[비행역학] 비행역학과 회전익 항공기의 특성

비행역학이란?

비행역학은 비행체가 공기 중에서 움직이는 법칙과 원리를 연구하는 학문 분야입니다. 비행역학은 크게 정적 비행역학과 동적 비행역학으로 나뉩니다. 정적 비행역학은 비행체가 균형 상태에서의 움직임을 다루며, 동적 비행역학은 비행체가 균형 상태를 벗어날 때의 움직임을 다룹니다. 비행역학은 주로 4가지 기본 힘, 즉 양력, 중력, 추력, 항력을 중심으로 연구됩니다. 리프트는 공기가 날개와 상호작용하면서 발생하는 힘으로, 비행체를 위로 들어 올립니다. 중력은 비행체를 아래로 끌어당깁니다. 추력은 비행체를 앞으로 밀어내는 힘으로, 엔진이나 프로펠러에서 발생합니다. 항력은 공기의 저항으로, 비행체의 움직임을 방해합니다. 비행역학은 이러한 힘들 사이의 균형과 상호작용을 연구하며, 비행체의 안정적인 비행과 성능을 최적화하는 데 필요한 지식입니다.

 

회전익 항공기의 특성

회전익 항공기는 일반적으로 헬리콥터와 같이 날개가 고정되지 않고 회전하는 장치를 사용하는 항공기를 의미합니다. 이러한 항공기는 특정한 특성들을 가지는데, 아래와 같이 소제목으로 분류하여 설명하겠습니다.

1. 하버링

특정 지점에서 고정된 위치나 고도를 유지하며 공중에 머무는 것을 말합니다. 주로 헬리콥터나 드론 같은 항공기에서 사용되며, 이런 기기들은 고정된 위치에서 머무를 수 있는 능력이 있습니다. 모든 작용에는 반작용이 일어나기 때문에 메인 로터가 회전하게된다면 항공기 동체는 메인 로터 회전 방향의 반대방향으로 회전하게 됩니다. 그렇기 때문에 헬리콥터는 메인 로터와 테일 로터의 조합을 통해 하버링을 유지합니다. 메인 로터는 헬리콥터를 위로 들어 올리고, 테일 로터는 헬리콥터가 회전하는 것을 방지합니다. 이때, 조종사는 이 두 로터의 회전 속도를 조절하여 헬리콥터의 위치와 방향을 제어합니다.

2. 편류

제자실 비행을 할때 헬리콥터는 토크현상(메인로터의 회전으로 생기는 동체의 회전)을 막기 위해 테일로터를 사용하게 되는데 이때 테일로터에서 만들어진 추력으로 인하여 그 추력방향으로 움직이는 현상입니다. 이 현상은 여러 가지 방법으로 해소시키는데 설계 시 마스트(중심축)를 약간 기울어지도록 설계를 하거나, 조종간을 테일로터의 추력방향과 반대로 조절 또는 설계를 하여 방지합니다.

3. 깔때기현상(코닝현상)

헬리콥터가 양력을 얻기위해 메인로터가 회전하게 됩니다. 메인로터가 빨라지면 빨라질수록 더 큰 원심력을 얻게 되어 메인로터는 휘어지지 않고 항공기의 중력을 견딜 수 있게 됩니다. 수직상승을 할 때 헬리콥터에는 두 종류의 힘이 걸리는데 하나는 수직(양력) 또 하나는 수평(원심력)으로 작용하는 힘입니다. 이 두 가지 힘이 균형을 이루지 못할 때 나타나는 현상이 코닝, 깔때기현상이라고 합니다.

4. 코리올리스 효과

회전하는 체계에서 물체의 운동 경로가 곡선으로 나타나는 현상을 말합니다. 이는 지구의 자전때문에 발생하며, 이로 인해 지구의 모든 지점은 동일한 시간 안에 360도 회전합니다. 하지만, 극지방에서는 이동 거리가 적고, 적도지방에서는 이동 거리가 많기 때문에 적도 지역의 속도가 더 빠릅니다. 이로 인해 지구 위의 물체는 직선 운동을 하려고 해도 실제로는 곡선 운동을 하게 됩니다. 이러한 현상을 코리올리스 효과라고 합니다. 코리올리스 효과는 헬리콥터의 운용과 특히 로터 블레이드의 조정에도 영향을 미칩니다. 헬리콥터의 로터 블레이드는 고속으로 회전하면서, 블레이드의 각 부분은 다른 속도로 움직입니다. 블레이드 팁은 중심부에 비해 훨씬 더 빠른 속도로 움직이게 됩니다. 이때, 블레이드가 회전하면서 속도의 차이가 발생하면 코리올리스 효과가 작용하게 됩니다. 이 효과 때문에, 헬리콥터의 피치 조정(블레이드 각도 조절) 시에는 로터 블레이드의 각 부분이 다른 속도로 움직이므로, 블레이드의 질량 중심이 변하게 됩니다. 이 변화는 블레이드의 위치와 회전에 영향을 미치며, 이를 보정하지 않으면 헬리콥터의 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서, 헬리콥터의 조종사는 이러한 코리올리스 효과를 이해하고, 이를 보정하기 위한 적절한 피치 조정을 수행해야 합니다.

5. 지면효과

헬리콥터가 하버링을 하고 있을시에 사용한 동력보다 양력이 더 발생하는 현상입니다. 헬리콥터의 로터블레이드의 지름보다 낮은 고도에서 머물 때 발생하는 현상이며, 메인로터에서 내려간 공기가 지면과 부딪쳐 원판으로 유도되는 기류의 흐름이 적어지게 되어 양력이 증가하게 됩니다. 이렇게 되면 메인로터의 끝부분에서 와류(vortex)가 줄어들게 되고 회전면 모든 곳에서 양력이 증가되게 됩니다. 통상 지면이 평평하고 단단한 곳에서 효과가 증대되며 수풀이나 울퉁불퉁한 지형, 물 위에서는 공기흐름상태가 달라져 와류(vortex)가 오히려 증가되게 되어 상대적으로 지면효과는 감소합니다.

6. 자이로의 세차성

회전하는 물체에 힘을 가하게 되면 그 힘의 발현은 90도가 지나서 발현되는 현상입니다. 예를 들어 메인로터가 반시계 방향으로 돌고 있을 때 전진을 위해서 사이클릭을 전방압 하게 된다면 항공기 기수를 숙이기 위해서 로터의 회전면은 전방으로 기울게 됩니다. 이때 양력이 최대로 최대로 발생되어야 하는 부분은 180도 방향이어야 하기 때문에 양력을 위해 피치각이 적용되는 시점은 그 90도 전이 270도가 됩니다. 그렇기 때문에 세차성은 회전익 항공기를 설계할 때 꼭 필요한 이론입니다.