[스크랩] 알아두면 쓸만한 헬리콥터 이론...헬기는 왜 만들기 어렵나.. 음속돌파는 가능한가..
비행기는 새를 닮아 있습니다. 날개란 것이 있죠. 자연물의 모방입니다. 그러나 헬리콥터는 100%
인공적인 비행체입니다. 예전엔 헬리콥터를 "잠자리 비행기"라고도 했었는데 공중에 정지(호버링)
한다든가 비행 모습이 비슷해서 붙여진 이름일 뿐, 비행원리는같지 않죠..
예전의 미드에서 에어울프란 놈이 음속으로 날면서 전투기도 격추시키고 그랬는데
이거 뻥이죠. 헬기는 음속으로 날기는커녕 시속 300km 정도가 한계입니다.
메인로터의 회전으로 양력과 추진력을 동시에 얻기때문에 매우 민첩한 기동이 가능한
반면 많은 제약들을 갖습니다.
양력 불균형 (Dissymmetry of Lift)
메인로터는 한 방향으로 회전합니다. 대개 러시아는 시계방향, 미국 등 서방권은 반시계방향으로
회전합니다. 어느 것이 더 우수하다고는 할 수 없고..그냥 차별화라고 보면 될 것입니다.
양력 불균형은 로터의 회전면에서 발생하는 양력이 불균형하게 발생하는 현상입니다. 전/후/횡진
비행시 상대풍에 대해 전진하는 로터블레이드(advancing rotor blade)와 후퇴하는 로터블레이드
(retreating rotor blade)의 상대속도 차에 의해서 발생하지요.
아래 그림을 봅시다. 로터는 시계반대방향으로 회전하면서 전잔하고 있습니다. 그러면 ...
로터회전면의 오른쪽 면에서는 (전진속도 + 회전속도)의 양력이 발생하고 왼쪽면에서는
(전진속도-회전속)인 양력이 발생해서 좌우가 비대칭인 양력이 발생합니다.
<그림 1> 양력 불균형 발생원리
물론 양력 불균형은 상대풍에 대한 로터블레이드의 상대속도 차에 의해서 발생하므로 헬리콥터가
정지비행(hovering) 시에는 발생하지 않습니다.
<그림 1>4에서 보는 바와 같이 로터 블레이드 끝의 선속도가 350 Knot로 회전하면서 호버링하던
헬리콥터가 속도 100 Knot로 전진비행을 시작한다면, 회전면의 오른쪽에 위치한 로터 블레이드에는
100 Knot의 속도증가가 생기고 회전면의 왼쪽에 위치한 로터 블레이드에는 100 Knot씩 감소하는
효과가 나타나게 됩니다.
따라서, 로터 블레이드의 받음각이 동일하다면 회전면의 우측 양력은 좌측보다 크게 되어 헬리콥터가
좌측으로 기울게 됩니다. 이러한 양력 불균형을 해소하기 위하서 다음의 방법들이 사용됩니다.
1. 플래핑 로터 블레이드 (Flapping Rotor Blade):
로터 블레이드가 회전하면서 오르락 내리락 하는 것을 말합니다. 플래핑 로터 블레이드란 관절식
로터(articulated rotor)로써 로터 허브(Hub)에 힌지를 장착하여 블레이드가 아래위로 움직일 수 있게
한 것입니다.
헬리콥터가 전진 수평비행시 회전면의 우측에 위치한 블레이드는 양력에 의해 위로 플래핑되어
받음각이 감소하므로 양력이 줄어들고, 회전면의 좌측에 위치한 블레이드는 양력감소로 인해
아래로 플래핑됨으로써, 받음각이 증가하여 양력이 증가하게 됩니다.
이러한 플래핑으로 양력 불균형 현상을 해소하는 방식이 플레핑 로터 블레이드 입니다.
또다른 방식으로는 Semirigid Rotor가 있는데, 이것은 허브(hub에 힌지가 없고 허브 자체가 회전
하면서 경사를 주어 플래핑을 합니다.
2. 싸이클릭 피치 조종장치 (Cyclic Pitch Control System)
가장 널리 쓰이는 방식입니다. 싸이클릭 피치 조종장치는 로터 블레이드가 플래핑을 하는 대신,
회전시 전진하는 블레이드의 받음각을 감소시키고, 후퇴하는 블레이드의 받음각은 증가되도록 만든
장치입니다. 회전시 받음각의 조정으로 양력 불균형 현상을 해소하는 방식입니다.
아래의 <그림 2>는 양력 불균형이 해소된 (전 회전면에서의 양력이 균일한) 로터 블레이드 회전면
내에서 로터 블레이드가 가지는 받음각의 분포를 표현한 것입니다.
<그림 2> 회전면 내 로터 블레이드 받음각 분포
로터블레이드의 운동방정식
<그림 3> 전진 중 회전날개에 작용하는 속도 성분
<그림 3>에서 보는 바와 같이 헬리콥터가 전진 비행시 회전날개의 로터 블레이드는 양력이 로터 허브
에서 만드는 모멘트와 원심력이 로터 허브에 만드는 모멘트와 평형이 될 때까지 위로 쳐들게 되어
회전면을 밑면으로 하는 원추(cone) 모양을 만들게 됩니다.
이때 회전면과 원추 모서리가 이루는 각을 코닝각(coning angle: β)이라 합니다.
로터 블레이드가 받는 상대속도는 다음의 공식으로 표현됩니다..
[Vψ: 블레이드의 상대속도, V: 상대풍 속도(전진속도), α: 받음각, β: 코닝각, Ψ: 방위각,
Ω: 각속도(dΨ/dt)]
상대속도는 Ψ=90° 일 때 sinΨ 값이 1로써 최대, Ψ=270° 일 때 sinΨ 값이 -1로써 최소입니다. 즉, 전진
하는 로터 블레이드의 상대속도가 가장 크고, 후퇴하는 로터 블레이드의 상대속도가 가장 작습니다.
또한, r 이 커질수록 즉, 로터 블레이드의 허브쪽에서 끝으로 갈수록 상대속도가 커집니다.
로터 블레이드 요소(blade element)가 만드는 양력 및 항력은 다음과 같다.
[ρ: 공기밀도, Vψ: 블레이드의 상대속도, C: 시위길이, r: 블레이드 길이, CL: 양력계수]
[ρ: 공기밀도, Vψ: 블레이드의 상대속도, C: 시위길이, r: 블레이드 길이, CD: 양력계수]
헬리콥터의 최대속도??
1. 후퇴하는 블레이드의 익단실속(Blade Tip Stall)
앞에서 말씀드린 바와 같이, 상대속도 방정식
에서, 후퇴하는
블레이드(Ψ=270° 일 때)의 상대속도는 sinΨ 값이 -1로써 최소가 됩니다.
이때 비행속도 V가 커질수록 첫번째 항의 음(-)의 값은 더욱 커집니다.
따라서 후퇴하는 블레이드는 양력을 얻기 위하여 블레이드 받음각이 블레이드 끝에서 최대가 되고,
익단실속에 들어가게 됩니다.
바로 이 후퇴하는 블레이드의 익단실속 현상으로 인해 헬리콥터의 비행속도 V는 제한을 받게 됩니다.
대략 시속 300km정도입니다.
2. 후퇴하는 블레이드 뿌리의 역류범위(Reverse Flow Region)
후퇴하는 블레이드(Ψ=270° 일 때)의 상대속도는 블레이드 상대속도 방정식의 첫 번째 항의 sinΨ 값이
-1로써 최소가 됩니다. 이때 두 번째항의 r 값이 작은 부분(즉, 허브부분)에서는 두 번째항의 크기가
첫 번째 항의 크기보다 작게 되어 전체 블레이드 상대속도가 (-)의 값을 가지는 역류가 발생하게
됩니다. 쉽게 말해서 (-) 양력을 발생시킨다는 망이 됩니다.
이 역류는 비행속도 V가 커질수록 심해집니다. 따라서 헬리콥터는 이 후퇴하는 블레이드의 뿌리부분에
발생하는 역류로 인해 비행속도의 제한을 받게 됩니다.
3. 전진하는 블레이드의 익단 충격파(Blade Tip Shock Wave)
블레이드 상대속도 방정식
에서, 전진하는 블레이드(Ψ=90° 일 때)
의 상대속도는 sinΨ 값이 1로써 최대가 됩니다. 이때 비행속도 V가 커지면 커질수록 상대속도는 더욱
커지게 됩니다.
비행속도가 음속에 가까워지면, r 값이 큰 부분(블레이드 끝 부분)이 먼저 음속에 도달하게 되고
이때 생기는 충격파가 항력이 급격히 증가시켜 실속에 들어가게 됩니다.
따라서 헬리콥터는 이 전진하는 블레이드 익단 충격파로 인해 비행속도의 제한을 받게 됩니다.
이처럼 헬리콥터는 비행기와 또다른 매우 까다로운 비행조건을 충족시키는 구조를 만들어야 하므로
안정된 시스템을 설계하기가 매우 어렵습니다.
여기에 엔진 특성과 구동계의 매칭까지 조화, 각 소재의 선택과 가공 등을 고려하면,
전혀 바탕이 없는 상태에서 완전히 새로운 로터(테일 시스템 포함), 동력계를 만들어내기란
시간이 많이 걸리고 매우 어렵습니다.