헬리콥터
관리자 2008/09/25 9334
로터를 회전시켜 발생하는 양력과 추진력을 이용하는 항공기.
 

설명

로터(회전날개)를 회전시켜 발생하는 양력과 추진력을 이용하는 항공기. 기체에 수직으로 달린 축을 중심으로 회전하는 날개의 회전과 피치각(날개각) 제어로 양력을 얻고 회전면을 기울여 추진력을 얻음으로써 동력으로 회전시키는 것만으로도 양력이 발생하여 수직 이·착륙, 제자리비행(hovering)·전진·후진 등이 가능하다. 회전날개의 회전으로 발생하는 토크(반동) 때문에 기체가 회전하여 불안정하므로 이를 막는 방법에 따라 여러 종류로 분류된다.

역사
로터로 비행한다는 아이디어의 시초는 중국의 도르래라고 하며 15세기에 레오나르도 다 빈치는 나선형 로터가 있는 회전날개기의 스케치를 남겼는데, 사람이 타고 비행할 수 있는 헬리콥터가 만들어진 것은 20세기에 들어서이다. 1907년 프랑스의 P. 고르뉘는 앞뒤에 로터를 단 기체(機體)에 사람을 태우고 20초간 지상 30㎝의 수직 자유비행에 성공하였다. 그 뒤에도 미국의 벌리너 형제가 제작한 2개의 로터가 있는 헬리콥터, 에스파냐의 L. 페스카라가 제작한 복엽(複葉) 2단 공축(共軸)로터를 가진 헬리콥터, 독일의 A.G. 바움하우어의 단(單)로터헬리콥터 등이 나타났다. 바움하우어가 제작한 헬리콥터는 지면에서 겨우 뜰 정도였지만 구조는 오늘날의 헬리콥터와 거의 같았다. 로터가 2개인 헬리콥터는, 그 뒤 프랑스의 L. 브레게나 독일의 H. 포케에 의해 현저하게 개량되어 1937년 포케가 제작한 포케아하게리스 Fw61헬리콥터는 공중체류시간이 1시간 20분 49초를 기록하여 최초의 실용 헬리콥터가 되었다. 1939년 I.I. 시코르스키도 처음에는 쌍로터기에 도전했으나, 1940년 VS300으로 불린 단로터기로 자유비행에 성공하여, 이듬해 Fw61의 기록을 깬 1시간 32분의 비행기록을 수립하였다. 이 기체는 호버링을 포함하여 거의 완전한 비행 성능을 갖추었고, 처음에는 3개의 미부(尾部) 로터가 있었으나, 뒤에 이를 1개로 줄여 오늘날 볼 수 있는 헬리콥터의 기본형이 되었다.

구조와 원리
 

로터에 의한 양력
로터를 구성하는 길고 가는 날개를 로터 블레이드 또는 블레이드라 한다. 블레이드가 수평면 내를 적당한 피치각(날개각)으로 회전하면 위로 양력이 발생하며, 피치각을 컨트롤하면 양력을 증감시키면 수직 방향의 균형과 운동을 실현할 수 있다. 이때 로터의 구동(驅動)에 따른 토크를 상쇄시킬 필요가 있는데, 이것은 2개의 동형(同型)로터를 서로 반대방향으로 회전시키거나(쌍로터형) 1개를 주회전날개로서 양력을 발생시키고, 반(反)토크용 미부로터를 수직면에 배치하는(單로터형) 방법이 채용된다〔그림 1〕. 로터의 블레이드 선단부의 축둘레 회전 속도는 보통 음속보다 약간 낮은 200∼300㎧ 정도이므로 블레이드에 작용하는 양력 및 원심력은 각각 블레이드 무게의 약 100배 또는 1000배가 된다. 따라서 이들 힘이 구동 샤프트에 대칭으로 걸리도록 블레이드 수는 2개 이상이 보통이고, 특히 블레이드 수가 많을수록 전진할 때 불평형(不平衡) 공기력에 따른 진동을 줄일 수 있다.

불평형모멘트의 균형잡기
헬리콥터가 전진하면, 각 블레이드에 유입하는 공기속도는 기(機)의 전진속도와 블레이드 회전속도를 합성한 것이 되므로 〔그림 2〕에서 나타낸 것처럼, 블레이드 전진쪽에서는 크고, 후퇴쪽에서는 작아진다. 발생하는 양력의 크기는 공기속도의 제곱에 비례하므로 양력에 불평형이 생겨, 전도(轉倒)모멘트(〔그림 2〕의 예에서는 왼쪽으로 쓰러뜨리려는 옆흔들림 모멘트)가 생긴다. 이 불평형 모멘트를 상쇄하려면 블레이드 1회전마다 전진쪽에서 블레이드의 피치를 줄이고(양력이 준다), 후퇴쪽에서 늘리는 주기적인 피치 변화가 필요하다. 이를 사이클릭 피치 컨트롤이라 한다. 반면에 모든 블레이드의 피치각을 동시에 동량만큼 컨트롤하는 것은 코렉티브 피치 컨트롤이라고 한다. 불평형모멘트를 없애는 다른 방법은 블레이드의 밑에 힌지(플래핑 힌지)를 설치하여, 블레이드에 플래핑 운동을 일으켜 불평형 공기력을 없애는 것이다. 그 메커니즘은 다음과 같다. 먼저 호버링 때에는 코렉티브피치를 크게 할수록, 즉 양력이 클수록 블레이드는 올라가나 양력보다 훨씬 큰 원심력 때문에 플래핑각은 몇 도(度) 이내로 억제되어 균형을 이룬다. 따라서 블레이드회전면은 블레이드의 허브 부착 부분에서 앞쪽 끝을 향하여 꼭지각이 큰 원뿔면이 된다. 이때 원뿔의 빗면·밑면이 이르는 각을 코닝각(角)이라 하고, 호버링 때에는 플래핑각과 일치한다. 코닝각은 코렉티브피치가 커질수록 커진다. 이 상태에서 회전날개가 전진한 경우 전진쪽에서 속도가 커져 블레이드의 양력이 증가하고, 속도가 낮아진 후퇴쪽에서는 양력이 감소한다. 이러한 양력의 불평형은 전진쪽에서는 블레이드의 플래핑축(軸)둘레의 상승(플랩업), 후퇴쪽에서는 강하(플랩다운)를 촉진시킨다. 그 결과 전진쪽에서는 블레이드 영각(迎角)의 감소, 즉 양력의 감소를 후퇴쪽에서는 영각의 증가를 가져와 속도 차에 따른 양력불평형을 영각차로 상쇄하게 된다. 플래핑 운동은 블레이드 앞쪽 끝이 전방에서 최고점, 후방에서 최저점이 되도록 블레이드 선단 회전면 후방으로 경사를 주게 된다. 경사의 크기는 플래핑축이 회전중심에 있는 시소형로터에서는 플레핑축이 없을 때에 불평형모멘트를 없애기 위해 취해진 사이클릭 피치각과 같은 값이 된다. 따라서 회전날개로 발생시킨 양력은, 선단회전면과 함께 뒤로 기울어진 양력 방향을 원위치로 돌리려면, 사이클릭 피치 컨트롤을 도입하면 된다. 이보다 더 큰 사이클릭 피치를 플래핑 힌지가 있는 블레이드에 도입하면, 선단 회전면은 원래의 수평면을 지나서 앞으로 기운다. 즉 사이클릭 피치는 선단 회전면의 기울기, 양력의 기울기를 컨트롤 할 수 있다. 만일 전방에서 피치가 줄어들고 후방에서 피치가 늘도록 사이클릭 피치를 도입하면, 위에서 보아 반시계방향으로 회전하는 로터에서는 자이로(gyro) 효과에 의해 선단 회전면이 왼쪽으로 기울어진다. 반대로 후방에서 피치를 줄이면 오른쪽으로 기울어진다. 시계방향으로 회전하는 로터에서는 반대가 된다.

피치 변경의 조작과 힌지기구
블레이드의 피치 조작은 기본적으로 다음 과정을 거친다〔그림 3〕. 코렉티브 피치 레버를 상하로 움직이면 스워슈플레이트가 상하로 움직이고, 피치 컨트롤용 링크와 혼을 통해 모든 블레이드의 피치가동시에 증감된다(코렉티브 피치 컨트롤). 이로 인한 양력의 증감으로 기체를 수직방향으로 컨트롤 한다. 다음에 사이클릭 피치 스틱을 앞 또는 뒤로 기울이면, 수워슈 플레이트가 앞 또는 뒤로 기울어지고 피치 컨트롤용 링크와 혼을 통해 각 블레이드의 전진쪽에서 피치가 감소 또는 증대하고, 후퇴쪽에서는 피치가 증대 또는 감소한다. 그 결과 블레이드 선단회전면이 앞 또는 뒤로 기울어지고, 그에 따른 양력의 기울기로 생기는 수평 방향의 분력(分力)이 기체를 전진 또는 후진시킨다. 보통 회전날개는 중심보다 위쪽에 있어서 중심 주위의 모멘트가 기체의 전 또는 후 회전을 촉진하고, 양력축 변경을 더욱 조장한다. 기체가 전진 또는 후진을 시작하면 불평형모멘트로 인하여 선단회전면은 원위치로 돌아가려 하고 회전익에 전방 또는 후방으로부터 다량의 공기가 흘러 들어온다. 그 결과 양력을 동일하게 유지하도록 코렉티브 피치 컨트롤을 하면 필요 파워는 급격히 감소한다. 피치컨트롤을 하지 않으면 파워는 기체 상승에 사용된다. 따라서 헬리콥터가 수직으로 이착륙하는 대신 보통의 비행기처럼 활주 이착륙을 하면, 이착륙에 소요되는 파워는 호버링 비행시에 비해 약 절반 정도로 작아도 된다. 다시 속도를 증가시키면 기체 저항 때문에 필요 파워는 다시 증가한다. 헬리콥터가 필요한 양력을 유지하고 진동의 공진(共振)을 피하기 위해서는 블레이드 회전수가 전비행 형태를 통해 거의 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해 가스터빈 엔진에는 부하의 변동에 대응하는 연료 컨트롤 장치가 갖추어져 있다. 초기 헬리콥터는 사이클릭 피치 컨트롤 수단이 없어서 직접 샤프트를 기울여 양력 기울기를 얻었다. 사이클릭 피치 컨트롤을 도입한 것은 페스카라의 헬리콥터인데, 샤프트에 부착시킨 블레이드가 주기적으로 비틀렸다. 또 엔진이 정지할 때, 안전하게 강하하기 위해 블레이드 피치를 컨트롤할 수 있도록, 강하에 따라 하부로부터의 공기 흐름으로 로터를 회전시키는 오토로테이션을 이용할 수 있도록 설계되었다. 플래핑 기구는 바움하우어의 단로터기에 채용되었다. 블레이드의 플래핑 운동은 소량이기는 하나 블레이드 질량을 회전 중심쪽으로 이동시키므로 코리올리의 힘이 작용하여, 플랩업이나 플랩다운에 따라 블레이드를 날개 표면 내에서 앞뒤로 흔드는 모멘트가 발생한다. 이를 분리시키기 위해 블레이드 면에 수직으로 리드랙 힌지를 만다. 플래핑운동과는 달리 리드랙 운동에서는 블레이드 면이 감쇠(減衰)에 거의 기여하지 않으므로 공진(共振)을 피하기 위해서는 댐퍼가 필요하다. 로터는 이러한 힌지의 유무 유형으로 나뉜다. 피치각을 컨트롤하기 위한 페더링 힌지 외에 플래핑 힌지, 리드랙 힌지가 있는 것을 전관절형(全關節型) 로터, 페더링 힌지와 플레핑 힌지가 있는 것을 시소형 로터, 페더링 힌지만 있는 것을 리지드 로터라 한다〔그림 4〕.

기술의 발달
로터의 블레이드 수가 많을수록 전진할 때의 진동이 감소하기 때문에 시코르스키사(社)에서는 블레이드의 매수를 증가시켰는데, 벨사에서는 2매의 목제(뒤에 금속제) 블레이드를 갖은 간단한 시소형을 고집하였다. 스태빌라이저바라는 안전장치를 도입한 벨사의 소형시리즈는 널리 세계 각지에서 사용되었다. 또 보잉 바틀사는 중심의 전후 이동에 강한 탠덤 로터의 대형 수송기를 제작하고 있다. 유압(油壓)기기나 전자기기의 발달과 경량 대마력가스터빈 엔진의 출현은 헬리콥터의 안정성과 제어기능을 증가시켰다. 벨사의 시소형 로터는 샤프트를 길게 하여 로터의 위치를 높여 컨트롤능력을 향상시켰는데, 시코르스키사의 블레이드 플래핑 힌지는 허브보다 약간 바깥쪽에 있어서, 선단 회전면의 기울기는 양력 축의 기울기에 모멘트를 주기 때문에, 허브는 낮은 위치에서도 컨트롤의 힘을 얻을 수가 있다. 독일의 MBB사는 BO105로 복합재제의 블레이드를 채용하여 리드랙 힌지, 플래핑 힌지를 없애고, 이것으로써 컨트롤 능력을 높이고 허브 기구를 간단히 하여 정비성과 성능을 개선하였다. 최근의 헬리콥터는 대부분 이 형식이거나 이와 유사한 로터를 채용하고 있다. 속도가 향상됨과 동시에 블레이드 선단에서 공기의 흐름이 천음속(遷音速)으로 되나, 저항이 증가하는 것을 피하고 회전 소음을 줄이기 위해 블레이드 선단을 얇게 하고 후퇴각을 달게 되었다. 또 블레이드 수를 증가시키는 데는 한계가 있어서 속도와 함께 늘어나는 진동을 억제하기 위한 방진(防振)장치도 널리 채용되고 있다.

용도
헬리콥터는 이착륙시 활주할 필요도 없고 공중에서 정지할 수도 있어 공중측량·사진촬영·수송·소화구난작업·농약살포 등에 사용되며, 군용기로서도 쓰인다. 헬리콥터가 군용기로 처음 사용된 것은 제2차세계대전 후인데, 미국은 시고르스키 VS316형(군명 R4)을 처음 실전에 사용하였다. 그 뒤 수 차례의 전쟁에서 사용·개량되었고 각종기로 분화해 베트남전쟁에서는 헬리본 작전(空輸作戰)의 운용법이 확립되었고, 공격 헬리콥터라는 전문 공격용 기종(機種)이 탄생하였다. 군용 헬리콥터 종류에는 정찰관측연락 헬리콥터·수송 헬리콥터·다용도 헬리콥터·공격 헬리콥터·대잠수함 헬리콥터·소해(掃海) 헬리콥터가 있다.

정찰관측연락 헬리콥터
소형 고성능 기종으로 정찰이나 연락구실, 호버링 상태에서 탄착관측, 무선통신 중계, 레이저 유도 미사일의 목표 조사 등을 수행한다.

수송 헬리콥터
대형은 수 십명의 무장 병력에서 중포·중장갑차량까지 수송할 수 있고, 파손된 비행기를 회수할 수도 있다. 중형은 10명 내외의 병력과 경차량을 실을 수 있고, 전장내의 전술이동 등에 사용된다.

다용도 헬리콥터
현재의 것은 대부분이 중형 수송 헬리콥터와 같은 기본형으로, 헬리콥터의 여러 가지 특징을 균형있게 갖추고 있다. 용도에 따라 필요한 장비를 부착하여 구난·정찰·수송·화력지원·대잠수함전 등 다양하게 사용된다.

공격 헬리콥터
전문적이고 본격적인 군용 헬리콥터로 대부분 중형이다. 대게릴라전, 대전차전, 헬리본 부대의 호위나 착륙지점의 사전 제압 등 공격적인 임무에 사용된다. 고정날개공격기처럼 폭이 좁고 튼튼한 동체를 갖고 있으며, 승무원 좌석은 1명씩 앞뒤에 높이가 다르게 배치되어 있고, 기체 중심 위치에 미사일이나 기관포 등의 무기 설치에 사용되는 짧은 고정날개가 있고, 내탄(耐彈)·방탄(防彈) 구조로 되어 있다.

대잠수함 헬리콥터
잠수함을 탐지·공격하기 위해 탐지장치·유도어뢰 등의 공격무기, 정교한 자동조종장치나 항공장치를 갖추고 있다.

소해(掃海) 헬리콥터
기뢰의 발견·제거·부설에 사용되는 헬리콥터이다. 기뢰를 적재하거나 무거운 소해구(掃海具)를 예항해야 하므로 대형이며 대마력(大馬力)의 헬리콥터이다
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