드론자격증 필기시험] 회전익(멀티콥터)에 작용하는 힘과 회전익기의 특성

회전익(멀티콥터)에 작용하는 힘

 

 

1. 양력, 중력, 추력, 항력

 

 

항공기(멀티콥터)에 작용하는 힘에는 양력, 중력, 추력, 항력이 있다.

 

 먼저 양력이란 상대풍에 수직으로 작용하는 항공역학적인 힘을 말하며 여기에서 상대풍은 날개를 향한 기류방향을 뜻한다.

 둘째, 항공기의 중력은 항공기/멀티콥터 등이 중력을 받는 힘이며, 그 방향은 지구중심을 향하고 있다. 이러한 중력은 양력과 반대되는 힘이라 할 수 있다.

셋째, 추력은 공기 중에서 항공기를 전방으로 움직이게 하는 힘이다. 고정익 항공기의 경우 뉴턴의 제3법칙 작용과 반작용의 법칙에 의해 제트엔진에서 고온 고압의 가스를 뒤로 분출함으로써 추력이 발생되지만 헬리콥터는 엔진에 의해 메인로터가 회전하게 되고, 회전하는 메인로터에 경사를 주어 추력을 발생하게 된다.

넷째, 항력의 사전적인 의미는 추력에 반대방향으로 작용하는 힘, 또는 항공기/멀티콥터 등의 공중진행을 더디게 하는 힘이라고 할 수 있다. 이러한 항력은 공기의 밀도, 기온, 습도에 따라 그 힘의 크기가 달라진다.

 

1)양력

 양력은 합력 상대 풀에 수직으로 작용하는 항공역학적인 힘이다. 양력은 양력계수, 공기밀도, 속도의 제곱, 날개의 면적에 비례한다. 여기에서 양력계수란 풍동실험을 통해 날개에 작용하는 힘에 의해 부양하는 정도를 수치화한 것이다.

 

2)항력

항력은 합력 상대 풍에 수평으로 작용하는 항공역학적인 힘이다. 이러한 항력이 발생하는 대표적인 원인은 공기 점섬에 의한 표면마찰이다. 공기 점성은 날개 주위로 공기를 흐르게 하여 양력을 발생시키는 원인으로도 작용하지만 표면과의 마찰로 인해 항공기의 공중진행을 더디게 하는 항력으로도 작용한다.

 

 회전인 항공기에 나타나는 항력에는 유도항력과 형상항력 그리고 유해항력으로 구분할 수 있다. 먼저 유도항력은 헬리콥터가 양력을 발생함으로써 나타나는 유도기류에 이한 항력이다. 형상항력은 유해항력의 일존으로 회전익 항공기에서만 발생하며 블레이드가 회전할 때 공기와 마찰하면서 발생하는 마찰성 항력이다. 유해항력은 전체 항력에서 메인로터에 작용하는 항력을 뺀 나머지 항력을 말한다. 먼저 유도항력이란 양력발생시 동반되는 하향기류 속도와 날개이 윗면과 아랫면을 통과하는 공기흐름을 저해하는 와류에 의해 발생되는 항력으로 향력과 관계되는 모든 종류이 항력을 유도항력이라고 한다.

 

 

 

 

다음은 형상항력에 대하여 알아보자.

 

 

형상항력은 블레이드가 공기중을 통과할 때 표면마찰에 의해 발생하는 마찰성 저항이며 회전익 항공기에서만 발생한다. 실제로 유체의 흐름속에 물체가 존재할 경우 표면을 접한 유체는 자체 점성에 의해 물체에 부착하려고 하고, 표면에서 떨어져 흐르는 유체를 표면에 가까운 유체쪽으로 끌어당기려고 한다. 위의 그림을 통해 유체의 점성을 살펴보면 유체점성에 의해 블레이드 표면은 하나의 공기막을 형성하게 되며 표면에 가까이 있는 공기를 끌고 가려는 현상이 발생한다.

 

 이러한 유체의 점성에 의해 마찰력을 받게되며, 이 마찰력은 항력으로 작용하게 된다. 쉬운 예를 들어 우리가 통상 쑥떡을 먹을 때는 표면에 참기름을 발라서 먹는다. 또 다른 방법은 쑥떡 표면에 참기름을 바르고, 콩고물을 뿌려 먹기도 한다. 두 가지를 비교해보면 참기름만 바른 쑥떡보다 콩고물을 뿌린 쑥떡이 더 달콤하지만 목넘김은 불편하다. 이는 콩고물이 입안에서 마찰력으로 작용하기 때문이다. 이처럼 자체 점성에 의해 날개에 부착된 유체는 마찰력을 발생하며, 이는 항력으로 작용하는 것이다. 이러한 형상하력은 영각(받음각)의 변화에 좌우되지 않지만 마찰성 저항이므로 속도변화에 많은 영향을 준다.

 

다음은 유해항력에 대해 알아보자.

유해항력이란 로터블레이드를 제외한 항공기의 외부부품에 의해 발생하는 항력이다. 유해항력은 항공기 형체, 표면마찰, 크기, 설계 등에 영향을 받으며 유해항력도 마찰성 저항이므로 양력발생과는 무관하지만 속도제곱에  비례하여 나타난다. 여기서 주목해야 할 점은 풍동실험 결과 각 구성품이 모두 조립된 항공기 전체의 유해항력은 각 구성품 유해항력의 합보다 크다. 왜냐하면 조립된 항공기의 경우 구성품과 구성품 사이의 틈이나 결합부분이 항력을 유발시키는 요인으로 작용하기 때문이다.

 

이러한 유해항력을 감소하기 위애 유해항력이 발생할 수 이쓴 노출을 최소화하고, 항공기 형상을 유선형으로 설계하고 있다. 예를들어 속도가 느린 경비행기의 경우 착륙장치인 랜딩기어가 외부로 노출되어 있지만 속도가 빠른 여객기나 전투기의 경우 유해항력을 최소화하기 위해 밖으로 나왔다가 안으로 접혀 들어가는 인입식 랜딩기어를 장착하고 있는 것이다.

 

 

2. 헬리콥터에 작용하는 힘과 비행방향

 

헬리콥터는 비행방향에 따라 작용하는 힘의 관계가 달라진다. 즉 작용하는 추력방향에 따라 전진비행, 후진비행, 왼쪽비행 그리고 오른쪽 비행이 가능하다. 그러나 일반적인 항공기에서와 같이 등속도 수평비행 상태를 유지하기 위해서는 추력(T)=항력(D), 양력(L), 중력(W)과 같은 비행조건이 요구된다.

 

 

 

3. 제자리 비행과 수직상승 및 하강 비행 방향

헬리콥터는 추력에 의해 양력을 포함시키고, 항력에 중력을 포함하면 각각 제자리 비행(Hovering)과 수직 상승비행 및 수직 하강비행 상태가 된다.

 

 

 

회전익(수직이착륙)기의 특성

 

제자리비행, 측방 및 후진비행, 수직 이.착륙, 엔전정지시 자동활공, 최대속도제한, 동적불안정

 

회전익기의 특성중 첫째는 제자리 비행이 가능하다. 제자리 비행(Hovering)이란 일정한 고도와 방향을 유지하면서 공중에 머무는 비행술로 회전익(수직이착륙)의 가장 큰 장점이자 특성이다. 고정된 날개를 갖고 있는 항공기는 엔진에서 발생한 회전력을 프로펠러에 전달하여 추진력(Trust)을 발생시키고 여기서 발생한 추진력과 날개(Wings)를 이용하여 동체를 부양시키는 힘(Lift), 즉 양력을 발생시킨다. 그러나 회전익(수직이착륙)기는 회전하는 회전체(로터 블레이드)가 형성하는 회전면에 의해서 추진력과 날개의 역할을 동사에 수행한다.

 

 따라서 회전익(수직이착륙)기는 회전익의 피치각(Blade Pitch Angle)에 의해서 부양할 수 있는 힘을 얻고, 회전면(Plane of Rotation)의 경사에 의해서 추진력(Trust)을 발생한다. 무풍상태라고 가정할 때 제자리비행은 회전면과 지면이 수평을 이룰 때 상층부의 공기를 직하방으로 밀어내면서 회전익(수직이착륙)기는 부양하는 힘을 얻고 제자리 비행이 가능하다. 또한 회전익(수직이착륙)기는 제자리 비행으로 종료된다고 할 수 있을 정도로 여려면에서 활용되고 있다.

 

둘째, 측방 및 후진비행이 가능하다. 회전익(수직이착륙)기를 이해하는 데는 회전면을 고려해야한다. 고정익 항공기는 상상할 수 없는 측방, 후방 비행은 회전면을 측방으로 혹은 후방으로 기울임으로써 가능하게 한다. 동체 상부 구동축에 연결되어 있는 메인 로터는 매우 빠른 속도로 회전하기 때문에 회전체를 단일 개체로 고려할 수 없다. 제자리 비행 상태에서 회전면이 좌측이나 우측으로 경사지면 회전익(수직이착륙)기는 경사진 방향으로 추진력을 얻을 수 있다. 조종사가 사이클릭을 측방으로 또는 후방으로 압을 적용하면 원하는 방향으로 비행할 수 있으며, 그만큼 활동영역이 증대되는 것이다.

 

셋째, 수직 이.착륙이 가능하다.

제자리 비행이 가능하다는 특성은 회전익(수직이착륙)기의 동체 길이가 허용하는 정도의 공간만 확보되어도 그 장소에서 이.착륙이 가능하게 한다. 그러나 회전익(수직이착륙)기의 수직 이.착륙은 수평직진비행보다 상대적으로 많은 동력을 요구하기 때문에 다소 제한된 조건에서 활용된다. 즉, 일반적으로 군용 헬리콥터의 경우 많은 임무수행을 위해 공격 헬리콥터는 무장을 실시해야 하며, 기동헬리콥터는 많은 인원 또는 화물을 공수해야하므로 이러한 경우는 많은 동력을 사용해야하므로 헬리콥터의 안전성 확보를 위해 일정한 운용범위 한계 내에서 운용할때의 이.착륙은 충분한 이륙 활주 및 착륙 활주가 가능한 존건에서 이루어진다.

 

넷째, 엔진 정지시 자동활공(Auto-rotation)이 가능하다.

현대에 개발되는 항공기 엔지는 고도로 정밀하게 제작되었기 때문에 비행 중 엔진 고장율이 극히 낮으나 엔진 고장이 가능성을 완전히 배제할 수는 없다. 고정익 항공기는 최후의 경우 탈출(Ejection)을 시도할 수 있지만, 회전익 항공기는 엔진에서 발생한 동력을 규정된 RPM에서 운용되고 있으며 필수적으로 규정된 이 RPM은 유지되어야 한다. 동력을 변화시켜 추진력을 변화시키는 고정익 항공기와 달리 회전익(수직이착륙)기의 로터 블레이드 RPM은 반드시 규정범위를 유지되어야 한다.

 

그러나 규정 RPM보다 낮아지면 정상적으로 회전익(수직이착륙)기를 운용할 수 없게 된다. 따라서 회전익(수직이착륙)기의 로터 RPM은 매우 중요한 요소로 로터 RPM이 0이 된다는 것은 정지되어 있는 회전익과 같기 때문에 회전익(수직이착륙)기는 바위 덩어리와 다를 바 없으나 조종사가 조치만 잘 한다면 회전익(수직이착룩)기는 자동으로 활공을 할 수 있다.

 

자동활공이란 높은 위치에서 바람개비 또는 코스모스를 놓았을 때 지면으로 떨ㅇ지면서 공기의 영향으로 회전력을 얻는 것과 같은 원리이다. 회전익기 엔진이 정지됨과 동시에 엔진 구동축과 로터 시스템이 분리되어 로터 블레이드는 동체가 공기 속을 통과할 때 회전력을 얻어 활공할 수 있다. 회전기기의 활공비는 1:3 또는 1:4 정도로서 고도 1000피트에서 엔진고장 시 활공할 수 이쓴 거리는 약 3,000~4,000피트가 된다. 경비행기에 비해어 활공 거리가 짧으므로 엔진 고장을 인식한 순간부터 지면에 안전하게 불시착하기 위해서는 고도의 훈력이 요구된다.

 

다섯째, 최대속도가 제한된다. 

어느 항공기나 최대속도가 규정되고 그 속도를 초과했을 때는 항공기에 상당한 누미를 가하게 될 것이다. 미국에서 제작한 "에어울프'라는 드라마처럼 회전익(수직이착륙)기도 고정익 항공기와 같이 초음속을 달성할 수 있을까? 과학기술이 발달하면서 이러한 제한사항은 극복될 수 있겠지만 항공역학과 현재의 기술수준을 고려했을 때 당분간은 어려울 것이다. 회전익기 최대속도의 제한은 회전익기 회전익의 특성에 의한 속도한계를 의미한다. 고정익 항공기는 최저속도가 제한된다. 최저속도 이하에서 비행기는 실속(Stall)에 들어가기 때문에 비해을 할 수 없다. 그러나 회전익기는 제자리 비행이 가능하기 때문에 최저속도는 제로가 되고 최저속도에 대한 영향을 받지않으나, 고정익 항공기와 반대로 회전익의 한계때문에 최대속도가 제한이 된다.

 

회전익기의 추진력은 블레이드의 회전력과 회전면의 경사에 의해서 얻을 수 있다. 보다 큰 힘을 그리고 보다 빠른 속도를 얻기 위해서는 보다 높은 RPM이 요구된다. RPM이 높을수록 고속 전진비행에 따른 양력 불균형 현상이 심화된다. 무풍에서 제자리 비행할때 회전면 전체에서 고르게 양력이 발생한다. 그러나 회전익(수직이착륙)기가 전진함에 (좌로 전진하는 회전익) 따라 회전면은 전진방향 우측 블레이드는 전진 블레이드가 되고 좌측면은 퇴진 블레이드가 되어 상대적인 속도차가 발생하고 속도 차는 필연적으로 양력차를 발생하여 결국 양력 불균형이 발생한다. 따라서 최대속도로 비행할때 회전면은 순항 속도보다 상대적으로 앞으로 많이 기울어진 자세가 되고 최대 속도 이상을 초과할때는 동체의 심한 진동과 함께 퇴진 블레이드 쪽으로 경사져 정상비행이 불가능해진다. 이러한 양력 불균형으로 인해 회전익기는 최대속도가 제한된다.

 

여섯째, 동적불안정이다.

동적 불안정이란 평형 상태에 있는 물체에 외부의 힘이 가해졌을 때 시간의 경과와 더불어 진동이 감소하지 않고 진폭이 점점 커지는 상태를 말한다. 회전익(수직이착륙)기는 제자리 비행 시 이러한 특성을 가지고 있어서 조종사가 수정 조작을 하지 않으면 계속적인 진폭의 증가로 위험한 상황까지 갈 수 있다. 이러한 형상은 풍동실험을 통해 동적 불안정, 진폭의 증가가 얼마나 위험한지 알 수 있다. 동체의 동적 불안정이 지속되면 어느순간 한계치를 초과하게 되고 동체의 피로도는 증가되어 항공기는 결국 파손된다. 또한, 동적 안정성은 조종성과고 연관되어 안정성이 강한 항공기는 일반적으로 조종성이 좋으며 조종사의 피로도 감소시킬 수 있다. 그러므로 항공기 설계 시 이 점을 고려하여 안정성과 조종성을 적당히 조화시켜야 한다.