• 정지비행 (Hovering)
   

  그림 7-1  정지비행 (호버링)

  헬리콥터가 제자리에서 정지비행을 할 때 이를 호버링(hovering)이라 한다. 헬리콥터가 무풍상태에서 호버링시 로터(rotor)의 회전면(rotor disc) 혹은 깃끝 경로면(tip path plane)은 수평지면과 평행이다.  호버링하는 동안 양력과 추력, 항력과 무게는 동일 방향으로 작용하며, 양력과 추력의 합은 무게와 항력의 합과 같다. 호버링 상태에서 추력을 증가시켜 양력과 추력의 합이 항력과 무게의 합보다 크게되면 헬리콥터는 상승비행을 시작하고, 반대로 추력을 감소시켜 양력과 추력의 합이 항력과 무게의 합보다 작게되면 헬리콥터는 하강비행을 시작한다.

• 전진/후진비행
   

  그림 7-2  전진/후진비행

  헬리콥터는 로터의 회전면(rotor disc)을 앞뒤 좌우로 기울여 전/후진, 횡진비행을 수행한다.  그림 7-2와 같이 헬리콥터의 로터회전면을 앞뒤로 기울였을 때, 양력과 무게의 크기는 같고 추력이 항력보다 크다면 헬리콥터는 로터회전면이 기운 방향으로 수평 전진/후진 비행을 시작한다.

• 횡진비행
   

  그림 7-3  횡진비행

  그림 7-2와 같이 헬리콥터의 로터회전면을 좌우로 기울였을 때, 양력과 무게의 크기는 같고 추력이 항력보다 크다면 헬리콥터는 로터회전면이 기운 방향으로 수평 횡진 비행을 시작한다.

그림 7-4  양력 불균형 발생원리

그림 7-4에서 보는 바와 같이 로터블레이드 끝 속도가 350 Knot으로 회전하면서 정지비행을 수행하고 있던 (그림 7-4 A) 헬리콥터가 속도 100 Knot로 전진비행을 시작한다면, 상대속도는 뒤쪽에서 앞쪽으로 전진하는 로터 블레이드에서는 100 Knot씩 증가하고 앞쪽에서 뒤쪽으로 후퇴하는 로터 블레이드에서는 100 Knot씩 감소하게 된다.  따라서, 회전면내 블레이드의 받음각이 동일하다면 회전면 우측에서의 양력은 좌측에서의 양력보다 훨씬 크게 되어 헬리콥터가 좌측으로 기우는 양력 불균형의 원인이 된다.
양력 불균형을 해소하기 위하여 헬리콥터는 다음의 방법을 사용한다.

• 플래핑 로터 블레이드 (Flapping Rotor Blade):  플래핑이란 로터 블레이드가 회전하면서 오르락 내리락 하는 것을 말한다.  플래핑 로터 블레이드란 관절식 로터(articulated rotor)로써 로터 뿌리에 힌지를 장착하여 블레이드가 아래위로 움직일 수 있게 한 것을 말한다.  헬리콥터가 전진 수평비행시 전진하는 블레이드는 양력에 의해 위로 플래핑되고 받음각이 감소하게 되어 양력이 감소하게 된다.  반대로 후퇴하는 블레이드는 양력감소로 아래로 플래핑 되고 받음각이 증가하여 양력이 증가하게 된다.  이러한 플래핑에 의해 양력 불균형 현상은 해소된다.
  플래핑 장치의 또 다른 하나로 Semirigid Rotor가 있는데, 이 것은 허브(hub, 로터 뿌리부분)에 힌지가 없고 허브 자체가 회전하면서 경사를 주어 플래핑 운동을 할 수 있게 작동한다.

• 싸이클릭 피치 조종장치 (Cyclic Pitch Control System):  싸이클릭 피치 조종장치는 로터 블레이드가 플래핑을 하는 대신, 회전시 전진하는 블레이드의 받음각을 감소시키고, 후퇴하는 블레이드의 받음각은 증가되도록 만든 장치이다.  회전시 받음각의 조정으로 양력 불균형 현상을 해소시킨다.

그림 7-5  회전면 내 로터 블레이드 받음각 분포

 

실제 헬리콥터의 로터 블레이드 회전방향은 상면에서 내려보았을 때 위 그림과 같이 반시계 방향으로 회전하지만 모형 헬리콥터에서의 로터 블레이드는 시계방향으로 회전합니다.  회전 방향이 다르기 때문에 회전하는 로터 블레이드, 스테빌라이저의 장착방향 역시 실제와 모형은 서로 반대로 되어 있습니다.  회전방향이 다른 것은 별다른 이유는 없고 최초 설계시 설계자가 시계방향 또는 반시계방향을 택했기 때문입니다.  참고로, 실제 헬리콥터 로터블레이드 회전방향은 미국(Bell 등)은 반시계 방향, 구소련/러시아(Sikorsky 등)는 시계방향입니다.  국가별/지역별 개성이나 주관일까요?



 

그림 7-6  전진중 회전날개에 작용하는 속도 성분
그림 7-6에서 보는 바와 같이 헬리콥터가 전진 비행시 회전날개의 로터 블레이드는 양력이 로터 뿌리에서 만드는 모멘트와 원심력이 로터 뿌리에 만드는 모멘트와 평형이 될 때까지 위로 쳐들게 되어 회전면을 밑면으로 하는 원추(cone) 모양을 만들게 된다.  이 때 회전면과 원추 모서리가 이루는 각을 코닝각(coning angle: β)이라 한다.
로터 블레이드가 받는 상대속도는 다음 공식과 같다.

[Vψ: 블레이드의 상대속도,  V: 상대풍 속도(전진속도),  α: 받음각,  β: 코닝각,  Ψ: 방위각,  Ω: 각속도(dΨ/dt)]

   [ρ: 공기밀도,  Vψ: 블레이드의 상대속도,  C: 시위길이,  r: 블레이드 길이, C_L: 양력계수]

   [ρ: 공기밀도,  Vψ: 블레이드의 상대속도,  C: 시위길이,  r: 블레이드 길이, C_D: 양력계수]
 
 

전형적인 헬기 즉, 메인로터와 테일로터로 구성된 단일 로터식 헬기 이외에도 헬기의 종류에는 로터의 구성과 배열에 따라 직렬로터식 헬리콥터(tandem rotor helicopter, 예: 씨누크 헬리콥터), 병렬로터식 헬리콥터(side by side rotor helicopter, 예: V-22 항공기), 동축반전로터식 헬리콥터(coaxial rotor helicopter)가 있습니다 (그림 7-8).


직렬로터식 헬리콥터는 위에서 내려다 보았을 때 두 개의 로터가 세로로 배열된 헬리콥터이고, 병렬로터식 헬리콥터는 두 개의 로터가 가로로, 동축반전로터식 헬리콥터는 동일축상에 아래위로 두 개의 로터가 함께 돌아가는 형태입니다.  이러한 세가지 형태의 헬리콥터는 테일로터가 없어도 두 개의 로터가 서로 반대방향으로 회전하므로 토오크가 상쇄되어 토오크 효과가 발생하지 않습니다.

• 후퇴하는 블레이드의 익단실속(Blade Tip Stall)

앞에서 언급한 블레이드 상대속도 방정식 에서, 후퇴하는 블레이드(Ψ=270° 일 때)의 상대속도는 sinΨ 값이 -1로써 최소가 된다.  이 때 비행속도 V가 커지면 커질수록 첫 번째 항의 음(-)의 값은 더욱더 커지게 된다.  따라서 후퇴하는 블레이드는 양력을 얻기 위하여 블레이드 받음각이 블레이드 끝에서 최대가 되고, 익단실속에 들어가게 된다.  이 후퇴하는 블레이드의 익단실속 현상에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.

• 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 된다.  이 때 두 번째항의 r 값이 작은부분(블레이드 뿌리 즉, 허브부분)에서는 두 번째항의 크기가 첫 번째 항의 크기보다 작게되어 전체 블레이드 상대속도가 음(-)의 값을 가지는 역류가 발생하게 된다.  이 역류는 비행속도 V가 커질수록 더욱더 심하게 된다.  따라서 헬리콥터는 이 후퇴하는 블레이드의 뿌리부분에 발생하는 역류에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.

• 전진하는 블레이드의 익단 충격파(Blade Tip Shock Wave)

앞에서 언급한 블레이드 상대속도 방정식 에서, 전진하는 블레이드(Ψ=90° 일 때)의 상대속도는 sinΨ 값이 1로써 최대가 된다.  이 때 비행속도 V가 커지면 커질수록 상대속도는 더욱더 커지게 된다.
비행속도가 음속에 가까워지면, r 값이 큰 부분(블레이드 끝 부분)에서 먼저 음속에 도달하게 되고 충격파가 발생하여 항력이 급격히 증가하게 되어 실속에 들어가게 된다.  따라서 헬리콥터는 이 전진하는 블레이드 익단 충격파 발생에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.

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