면 회전력에서 발생하는 원심력이 감소하여 헬리콥터는 정상적인 비행을 할 수 없게 된다. 때문에 헬리콥터의 로터 RPM은 매우 중요한 요소이다. 로터 RPM이 '0'이 된다는 것은 정지된다 할지라도 조종사가 최초 조치만 잘 취한다면 헬리콥터는 자동으로 활공 할 수 있다. 자동회전(autorotation)이란 높은 위치에서 바람개비를 놓았을 때 지면으로 떨어지면서 공기의 영향으로 회전력을 얻는 것과 같은 원리이다. 헬리콥터 엔진이 정지됨과 동시에 엔진 구동축과 로터 시스템이 분리되어 로터 블레이드는 동체가 공기 속을 통과할 때 회전력을 얻어 활공할 수 있다.

 헬리콥터가 활공할 수 있는 거리는 얼마나 될까?
활공비는 현재의 고도에서 엔진의 동력 없이 비행할 수 있는 수평거리이다. 일반 경비행기의 활공비가 1:10 이라면 고도 0.3km에서 엔진고장시 활공할 수 있는 거리는 3km가 된다. 일반적으로 헬리콥터 활공비는 1:3 또는 1:4 정도이다. 공중에서 엔진이 고장난다면, 헬리콥터의 안전한 비상착륙은 그 조종사의 능력에 달렸다.



헬리콥터의 단점

1. 최대속도의 제한
 어느 항공기나 최대속도가 규정되고 그 속도를 초과했을 때는 항공기에 상당한 무리를 가하게 될 것이다. 비행기는 음속까지 돌파하고 있다. 헬리콥터도 음속을 돌파할 수 있을까? 여기서 말하는 헬리콥터의 최대속도의 제한은 헬리콥터 회전날개의 특성에 의한 속도 한계를 의미한다. 비행기는 최저속도가 제한된다. 최저속도 이하에서 비행기는 실속(stall)에 들어가기 때문에 비행을 할 수 없다. 그러나 헬리콥터는 제자리비행이 가능하기 때문에 최저속도는 '0'이 되고 최저속도에 대한 영향을 받지 않으나 회전날개의 한계 때문에 최대속도가 제한된다.
 항공기 범주에 의한 추력발생을 보면 비행기는 엔진에서 발생한 회전력으로 프로펠러를 회전시켜 추력을 얻는다. 가스터빈엔진에서는 고온고압의 가스를 분출하는 힘을 이용하는 방법에 따라 추력을 발생하나 공통적으로 고온고압의 분출가스를 이용한다. 이들 비행기가 떠 있을 수 있는 양력은 고정된 날개에 의해서 발생한다. 헬리콥터의 경우는 엔진에서 발생한 힘으로 블레이드를 회전시켜 양력과 추력을 동시에 얻는 독특한 구조이다. 헬리콥터의 추력은 블레이드의 회전력과 회전면의 경사에 의해서 얻을 수 있다. 보다 큰 힘을 그리고 보다 빠른 속도를 얻기 위해서는 로터 블레이드의 고속의 분당회전수(RPM)가 요구된다. 그러나 RPM이 높을수록 전진비행에 따른 양력불균형 현상(differential lift)이 심해진다. 무풍에서 제자리비행할 때 회전면 전체에서 고르게 양력이 발생한다. 그러나 헬리콥터가 전진함에 따라 회전면은 전진 방향 우측 블레이드는 전진 블레이드가 되고 좌측면은 후진하는 블레이드가 되어 상대적인 속도차가 발생하고 속도차는 필연적으로 양력 차를 발생하여 결국 양력불균형이 발생한다. 예를 들어 공격용 헬리콥터인 아파치의 최대속도는 300km/h이다. 만약 이 헬리콥터가 최대속도 이상으로 비행하면 주회전날개의 심한 양력불균형을 일으켜 블레이드는 실속에 들어가 더이상 비행에 필요한 양력을 발생할 수 없는 위험한 상황에 처하게 된다. 따라서 최대속도 이상을 초과할 때 회전면은 순항속도보다 상대적으로 앞으로 많이 기울어진 자세가 되고 최대속도 이상을 초과할 때는 동체의 심한 진동과 함께 실속 블레이드 쪽으로 경사져 정상 비행이 불가능해진다. 또 다른 원인으로는 전진 속도가 증가됨에 따라 블레이드 뿌리 부분에서 공기흐름이 전진 방향에 반대로 흐르는 역류 구역이 증가하고, 블레이드 끝단에서는 음속에 도달하여 충격실속이 발생하여 필요 마력이 증가하고 최대속도를 제한하는 원인이 된다.


2. 추력과 양력 대비 무게 한계
 항공기 설계에서 필수적으로 고려해야 할 요소 중의 하나가 헬리콥터에서 발생할 수 있는 추력과 양력에 대비한 무게의 비율이다. 현업에 투입된 헬리콥터 중 러시아에서 개발한 수송용 헬리콥터인 MI-26 Halo 는 최대이륙중량이 56톤에 이르고, 주회전날개의 직경이 32m이다. 이 거대한 헬리콥터를 움직일 수 있는 동력장치에서 발생할 수 있는 축마력은 11,240으로 최대속도 295km/h 로 비행할 수 있다. 민간 경제성을 놓고 볼 때 특수 목적으로만 제한될 수밖에 없다. 이 같은 문제점 해결을 위해서 동체의 무게를 최소한으로 감소시키기 위한 재료의 개발과 동체의 유선형 설계 등으로 어느 정도 해소하고 있지만 앞으로 계속해서 연구해야 할 과제이다.


3. 소음발생과 하강풍의 영향
 현대인의 생활 패턴이 쾌적한 환경을 요구하는 추세에서 헬리콥터의 소음은 사회적 문제의 소지를 안고 있다. 헬리콥터의 엔진에서 발생하는 소음과 블레이드의 회전으로 인한 공기의 충격으로 인한 소음은 헬리콥터의 단점이다. 특히 군에서 운용하고 있는 구형 모델과 러시아제 헬리콥터의 소음은 많은 사회적 문제로 등장할 수 있는 요소를 안고 있다. 군용 헬리콥터의 소음은 적에게 노출될 가능성으로 인하여 매우 치명적이다. 일부 항공기에서는 엔진소음을 획기적으로 줄이기 위해서 상당한 방음장치를 장착하였지만 그 방음장치 자체의 크기와 무게로 인하여 헬리콥터 성능을 현저히 떨어뜨리는 결과를 초래하기도 한다. 현대에 개발되어 보급되는 가스터빈엔진을 장착한 헬리콥터는 엔진에서 발생하는 소음 자체를 감소시키기 위한 기술의 개발과 회전 블레이드의 개선으로 소음은 많이 감소된 상태이다. 아울러 대형 헬리콥터일수록 그 블레이드의 직경과 폭이 크고 이로 인한 착륙할 때 발생하는 하강풍은 때로는 70km/h를 초과하기도 하여 활주로 주변의 다른 고정날개 항공기에 상당한 영향을 줄 수 있다.

4. 높은 동력에서 시작해서 높은 동력으로 종료된다.
 헬리콥터의 특징은 제자리비행이다. 대부분의 운용은 제자리비행에서 이륙해서 제자리비행으로 종료되는 것이 보통이다. 앞으로 학습하게 되겠지만 제자리비행 자체가 그 어느 기동 못지않게 높은 동력을 필요로 한다. 고정날개 항공기는 최대의 동력을 이용하여 이륙하지만 착륙하는 과정에서는 최저의 동력이 이용된다. 한여름 고온 및 높은 상대습도가 존재하는 조건하에서 밀도고도는 매우 높다. 이 같은 상황에서 해수면에서는 이륙하여 고도가 높은 산 정상에서는 제자리비행에 필요한 동력이 부족한 상황이 발생할 수 있다는 것으로 조종사 및 운용자는 이 조건에 맞게 헬리콥터의 총중량을 조절하거나 착륙장의 위치를 변경하여야 한다.


blue edge 뉴 blog

이 글은 이강희 선생님의 글을 블루엣지가 카피한 글입니다. 무단 복제는 허용하지만 '이강희'선생님의 저작권을 지켜주시기 바랍니다.

저작자 표시 비영리 변경 금지
신고
크리에이티브 커먼즈 라이선스
Creative Commons License

'2012 포스팅 자료실' 카테고리의 다른 글

[헬기] NOTAR 헬리콥터  (2) 2012.01.07
[헬기] 블레이드 트레킹  (0) 2012.01.07
[항공] 정압과 동압  (1) 2012.01.07
[헬기] 헬리콥터 장단점 3  (1) 2012.01.06
[헬기] 헬리콥터 역사 2  (0) 2012.01.05
[헬기] 헬리콥터 원리 1  (1) 2012.01.04
피토 튜브 Pitot tube  (1) 2012.01.02
[헬기] 헬리콥터 날개 크기의 한계  (2) 2012.01.02


티스토리 툴바