헬리콥터는 초기 항공기인 글라이더 형태의 비행기구에 비해 수직이착륙이 가능하고 정지비행 역시 가능하다는 장점이 있어 군용 항공기로 급격한 발전을 이루게 된다. 하지만 헬리콥터는 대형수송기로 발전하기에는 한계가 있는데다 대형화할 경우 동력 손실이 많다. 이에 따라 최근에는 고정익 항공기의 장점과 결합된 틸트로터 항공기를 만들어 내거나 C-130과 같은 대형수송기의 중앙에 대형 로터를 달아 수직이착륙이 가능케 하는 등 진화를 거듭하고 있다.
자료제공: 한국항공우주연구원 카리스쿨
헬리콥터의 역사
현재와 같은 형태의 헬리콥터가 실용화된 것은 1939년 이고르 시코르스키(Igor Sikorsky) 박사의 개발 이후지만 기원은 레오나르도 다빈치의 스케치에서 찾을 수 있다.
15세기 후반 레오나르도 다빈치는 새의 뼈, 근육, 깃털의 구조에 관한 연구를 시작으로 새의 날개를 모방한 글라이더 등 여러 가지 형태의 비행기구에 관한 실험을 했다. 이 같은 실험 중 나선형 회전날개를 가진 비행기구에 대한 여러 가지 스케치를 남겼으며, 이것이 바로 헬리콥터의 기원으로 볼 수 있다.
나선형 회전날개를 회전시켜 공기의 흐름을 상승시킴으로써 양력을 얻는 형태는 수직이착륙이라는 헬리콥터의 이론적 토대가 된다. 하지만 인력을 이용함으로써 상승에 필요한 만큼의 충분한 회전력을 만들어 내지 못한다.
이후 수많은 과학자들의 연구와 시행착오를 거쳐 20세기 초에 사람이 탈 수 있는 헬리콥터가 개발됐고, 2차 세계대전 말기부터 본격적으로 실용화됐다
헬리콥터가 초기 항공기인 글라이더 형태의 비행기구와 근본적으로 다른 점은 수직으로 상승과 하강이 이뤄지고, 정지비행 역시 가능하다는 점이다. 일반적으로 수직 비행을 위해서는 수평 비행보다 큰 양력을 발생시킬 강력한 동력이 필요하다. 하지만 초기에는 이렇게 큰 동력을 발생시킬 수 있는 기술이 취약했기 때문에 헬리콥터 실용화에 가장 큰 장애요인이 됐다.
이 같은 장애를 극복한 것이 지난 1939년 선보인 VS-300. VS-300은 시코르스키 박사가 개발한 것으로 현재와 같이 꼬리 회전날개(테일 로터)를 장착한 것이 특징이다. 즉 VS-300은 조종석 뒤쪽에 엔진, 상단에 날개가 3개인 로터를 장착했으며, 꼬리에 테일 로터를 달아 헬리콥터 동체가 회전하는 것을 차단하는 설계를 적용했다.
75마력 피스톤 엔진을 장착해 1939년 9월 안전장치를 부착한 상태의 테스트가 이뤄졌으며, 이듬해인 1940년 5월 최초의 자유비행에 성공함으로써 현대적인 헬리콥터 시대를 열게 됐다.
수직이착륙이라는 장점은 당시 군대에서 절실히 요구했던 항공기 형태다. 이에 따라 시코르스키 박사는 VS-300을 토대로 1942년부터 미 육군과 공군이 요구하는 R-4 시리즈의 군용 헬리콥터를 제작하게 된다.
최초로 대량 생산된 헬리콥터인 R-4 시리즈는 설계 면에서 VS-300과 유사했으며, 1944년까지 총 131대가 제작됐다. 이후 헬리콥터는 2차 세계대전과 월남전 등을 거치며 군용 항공기로 급격한 발전을 거듭했으며, AH-64 아파치와 UH-60 블랙호크 등 군용 헬리콥터를 중심으로 개발돼 왔다.
현재 헬리콥터는 사람과 화물을 위한 수송용을 비롯해 인명구조, 농업용, 소방용, 교통감시 및 관측용 등 군사적 목적 이외에도 다양한 목적으로 이용되고 있다. 최근 들어서는 헬리콥터와 고정익 항공기의 장점을 결합한 형태의 항공기 개발이 추진되고 있다.
예를 들어 고정익 항공기의 날개 양쪽에 달린 프로펠러의 방향을 수직에서 수평으로 바꿔줌으로써 수직이착륙과 수평 비행을 가능케 하는 틸팅로터 방식의 항공기, 그리고 C-130과 같은 대형수송기의 중앙에 대형 로터를 달아 수직이착륙이 가능케 하는 것이다.
이 같은 융합형 항공기 연구는 헬리콥터가 수직이착륙의 장점이 있음에도 대형수송기화 하기 어렵고, 대형화할 경우 수평 비행을 할 때 날개의 양력을 이용하는 고정익 항공기에 비해 엄청난 연료를 소모해야 하기 때문이다.
1970년대에 개발된 영국의 해리어기처럼 수직이착륙이 가능한 제트기도 개발됐지만 수직 이착륙에 소모되는 막대한 연료와 내부 구조 등은 초음속 비행이라는 제트 전투기가 가진 장점을 감소시키는 결과에 직면함으로써 융합형 항공기 연구가 지속적으로 이어지고 있는 것이다.
헬리콥터의 비행 원리
헬리콥터가 비행하기 위해서는 고정익 항공기에서와 같이 양력(lift), 추력(thrust), 항력(drag), 무게(weight) 등 네 가지 힘을 적절히 조절해야 한다. 양력은 수직으로 상승하는 힘이며, 추력은 앞으로 나아가는 힘을 말한다. 또한 항력은 양력의 반작용으로 발생하는 힘이고, 무게는 중력에 의해 지상으로 향하는 것으로 항력과 무게 모두 아래쪽으로 향하는 힘을 말한다.
고정익 항공기에서는 양력이 위쪽으로 향하고 무게(중력)는 아래쪽, 추력은 전진 방향, 항력은 항공기의 뒤쪽으로 향하는 힘을 말한다. 이는 고정익 항공기가 활주로에서 가속하면서 날개 상하부의 공기흐름 속도가 달라짐으로써 양력을 얻기 때문에 4가지 힘이 헬리콥터와는 다소 다르게 작용한다.
헬리콥터는 동체의 중심 부분에 있는 메인 로터와 꼬리 부분에 있는 테일 로터가 서로 동조해 작용한다. 이중 수직 비행에 필요한 양력 발생은 메인 로터의 역할이다. 즉 헬리콥터에서는 메인 로터의 회전이 양력을 발생시키게 되며, 헬리콥터를 수직으로 들어 올리게 된다. 테일 로터는 동체가 메인 로터의 회전으로 인해 반대 방향으로 회전하려고 하는 힘을 막아주는 역할을 하는 동시에 이 같은 힘의 조절을 통해 동체의 방향을 전환시키는데 사용된다.
헬리콥터가 정지비행 상태에서도 360도 모든 방향으로 방향전환이 가능한 것은 바로 이 테일 로터가 있기 때문이다. 이처럼 메인 로터와 테일 로터의 기능만으로 본다면 헬리콥터는 수직으로 상승하거나 하강하고, 여러 각도로 방향을 바꾸는 것만 가능하고 앞으로 전진 하는 구조를 갖지 못하게 된다. 하지만 헬리콥터는 메인 로터 회전면(rotor disc)의 경사각을 조절함으로써 전진 또는 후진 비행을 할 수 있다.
즉 헬리콥터의 사이클릭 조종간을 앞뒤로 움직이면 로터 전체가 앞뒤로 기울어져 전진과 후진 비행이 이뤄진다. 측면에서 봤을 때 수평 상태였던 메인 로터가 앞쪽(조종석 방향)으로 기울어지면 전진 비행이 이뤄지고, 뒤쪽 동체 방향으로 기울어지면 후진 비행이 이뤄진다는 얘기다. 이때 헬리콥터는 양력과 무게의 힘이 같은 상태며, 추력이 항력보다 커지거나 작아져 전진 및 후진 비행을 하게 된다.
사이클릭 조종간을 좌우 방향으로 움직이면 메인 로터 회전면이 좌우 방향으로 기울어지게 되며, 헬리콥터는 좌측 및 우측 방향으로 이동하게 된다. 차량의 움직임과 비교하면 차량이 전후 방향이 아닌 좌우 방향으로 직선 이동하는 것과 같다.
헬리콥터의 종류
헬리콥터의 기본적인 형태는 메인 로터와 테일 로터로 구성된 단일로터 방식이다. 하지만 기술의 발달로 여러 가지 형태의 헬리콥터들이 개발됐으며, 최근에는 고정익 항공기의 장점을 결합하는 형태도 증가하고 있다.
현재 세계 각국이 개발하거나 운용중인 대부분의 헬리콥터는 대부분 단일로터 방식이며, 대표적으로 AH-64 아파치, UH-60 블랙호크 등을 꼽을 수 있다. 메인 로터의 블레이드는 용도와 설계 등에 따라 2개에서 7개까지 다양하며, 테일 로터 역시 블레이드의 개수가 다양하다.
메인 로터와 테일 로터가 있는 형태의 헬리콥터는 모두 단일로터 방식이며, 시코르스키 박사가 VS-300을 개발한 이후 가장 기본적인 형태가 됐다. 반면 이 방식은 엔진의 힘을 메인로터와 테일 로터로 분산시켜야 하기 때문에 동력의 낭비라는 단점을 피할 수 없다.
텐덤회전날개(tandem rotor helicopter) 방식은 두개의 로터가 세로로 배열된 형태로 대표적 수송형 헬리콥터인 CH-47 치누크(Chinook)가 이 방식을 사용하고 있다. 치누크 헬리콥터는 버스처럼 생긴 동체의 앞과 뒤쪽 상단에 각각 동일한 크기의 메인 로터를 장착한다.
이들 메인 로터는 서로 반대 방향으로 회전함으로써 테일 로터가 없지만 동체가 회전하는 현상을 막을 수 있다. 즉 서로 반대 방향으로 도는 메인 로터들이 각각 반대 방향으로 동체를 회전시키려 하기 때문에 결과적으로는 동체가 회전하지 않게 된다.
쌍회전날개(side by side rotor helicopter) 방식은 고정익 항공기의 날개 양끝에 메인 로터를 장착한 형태다. 이 방식은 초기 수직이착륙기를 개발하면서 1945년 트랜센덴탈사의 ‘모델 1G’에 적용됐다. 날개 양쪽 끝에 달린 메인 로터를 서로 반대 방향으로 회전시킴으로써 동체가 회전하는 현상을 차단한다.
하지만 이 방식은 단일로터 방식에 밀리면서 별다른 개발 사례가 없었지만 틸트로터 기술의 개발과 함께 고정익 항공기와 헬리콥터의 중간형으로 변신했다. 대표적인 것이 바로 미국 벨사가 1983년 개발한 수직이착륙 수송기 V-22 오스프리다.
틸트로터 방식은 헬리콥터와 같이 수직 방향으로 장착된 메인 로터의 힘으로 상승한 뒤 공중에서 이를 수평 방향으로 전환함으로써 고정익 프로펠러기처럼 전진 비행을 하는 형태다.
이는 헬리콥터가 수직이착륙의 장점은 있지만 수평 비행을 할 때에는 동력의 낭비가 크고, 비행 안정성이 떨어진다는 단점을 극복하려는 노력의 일환이다. 동축반전(coaxial rotor helicopter) 방식은 하나의 축에 두개의 로터를 부착한 형태다. 즉 일반적인 단일로터 방식 헬리콥터의 메인 로터 위쪽에 반대 방향으로 회전하는 또 하나의 로터를 장착한 것으로 외관상으로는 단일로터 방식 헬리콥터와 유사하지만 테일 로터가 없다는 것이 특징이다.
이 방식의 헬리콥터는 많이 개발되지 않았지만 최근 들어서 소형 무인정찰기에 적용되고 있다.
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