로터 (헬리콥터)
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1. 개요
헬리콥터 로터는 헬리콥터의 양력을 발생시키는 회전하는 날개로, 400년경 중국에서 개발된 대나무 헬리콥터 장난감에서 기원을 찾을 수 있다. 20세기 초 후안 데 라 시에르바는 다중 블레이드, 완전 관절 로터 시스템을 개발하여 현대 헬리콥터 로터 시스템의 기초를 마련했다. 로터는 블레이드, 허브, 스와시 플레이트, 플라이바 등으로 구성되며, 다양한 로터 구성 방식(단일 로터, 트윈 로터, 쿼드 로터 등)이 존재한다. 헬리콥터는 동적 전복, 지면 공진, 꼬리 로터 효율 상실 등 다양한 위험 요소에 노출될 수 있으며, 모래 환경에서는 로터 블레이드 침식으로 인한 문제가 발생할 수 있다.
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| 로터 (헬리콥터) | |
|---|---|
| 헬리콥터 로터 시스템 | |
 | |
| 주요 구성 요소 | |
| 주요 구성 요소 | 로터 블레이드 |
| 로터 허브 | 마스트 스와시 플레이트 연결 막대 |
| 주요 기능 | |
| 주요 기능 | 양력 발생 추력 발생 제어 |
| 로터 유형 | |
| 로터 유형 | 주요 로터 테일 로터 노 토르 로터 복합 로터 |
| 로터 시스템 설계 | |
| 로터 시스템 설계 | 힌지형 로터 시스템 힌지리스 로터 시스템 탠덤 로터 동축 로터 교차형 로터 |
| 제어 시스템 | |
| 제어 시스템 | 콜렉티브 피치 컨트롤 사이클릭 피치 컨트롤 안티 토크 페달 |
| 작동 원리 | |
| 작동 원리 | 블레이드 플래핑 블레이드 리딩-래깅 블레이드 피치 각도 |
| 안전 고려 사항 | |
| 안전 고려 사항 | 오토로테이션 블레이드 트래킹 진동 분석 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | 헬리콥터 오토자이로 틸트로터 |
2. 역사
수직 비행을 위한 로터의 사용은 기원전 400년경 고대 중국의 장난감인 대나무 헬리콥터에서 시작되었다.[51][52][58][59] 대나무 헬리콥터는 로터에 연결된 막대를 손으로 굴려 회전시키면 양력이 발생하여 날아오르는 방식이었다.[51][58] 중국의 철학자 갈홍이 317년경 저술한 『포박자』(抱朴子)에는 "어떤 이들은 대추나무 속으로 비행 수레(飛車)를 만들고, 소가죽 끈을 칼날에 연결하여 기계를 움직였다"는 기록이 있어, 로터의 초기 형태를 엿볼 수 있다.[53][60]
레오나르도 다 빈치는 아르키메데스 나사 원리를 이용한 "공중 나사"(Aerial Screw)를 설계했으며, 러시아의 학자 미하일 로모노소프는 중국 장난감을 기반으로 한 동축 로터를 개발했다. 프랑스의 박물학자 크리스티앙 드 라노이는 칠면조 깃털로 로터 모형을 만들었다.[51][58] 영국의 조지 케일리 역시 어린 시절 접한 중국 장난감에서 영감을 받아 주석으로 만든 로터를 장착한 여러 수직 비행 기계를 고안했다.[51][58] 1870년, 프랑스의 알퐁스 페노는 고무 동력으로 작동하는 동축 로터 모형 헬리콥터를 개발했는데, 이 장난감은 훗날 라이트 형제가 비행에 대한 꿈을 키우는 계기가 되었다.[54][61]
20세기 초, 실용적인 헬리콥터가 등장하기 전에 오토자이로의 선구자인 스페인의 후안 데 라 시에르바는 로터 기술 발전에 크게 기여했다. 그는 여러 개의 블레이드를 가진 완전 관절형 로터 시스템을 성공적으로 개발했으며, 이는 현대 헬리콥터 로터 시스템의 기초가 되었다. 데 라 시에르바의 오토자이로 연구는 헬리콥터 설계와 분석에 중요한 토대를 제공했다.[55]
최초로 성공적인 단일 로터 헬리콥터 설계 시도 중 하나는 1930년대 초 소련에서 이루어졌다. 모스크바 인근의 중앙 항공역학 연구소(TsAGI) 소속 항공 공학자 보리스 N. 유리에프와 알렉세이 M. 체레무킨은 4엽 메인 로터를 장착한 차기 1-EA 헬리콥터를 설계했다. 이 헬리콥터는 1931년부터 1932년까지 저고도 시험 비행을 수행했으며, 1932년 8월 중순에는 체레무킨이 조종하여 605m 고도까지 상승하는 데 성공했다.[56][57][62][63]
1930년대에는 미국의 아서 M. 영이 스태빌라이저 바(stabilizer bar, 플라이 바)를 도입하여 2엽 로터 시스템의 안정성을 크게 향상시켰다. 이 시스템은 벨 헬리콥터와 힐러 항공기의 여러 모델에 적용되었다. 특히 플라이 바 끝에 작은 날개(에어포일 패들)를 단 힐러 시스템의 한 변형은 1970년대부터 21세기 초까지 무선 조종 헬리콥터 초기 모델에 널리 사용되었다.
1940년대 후반, 헬리콥터 로터 블레이드 제작의 정밀도 요구는 미국의 존 T. 파슨스가 수치 제어(NC) 기술을 개척하는 계기가 되었다. NC와 이후 발전된 컴퓨터 수치 제어(CNC)는 기계 가공 산업 전반에 혁신을 가져온 중요한 기술로 자리 잡았다.
3. 설계 원리
대부분의 헬리콥터는 하나의 주 로터를 회전시켜 양력을 얻는다. 하지만 엔진이 로터를 한 방향으로 회전시키면, 작용 반작용의 법칙에 따라 동체는 반대 방향으로 회전하려는 힘, 즉 토크를 받게 된다. 이 토크를 제어하지 않으면 헬리콥터는 제자리에서 빙글빙글 돌게 된다.
이 문제를 해결하기 위한 가장 일반적인 설계는 동체 꼬리 부분에 작은 수직 로터, 즉 '''테일 로터'''(꼬리로터)를 설치하는 것이다. 테일 로터는 옆으로 추력을 발생시켜 주 로터의 토크를 상쇄하고 기체의 방향을 제어하는 역할을 한다. 이고르 시코르스키가 개발한 초기 헬리콥터 VS-300에 적용된 이 방식은 이후 헬리콥터 설계의 표준처럼 자리 잡았다. 하지만 모든 헬리콥터가 테일 로터를 사용하는 것은 아니며, 동축 반전 로터처럼 크기가 같은 두 개의 로터를 서로 반대 방향으로 회전시켜 토크를 상쇄하는 방식 등 다양한 설계가 존재한다.
헬리콥터 로터의 회전 방향은 제작 국가나 회사에 따라 다른 경향이 있다. 위에서 보았을 때, 대부분의 미국 헬리콥터 로터는 반시계 방향으로 회전하는 반면, 프랑스와 러시아에서 제작된 헬리콥터는 시계 방향으로 회전하는 경우가 많다.[21]
한편, 로터기의 한 종류인 틸트로터는 엔진과 로터를 수직 또는 수평으로 기울일 수 있는 항공기이다. 수직 이착륙 시에는 로터가 헬리콥터처럼 위를 향해 추력을 만들고, 순항 비행 시에는 로터가 앞으로 기울어져 프로펠러처럼 작동한다. 수직 이착륙 모드일 때 틸트로터의 로터는 헬리콥터 주 로터와 유사한 원리로 작동한다.
3. 1. 개요
헬리콥터 로터는 변속기를 통해 엔진의 동력을 전달받아 회전하는 마스트로 구성된다. 마스트는 변속기에 의해 위로 뻗어 회전하는 원통형 금속 샤프트이며, 마스트 상단에는 허브라고 불리는 부품이 있어 로터 블레이드를 고정한다.[64] 메인 로터 시스템은 메인 로터 블레이드가 메인 로터 허브에 어떻게 부착되고 움직이는지에 따라 분류된다. 주요 분류로는 강성형, 반강성형(시소형), 완전 관절형이 있으며,[1] 최신 로터 시스템에서는 이들을 조합하여 사용하기도 한다. 로터는 정밀하게 조정된 회전 질량으로, 미세 조정을 통해 다양한 공기 속도에서 진동을 줄일 수 있다.[2][65]
로터는 일반적으로 고정된 RPM[3][4][5][66][67][68] (매우 좁은 범위 내에서[6][7][69][70])으로 작동하도록 설계된다. 다만 일부 실험기에서는 가변 속도 로터(저속 로터)가 사용되기도 했다.[8][71]
터보팬 제트 엔진에 사용되는 소형 직경 팬과 달리, 헬리콥터의 메인 로터는 직경이 커서 많은 양의 공기를 가속할 수 있다. 이는 주어진 추력에 대해 상대적으로 낮은 다운워시 속도를 가능하게 한다. 많은 양의 공기를 작은 정도로 가속하는 것이 적은 양의 공기를 큰 정도로 가속하는 것보다 저속에서 더 효율적이므로,[9][14][72][77] 낮은 디스크 하중 (디스크 면적당 추력)은 항공기의 에너지 효율을 크게 높인다. 이는 연료 사용량을 줄이고 합리적인 항속 거리를 가능하게 한다.[10][11][73][74] 일반적인 헬리콥터의 호버링 효율("성능 지수")[12][75]은 약 60% 수준이다.[13][76] 로터 블레이드의 안쪽 1/3 정도는 공기와의 상대 속도가 느려 양력 발생에 거의 기여하지 못한다.[14][77]
3. 2. 블레이드
헬리콥터의 블레이드는 길고 좁은 익형으로 설계되어 높은 가로세로비를 가진다. 이는 날개 끝 와류로 인해 발생하는 항력을 최소화하기 위한 형태로, 글라이더의 날개와 유사한 목적을 가진다. 일반적으로 블레이드에는 약간의 워시아웃(비틀림 내림)이 적용되어 있다. 이는 공기 흐름이 가장 빠르고 날개 끝 와류가 심하게 발생하는 날개 끝 부분의 양력을 의도적으로 줄이기 위함이다.
로터 블레이드의 재료는 다양하며, 알루미늄, 복합 재료, 강철, 티타늄 등이 사용된다. 블레이드의 앞쪽 가장자리(앞전)에는 마모를 방지하기 위한 보호판이 부착된다.
전통적으로 로터 블레이드는 수동적인 부품이지만, 일부 헬리콥터는 블레이드 자체에 능동적인 요소를 포함하기도 한다. 예를 들어, 카만 K-MAX는 블레이드의 피치각(깃각)을 제어하기 위해 뒷전(뒤쪽 가장자리)에 플랩을 사용한다. 또한 힐러 YH-32 호넷은 블레이드 끝에 장착된 램제트 엔진으로 구동되었다. 뒷전 플랩을 이용한 능동 블레이드 제어 기술은 계속 연구되고 있다.[15][90]
일부 헬리콥터 블레이드는 끝부분이 특별하게 설계되어 난기류와 소음을 줄이고 비행 효율을 높이기도 한다. 영국 실험 로터 프로그램(British Experimental Rotor Programme)에서 개발된 BERP 로터의 블레이드 팁이 이러한 예시에 해당한다.
블레이드의 익형은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.3. 3. 허브
로터 허브는 로터 블레이드가 부착되는 중심 부분으로, 변속기에서 위로 뻗은 회전 마스트의 상단에 위치한다. 허브 자체의 항력은 블레이드보다 훨씬 커서, 때로는 10배에서 20배에 달하기도 한다.[64] 로터 시스템은 메인 로터 블레이드와 허브가 어떻게 결합되고 서로 운동하는지에 따라 분류된다. 주요 유형으로는 완전 관절형, 강성형(무관절형), 반강성형(시소형)이 있으며, 최근에는 이들을 조합한 형태도 많이 사용된다. 회전체인 로터는 정밀한 무게 균형이 필수적이며, 모든 속도 영역에서 과도한 진동을 방지하기 위해 미세 조정이 필요하다.[65]
=== 완전 관절형 (Fully Articulated) ===
후안 데 라 시에르바가 자이로플레인을 위해 개발한 완전 관절형 로터는 성공적인 헬리콥터 개발의 기초가 되었다. 이 시스템에서는 각 로터 블레이드가 다른 블레이드와 독립적으로 움직일 수 있도록 일련의 힌지를 통해 로터 허브에 부착된다. 일반적으로 3개 이상의 블레이드를 가지며, 각 블레이드는 플랩(Flap), 페더링(Feathering), 리드-래그(Lead-lag), 드래깅(Dragging) 또는 헌팅(Hunting) 운동을 독립적으로 수행할 수 있다.
최신 완전 관절형 시스템에서는 기존의 금속 베어링 대신 엘라스토머 베어링을 사용하는 경우가 많다. 엘라스토머 베어링은 손상 시에도 안전성이 높고, 마모가 점진적이며 육안 점검이 용이하다. 또한 금속 간 접촉이 없어 윤활이 필요 없다는 장점이 있다.
완전 관절형의 변형으로는 "소프트 인 플레인(Soft-in-plane)" 시스템이 있다. 벨 헬리콥터의 OH-58D 키오와 워리어 등에 사용되는 이 방식은 복합 재료로 만든 요크를 사용하여 한 블레이드의 움직임을 다른 블레이드로 전달한다. 완전 관절형과 유사한 비행 특성을 가지면서 유지 보수 시간과 비용을 절감할 수 있다.
=== 강성형(Rigid Rotor) 또는 무관절형 ===
강성형 또는 무관절형 로터는 블레이드가 힌지 없이, 루트(뿌리) 부분의 유연성을 통해 허브에 부착된 형태를 말한다.[16][17][78][79] 1960년대와 1970년대 록히드의 어빙 컬버 등이 개발을 주도했다. 이 시스템에서는 블레이드 자체의 휨을 통해 플래핑과 리드-래그 힘을 수용한다.
구조가 완전 관절형보다 단순하며, 힌지가 없기 때문에 허브 모멘트로 인한 제어 입력 지연이 적어 조종 반응성이 빠르다.[18][80] 또한 반강성형 로터에서 발생할 수 있는 마스트 범핑(mast bumping)의 위험을 피할 수 있다.[19][81]
=== 반강성형(Semi-Rigid) 또는 시소형(Teetering) ===
반강성형 로터는 주로 2개의 블레이드를 가진 헬리콥터에서 사용되며, '시소 힌지(teetering hinge)'를 특징으로 한다. 이 수평 힌지를 통해 한쪽 블레이드가 올라가면 반대쪽 블레이드는 내려가는 시소와 같은 움직임이 가능하다. 이 움직임은 변환 비행 중 상대풍이나 사이클릭 제어 입력에 의해 발생하며, 플랩 운동과 유사한 역할을 한다. 로빈슨 R22나 로빈슨 R44와 같은 기종에서 이 방식을 볼 수 있다. 일반적으로 각 블레이드는 페더링 힌지를 통해 개별적인 피치 변경이 가능하다. 구조가 비교적 간단하지만, 특정 비행 조건에서는 마스트 범핑의 위험이 존재할 수 있다.[19][81]
=== 조합형 및 최신 기술 ===
최근의 로터 시스템은 위에서 설명한 여러 시스템의 원리를 조합하여 사용하기도 한다. 예를 들어, 일부 로터 허브는 '''플렉셔'''(flexures)라고 불리는 유연한 구조를 통합하여 베어링이나 힌지 없이 블레이드의 움직임을 가능하게 한다.[20][82] 플렉셔는 주로 복합 재료로 만들어진다.
또한, 전통적인 롤러 베어링 대신 '''엘라스토머 베어링'''을 사용하는 경우가 늘고 있다. 고무와 유사한 재질로 만들어진 엘라스토머 베어링은 헬리콥터에 필요한 제한적인 움직임을 효과적으로 제공한다.
플렉셔와 엘라스토머 베어링은 윤활이 필요 없어 유지 보수 부담을 줄이고, 진동을 효과적으로 흡수하여 헬리콥터 부품의 피로를 줄이고 수명을 연장하는 데 기여한다.
3. 4. 스와시 플레이트 (Swash plate)
조종 장치는 헬리콥터 로터가 회전하는 동안 주 로터 블레이드의 피치각을 주기적으로 변경한다. 조종사는 이를 통해 로터 추력 벡터의 방향을 제어하며, 이는 최대 추력이 발생하는 로터 디스크의 부분을 정의한다. 또한, 콜렉티브 피치는 로터 디스크 전체에 걸쳐 추력을 동시에 증가 또는 감소시켜 로터 추력의 크기를 변경한다. 이러한 블레이드 피치각의 변화는 비행 조종 장치를 통해 스와시 플레이트를 기울이거나 위아래로 움직여 제어한다. 대부분의 헬리콥터는 비행 중 일정한 로터 속도(RPM)를 유지하므로, 블레이드의 받음각을 변경하는 것이 추력을 조절하는 주요 수단이다.
스와시 플레이트는 동축상에 위치한 두 개의 동심 디스크 또는 플레이트로 구성된다. 한 플레이트(회전 플레이트)는 아이들 링크로 마스트에 연결되어 마스트와 함께 회전하며, 피치 링크와 피치 혼을 통해 개별 블레이드에도 연결된다. 다른 플레이트(비회전 플레이트)는 회전하지 않으며, 조종사의 조종 장치(특히 사이클릭 및 콜렉티브 조종)에 의해 조작되는 링크에 연결된다. 스와시 플레이트는 수직으로 이동하거나 기울어질 수 있다. 이러한 움직임과 기울기를 통해 비회전 플레이트는 회전 플레이트를 제어하고, 이는 다시 각 블레이드의 피치를 개별적으로 조절하여 헬리콥터의 자세와 고도를 제어한다.
3. 5. 플라이바 (Flybar, Stabilizer bar)
플라이바(flybar) 또는 안정화 막대(stabilizer bar)는 헬리콥터의 비행 안정성을 높이기 위해 사용되는 장치이다.[1] 미국의 아서 M. 영과 독일의 디터 슐뤼터 등 여러 엔지니어들이 이 장치를 통해 안정성을 확보할 수 있음을 발견했다.[1][2]
플라이바는 양쪽 끝에 무게추나 패들(소형 헬리콥터에서는 안정성을 더 높이기 위해 둘 다 사용하기도 함)을 달아 일정한 회전면을 유지하도록 설계되었다.[1][2] 플라이바가 안정적으로 회전하려는 힘은 기계적 연결 장치를 통해 스와시 플레이트의 움직임과 결합된다. 이를 통해 로터에 가해지는 조종 입력(내부 힘)이나 바람(외부 힘)의 영향을 줄여준다.[1][2] 결과적으로 조종사가 헬리콥터를 더 쉽게 제어할 수 있게 돕는다.[1][2]
스탠리 힐러는 플라이바 양 끝에 짧고 넓은 에어포일 형태의 패들을 추가하여 안정성을 높이는 '로터매틱'(Rotormatic) 시스템을 개발했다.[1][2] 이 시스템에서 패들은 로터에 가해지는 외부 힘의 영향을 흡수하는 동시에, 일종의 제어 로터 역할을 하여 주 로터에 사이클릭 제어 신호를 전달함으로써 안정성을 더욱 향상시켰다.[1][2]
록히드사는 벨 헬리콥터의 안정화 막대와 유사한 원리의 제어 자이로를 사용하여, 힌지리스 로터 시스템의 핸즈오프 안정성과 빠른 제어 응답성을 개선했다.[1][2]
최근에는 플라이 바이 와이어 시스템을 갖춘 헬리콥터나 무선 조종(RC) 모델에서 플라이바를 사용하지 않는 '플라이바리스'(flybar-less) 설계가 등장했다.[1][2] 이 방식은 마이크로컨트롤러와 자이로스코프 센서, 벤투리 효과 센서 등을 이용해 플라이바의 안정화 기능을 전자적으로 대체한다.[1][2] 플라이바리스 설계는 기계 부품 수가 적어 구조가 간단하고, 설정을 변경하기 쉽다는 장점이 있다.[1][2]
3. 6. 감속 회전익 (Slowed rotor)
대부분의 헬리콥터 로터는 일정한 속도로 회전한다. 그러나 특정 상황에서는 로터의 회전 속도를 늦추는 것이 이점을 가질 수 있다.
헬리콥터의 전진 속도가 증가하면, 전진하는 쪽 로터 블레이드 끝부분의 속도가 음속에 가까워지는 문제가 발생한다. 이 문제를 완화하기 위해 로터의 회전 속도를 늦추면 헬리콥터가 더 빠르게 비행하는 것이 가능해진다.
또한, 상대적으로 느린 속도로 비행할 때, 기존 설계에서는 로터 블레이드의 받음각을 줄이는 방식(집합 피치 제어)으로 양력을 조절한다. 이와 달리 로터 회전 속도 자체를 늦추면 비행 중 발생하는 항력을 줄여 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
4. 로터 구성 방식
헬리콥터의 로터는 다양한 방식으로 구성된다. 가장 일반적인 방식은 하나의 주 로터(메인 로터)를 사용하는 것이지만, 엔진 회전에 따른 토크 효과를 상쇄하기 위해 테일 로터, 펜스트롱, NOTAR 등의 반토크 장치가 필요하다. 단일 메인 로터의 회전 방향은 제작 국가에 따라 차이가 있는데, 미국 헬리콥터는 주로 반시계 방향, 프랑스와 러시아 헬리콥터는 시계 방향으로 회전한다.[21]
둘 이상의 메인 로터를 사용하는 트윈 로터 방식도 있다. 여기에는 로터가 동체 앞뒤에 배치된 탠덤 로터, 동일 축에 위아래로 배치된 동축 반전 로터, 서로 맞물려 회전하는 교차 쌍 로터, 동체 양옆에 로터가 장착된 횡 로터 등이 있으며, 이 방식들은 테일 로터 없이 로터의 반대 회전으로 토크를 상쇄한다.
최근에는 쿼드로터처럼 4개 이상의 로터를 사용하는 멀티로터 방식이 무인 항공기(드론)를 중심으로 널리 사용되며, 이를 활용한 eVTOL(전기 수직 이착륙기) 개발도 이루어지고 있다.
한편, 로터기의 한 종류인 틸트로터는 이륙 시에는 헬리콥터처럼 로터를 사용하지만, 비행 중에는 로터 방향을 바꾸어 고정익 항공기처럼 비행하는 특징을 가진다.
4. 1. 단일 메인 로터 (Single main rotor)
단일 주 로터 헬리콥터의 경우, 엔진이 로터를 회전시키면서 발생하는 토크는 토크 효과로 인해 헬리콥터 동체가 로터와 반대 방향으로 회전하게 만든다. 이 효과를 상쇄하고 헬리콥터가 방향을 유지하며 요(yaw) 제어를 할 수 있도록, 충분한 여유 동력을 가진 반 토크 제어 장치가 필요하다. 오늘날 주로 사용되는 세 가지 제어 방식은 테일 로터, 유로콥터의 ''페네스트론''(팬테일이라고도 함), 그리고 MD 헬리콥터스의 ''노터''이다.
단일 메인 로터를 장착한 일반적인 헬리콥터는 토크를 상쇄하기 위해 가변 피치 방식의 반토크 로터, 즉 테일 로터를 장착한다. 이 방식은 이고르 시코르스키가 VS-300에 처음 적용한 이후 널리 사용되며 지속적으로 개선되어 왔다. 대부분 헬리콥터의 메인 로터는 위에서 보았을 때 반시계 방향으로 회전하지만, 프랑스와 러시아에서 제작된 헬리콥터는 시계 방향으로 회전한다.
테일 로터는 단일 로터 방식 헬리콥터의 꼬리 부분에 수직 또는 거의 수직으로 회전하도록 장착된 작은 회전 날개이다. 테일 로터는 헬리콥터의 무게 중심에서 떨어진 위치에 측면으로 추력을 발생시켜 메인 로터 회전에 의한 토크 효과를 상쇄한다. 테일 로터는 주로 추력의 크기만 조절하면 되므로, 콜렉티브 피치 제어만으로 충분하여 메인 로터보다 구조가 단순하다. 조종사는 러더 페달을 조작하여 테일 로터 블레이드의 피치 각을 조절하고, 이를 통해 수직축을 중심으로 기체를 회전시켜 방향을 제어하거나 변경할 수 있다.
페네스트론 또는 팬테일[83]은 덕티드 팬의 일종으로, 테일 로터 대신 테일 붐 끝단에 장착된다. 이 덕티드 팬은 8개에서 18개의 블레이드를 가지며, 소음 주파수를 분산시키기 위해 불균등한 간격으로 배치되어 있다. 팬이 기체 외피와 통합된 하우징 안에 들어 있어 고속 회전이 가능하며, 이 덕분에 일반적인 테일 로터보다 직경을 작게 만들 수 있다.
페네스트론은 1960년대 후반 쉬드 아비아시옹(Sud Aviation)의 SA340 시제 2호기에 처음 적용되었고, 이후 아에로스파시알(Aérospatiale)의 SA341 가젤에서 양산기에 장착되었다. 유로콥터(Eurocopter)와 그 전신 회사 외에도, 미국의 군용 헬리콥터 개발 프로젝트였던 RAH-66 코만치가 팬테일이라는 이름의 덕티드 팬 형식 테일 로터를 채택한 바 있다.
노터(NOTAR)는 'NO TAil Rotor'의 약자로, 이름 그대로 테일 로터를 사용하지 않는 반 토크 방식이다. 이 시스템은 코안다 효과를 이용하여 반 토크 추력을 발생시킨다. 이 이론 자체는 간단하지만 실제 구현에는 오랜 시간이 걸렸다.[84] 먼저, 테일 붐 바로 앞 동체 내부에 장착된 가변 피치 팬을 메인 로터 변속기로 구동시킨다. 이 팬이 만들어낸 저압 공기를 테일 붐 오른쪽에 있는 두 개의 슬롯을 통해 분출시키면, 메인 로터에서 내려오는 공기 흐름(다운워시)이 테일 붐을 따라 흐르게 된다. 이 과정에서 양력이 발생하여 (위에서 볼 때) 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터의 시계 방향 토크를 상쇄하는 반 토크 힘이 만들어진다. 추가적으로, 테일 붐 끝에 달린 고정된 꼬리 날개(수직 꼬리 날개 포함)가 반 토크 힘을 보강하며, 다이렉트 제트(direct jet)를 통해 방향 제어를 수행한다.
노터 기술의 개발은 1975년 휴즈 헬리콥터스(Hughes Helicopters)에서 시작되었다.[85] 1981년 12월, 노터 시스템을 장착한 OH-6A가 첫 비행에 성공했으며,[86] 1986년 3월에는 개량된 시제기가 비행하여 높은 수준의 비행 시험 프로그램을 완료함으로써 미래 헬리콥터 설계에 응용될 가능성을 열었다.[87] 현재 노터 방식을 사용하는 기체는 3종이 생산 중이며, 모두 MD 헬리콥터스에서 제작되었다. 이 방식은 회전하는 테일 로터가 없어 지상 인원이 접촉할 위험이 없으므로 안전성이 높다는 장점이 있다.
노터와 유사한 개념은 1940년대 후반 영국의 시에르바(Cierva) W.9에서도 찾아볼 수 있다. 이 헬리콥터는 피스톤 엔진의 냉각 팬에서 나온 공기를 테일 붐의 노즐로 보내 분출시켜 로터 토크를 상쇄하려 시도했다.[88]
4. 2. 트윈 로터 (Twin rotors)
트윈 로터는 반동 토크(anti-torque) 역할을 하는 테일 로터를 사용하지 않고, 2개 이상의 대형 수평 로터를 서로 반대 방향으로 회전시켜 기체에 작용하는 토크 효과를 상쇄하는 방식이다. 이 방식은 테일 로터 구동에 필요한 동력을 메인 로터에 집중시킬 수 있어 헬리콥터의 양력 성능을 높이는 장점이 있다. 트윈 로터 방식에는 주로 다음과 같은 네 가지 구성이 있다.
- '''탠덤 로터'''(Tandem rotors): 두 개의 수평 주 로터 어셈블리를 동체 앞뒤로 배치하는 방식이다. 헬리콥터의 가속 및 감속은 사이클릭 피치 조정을 통해 기체 자세를 변경하여 이루어진다. 예를 들어 전진 비행 속도를 높이려면, 두 로터 모두 뒤쪽의 피치(받음각)를 증가시키고 앞쪽 피치를 감소시켜 기체를 앞으로 기울인다. 이 과정에서 두 로터의 토크는 동일하게 유지된다. 좌우 방향으로 이동할 때는 양쪽 로터의 한쪽 피치를 증가시키고 반대쪽 피치를 감소시켜 같은 방향으로 기울인다. 요(yaw) 제어는 각 로터의 사이클릭 피치를 서로 반대 방향으로 조정하여 수행한다. 오른쪽으로 기수를 돌리려면 앞 로터를 오른쪽으로, 뒤 로터를 왼쪽으로 기울이고, 왼쪽으로 돌리려면 그 반대로 조작한다. 탠덤 로터 방식은 모든 로터 동력을 양력 발생에 사용할 수 있으며, 무게 중심이 앞뒤로 변하는 상황에 대처하기 용이하다. 그러나 두 개의 대형 로터가 필요하므로, 일반적인 단일 주 로터 및 소형 테일 로터 구성보다 제작 및 유지 비용이 많이 든다. 가장 대표적인 탠덤 로터 헬리콥터는 보잉 CH-47 치누크이다.
- '''동축 반전 로터'''(Coaxial rotors): 동일한 축 위에 두 개의 로터를 상하로 배치하고 서로 반대 방향으로 회전시키는 방식이다. 이 방식의 주요 장점은 전진 비행 시 한쪽 로터의 전진하는 블레이드(advancing blade)에서 발생하는 양력이 다른 쪽 로터의 후퇴하는 블레이드(retreating blade)에서 발생하는 양력 손실을 보완하여, 실속으로 인한 양력 불균형 문제를 해소할 수 있다는 점이다. 그러나 두 개의 로터 시스템을 제어하기 위한 스워시플레이트와 연결 장치가 각각 필요하여 로터 시스템의 기계적 구조가 복잡해진다. 또한, 로터가 반대 방향으로 회전해야 하므로 로터 마스트 구조가 복잡해지고, 상부 로터의 피치 제어를 위한 연결 장치가 하부 로터 시스템을 통과해야 하는 어려움이 있다. 복합 헬리콥터의 예시로는 후방에 푸셔 프로펠러를 장착한 시코르스키 X2 기술실증기나 이를 기반으로 개발된 S-97 레이더, SB-1 디파이언트 등이 있다.[31] 러시아의 카모프 설계국이 개발한 헬리콥터들이 동축 반전 로터 방식으로 유명하다.
- '''교차 쌍 로터'''(Intermeshing rotors): 반대 방향으로 회전하는 두 개의 로터 세트를 사용하며, 각 로터 마스트는 서로 약간의 각도를 두고 기울어져 장착되어 회전하는 블레이드들이 충돌 없이 서로 맞물리며 지나가도록 설계된다. 이 방식은 '싱크롭터'(synchropter)라고도 불린다. 교차 쌍 로터 방식은 안정성이 높고 강력한 양력 성능을 제공한다. 이 방식은 1939년 나치 독일의 안톤 플레트너가 설계한 플레트너 Fl 265에서 처음 성공적으로 구현되었으며, 이후 플레트너 Fl 282 콜리브리가 소량 생산되어 독일 크릭스마리네에서 경량 대잠전 헬리콥터로 시험 운용되었다. 냉전 시기에는 미국의 카만 에어크래프트가 미국 공군의 소방 및 구조 임무용으로 HH-43 허스키를 생산했다. 카만 사의 최신 기종인 카만 K-MAX는 항공 크레인(스카이 크레인) 작업에 특화되어 설계된 기체이다.
- '''횡 로터'''(Transverse rotors) 또는 '''사이드 바이 사이드 로터'''(Side-by-side rotors): 동체 양옆으로 뻗은 날개나 아웃리거(outrigger) 구조물 끝에 로터를 각각 장착하는 방식이다. 탠덤 로터나 교차 쌍 로터 방식처럼 반대 방향으로 회전하여 토크를 상쇄하며, 특히 롤(roll) 제어는 각 로터의 콜렉티브 피치를 차등적으로 조절하여 수행한다. 이 방식은 초기 실용 헬리콥터 중 하나인 포케불프 Fw 61과 포케-아겔리스 Fa 223 드라헤에 채택되었으며, 세계에서 가장 큰 헬리콥터였던 밀 Mi-12에도 사용되었다. 또한 틸트로터 항공기인 벨-보잉 V-22 오스프리나 아구스타웨스트랜드 AW609 등에서도 볼 수 있는 구성이다.
4. 3. 쿼드 로터 (Quad rotor)
'''쿼드 로터''' 또는 '''쿼드로터'''는 4개의 로터를 "X"자 형태로 배치한 방식이다. 좌우의 로터는 옆으로 나란히 배치되고, 앞뒤의 로터는 앞뒤로 나란히 배치되는 형태이다.
드론과 같은 소형 항공기에서 쿼드 로터 방식의 주요 장점은 기계 구조가 비교적 단순하다는 점이다. 특히 전기 모터와 고정된 각도의 날개(고정 피치 로터)를 사용하는 쿼드콥터는 움직이는 부품이 로터 4개뿐인 매우 단순한 구조를 가질 수 있다. 비행 제어는 전체적인 양력(띄우는 힘)을 바꾸지 않으면서, 각 로터 쌍의 상대적인 양력을 조절하여 피치(기체의 앞뒤 기울기), 요(기체의 좌우 회전), 롤(기체의 좌우 기울기)을 제어한다.[32][89]
로터 블레이드(날개)에 사용되는 에어포일(날개 단면 형상)은 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다.
- 대칭 에어포일: 위아래 단면이 대칭인 형태로, 비행 중 받음각(공기 흐름과 날개가 이루는 각도)이 변해도 공기역학적 힘의 중심점(압력 중심)이 거의 이동하지 않아 매우 안정적이다. 이는 블레이드의 비틀림이나 비행 제어에 가해지는 부담을 줄이는 데 도움이 된다.
- 비대칭 에어포일: 위아래 단면이 다른 형태로, 일반적으로 대칭 에어포일보다 안정성은 낮다. 하지만 날개 뒷부분을 살짝 구부리는 '반사' 설계 등을 통해 안정성을 보완할 수 있으며, 더 높은 전진 속도를 내는 데 유리할 수 있다. 비대칭 에어포일은 받음각 변화에 따라 압력 중심이 이동하기 때문에, 로터 블레이드가 위아래(플랩), 각도 변화(페더), 앞뒤(리드/래그)로 더 많이 움직이는 경향이 있다.[33]
4. 4. 헥사콥터, 멀티로터 및 eVTOL
헥사콥터(6개 로터)는 무인 드론 헬리콥터에서 많이 사용되는 방식이며, 멀티로터 드론의 제어를 관리하고 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.[34] 옥토콥터(8개 로터) 방식은 NASA가 계획한 드래곤플라이 탐사선에 사용될 예정으로, 이 탐사선은 토성의 위성인 타이탄의 대기에서 비행하도록 설계되었다.[35]유인 멀티로터 헬리콥터도 개발되고 있다. 2010년대에는 18개의 전기 동력 로터를 가진 1인승 항공기가 비행했으며, 이는 배터리로 구동되었다.[36] 최초로 곡예 비행이 가능한 유인 드론으로 알려진 것은 12개의 로터를 가지고 있었으며, 1명 또는 2명을 태울 수 있었다.[37]
이러한 형태의 항공기는 유인 드론 또는 eVTOL(전기 수직 이착륙기)로 불리며, 일반적으로 배터리로 구동되는 멀티로터 설계를 사용한다. 2020년대 들어 인기가 높아지고 다양한 설계가 등장하고 있다.[38] 이들 설계의 명칭은 아직 완전히 통일되지 않았으며, eVTOL이 널리 쓰이는 이름이지만, 유인 드론, 플라잉 카, 또는 특정 상황에서는 에어 택시라는 용어도 사용된다.[39][37]
미국 연방 항공국(FAA)은 eVTOL 설계를 둘러싼 규정을 개선하기 위해 노력해 왔으며, 이는 기존 헬리콥터 및 비행기를 대상으로 한 규정과 차이가 있다. FAA는 2024년에 이러한 새로운 유형의 항공기를 분류하고 인증하는 방법에 대한 감항성 기준을 최종 확정했다.[40]
5. 한계 및 위험 요소
헬리콥터는 조류 충돌과 같이 일반적인 항공기 위험 외에도 설계 및 비행 조건에 따라 다양한 위험에 직면할 수 있다. 여기에는 동적 전복, 지면 공진, 꼬리 로터 효율 상실, 후퇴하는 블레이드 실속, 동적 실속, 와류 고리 상태, 서보 투명성, 마스트 범핑, 꼬리 충돌 등이 포함된다.
주 로터는 헬리콥터를 공중에 띄우는 핵심 부품이므로, 손상될 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 따라서 편대 비행 시에는 헬리콥터 간 로터 팁이나 꼬리 로터가 서로 접촉하지 않도록 충분한 거리를 유지해야 하며, 주변 환경과의 충돌에도 주의해야 한다.
특히 1960년대 후반, 미 육군은 특정 공기역학적 조건, 특히 헬리콥터의 무게가 저G 상태(low-G)에서 주 로터로부터 순간적으로 분리될 때 주 로터가 헬리콥터 동체의 꼬리 부분(테일 붐)에 부딪힐 수 있는 위험을 발견했다. 이러한 상황은 특정 조종 입력으로 인해 발생하거나 해결될 수 있다.[41]
테터 로터(teetering rotor) 시스템을 사용하는 헬리콥터(예: 벨 헬리콥터, 로빈슨 헬리콥터 등의 2엽 로터 시스템)는 이 로터 시스템이 동체의 자세를 직접 제어하지 못하기 때문에 저G 상태에 매우 취약하다. 저G 상태에서는 동체가 관성과 꼬리 로터 추력에 의해 예측 불가능한 자세를 취하게 될 수 있으며, 이로 인해 테일 붐이 주 로터의 회전 경로와 교차하여 충돌하거나, 블레이드 뿌리가 주 로터 구동축(마스트)에 부딪혀 블레이드가 허브에서 분리되는 현상(마스트 범핑)이 발생할 수 있다.[42] 로빈슨 헬리콥터는 이러한 유형의 사고 위험을 줄이기 위해 R66 모델용으로 새로운 테일 엠페나지(꼬리날개 구조물)를 개발했으며[41], 고속에서의 롤 안정성을 높이기 위한 이 설계는 2023년에 미국 연방항공청(FAA)의 승인을 받았다. 로빈슨은 이 설계를 다른 모델에도 적용할 계획이지만, 여전히 로빈슨 헬리콥터에서는 시범 비행을 포함한 모든 비행에서 저G 기동이 엄격히 금지되어 있다.[41]
주 로터와 꼬리 부분의 충돌은 매우 위험하다. 한 사례에서는 벨 206 헬리콥터가 조류 충돌 후 급격한 조종을 하다가 로터와 테일 붐이 충돌하여 공중에서 파괴된 것으로 추정된다.[43] 또 다른 사례로는 유로콥터 EC120 콜리브리가 자동 회전 착륙 연습 중 강착륙하면서 주 로터가 자신의 꼬리를 절단한 경우가 있다.[44]
헬리콥터는 또한 지상 가까이에서 비행하거나 착륙할 때, 특히 익숙하지 않은 지형에서 테일 붐이 지면이나 주변 장애물에 부딪힐 위험이 있다.[45]
5. 1. 모래 환경에서의 침식
모래가 많은 환경에서 헬리콥터를 운행할 때, 움직이는 로터 블레이드에 모래가 부딪히면서 표면이 침식될 수 있다. 이는 로터를 손상시키고, 심각하고 비용이 많이 드는 유지 보수 문제를 일으킨다.[46][93]
헬리콥터 로터 블레이드의 마모를 막기 위해 부착하는 스트립(마모 방지 스트립 또는 어블레이션 스트립)은 주로 티타늄이나 니켈과 같이 매우 단단한 금속으로 만들어지지만, 모래보다는 덜 단단하다. 헬리콥터가 사막 환경에서 지면 가까이 비행하면, 모래가 로터 블레이드에 부딪혀 이 스트립이 침식된다. 특히 밤에는 모래가 금속 마모 방지 스트립에 부딪히면서 로터 블레이드 주변에 눈에 보이는 코로나 또는 후광 현상이 나타난다. 이 효과는 침식된 금속 입자가 공기 중에서 자연적으로 발화하며 산화하는 현상과, 모래 입자와의 충돌로 인해 발생하는 마찰 발광 현상 때문에 생긴다.[47][48][49][94][95][96]
전투 사진 작가이자 언론인인 마이클 욘은 아프가니스탄에서 미군 병사들과 함께 작전을 취재하던 중 이 현상을 목격했다. 그는 이 현상에 이름이 없다는 것을 알고, 아프가니스탄 전쟁에서 사망한 두 명의 병사(미국인 벤저민 코프와 영국인 조셉 에첼스)의 이름을 따서 코프-에체스 효과라고 명명했다.[50][97]
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