[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
크리에이티브 커먼즈 라이선스
Creative Commons License


티스토리 툴바