전진 비행 시 로터블레이드 영역에 관하여(양성양력 영역, 무양력 영역, 역기류영역, 실속영역, 음성양력 영역)

회전익 항공기의 경우, 제자리비행에서 전진비행으로 전환되게 되면, 전혀 새로운 물리환경에 맞닥뜨리게 된다. 제자리비행상태에서의 회전익과 전진비행상태의 회전익은 서로 다른 항공기라고 해도 무방할 정도로, 다른 계(界)에 편입되게 되는 것이다. 

 

제자리비행, 특히나 무풍지대의 제자리비행 상태에서는 항공역학이라고 할 것도 없다. 이상적인 환경에서의 로터블레이드는 교과서에 나와 있는 상태 그대로이기 때문이다. 하지만 제자리비행에서 전진비행으로 전환되면, 같은 블레이드라고 해도 익단과 익근 사이의 차이가 생기고, 각각의 블레이드 역시 위치에 따라 새로운 기류 영역에 들어가게 된다. 

 

이 글에서는 제자리비행에서 전진비행으로 전환될 때 어떤 일이 일어나는지 간략하게 살펴보고(이것에 관해서는 다른 글에서 심도있게 다루겠다.) 로터 블레이드의 각 영역에서 기류는 어떻게 되는지, 양력과 더 나아가 총항공역학적인 힘인 TAF는 어떻게 되는지 얘기해보고자 한다.

 

제자리비행에서 전진비행으로 전환되면

 

전진속도가 생기게 된다.

 

이는 무엇을 의미하는가? 블레이드의 회전방향과 전진속도 사이의 상호작용이 생긴다는 뜻이다. 즉, 제자리비행이었을 때는 모든 회전면의 회전속도가 같았다면, 전진비행일 때는 각기 달라진다는 뜻이다. 다음의 그림을 보자.

 

출처: helicopter flying handbook

항공기의 전진속도가 120낫트라고 하고, 로터 블레이드의 회전속도(각속도)를 480낫트라고 하자. 이 때, 전진블레이드의 속도는 600낫트가 되고, 퇴진블레이드의 속도는 360낫트가 된다. 전진블레이드의 경우 전진속도가 더해지고, 퇴진블레이드는 전직속도가 그만큼 감해지기 때문이다.

 

즉, 전진비행을 하게 됨에 있어, 전진블레이드와 퇴진블레이드의 속도 차이는 '항공기의 전진속도의 2배'만큼 나게 되고, 이러한 속도 차이는 양력불균형을 야기시킨다. 양력은 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.

 

이제 본론으로 들어가자.

 

그렇다면 제자리비행에서 전진비행으로 전환될 때 로터블레이드의 영역에서의 기류는 어떻게 되는가? 이를 크게 양성양력 영역, 무양력 영역으로 나누고, 무양력 영역은 크게 역기류영역, 실속영역, 음성양력영역으로 나뉘어진다. 각각을 살펴보자.

 

밑그림은 오토로테이션 강하 중의 블레이드 영역이다. 위의 영역들은 필자가 가필했다.

 

D영역: 양성양력(Lift Area)

우선 살펴보아야 할 것이 D영역이다. 로터 블레이드의 바깥면에 차지하고 있는 이 영역은 전진블레이드는 물론 퇴진블레이드일 때에도 양력을 발생하는 구간이다. 비록 퇴진블레이드이기 때문에 항공기의 전진속도가, 로터 블레이드의 회전속도를 감소시키겠지만 블레이드 끝단은 가장 속도가 높은 구간이기 때문에, 양력발생이 가장 높다.

 

이곳의 TAF를 그리면 다음과 같다. TAF는 직관적으로 알아보기 위해 우리가 통상 그리던 방식의 대칭되게 그려보기로 하겠다. 퇴진 블레이드의 에어포일에 어떤 일이 벌어지는지를 보기 위해서는 항공기의 9시 방향에서 마스트 쪽을 쳐다보는 것이 더 직관적이기 때문이다. 물론 로터블레이드가 반시계방향으로 회전할 경우에 해당되는 이야기다. 

 

그렇다면 TAF를 그려보자. (TAF그리는 법은 이전 글에서 다뤘다.) ←클릭시 이동

 

양성양력 영역의 TAF

 

주목할 것은 '양성양력'이라는 용어이다. 뒤에 음성양력에서도 한번 다루겠지만, 양성과 음성의 차이는 TAF가 에어포일의 기준으로 어디에 있는지에 따라 달라진다. 에어포일의 상부(양의 방향)를 향해 있으면 양성이 되고, 하부(음의 방향)을 향해 있으면 음성이 된다. 따라서 양성과 음성이라는 단어가 나오면, TAF가 어느쪽으로 형성되어 있는지를 짐작해볼 수 있다.

 

E영역: 양성실속(Stall area)

이름에서 알 수 있듯, 양성이기 때문에 TAF가 에어포일의 상부에 위치해 있을 것이라 추측이 가능하다. 로터블레이드 끝단의 경우 항공기의 전진속도가 증가함에 따라 받음각이 임계받음각을 초과하게 되어 실속이 생기게 된다. 이를 TAF로 그리면 다음과 같다.

 

양성실속 영역의 TAF

 

그렇다면 이제부터 무양력영역에 대해서 알아보자. 무양력영역이란 말 그대로 양력을 만들어낼 수 없는 구간을 의미한다. 앞의 두 영역인 양성양력과 양성실속의 경우, 양력을 만들어내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 첫번째 그림의 A,B,C 구간은 양력을 만들어내지 못하는데, 이들이 각각 어떻게 양력을 만들어내지 못하는지, 다르게 말하면 어떻게 무양력인지에 대해 살펴보자. 무양력영역은 크게 역기류영역, 음성실속영역, 음성양력영역으로 나뉘어진다.

 

A영역: 역기류영역(Reverse Flow Area)

역기류영역은 이름에서 알 수 있듯이 기류가 거꾸로 흐르는 구간이다. 퇴진블레이드의 익근 부근의 회전속도보다, 항공기의 전진속도가 더 빠르기 때문에 이곳에서는 기류가 반대로 흐른다. 따라서 양력을 만들 수 없다. TAF는 다음과 같다.

 

역기류영역에서의 TAF

 

 역기류영역에서의 TAF를 보면 알 수 있듯, 에어포일 아래로 향하고 있다. 이는 항공기의 블레이드를 위로 부양시키는 힘이 아니라 아래로 떨어뜨리는 힘이며, 그 방향은 퇴진블레이드의 앞전이므로 항공기 진행방향으로 보면 전진 방향의 반대가 되겠다.

 

B영역: 음성실속영역(Negative Stall Area)

이름만 봐도 아! 해야 한다. 음성이 나왔으니, TAF가 에어포일 하부에 있겠구나, 를 생각해야 한다. 그런데 실속이네? 아까 양성실속은 TAF가 위를 향해 있는 실속이었다면, 음성실속은 TAF가 아래로 향해 있는 실속이다. 그렇다면 실속의 종류도 다르다는 것을 알 수 있다. 양성실속이 항공기의 전진속도에 의한 받음각이 임계받음각을 초과하여 발생되는 실속이라면, 음성실속은 다른 원인에 의해 촉발된 실속이다. 그것은 무엇일까?

 

바로 유도기류다. 이 구간은 퇴진블레이드의 회전속도가 항공기의 전진속도보다 '빠르지만' 유도기류가 많이 발생하여 받음각은 작아지다 못해, 음수가 되었다. 그리하여 TAF는 아래를 향하게 되고, 블레이드는 양력을 발생시키지 못하는 것이다. TAF를 그려보면 다음과 같다.

 

음성실속 영역에서의 TAF

 

마지막은 음성양력영역이다.

 

C영역: 음성양력영역(Negative Lift Area)

음성이니, TAF가 에어포일 아래네. 그런데 실속영역이 아니라 양력을 만들기는 하네. 라고 보면 되겠다. 음성양력영역 역시 유도기류로 인해 받음각이 음수가 되어버린 꼴이다. 하지만 B영역과 다른 것은 '받음각'이 임계받음각을 초과하지 않았다는 것 정도가 되겠다. TAF를 그리면 다음과 같다.

 

음성양력영역에서의 TAF

 

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이번 글에서는 항공기가 전진할 때, 퇴진블레이드에서의 기류에 대해 살펴보았다. 우선적으로 양력을 발생시키는 영역이 '양성양력', '양성실속'이 있었고, 양력을 발생시키지 않는 무양력영역으로 역기류영역, 음성실속영역, 음성양력영역에 대해서 살펴보았다. 다음 글에서는