[비행역학] 헬리콥터의 전진비행과 그에따른 현상

전진비행

헬리콥터가 전진비행을 하기 시작하면 여려 현상들이 동시에 나타나게 됩니다. 그것은 항공기 기종별로 특성이 있을 수 있지만 대부분의 현상을 동일합니다. 전진비행이라 함은 항공기의 회전면을 앞으로 기울어지게 함으로 수직방향과 수평방향의 성분을 동시에 만들어 항력보다 높은 추력과 양력을 생성해 내어 앞으로 전진하는 것 을 말합니다. 이때 나타나는 현상들을 말씀드리겠습니다.

1. 전이양력

전이양력(translational lift)은 헬리콥터가 전진 비행을 시작할 때 발생하는 현상으로, 헬리콥터가 정지 상태에서 하버링(hovering, 고정된 위치나 고도에서 공중에 머무는 것)을 하고 있을 때, 로터는 아래로 하강풍을 생성합니다. 하지만 헬리콥터가 전진 비행을 시작하면, 공기 흐름은 더 이상 로터 아래로만 향하는 것이 아니라, 로터 디스크를 통과하는 공기의 일부는 앞쪽에서 들어옵니다. 이때 항공기의 로터에 생기는 와류는 뒤로 빠져나가 양력이 증가되게 되고 이를 '전이양력'이라고 부릅니다. 이때 특정 속도(약 16~24kt)가 되면 '유효전이양력'이라는 힘이 생기게 됩니다. 헬리콥터가 이 속도에 도달하면, 로터 디스크를 통과하는 공기의 대부분이 앞쪽에서 들어오게 되어, 로터가 자기 자신이 생성한 다운워시를 '탈출'하게 됩니다. 이로 인해 로터는 전방에서 유입되는 공기흐름과 상호작용하게 되어 더 많은 양력을 생성하게 됩니다. 이를 '유효 전이양력'이라고 부릅니다.

2. 유도흐름과 교차흐름효과

헬리콥터가 전진 비행을 할 때 유도흐름(induced flow)과 교차흐름효과(transverse flow effect)이 발생합니다. 헬리콥터가 전진 비행을 시작하면, 로터 블레이드가 회전하면서 공기를 아래로 밀어내는 유도흐름이 발생합니다. 이 유도흐름은 로터 블레이드와 상호작용하여 양력을 생성하는데, 헬리콥터가 전진하면서 이 유도흐름이 약해지게 됩니다. 이는 로터 블레이드가 전진 방향으로 공기를 만나면서 발생하는 현상으로, 이로 인해 헬리콥터는 전진 비행에 필요한 추가적인 양력을 얻게 됩니다. 그러나, 로터 디스크의 앞쪽 부분과 뒤쪽 부분에서 공기와의 상호작용이 다르게 발생하게 되는데, 이를 교차흐름효과라고 합니다. 전진 비행 중에는 로터 디스크의 앞쪽 부분이 공기를 만나면서 먼저 양력을 생성하게 됩니다. 반면, 디스크의 뒷부분은 상대적으로 느린 공기를 만나게 되므로 양력 생성이 뒤따르게 됩니다. 이로 인해 발생하는 불균형이 교차흐름효과를 발생시키며, 이는 헬리콥터의 비행 안정성에 영향을 미칩니다. 교차흐름효과는 헬리콥터가 전진 비행을 할 때 느껴지는 진동의 원인 중 하나로, 헬리콥터의 전체 비행 성능에 영향을 미칩니다. 이를 보정하기 위해 조종사는 로터 블레이드의 피치 각도를 조절하거나 로터의 회전 속도를 변경해야 합니다. 이러한 교차흐름효과는 양력의 불균형이라고도 합니다.

3. 양력의불균형

헬리콥터가 전진 비행을 수행할 때 발생하는 양력의 불균형은 헬리콥터의 비행 성능과 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 이 불균형은 주로 헬리콥터의 로터 블레이드가 공기와 상호작용하는 방식에 기인하는데, 이는 헬리콥터의 전진 비행 속도와 로터 블레이드의 회전 속도에 따라 달라집니다. 전진 비행 중에는 로터 블레이드의 전방 반원은 전진하는 방향으로 공기를 만나게 됩니다. 이로 인해 로터 블레이드의 전방 반원에서는 양력이 더 빨리 생성되며, 이는 로터 블레이드의 후방 반원보다 높은 압력을 생성합니다. 반면, 로터 블레이드의 후방 반원은 상대적으로 느린 공기를 만나게 되어, 여기에서 생성되는 양력은 전방 반원보다 작습니다. 이로 인해 발생하는 양력의 불균형이 헬리콥터의 비행 안정성에 영향을 미칩니다. 이러한 양력의 불균형은 교차흐름효과(transverse flow effect)라는 현상으로 알려져 있으며, 헬리콥터가 전진 비행을 할 때 느껴지는 진동의 주요 원인 중 하나입니다. 교차흐름효과는 로터 블레이드가 공기와 상호작용하는 방식에 따라 발생하므로, 이를 줄이기 위해서는 로터 블레이드의 피치 각도를 조절하거나 로터의 회전 속도를 변경해야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 헬리콥터 조종사는 '사이클릭 피치 조절(cyclic pitch control)'라는 기술을 사용합니다. 사이클릭 피치 조절은 로터 블레이드의 피치 각도를 로터 블레이드가 회전하는 동안에 변경하는 것으로, 이를 통해 로터 블레이드의 각 부분에서 생성되는 양력을 세밀하게 조절할 수 있습니다. 이로 인해 헬리콥터는 양력의 불균형을 줄이고, 전진 비행 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 기계적으로 '블레이드 플래핑(blade flapping)'이라는 기술을 사용하여 이 문제를 해결합니다. 블레이드 플래핑은 로터 블레이드가 위아래로 움직이도록 설계되어, 이로 인해 로터 블레이드의 각 부분에서 생성되는 리프트를 조절할 수 있습니다. 완전접합식 회전익 같은 경우에는 플래핑에 더해 댐퍼를 달아 리드래그(lead-leg) 현상을 유도해 해소하기도 합니다. 만약 이 양력불균형이 심화되면 블로우백(blow back) 현상이 일어날 수 있습니다. 이것은 양력불균형에 더해 플래핑현상이 나타나면서 생기게 되는데 이때 조종사는 사이클릭을 조절하여 블로우백(blow back) 현상을 막아주어야 합니다. 이렇게, 헬리콥터는 다양한 기술을 통해 전진 비행 중에 발생하는 양력의 불균형 문제를 해결하게 됩니다.