헬리콥터 회전 날개에서 발생하는 양력 불균형

길을 걷다 보면 가끔 '두두두두' 소리를 내며 하늘을 날아다니는 헬리콥터를 볼 때가 있다. 고정익 항공기는 엔진의 힘을 이용하여 전방으로 빠르게 이동하면 날개에서 양력을 얻어 하늘을 날 수 있게 된다. 하지만 헬리콥터는 동체 위에 달려있는 로터 블레이드를 회전시켜 마치 선풍기처럼 바람을 아래쪽으로 불며 양력을 얻는다. 그런데 과연 로터를 위에서 돌리기만 하면 양력을 얻을 수 있는 것일까? 

 

헬리콥터 로터 회전면에는 다양한 항공역학적인 힘이 작용하고 있으며, 이를 기계공학적으로 극복하여 오늘날 헬리콥터가 하늘을 날 수 있는 것이다. 그중 로터 회전면에서 발생하는 가장 대표적인 항공역학 중에는 '양력 불균형'이 있다. 

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1. 전진과 퇴진 블레이드의 기류 속도 차이로 발생하는 로터 회전면의 '양력 불균형'

항공기가 전진할 때, 전진과 퇴진 블레이드의 기류속도 차이로 발생하는 '양력 불균형'

 

헬리콥터는 제자리 비행(hovering)을 하고 있을 때의 로터 회전면은 양력불균형이 발생하지 않는다. 하지만 항공기가 전진 비행을 하게 되면 항공기 방향으로 상대풍이 발생하는데 이 때,전진 로터 방향과 퇴진 로터 방향의 기류 속도가 서로 달라지는 차이가 발생하여 양쪽의 양력이 일치하지 않는 현상이 발생한다. 이를 '양력 불균형'이라고 한다.

 

그림에서와 같이 항공기가 100낫트의 속도로 전진비행을 하게 되면, 무풍상황을 가정했을 때, 항공기 쪽으로 불어오는 상대풍 역시 100 낫트가 될 것이다. 이때, 로터 회전면을 절반으로 나누어 보면 앞으로 나아가는 전진 방향과 뒤쪽으로 돌아가는 퇴진 방향으로 나뉘게 된다. 반시계 반향으로 로터가 회전한다고 봤을 때, 오른쪽이 전진 블레이드, 왼쪽이 퇴진 블레이드가 된다.

 

로터 회전 속도가 400낫트라고 가정을 하면, 오른쪽의 전진 방향은 로터회전 속도인 400 낫트와 항공기 속도 100 낫트가 합해져 로터를 지나가는 기류 속도는 500 낫트가 될 것이다. 

 

반대로 왼쪽의 퇴진 방향은 로터를 지나가는 기류의 방향과 상대풍의 방향이 서로 반대 방향이 되어 서로 상쇄된다. 그래서 로터의 회전속도인 400낫트에서 항공기의 속도 100 낫트를 빼게 되어 퇴진 블레이드를 지나가는 기류 속도는 300 낫트가 될 것이다.

 

결과적으로, 오른쪽은 500낫트의 기류속도로 양력이 더 많이 발생하게 되고, 왼쪽은 300 낫트의 기류속도로 양력이 더 적게 발생하게 되어 왼쪽과 오른쪽의 양력이 서로 다르게 발생하게 된다. 이러한 현상을 '양력 불균형'이라고 한다.

 

※ 역기류 지역 :  로터의 속도보다 상대풍의 기류 속도가 더 빨라서 로터를 가로지르는 기류가 로터의 뒤에서 앞으로 흐르는 지역을 역기류 지역이라고 하며, 전진속도가 빠를수록 점차 확대되어 헬리콥터의 전진속도 제한이 되는 원인이다.

 

2. '양력 불균형'과 '회전 운동의 세차 현상'

그러면 양력 불균형은 전진하는 항공기에 어떤 영향을 미치게 될 것인가? 먼저 '회전 운동의 세차현상'을 살펴봐야 한다.

'회전 운동의 세차현상'은 회전하는 물체에 힘을 가하면 힘이 가해진 부분으로 부터 90도가 지나서 그 힘의 결과가 분명히 나타나는 현상을 말한다. 

 

즉 반시계 반향으로 회전하는 물체의 360도 원을 생각해 봤을때, 오른쪽의 90도 방향에서 힘을 가하면 90가 지난 0도(360도) 방향에서 그 힘의 결과가 분명히 나타나게 된다.

 

이 현상을 양력불균형과 같이 생각해보면, 오른쪽의 전진 방향에서 발생한 더 큰 양력은 90도가 지난 항공기의 전면 방향을 지날 때, 그 결과가 분명히 나타날 것이고, 왼쪽의 퇴진 방향에서 발생한 더 적은 양력은 90도가 지난 항공기 후면 쪽을 지날 때 그 결과가 분명히 나타날 것이다.

 

그렇게 되면 로터의 전면에서 양력이 더 발생하여 로터의 전면이 위로 들리게 될 것이고, 로터 후면에서는 양력이 더 적게 발생하여 전면보다 아래로 처지게 될 것이다. 다시 말해서 옆에서 항공기를 보았을 때, 로터 회전면이 앞쪽이 더 높고, 뒤쪽이 더 낮은 사선의 형태를 띠게 된다.

 

이러한 현상을 '블로우 백(blow back)' 또는 '플랩 백(flap back)'이라고 한다. 그렇게 되면 전진을 시작하는 항공기의 기수(코부분)이 들리게 되는 결과가 나타나게 된다. 이를 극복하기 위해 조종사는 처음 전진을 시작하면서 블로우 백이 나타나는 것을 막기 위해 cyclic을 전방으로 더 밀어서 항공기의 기수가 들리는 것을 막아주면서 이륙을 해야 한다.

 

또한 기계공학적으로 양력 불균형을 해소하기 위한 방법으로 '플래핑(flapping)', '사이클릭 페더링(cyclic feathering)'이 있으며 다음 글에서 알아보도록 한다.