비행기 양력발생에 대한 고찰

2012 포스팅 자료실 2012.08.15 00:02

비행기가 뜨는 원리에 대한 고찰

 

 

지금껏 여러종류의 항공학서적을 탐독해 보았지만 여전히 비행기 날개에서 양력이 발생하는 원리를 이해하기란 정말 어려웠다. 항공학을 전문적으로 공부하지 않은 몇몇 사람들이 에어포일에서 양력이 발생하는 원리를 과학적인 사실에 근거하지 않고 단지 추측만으로 이렇다 저렇다 하는 바람에 많은 사람들이 잘못이해하고 있을거라 생각한다.

 

 

장조원교수님의 '하늘에 도전하다'에서도 이에대한 문제를 꼬집고 있다.

 

『 …에어포일 윗면에서 속도가 증가하는 이유에 대해 문헌에서조차 잘못 설명하는 경우가 가끔 있다. 유체가 정지된 물체를 지나가면 웟면을 지나가는 흐름과 아랫면을 지나가는 흐름으로 나뉘며, 두 흐름은 뒷전에서 반드시 만난다고 생각한다. 따라서 에어포일의 윗면 길이가 아랫면보다 길기 때문에 윗면에서 더 빨리 움직여야 뒷전에서 만날 수 있다는 것이다. 즉 캠버가 있는 에어포일에서 긴 길이의 윗면을 따라 흐르는 공기가 짧은 길이의 아랫면을 따라 흐르는 공기보다 더 빠르게 이동해야 한다는 의미이다. 그러나 이러한 설명은 실제와 일치하지 않는다. 경험적인 방법이나 전산유체역학의 계산을 통해 관찰해 보면, 상기 그림에서처럼 아랫면의 유체가 뒷전에 도착하기 전에 윗면을 지나는 유체는 뒷전을 지나 멀리 이동해 있다. 시간이 t. 일 때는 유체 C,D가 에어포일 앞전에 같이 위치하다가, C는 윗면으로 D는 아랫면으로 나뉜다. 시간이 t.. 일 때 C는 뒷전을 지나지만 D는 아직도 뒷전에 도착하지 못하다. 소형 세스나 150의 날개를 예를 들면, 윗면의 길이와 날개 아랫면 날개길이가 2%밖에 차이가 나지 않는다. 즉 흐름이 뒷전에서 만난다면, 속도는 2% 정도 차이가 나야 한다는 뜻이다. 그러나 실제 날개 윗면과 아랫면 흐름속도는 30% 정도 차이가 난다. 즉 윗면의 흐름 속도가 훨씬 빨라서 뒷전에서 절대로 만날 수 없다.  』

 

 

 

이에 대한 내용은 '항공우주학개론'에서 찾을 수 있다.

 

항공우주학개론의 에어포일에 대한 설명부분을 찾아보면

'날개의 먼 상류에서 공기는 비행속도와 같은 크기의 속도로 에어포일에 접근하여 에어포일의 앞전에 부딪혀 날개의 아래위로 나뉘어 흐르게 된다. 날개의 표면도 하나의 유선으로 볼 수 있고 이 유선은 날개의 앞전에서 둘로 나뉘어 날개의 아래위 표면을 이루고 뒷전에서 다시 하나로 만나 하류로 이어지게 된다.'

 

 

 

아마 항공우주학개론에서 설명한 이 내용은 '분리유선'이 만난다는 내용이지 유선에 있는 공기흐름(덩어리로 가정했을 때 정체점에서 A,B로 나뉘어진)이 만난다는 내용은 아닌것 같다. 만약 그렇다면 장조원교수님의 설명과 엇갈리게 될테니까.

 

또한, 양력발생에서 빼놓을 수 없는 베르누이 정리도 실상 그 이론의 기본만 적용될뿐 실제로는 오일러나 나비어, 스톡스의 이론을 이해해야 한다.

 

 

 

비행기 날개에서 양력이 발생하는 원리는 다음 글에서 알아보도록 하겠다.

 

 

 

BlueEdge 항공블로그

 

저작자 표시 비영리 변경 금지
신고

고양력장치 - 플랩

2012 포스팅 자료실 2012.02.02 00:50
**고양력장치 - 플랩(flap)**


**오랜만에 이런거 써보네요...;; 네이버 이후로 생각도 안하고 있었는데...**

고양력장치란 ? (High Lift Device)


 비행기는 활주거리가 짧고 저속으로 안전하게 이륙 또는 착륙하여야 한다. 그러기 위해서는 속도를 줄이고 받음각을 높여야하는데, 이것을 날개 자체만을 가지고 해결하려할 경우 몇가지 난항이 생긴다.
첫째, 날개의 에어포일의 최대 양력계수는 1.2정도로 한계가 있다.
둘째, 날개 면적을 크게 할 경우 고속 비행이 불리해진다.
그래서 고안된 것이 바로 고양력장치(High Lift Device)이다.

▲ 플랩의 각도가 커질수록 양력계수는 증가한다.
 이 고양력장치는 크게 앞전 플랩과 뒷전 플랩으로 나뉜다. 이 고양력장치들은 양력발생률을 높이는 동시에 저속에서의 실속을 막으며, 에어브레이크 역할을 해 공중에서의 속도를 늦추는 효과를 준다. 
 
그러나 플랩 사용에도 단점이 있다.
플랩을 펼친채 착륙을 할 경우 예기치 못한 측면이나 전면에서 불어오는 바람에 의해 더 많은 양력과 항력을 발생시켜 결과적으로 기체가 롤링이나 요잉, 피칭을 겪기 쉬우며, 심하면 조종성을 잃게 될수도 있다.
또한, 기어가 땅에 닿아 활주할 때 플랩에 의해 발생하는 양력 때문에 바퀴에 기체의 모든 무게가 작용되지 않아 휠 브레이크의 효율을 끌어올리지 못하게 된다. 이것은 곧 활주거리의 증가를 의미한다. 그래서 비나 눈이 올경우 파일럿은 랜딩후 플랩을 올려 평소보다 타이어에 힘을 더 가하도록 한후, 휠 브레이크에 의한 정지에 더 의존하게 된다.

플랩의 종류 - 뒷전플랩과 앞전플랩
앞서 말했듯이 플랩은 앞전과 뒷전형이 있으며 이외에도 동력형 고양력장치(powered high-lift device) 등이 사용된다.

뒷전플랩
1. 평면플랩(Plain flap)

 평면플랩은 단순히 에어포일의 끝 부분을 밑으로 내려 캠버를 바꿔줌으로써 받음각을 크게 해주는 간단한 구조이다. 제 1차 세계대전 당시 광범위하게 사용된 형태로서 매우 단순한 형태의 비행기에 쓰인다.
2. 스플리트플랩(Split flap)

 스플리트플랩은 그림에서 보듯이 에어포일 사이가 갈라져 내려오는 형태로 평면플랩 처럼 매우 단순한 구조이다. 그런데 이 스플리트플랩은 날개면적을 그대로 한채 플랩을 내려 캠버를 증가시키는 구조로 플랩 후류에 의해 항력이 증가되는 결점이 있다, 그래서 스플리트플랩은 DC-3나 C-47 등에 조금 쓰이고는 1930년대 다른 플랩들에게 자리를 내주어야 했다.
3. 슬로트플랩(Slotted flap)

 공기가 매끄럽게 흐르는 날개에 갑자기 플랩이 내려오면 당연히 플랩부분에 높은 압력이 작용된다. 슬로트플랩은 날개와 플랩사이에 공간을 두어 그 사이로 공기가 흐르게 함으로써 공기흐름이 플랩을 감싸도록 하였다. 즉, 공기흐름을 원할하게하는 동시에 플랩의 효과를 끌어올려 결과적으로 양력 증가와 적당한 항력을 가져오게 되었다. 이것은 1920년대 Handley-Page사에 의해 발명되었으며 후에 개발된 플랩들은 모두 이 슬로트플랩을 기반으로 개발되었다.

▲ 슬로트플랩을 이용할 경우 플랩과 날개사이의 공간에서 양력계수가 증가한다.
4. 파울러플랩(Fowler flap)

 파울러플랩은 플레인플랩과 스플리트플랩을 혼합한 형태라고 할 수 있다. 플레인플랩처럼 에어포일 끝단이 내려가며, 이 끝단은 스플리트플랩처럼 본래 날개의 밑단이 갈라져 나온 것이다. 밑부분이 갈라진 플랩이 뒤쪽으로 뻗어진 후 아래로 내려가는 원리이다.
5. 더블 슬로트 파울러플랩(Double Slotted Fowler flap)

 2단 혹은 3단 슬로트 파울러 플랩은 가장 흔하게 접하는 형태의 플랩이다. 이름 그대로 두개의 플랩이 슬로트 형태로 떨어져 있으며 파울러 형식으로 나온다. 이것은 날개와 플랩사이, 플랩과 플랩사이가 떨어져있어 보다 유연한 형태의 날개 형상을 만들며 이는 더욱 효과적인 공기흐름을 유도한다.

 

                                                                ▲ 위에서 부터, 순항 - 이륙 - 착륙


6. 잽 플랩(Zap flap)

 잽플랩은 스플리트 플랩과 비슷하나 날개면적을 더 크게 할 수 있어 더 많은 양력의 증가를 얻게 된다. 이것은 정해진 트랙을 따라 움직이는데, 피봇암에 의해 뒤쪽으로 빠져나온 후 아래로 내려가도록 되어있다.

7. 경계층제어 플랩(BLC; boundary layer control Flap)

 BLC 플랩은 날개가 얇고 이착륙속도가 높은 제트 전투기에서 쓰이는 형태로 플랩이 부착된 뿌리부터 압축공기를 내보내서 효율을 높이는 원리이다. 이 압축고압공기는 엔진으로 부터 오며, 표면을 흐르면서 공기의 박리를 방지한다. 1950년대 미 해군에서 함재기의 착륙거리를 짧게 하기 위해 개발했지만, 장치의 복잡성과 무게 때문에 현대에는 쓰이지 않는다. 대표적으로 F-4 팬텀에 주로 쓰였다.

이 7가지 외에도 Junkers 플랩, Gouge 플랩, Fairey-Younman 플랩 등이 더 있다.

앞전플랩
 플랩이 날개의 앞쪽에 달려있는 형태로 플랩의 앞이 내려가 양력을 증대시키는 것이다. 플랩을 작동시키면 실속의 발생을 늦출 수 있기 때문에 저속비행에서 기동성도 올라간다. 그래서 현대의 몇몇 전투기들은 이 앞전플랩을 사용하며, 우리나라의 T-50 역시 사용하고 있다.
1. 크루거플랩(Krueger flap)

 크루거플랩은 그림처럼 날개 앞부분에 붙어 있어 위아래로 접어지는 형태의 플랩이다. 이것은 에어포일의 캠버와 두께를 크게하여 양력과 항력을 증가시킨다. 이 크루거플랩은 많은 비행기에서 쓰이는 형태이다.


2, 슬롯(Slot)
 슬롯은 길고 가는 통이나 홈으로, 주익 아랫면의 공기를 슬롯을 통하여 윗면으로 보내어 기류가 이탈하는 것을 방지한다. 이 틈은 벌어지거나 닫히지 않는다. 
3. 슬랫(Slat)
 슬랫은 본래 블라인드의 가로창살과 같이 단층모양의 판자를 표현하는 단어로, 비행기에서는 주익앞에 장비하여 필요에 따라 전하방으로 내밀 수 있는 장치를 가리킨다. 슬랫이 작동되었을 경우 이것은 슬롯과 같은 역할을 한다. 


이 크루거 플랩과 슬랫 같은 앞전플랩들의 가장 큰 장점은 날개 앞부분에 새로운 경계층을 만듬으로써 처음 날개에 작용하는 공기의 박리를 제거해준다는 것이다. 


마치면서, ... 플랩은 많은 공기역학적 오류들을 바로잡아 주었지만, 아직도 이해되지 않는 공기역학의 문제들이 많이 남아 있으며, 이는 앞으로 날개 모양의 변화가 계속될 것임을 의미한다. 

참고자료

항공우주학개론 p.58
도해 전투기 p.172~5



 

저작자 표시 변경 금지
신고

[airfoil] 에어포일 이란? - 유재석 '더위먹은 갈매기'

2012 포스팅 자료실 2012.01.08 19:28
**항공기 원리 - 에어포일(airfoil)**

시작은 걸음마 부터...

 



에어포일에 관한 글은 많이 있지만, 저도 하나 해보려 합니다. 
비행기보다는 헬리콥터에 좀더 치중했습니다.  

1. 비행기에서의 에어포일(asymmetric airfoil)
잠시, 역사 이야기를 해보면, 에어포일은 1884년 영국의 Horatio F. Phillips에 의하여 에어포일의 형상에 대한 특허와 실험이 이루어진 이후, 1902년 라이트 형제는 자체적인 풍동실험을 거쳐 그 성능이 개선된 에어포일을 사용하여 첫 번째 동력비행을 성공하였습니다.



에어포일 용어 정리.

 에어포일의 위 표면을 윗면(upper surface), 아래표면을 아랫면(lower surface)이라고 하며 에어포일의 둥근 앞부분을 앞전(leading edge), 에어포일의 뒤 끝 부분을 뒷전(trailing edge)이라고 하며 보통 뒷전은 날카롭게 되어있습니다. (뒷전에 이어 탭을 두어 트림을 조절하는 경우도 있습니다) 앞전에 내접하는 원을 앞전 원(leading edge circle)이라고 하고 이 원의 반경을 앞전 반경(leading edge radius)이라고 합니다. 

 에어포일의 앞전은 뒷전에서부터 거리가 가장 먼 점으로 보통 정의되며 이 앞전과 뒷전을 연결한 선을 시위(chord)라고 하고 앞전에서 뒷전까지의 거리를 시위길이(chord length)라고 합니다. 시위길이는 에어포일의 두께나 캠버와 같은 부분의 길이 측정의 기준 거리로 사용되고 에어포일의 좌표계의 기준 축이 되기도 합니다, 

 윗면과 아랫 면의 높이 차이 또는 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그렸을 때 이원의 직경을 에어포일의 두께(thichness)라고 합니다.
아랫면과 윗면의 중심점 또는 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그렸을 때 이 원의 중심점들을 연결한 선을 평균 캠버 선(mean camber line)이라고 합니다. 시위선과 평균 캠버 선과의 높이 차를 캠버라고 하며, 에어포일의 캠버는 에어포일의 휘어진 정도를 말하며 양력 발생과 매우 밀접한 관계가 있습니다.

두께분포식.
c : 시위 길이
y : 앞전을 기준으로 위쪽 방향에 대한 값
t : 최대 두께
x : 앞전을 기준으로 시위전을 x축이라 했을 때 값



양력발생원리

비행기가 뜨는 원리는 날개에서 발생하는 양력(lift) 때문입니다. 이 양력은 스위스 물리학자인 베르누이가 1738년 쓴 '베르누이의 정리'에 기초하고 있습니다.

베르누이의 방정식


p : 정압
q = 1/2pV² : 동압
Pt : 전압
베르누이 방정식은 "유체 흐름에서 동압과 정압의 합은 일정하며 전압과 같다"는 것을 의미합니다

전압, 정압, 동압 보러가기
http://blue5182.tistory.com/70

 

베르누이 방정식은 아래와 같이 유체의 역학적 에너지가 보존되는 것으로 이해할 수 있다.

img21.gif

유체가  동안 흐르는 것은 위쪽 그림에서 보랏빛으로 표시한 유체가 아래 쪽 그림의 보랏빛 부분으로 이동하는 과정으로 볼 수 있다.

 

이 동안 압력이 유체에 한 일을 계산하자. 이 일만큼 유체의 에너지가 증가된다. 유체의 압력은 위 그림처럼 왼쪽에 있을 때 , 아래 그림처럼 오른쪽에 있을 때 이다.

압력 으로 오른 쪽으로 밀어 유체를 만큼 이동시킬 때 하는 일은  이고, 왼쪽에서 유체가 만큼 이동할 때 압력 가 하는 일은  이다. 따라서 압력이 한 총 일은  이다. 이때 두 지점에서의 이동한 유체의 양은 연속방정식에 의하여 보존되므로  를 만족한다.  따라서 총 일은   이다.

 

일-에너지 정리의 적용

한편, 유체는 압력이 해 준 일만큼 운동에너지와 중력 위치 에너지가 증가한다 (일-에너지 정리).  .

유체가 이동한 부피  속에 든 유체의 질량 가 얻는 운동 에너지 증가량은  이고, 위치에너지 증가량은  이다.

따라서 을 쓰면   이다.

 이므로,  양변에서 를 소거하면  이 된다.

   .


여기서 단면1과 단면2의 높이 차에 의한 위치에너지 차이는 다른 에너지에 비하여 매우 작다고 가정하여 무시한다.
이렇게 해서 위의 베르누이 방정식이 성립되는 것입니다.



 에어포일이 빠른 속도로 공기 속을 지나게 되면 공기는 둘로 나뉘어저 가게 됩니다. 
위 그림을 보면 Upwash가 있습니다. 그곳에서 공기는 둘로 나뉘게 되는데, 이 선을 분리유선(diving streamline)이라 합니다.
공기는 이 선의 끝 부분에서 속도가 0이 되고 윗면과 아랫면으로 나뉘어 가게됩니다. 윗면에서는 곡면에 의해 공기의 속도가 매우 빠르게 흐르지만, 베르누이의 정리에 의해 압력은 작아집니다. 반면 아랫면은 공기의 속도는 느리지만 압력이 높아집니다.
 즉, 압력은 높은 곳에서 작은 곳으로 가려는 성질이 있기 때문에 결과적으로 에어포일이 위로 가려는 힘. 양력이 발생되는 것입니다.

 에어포일, 다시 말하면 날개의 받음각이 커지면 양력계수가 증가하는 비율이 둔해지다가 어떤 받음각에서 양력계수가 최대가 된 뒤에 양력계수가 감소합니다. 이를 실속(stall)이라 합니다.



2. 헬리콥터에서의 에어포일(symmetrical airfoil)
 헬리콥터의 에어포일은 대칭형과 비대칭형, 대칭형+비대칭형으로 나뉩니다. 보통의 헬리콥터들은 대칭형을 주로 사용하지만, 현대에
들어 UH-60 블랙호크나 AH-64 아파치 같은 헬리콥터들은 대칭형과 비대칭형을 혼합한 에어포일을 사용하고 있습니다.

 대칭형 에어포일은 시위선(chord line)을 기준으로 캠버가 동일하게 고안된 에어포일입니다. 받음각이 변화해도 압력중심(center of pressure)이 거의 이동하지 않기 때문에 회전익항공기에 매우 적합했지만, 같은 받음각에 대하여 비대칭 에어포일에 비해 양력발생률이 적어 현재는 비대칭형 에어포일과 혼합하려는 시도가 이어지고 있습니다.

 하지만 비대칭형 에어포일만을 사용하면 양력 발생이 크지만 받음각의 변화에 따라 압력중심이 변하기 때문에 회전익 항공기에서는 심한 비틀림현상이 나타나고 결과적으로 진동이 커지게 됩니다. 이는 현대 개발되고 있는 신소재들의 도움으로 어느정도 극복되어가고 있는 상황입니다.

 헬리콥터에서의 에어포일은 항쪽 방향으로만 회전합니다. 다시 말하면 한쪽 날개는 앞으로가고 180도 돌아서 있는 반대쪽 날개는 뒤로 돌아나가게 됩니다. 전진비행시 이것은 양력발생에 영향을 주어 양력을 불균형하게 만듭니다.


하지만, 이것은 크게 문제될 일은 아닙니다. 로터가 단단하게 묶여있다면, 한쪽에서 양력이 크게 발생하여 헬리콥터는 한쪽으로 기울어 전복되겠지만, 로터를 유연하게 하면(로터를 상하좌우로 자유롭게 움직이도록 하게 함) 한쪽만 올라갔다 다시 내려오므로 양력이 균형을 이루게 됩니다.

스페인의 오토자이로 설계자인 '요안 드 라 시바(Juan de la cierva)'의 일화

로터 깃들의 허브에 유연성있게 부착시키는 생각은 공학적 발견으로서 1920년대에 개발되었다. 이 방법의 창시자는 스페인의 오토자이로 설계자인 '요안 드 라 시바'였다.

시바는 오토자이로를 만들어 첫번째 비행을 시도할 때 오토자이로가 이륙하면서 바로 롤링(양력불균형으로 뒤집어 지는 현상)에 들어가 깃이 부딪히며 산산조각이 나버리는 것을 보고 '제도판으로 돌아가라.' 는 상투적인 문구의 의미를 일찌감치 배웠다. 고무동력으로 만들었던 모형은 롤링하는 경향을 전혀 보이지 않으면서 성공적으로 비행했기 때문에 시바에게 롤링하며 뒤집어지는 현상은 이해할 수 없었다. 그러던 어느날, 오페라를 보던 시바는 섬광과도 같은 영감을 얻었다. 경직성과 유연성에서 모형과 실기의 차이점을 깨달은 것이다. 그 당시 비행기 날개가 동체에 단단하게 고정된 것과 마찬가지로 깃을 지주와 선으로 묶어 구조적으로 단단하게 만들었다. 반면에, 모형은 그 정도 크기에 제작하는 데 알맞았기 때문에 휘청거리는 등나무로 깃을 만들었다.

 단단하게 고정된 깃을 가진 오토자이로가 활주하며 전진함에 따라 앞에서 언급한 대로 깃이 회전하는 동안 공기속도가 계속 변화하였다. 전진하는 부분에서는 후퇴하는 부분보다도 공기속도가 빠르다.각각의 깃은 같은 피치각을 가졌기 때문에 받음각도 같아 속도차이가 양력차이를 만들어 다른 부분보다 전진하는 부분에서 더 많은 양력이 발생했다.

이 불균형이 롤링 모멘트를 발생시켰다. 그러나 모형에 있어서는 유연한 등나무로 만든 깃이 상하로 굽어질 수 있었다. 그래서 양력이 크게 발생하는 전진깃은 위로 올라가는 플래핑 운동을 하게 된다. 위로 올라가는 운동을 하는 동안 깃이 기수부분을 지나게 되어 다시 양력은 평균 수준이 된다. 후퇴깃도 비슷한 상태에 들어가는데 이 때는 아래로 플래핑 운동을 한다. 이 플래핑은 전진깃이 상승하는 조건과 같아져 받음각이 감소하며 후퇴깃에서는 이와 반대 현상이 나타난다.

 모형 로터에서는 회전하는 데 따라 달라지는 공기속도를 상쇄시키기에 충분한 받음각 변화가 생겨 플래핑 평형상태에 이르렀다. 이 평형상태에서는 깃의 앞부분이 들리고 뒤가 내려가는 식으로 기울면서 양력분포가 균형이 잡힌다.

 오페라(날으는 화란인)가 끝났을 때 그는 해야 할 일이 무엇인지를 알았다. -실제 크기의 로터에 유연성을 더 주는 것이었다. 가장 간단한 해결방법으로서 모형에서와 같이 깃이 플래핑하도록 만드는 기계적인 힌지를 다는 것이었다. 비행중에 깃은 원심력에 의해 바깥쪽으로 뻗게 되고 양력에 의해 위로 약간 올라가 원추형을 이루게 된다.

 시바는 이러한 기술적인 발견으로 오토자이로를 비행시킬 수 있었고, 오늘날의 대부분 헬리콥터가 기계적 힌지를 갖도록 개발하는 효시가 되었다.




헬리콥터의 힌지(hinge) 보러 가기
http://blue5182.tistory.com/72


Blue edge 뉴 blog
잘못된 부분이나 부족한 부분은 지적해 주시길 바랍니다.
이 내용은 '항공우주학개론', '헬리콥터 조종학', '헬리콥터 이해' 등 항공서적과 인터넷 항공사이트 등에서 추출한 것을 블루엣지가 임의로 재편집한 것입니다.



저작자 표시 변경 금지
신고

[헬기] 헬리콥터 원리 1

2012 포스팅 자료실 2012.01.04 06:58


오랜만에 헬리콥터에 빠져본다. 잠시 사적인 얘기를 해도될까?
.. 나는 비행기보다 헬리콥터를 더 좋아한다. 이유는 앞으로 내가 쓸 '호버링' 때문이다. 호버링은 헬리콥터가 공중에 가만히 떠있는 것을 말한다.
'트럭만한 쇳덩어리가 하늘에 가만히 떠있는다 ?'

세상에 이보다 경이로운 일이 더 있을까. 어떻게 저렇게 큰 쇳덩어리가 하늘에 가만히 떠있을 수 있는가 !
나는 세상에서 가장 혁신적인 발명품 3개를 꼽으라 하면,
전구, 컴퓨터, 헬리콥터
이 셋을 들것이다.
에디슨, 빌 게이츠, 시코르스키. 이 분들에게 감사하다고 전하고 싶다.

" 헬리콥터는 인간에게 하늘을 자유롭게 날아다닐 수 있도록 허락하였다. "

**헬리콥터가 뜨는 원리**

 헬리콥터가 뜨는데는 운동량 이론(momentum theory)와 깃요소 이론(blade element theory)이 필요하다.
운동량 이론이란, 헬리콥터의 로터가 회전함에 따라 로터를 지나는 공기의 흐름에 대한 반작용으로 헬리콥터가 위로 올라가게 되는 것을 말한다. 이것이 헬리콥터의 이륙 원리이다. 하지만, 이것만으로는 헬리콥터가 전진하는 등의 기동성을 설명할 수 없다. 그렇기 때문에 '깃'이 필요하며, 깃요소 이론이 적용된다.


1. 운동량 이론(momentum theory)

운동량 이론이란, 위로 올라가려는 추력에 대한 반작용으로 공기가 아래로 내려가는 힘(로터후류)이 생기는 것을 말한다.

F = ma

 헬리콥터에 작용하는 힘(F)은 로터가 회전하는데 생기는 양력의 힘, 즉 추력이다. 이 때 가속도(a)는 속도가 0 이던 공기가 로터를 지나 후류속도로 바뀌었을 때의 속도변화량이며, 질량은 로터면을 통해 연속적으로 흘러내리는 공기의 흐름이다.

로터의 추력 = 로터 회전면의 면적 × 유도속도의 제곱 (로터를 지날 때의 속도)
공기의 질량 = 공기밀도 × 회전면의 면적 × 유도속도

 간단하게 말해서, 추력이 같지만 크기가 작은 로터는 큰 로터에 비하여 유도속도가 더 빨라야 하며, 그러기 위해서는 출력이 높아야한다.
과거 출력이 낮은 왕복엔진을 사용했던 경우, 회전면하중(총중량을 회전면의 면적으로 나눈 값)을 작게 취해야 했다. 다시 말해, 로터가 길어야 했으며, 그렇기 때문에 동체도 길었고, 무게도 커져 성능이나 가격 등 모든 면에서 좋지 못한 결과를 낳았다.
세계대전 전후 헬리콥터에도 터빈엔진이 사용되기 시작하였으며, 로터의 크기를 줄이고 유도속도를 높일 수 있게 되었다. 

그런데, 위의 이야기 만으로 본다면, 로터의 크기도 크고 엔진의 출력도 높으면 당연히 로터의 추력이 높아져 매우 큰 양력이 발생될 것이며, 이는 곳 어마어마하게 커다란 헬리콥터를 만들 수 있다는 말과 같다고 볼 수 있다. 

하지만, 이론과 현실은 약간의 거리감이 있어보인다. 헬리콥터 역사에 있어서 회전면하중은 점차 커졌지만 실제적으로 상한선이 보였다.    회전면하중이 50kg/m² 을 넘으면 로터를 지나는 유도속도가 너무나 커져서 미리 준비하지 않은 착륙장에서는 온갖 나무토막이나 돌맹이를 날려 보내 운용을 어렵게 만들기 때문이다. 
또한, 로터가 커질수록, 엔진과 축이 클러치에 의해 분리된 상태에서 자동회전 하는 것을 어렵게 만들기 때문에 위급상황에 대처하지 못하게 된다. 

(엔진이 고장날 경우 엔진으로 인한 동력의 손실을 막기위해 클러치를 이용해 터빈축과 구동축을 분리시켜, 로터를 자동회전 시키는 일명, 활공상태로 만든다. 활공상태의 헬리콥터는 그렇지 않을 경우 보다 안전하게 비상착륙할 수 있다.)


2. 깃요소 이론(blade element theory)

깃요소 이론


 헬리콥터의 깃은 비행기의 에어포일과 달리 윗면과 아랫면이 같다. 비행기의 경우 에어포일은 가만히 둔체 에일러론이나 플랩등을 이용해 양력을 조절하지만, 헬리콥터는 날개자체를 기울여서 양력을 조절한다. 
 
 양력은 로터가 회전하면서 생기는 속도(Linear Velocity, 회전에 의한 속도)  와 아래로 흐르는 공기의 속도(Induced Velocity, 유도속도) 의 합속도(Relative Wind)에 수직이다. 그렇기 때문에 양력은 조금 뒤쪽으로 기울어진채 발생한다. 그리고 중심 구동축과 기울어진 양력사이의 수평력(Induced Drag)이 유도항력이다. 

이 유도항력과 구동축에서부터 깃요소가 있는 위치까지의 거리를 곱하면 유도항력이 구동축의 토크에 미치는 영향을 알게 되며, 모든 깃요소에 의한 영향을 합하면 전체 토크가 얻어진다. 그리고, 토크에 로터 회전속도를 곱하여 단위환산을 위한 계수로 나누면 로터가 필요로 하는 유도마력이 된다. 이 유도마력은 운동량 이론을 통해 구한값과 동일하다. 



로터면에서의 유도속도는 최대한 일정해야 한다. 하지만, 실제 로터에서 블레이드의 안쪽은 바깥쪽보다 양력이 적게 발생한다. 그래서 필요한 것이 비틀림이다. 안쪽은 양력이 많이 발생하도록 각도를 크게하고, 바깥쪽은 각도를 작게한다. 이 각도의 차이가 30도 일경우 이론적으로 최적의 호버링성능을 발휘할 수 있지만, 각도차로 인해 크게 진동하는 깃하중이 발생한다. 그렇기 때문에 6~12도 정도를 취하여 전진비행에서 일어날 수 있는 단점을 피하면서 호버링에서 이상적인 비틀림의 이점을 살리고 있다.


지금 까지 블루엣지엿습니다. 잘못되거나 부족한 부분을 지적해주시면 감사하겠습니다. ^^
저작자 표시 변경 금지
신고