[비행역학] 헬리콥터의 자동회전(Autorotation)

자동회전(Autorotation)

헬리콥터를 운용하다 보면 엔진이 정지되는 등 비상상황일 일어나기도 합니다. 이때 항공기와 승무원을 살리기 위해 조종사는 비상절차를 실시하게 되는데 엔진이 정지했을 때 사용하는 기술이 바로 자동회전(Autorotation)입니다. 이는 엔진이 고장이나 다른 무엇의 이유로 멈추었을 때 항공기를 안전하게 착륙시키는 수단으로 , 고도라는 위치에너지를 속도라는 운동에너지로 변환시켜 착륙시키는 방법입니다. 모든 회전익 항공기는 자동회전을 위해 엔진과 로터사이에 자유회전장치(Freewheeling unit, 혹은 clutch)가 장착되어있어 엔진의 RPM과 로터의 RPM이 불일치 할시에 동력을 분리시켜 로터가 계속해서 회전할 수 있도록 만들어주는 장치입니다. 쉽게 설명하면 자전거를 생각해 보시면 됩니다. 자전거를 열심히 페달링 하고 나서 멈추게 되어도 페달은 가만히 있고 바퀴는 굴러가게 됩니다. 그것이 바로 자유회전장치입니다. 페달이라는 엔진은 멈추었지만 바퀴라는 로터는 계속 돌아가게 만들어주는 것 장치입니다. 다시 헬리콥터로 돌아가 이러한 자동회전 하강을 할 시, 정상적으로 로터가 운용되고 있다면 기류의 흐름은 위에서 아래로 흐르지만 자동회전을 할 경우에는 하강하면서 기류의 흐름은 아래에서 위가 됩니다. 하늘에서 바람개비가 떨어지면서 도는 원리라고 생각하시면 편합니다. 그럼 이경우 나타나는 현상과 로터회전면과 로터블레이드에 일어나는 현상을 알아보겠습니다.

1. 하강시 자동회전

대부분의 자동회전은 항공기가 전진하고 있을 때 일어나게 됩니다. 하지만 우리는 이해를 편하게 하기 위해 단순히 아래방향으로만 내려간다고 가정하겠습니다. 이러한 상황에서는 로터를 돌게 해 주는 힘은 거의 같다고 볼 수 있습니다. 그래서 항공기의 속도가 달라져도 양력의 불균형은 발생하지 않습니다. 헬리콥터가 자동 회전 상태에서 하강할 때, 로터 블레이드는 구동 영역(driven region), 피구동 영역(driving region), 그리고 실속 영역(stall region)이라는 세 가지 영역으로 나뉩니다.

첫째, 구동 영역은 로터 블레이드의 가장 바깥쪽 부분을 말합니다. 이 영역에서의 블레이드는 공기에 의해 밀려 회전하며, 이로 인해 생성된 에너지는 헬리콥터를 지탱하고 로터를 회전시키는 데 사용됩니다. 구동 영역에서의 블레이드는 공기와의 상호작용으로 인해 리프트를 생성하고, 이는 헬리콥터의 하강 속도를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.

둘째, 피구동 영역은 로터 블레이드의 중앙 부분에 해당합니다. 이 영역에서의 블레이드는 로터의 회전에 필요한 에너지를 제공합니다. 로터 블레이드가 공기를 밀어내면서 발생하는 힘은 피구동 영역을 통해 로터에 전달되어, 이를 회전시키는 데 사용됩니다.

셋째, 실속 영역은 로터 블레이드의 가장 안쪽 부분을 말합니다. 이 영역에서의 블레이드는 공기와의 상호작용이 별로 없어, 리프트를 거의 생성하지 않습니다. 실속 영역에서의 블레이드는 로터의 회전에 별로 기여하지 않지만, 로터 블레이드의 전체 구조를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 이렇게, 자동 회전 상태에서의 헬리콥터 로터 블레이드는 구동, 피구동, 실속 영역으로 나뉘어, 각 영역이 헬리콥터의 하강과 로터의 회전에 서로 다른 방식으로 기여하게 됩니다. 이는 헬리콥터의 비행 성능과 안정성을 유지하고, 특히 엔진 장애 등의 비상 상황에서 안전한 착륙을 가능하게 하는 중요한 원리입니다.

2. 전진비행시 자동회전

전진비행 중에 발생하는 자동회전력도 수직으로 하강하면서 발생할 때와 같은 원리로 얻어지게 됩니다. 다만 전진속도가 회전익의 회전판에 불어오는 공기흐름에 변화를 이르키기 때문에 앞에 설명한 3개의 영역이 왼쪽으로 이동하게 됩니다. 왜냐하면 전진을 하는 로터는 받음각이 작기 때문에 구동 부분이 커지고 후진하는 로터는 실속영역이 커지게 됩니다. 이는 전진비행 시 나타났던 양력불균형과도 연관이 있습니다. 자동회전을 하고 있더라도 항공기는 전진하고 있기 때문에 전진로터는 더 많은 상대풍을 받게 되어 양력이 커지면서 구동력이 덜 들어가게 되고 후진하는 로터는 그만큼 상대풍을 못 받기 때문에 실속영역이 커지게 된다고 생각하시면 됩니다.