회전익기 제자리비행 시 기류현상

오늘은 회전익기의 제자리 비행 시 기류현상에 대해 알아보겠습니다.

 

제자리 비행을 뜻하는 Hover라는 영어단어는 "맴돌다, 곤충, 새, 특히 매 종류가 공중에 떠 있는" 이라고 명시되어 있다. 이러한 의미에서 Hovering, 즉 제자리 비행은 공중의 한 지점에서 전후좌우 편류없이 일정한 고도와 방향을 유지하면서 가만히 머무르는 비행을 말한다. 이러한 제자리 비행은 헬리콥터 및 회전익의 특성이자 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.

 

 회전익은 고정된 날개가 없기때문에 로터 블레이드가 형성하는 회전면에 의해 양력이 발생하고 회전면에 경사를 주어 추진력도 얻을 수 있다.  제자리 비행시 돌풍과 같은 외부적인 요소와 조종사의 급조작 또는 오조작과 같은 내부적인 요소에 의해 평형상태가 깨지게 되고, 감수할 수 있는 범위 즉, 운용한계를 초과한다면 사고로 이어질 수 있다.

 

 

 

제자리 비행시 기류현상

제자리 비행시 나타나는 기류현상에 대해 알아보자. 더운 여름날 선풍기는 내장되어 있는 모터에 의해 프로펠러가 회전면하면서 뒤에 있는 공기를 빨아들여 앞으로 바람을 보낸다. 그렇다면 제자리 비행시 나타나는 기류는 어떠한 모습을 하고 있는지 살펴보자. 제자리 비행을 하기 위해 컬렉티브를 상방 압하여 피치 각을 증가시키면 날개의 윗면과 아랫면을 통과하는 기류의 속도차이에 의해 양력이 발생하고, 이에 헬리콥터는 수직으로 부양하면서 유도기류가 발생한다. 유도기류는 로터 회전면을 따라 위에서 아래로 하르는 하강풍을 말하며 유도기류는 피치각이 커질수록 증가된다.

 

 

 

제자리 비행은 선풍기와 달리 로터 회전면의 수직방향으로만 공기가 흐르지 않는다. 그림에서 보는 바와 같이 회전면의 익단 부근에서 와류가 형성되는데 와류란 '소용돌이 와(渦)', '흐를 류(流)'로서 소용돌이치며 흐르는 기류를 말한다. 이러한 와류는 양력발생 효율을 감소시킨다.

 

지면효과

지면효과란 지면에 근접하여 운용 시 로터 하강풍이 지면과의 충돌로 양력발생 효율이 증대되는 현상을 말한다. 이러한 지면효과를 쉽게 이해하기 위해서는 먼저 지면효과에 의해 나타나는 기류의 모습을 이해해야 하는데 그림을 통해 알아보자.

 

 

 

수면위에서 제자리 비행하는 모습이 지면효과에 의해 나타나는 기류의 모습을 잘 보여주는 사진이다. 로터 회전에 의해 하강풍은 항공기 직하방으로 흐르게되고 그 기류는 외측으로 다시 굽어 흐르게 된다. 그림에서 보듯이 로터 회전에 의해  발생하는 하강풍은 지면과 충돌하면서 유도기류 속도가 감소되고 이에 유도항력도 감소하게 된다. 또한 하강기류에 의해 익단에서 발생하는 와류가 감소되어 양력발생 효율은 증대된다.

 

지면효과(Ground Effect)를 받지 않을 때 나타나는 현상

 

 

위쪽의 그림의 좌측은 지면효과를 받는 경우이고 우측은 지면효과가 없는 상태이다. 먼저 지면효과를 받을 때이다. 헬리콥터가 지면효과를 받으면서 제자리 비행시 유도기류 속도는 지면과 충돌하면서 감소하므로 유도항력이 감소하게 된다. 이에 유도항력이 감소된만큼 영각(받음각)은 증가하게 되어 수직 양력이 증가된다. 항공기가 Runway에서 제자리 비행을 하고 있다고 가정했을 때 로터 회전면의 상층부 기류는 로터 회전에 의해 아리래 흐르게 되어 유도기류가 발생한다. 이 유도기류는 지면과 부딪치면서 외측으로 굽어 흐르기 때문에 그 속도는 감소하게 된다.

 

앞서 설명한 바와 같이 날개의 전연과 후연을 연결한 선을 익현선이라고 하였다. 로터 회전에 이해 발생하는 회전상대풍은 유도기류에 의해 수정되어 합력 상대풍으로 나타난다. 영각(받음각)은 익현선과 합력상대풍이 이루는 각이므로 유도기류 속도가 감소되면 유도항력이 감소되고, 그만큼 영각(받음각)은 증가하여 수직양력은 증가하게 되는 것이다.

 

 지면효과를 받는 제자리 비행시 유도기류는 지면과의 충돌로 유도기류 속도가 감소되지만 반대로 지면효과를 받지않는 제자리 비행은 이러한 충돌효과를 받지 못하기 때문에 유도기류 속도가 증가되고 이에 따라 유도항력은 증가된다. 그러므로 익현

선과 합력상대풍의 사이각인 영각(받음각)이 감소하게 되어 수직양력은 그만큼 감소하게 된다.

 

 

지면효과와 양력과의 관계

 

지면효과는 양력과 밀접한 관계를 맺고 있는데 지면효과를 받으면서 제자리 비행 시 고도에 따라 어떻게 나타나는지 알아보자. 아래 그림에서도 알 수 있듯이 지면효과에 의해 메인로터 직경의 1/6이 되는 고도에서는 로터 추진력이 20%나 증가되며, 메인로터의 직경의 1/2이 되는 고도에서는 약7%의 로터 추진력 증가율을 보이고 있다. 그러나 고도가 증가할수록 추진력 증가율은 감소되고 로터 직경의 1배되는 고도에서는 추진력 증가율이 "0"이 된다. 이는 로터 직경의 1배이상 고도에서는 지면효과를 받지 못한다는 것을 의미한다.

 

 

 

지면효과의 증대 및 감소요인

 

지면효과는 메인로터의 회전에 의해 발생하는 하강기류가 지면과 충돌하여 발생하므로 결국 헬리콥터의 고도와 지면상태, 주변환경에 따라 달라지게 된다. 먼저 지면효과 증대요인을 알아보면 그래프에서 살펴보았듯이 메인로터 직경의 1배 미만 고도에서는 지면효과가 증대되고, 무풍시 유도기류가 직하방으로 흘러 지면과 충돌하면서 외측으로 굽어 흐르기 때문에 익단 와류가 감소되어 지면효과는 증대된다. 또한, 지면상태는 유도기류 속도를 흡수하지 않고 그대로 반사시키는 장애물이 없는 평평한 지형에서 그 효과는 증대된다.

 

 반대로 지면효과를 감소시키는 요인은 로터 직경의 1배 이상의 고도에서는 지면효과가 감소되고, 바람이 불 경우 유도기류가 후방으로 또는 측방으로 흐르게 되어 지면효과는 감소하게 된다. 또한, 아스팔트나 콘크리트로 포장된 곳과 달리 수면이나 풀숲, 수목상공 등은 하강기류 속도를 흡수하기 때문에 지면효과는 감소하게 된다.