Helicopter - 1

 최근들어 왜 갑작스럽게 헬리콥터에 대한 질문이 늘었나 싶었더니 모 대학의 수시입학 전형의 면접이 있어서였더군요.

필요에 의해 벼락치기로 암기해서 답변할 것이 아니라 지속적인 관심을 가지고 꾸준히 공부해야 제대로 면접에 응할 수 있을 것으로 봅니다.

 

지금까지 회전익에 대한 글이 없었던 이유도 있고, 알고보면 회전익 항공기가 참으로 재미있는 것들이 많아, 오늘은 그에 대한 이야기를 좀 해볼까 합니다.   고정익에 비해서 다소의 약점이 될 수 있는 회전익의 양력 발생장치로 인해 상대적으로 항공기로서의 그 성능개선이 늦기는 했지만 현재의 회전익 항공기는 그 활용도면에서는 고정익과는 차별화된 고유의 영역을 가지고 있는 특별한 존재라고 보여집니다.

 

다루어야할 내용이 많은 이유로 몇개의 강의로 나누어 포스팅하겠으며 오늘은 Helicopter 의 구조에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

Helicopter 라는 말은 하나 또는 그 이상의 Engine 으로 Rotor 를 구동하여 양력과 추력을 발생시키는 Rotorcraft 의 한 종류에 속합니다.

Helicopter 외에도 Autogyro, Gyrodyne 등이 더 있지요.

Helicopter 라는 말의 어원은 불어 hélicoptère  에서 유래되었으며, 그 개발 역사를 보면 기원전 4세기경 중국의 어린이 장난감인 "Bamboo Flying Toy"에서 기인한다는 설이 있습니다.  대나무로 만든 장난감인데 우리나라에서도 예전에 플라스틱으로 만들어진 장난감으로 많이 판매되곤 했던 것들입니다.

 

 

 

 

 

 

 

위의 그림처럼 대나무로 만든 날개를 가지고 있는 장난감으로 대나무통에 넣고 실로 감아 당기면 날아오르는 형태를 가지고 있습니다.

이후, 1480년 경에 레오나르도 다빈치에 의해 디자인된 "Aeriall Screw" 가 있었으나 실용화 되지는 못했고 이론적으로 수직 이착륙이 가능한 항공기에 대한 결정적 아이디어를 제공했다고 할 수 있습니다.

 

 

 

오늘날 개발된 대부분의 Helicopter 들은 그 크기나 모양이 저마다 다양한 형태를 띄고 있지만 기본적인 구성은 비슷하다고 볼 수 있습니다.

Main Rotor System, Tail Rotor System, Cabin, Power Plant, Transmission, Landing Gear 등으로 크게 나눌 수 있으며, 가장 기본적인 형태라고 보시면 되겠습니다.

 

먼저 Helicopter 의 기본 구조부터 알아보도록 하겠습니다.

아래의 그림처럼 기본적인 형태의 분류외에도 세부 명칭에 대한 지식이 필요합니다.  분해도를 참고해서 각각의 기능에 대한 설명에 참고해서 보시면 쉽게 이해가 되실 겁니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

Main Rotor System 을 살펴보면, Main Rotor Blade 가 Rotor Hub 와 어떤 형태로 연결되는가에 따라 세가지로 분류할 수 있습니다.

첫번째로 Fully Articulated Rotor System 은 Blade 가 여러개의 Hinge 로 Hub 에 연결된 형태를 가지고 있습니다. 이로 인해 각 Blade 들은 상하 또는 전후로 자유롭게 움직일 수 있는 특징을 가지게 됩니다.

주로 3개 또는 그 이상의 Balde 를 가지는 항공기에서 사용되며, 이러한 Hinge 를 Drag 또는 Lag Hinge 라고하고 그 움직임을 각각 Dragging, Lead/Lag, Hunting 이라고 합니다.

 

아래의 그림을 보시면 각각의 Hinge 들이 어떻게 움직이는지 추측이 가능하실 겁니다.

Hinge 라고하면 쉽게 관절이라고 생각하시면 됩니다.  움직이는 여유가 있기 때문에 고정되어 있는 Blade 에 비해 다소의 장점이 있어 거의 대부분의 Helicopter 에서 적용하고 있는 형태라고 보시면 되겠습니다.

 

 

각 Hinge 의 명칭은 그 역할에 따라 Flapping, Feathering, Drag 로 불리는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

 

두번째로 Semirigid Rotor System 이 있습니다.

두개의 Blade 를 사용하며 위의 그림에서 Vertical Drag Hinge 가 생략된 형태라고 보시면 됩니다.

상하로 Tilt 운동이 가능하며 Main Rotor Shaft 에 Universal Joint 로 고정되어 있는 형태로 Teetering Hinge 라고 부릅니다.  가운데 하나의 Hinge 로 연결되어 있기 때문에 마치 시소처럼 하나의 Blade 가 내려오면 반대편은 올라가는 현상을 보이고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

마지막으로 Rigid Rotor System 이 있습니다.

기계적으로 가장 단순한 형태를 가지고 있으나 구조적으로는 매우 복잡한 System 입니다.

Feathering Hinge 만 있는 구조이며 중심의 Hub 에 일체형으로 고정되는 형태를 가지고 있기 때문에 Rotor Blade 의 Bending Stress 를 직접 흡수해야하는 이유로 복합재료로 만들어지고 있습니다.

 

구조적으로는 Drag Hinge 나 Flapping Hinge 가 없지만 최근에 개발되는 항공기의 경우 탄성이 있는 재료로 Hub 를 만들어 실질적으로는 그 역할을 대신할 수 있도록 만들어지고 있습니다.  다른 구조에 비해서 조종성이 좋고 제작이 쉽다는 장점을 가지기도 합니다.

 

 

 

 

 

 

Main Rotor 에 대한 기본적인 내용에 대해서 알아봤습니다.

이번에는 Tail Rotor 에 대한 내용인데 개념적으로는 Antitorque System 이라고 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

대부분의 Helicopter 들은 하나의 Main Rotor 를 이용하고 있으며 그로인하여 Blade 회전방향의 반대방향으로 Torque 가 발생하게 되는데 이를 상쇄시키기 위한 여러 장치들을 말합니다.  가장 흔히 볼 수 있는 것이 Tail Rotor 이지만 없는 경우도 많이 있습니다.

역학적인 부분은 2차 강의에서 다루기로 하고 그 형태에 따라 일반적인 Tail Rotor 와 Tail 구조 내부 Duct 에 위치하고 있는 Ducted Fan 또는 Fenestron 이나 Fantail 로도 불리는 것이 있습니다.  Duct 로 보호하고 있어 사람이나 다른 구조물로 부터 Rotor 를 보호할 수 있는 장점이 있는 형태이지요.

 

 

 

 

 

 

 

 

그 외에 Tail Rotor 자체가 없는 경우는 No Tail Rotor System 이라고 하는데 Tailboom 내의 저압의 공기를 이용하여 회전이 가능한 가변 Nozzle 에 분사하게 되면 "Coanda Effect" 현상이 나타나게 되는데 이를 제어하여 Antitorque 를 제공하는 원리입니다.

세부 역학적 내용은 2차 강의에서 다시 다루도록 하겠습니다.

 

아래의 사진이 NOTAR 라고 불리는 No Tail Rotor System 을 가지고 있는 항공기입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tandem Rotor Helicopter 의 경우는 별도의 Antitorque System 이 필요없는 경우인데 서로 반대방향으로 회전하는 두개의  Rotor 를 이용하여 상호 Torque 를 상쇄하기 때문에 그렇습니다.  나란하게 일렬로 Rotor 를 배열한 경우이며 대형 수송헬기등에서 많이 볼 수 있는 형태이지요.  아래의 그림처럼 서로 반대로 회전하기 때문에 Torque 가 발생하지 않는 장점이 있지만 다소 크기가 커진다는 단점이 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

반면 하나의 축에 두개의 Rotor 를 반대방향으로 회전하게 장착하는 경우도 있는데 이러한 형태를 Coaxial Rotor Helicopter 라고 합니다.

우리나라 산림청의 산불진화용으로 많이 사용되고 있는 헬기로 뉴스등에서 많이 보셨을 것으로 생각되네요.

 

 

 

 

 

 

 

Main Rotor 의 축을 약간의 각도차로 비스듬하게 장착한 Intermeshing Rotor 라는 것도 있습니다.  쉽게 볼 수있는 헬기의 형태는 아니지만 이런 형태도 있다는 것으로 알아두시면 좋겠네요.

 

 

 

 

 

 

 

요즘 한참 인기를 끄는 CV-22 기종의 Transverse Rotor System 으로 Tilt Rotor 의 한 형태를 가지고 있습니다.  가장 진보된 형태라고 보시면 되겠습니다. CV-22 의 경우는 고정익의 장점과 회전익의 장점을 적절하게 혼합한 항공기로 최근 각광 받고 있는 항공기이지요.

 

 

 

 

 

 

 

마지막으로 Rotor 끝부분에 Nozzle 을 만들어 회전시켜 Torque 가 만들어지지 않는 Tip Jet 이라는 것이 있습니다.  지금은 거의 보기 힘든 항공기이며 박물관에서나 볼 수 있고 이런 원리를 다양한 다른 분야에서 사용하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

지금까지 Helicopter 의 기본이라 할 수 있는 Main Rotor 와 Tail Rotor 에 대해서 알아봤습니다.  나머지 엔진이나 Cabin, Landing Gear 등은 다른 항공기와 별반 다를 것이 없기 때문에 언급하지 않았으며 다음 2차 강의에서는 역학적인 부분과 조종에 관해 다루도록 하겠습니다.