최근에 경상도와 강원도 지방에서 산불이 연속적으로 발생하여 산을 온통 불바다로 만들었고 거기에 살던 마을의 집들이 화재가 일어나 많은 재산피해가 발생했다는 뉴스를 들었다. 산불이 발생했을 때 산불 진화에 가장 좋은 방법은 헬리콥터를 이용하여 물을 비 오듯이 공중에서 뿌려주는 방법이다.
보통의 비행기가 이륙과 착륙울 하기 위해서는 긴 활주로가 필요하다. 그러나 헬리콥터는 수직 이착륙이 가능하기 때문에 조그마한 평지만 있어도 이착륙을 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
헬리콥터를 제외한 많은 비행기들은 고정된 날개를 가지고 양력을 만들어 내지만 헬리콥터는 회전하는 날개를 이용하여 양력을 만들어 낸다. 날개를 돌린다고 말하면 단순한 회오리 느낌이지만, 사실 이건 엄청나게 정밀한 과학의 결정체다.
헬리콥터는 날개 대신 ‘로터(rotor)’라는 회전날개를 돌리는데, 이게 그냥 도는 게 아니라 마치 피아노 건반을 누르듯, 각 날개 하나하나가 섬세하게 움직인다. 이 글에서는 일반 비행기와 다른 회전 날개를 이용하여 양역을 만들어내는 로터를 중심으로 거기에 숨어있는 과학적 사실을 조사해 보고자 한다.
헬리콥터의 비행 원리
헬리콥터의 비행은 단순한 회전익 항공기의 개념을 넘어, 공기역학, 구조역학, 제어 시스템이 극도로 정교하게 융합된 결과물이다.
양력 생성 메커니즘
헬리콥터의 주 회전날개(Main Rotor)는 ‘회전하는 날개’이면서도 동시에 ‘비행기 날개’처럼 작동한다. 비행기의 고정된 날개는 빠르게 앞으로 움직일 때 양력(lift)을 만들어내는데, 헬리콥터는 날개가 자체적으로 빙글빙글 돌면서 동일한 원리를 구현한다.
이때 중요한 건 날개 단면의 모양, 즉 에어포일(airfoil) 구조다. 위쪽은 둥글고 아래쪽은 평평해서 공기가 위로 흐를 때 더 빠르게 지나가고, 그로 인해 압력이 낮아진다.
동시에, 회전하는 로터 블레이드는 공기를 아래쪽으로 밀어냅니다 (작용). 뉴턴의 제3법칙에 따라, 공기를 아래로 밀어내는 힘에 대한 반작용으로 공기가 로터 블레이드를 위로 밀어 올리는 힘이 발생합니다. 이 역시 양력의 중요한 부분을 차지한다.
결국 헬리콥터는 베르누이 원리에 의한 압력 차이와 뉴턴의 작용-반작용 법칙에 의한 힘이 합쳐져 강력한 양력을 얻고, 육중한 동체를 하늘로 띄울 수 있는 것이다.
헬리콥터가 하늘로 떠오르는 가장 기본적인 힘은 바로 ‘양력(Lift)’입니다. 이 양력은 헬리콥터의 거대한 날개, 즉 ‘메인 로터(Main Rotor)’ 블레이드가 회전하면서 만들어낸다. 각 로터 블레이드는 비행기 날개와 유사한 ‘에어포일(Airfoil)’ 형태를 가지고 있다.
헬리콥터의 양력은 본질적으로 회전하는 날개, 즉 메인 로터(Main Rotor) 블레이드에서 생성된다. 각 블레이드는 특정 단면 형상, 즉 에어포일(Airfoil)을 가지며, 이는 비행기 날개와 유사하지만 회전 운동에 최적화된 특성을 지닌다.
로터가 회전하면 블레이드는 공기와 상호작용한다. 이때 블레이드의 시위선(Chord Line)과 상대풍(Relative Wind)이 이루는 각도인 받음각이 양력 발생의 핵심 변수이다. 받음각이 증가하면 특정 지점까지 양력 계수(Lift Coefficient)가 증가하여 더 큰 양력을 생성한다.
로터는 양력을 생성하면서 공기를 아래로 밀어내는데, 이 하강 기류를 유도 속도(또는 하강류, Downwash)라고 한다. 이 유도 속도는 블레이드로 유입되는 공기의 방향(상대풍)에 영향을 미쳐, 기하학적 받음각보다 작은 유효 받음각을 형성한다.
따라서 실제 양력은 유효 받음각에 의해 결정되며, 유도 속도는 양력 생성 효율에 직접적인 영향을 미친다. 특히 호버링(Hovering) 시 유도 속도의 영향이 크다.
실제 로터 블레이드의 각 부분은 회전 반경에 따라 선속도가 다르다. 따라서 블레이드를 여러 개의 작은 요소(Element)로 나누어 각 요소에서의 공기력(양력, 항력)을 계산하고 이를 적분하여 전체 로터의 공력 특성을 분석하는 깃 요소 이론이 해석의 기본이 된다. 블레이드 비틀림(Twist)은 각 요소의 받음각을 최적화하여 효율을 높이기 위한 설계이다.
로터 시스템 동역학
헬리콥터가 전진 비행을 시작하면 로터 시스템은 비대칭 양력(Dissymmetry of Lift)이라는 심각한 문제에 직면한다. 로터가 회전하면서 기체 진행 방향으로 향하는 블레이드(전진깃, Advancing Blade)는 기체 속도와 회전 속도가 더해져 상대풍이 빨라지고, 반대 방향의 블레이드(후퇴깃, Retreating Blade)는 기체 속도가 상쇄되어 상대풍이 느려진다. 속도 차이는 양력 차이를 유발하여 로터를 한쪽으로 기울게 하고 극심한 진동을 발생시킨다.
이를 해결하기 위해 대부분의 헬리콥터 로터 허브에는 다음과 같은 힌지(Hinge) 또는 그에 상응하는 유연한 구조가 적용된다.
플래핑 힌지(Flapping Hinge)는 블레이드가 위아래로 자유롭게 움직일 수 있게 하여, 양력이 큰 전진깃은 위로 올라가며 유효 받음각을 감소시키고, 양력이 작은 후퇴깃은 아래로 내려오며 유효 받음각을 증가시켜 양력 불균형을 자동으로 보정한다.
리드-래그 힌지(Lead-Lag or Hunting Hinge)는 플래핑 운동 시 코리올리 효과(Coriolis Effect)로 인해 블레이드가 회전 방향으로 앞서거나 뒤처지려는 경향이 발생한다. 리드-래그 힌지는 블레이드가 회전 평면 내에서 앞뒤로 움직일 수 있게 하여 이러한 응력을 흡수하고 진동을 완화한다.(댐퍼와 함께 사용됨)
페더링 힌지(Feathering Hinge)는 블레이드의 피치각(받음각)을 조절하는 축이다. 컬렉티브 및 사이클릭 제어 입력이 이 힌지를 통해 전달된다. 최근의 무힌지(Hingeless) 또는 무베어링(Bearingless) 로터 시스템은 복합재료의 유연성(Flexure)을 이용하여 이러한 힌지의 기능을 구현하며, 더 우수한 조종 반응성과 정비 편의성을 제공한다.
추력 벡터 제어
헬리콥터의 기동은 로터가 생성하는 추력 벡터의 크기와 방향을 정밀하게 제어함으로써 이루어진다.
콜렉티브 피치 제어(Collective Pitch Control)
헬리콥터가 제자리에서 상승하거나 하강하는 수직 비행은 어떻게 조절할까? 이는 메인 로터 블레이드들의 ‘받음각(Angle of Attack, Pitch Angle)’을 동시에 조절함으로써 이루어진다.
조종사가 ‘컬렉티브 레버(Collective Lever)’를 올리면, 모든 로터 블레이드의 받음각이 동시에 커지고, 받음각이 커지면 블레이드가 공기와 더 큰 각도로 부딪히며 더 많은 양력을 발생시키고, 헬리콥터는 위로 상승한다. 반대로 컬렉티브 레버를 내리면, 모든 로터 블레이드의 받음각이 동시에 작아진다. 양력이 감소하면서 헬리콥터는 아래로 하강하게 된다.
만약 양력이 헬리콥터의 무게보다 작아지면 하강하고, 양력과 무게가 평형을 이루면 제자리 비행(호버링) 상태를 유지한다. 이처럼 모든 블레이드의 각도를 ‘집단적으로(collectively)’ 조절한다고 해서 ‘컬렉티브 피치 제어’라고 부릅니다.
사이클릭 피치 제어(Cyclic Pitch Control)
사이클릭 스틱 조작은 스워시 플레이트의 고정판을 특정 방향으로 기울인다. 이 기울기는 회전판으로 전달되어, 로터가 한 바퀴 회전하는 동안 각 블레이드의 피치각을 주기적으로(Cyclically) 변화시킨다. 예를 들어 스틱을 앞으로 밀면, 로터 디스크 후방을 지날 때 블레이드의 피치각이 최대가 되고 전방을 지날 때 최소가 되도록 만든다.
다시 설명하면 다음과 같다. 컬렉티브 피치와 달리, 로터가 한 바퀴 회전하는 동안 각 블레이드의 받음각을 주기적으로(cyclically) 변화시키는 매우 정교한 제어 방식이다.
조종사가 ‘사이클릭 스틱(Cyclic Stick)’을 앞으로 기울이면, 로터 시스템 내의 ‘스워시플레이트(Swashplate)’라는 장치가 움직여 로터가 회전할 때 뒤쪽에서 가장 큰 받음각을 가지고, 앞쪽에서 가장 작은 받음각을 가지도록 블레이드의 각도를 주기적으로 변화시킨다.
이렇게 되면 로터 블레이드가 회전하면서 만드는 가상의 원반, 즉 ‘로터 디스크(Rotor Disk)’ 전체가 앞으로 기울어지게 된다. 양력은 항상 로터 디스크에 수직으로 작용하므로, 로터 디스크가 앞으로 기울면 양력 벡터 역시 수직 성분과 전방 성분으로 나뉘게 된다. 이 전방 성분이 바로 헬리콥터를 앞으로 나아가게 하는 추력이 됩니다.
마찬가지로 사이클릭 스틱을 뒤로 기울이면 로터 디스크가 뒤로 기울어 후진하고, 좌우로 기울이면 각각 좌우로 이동하게 됩니다. 즉, 사이클릭 피치 제어는 양력의 방향 자체를 기울여 원하는 방향으로 추력을 발생시키는, 헬리콥터 기동의 핵심 기술입니다.
위상 지연(Phase Lag)과 자이로스코픽 세차운동(Gyroscopic Precession)
중요한 점은, 회전하는 로터 시스템은 자이로스코프와 유사한 특성을 보인다는 것이다. 특정 지점에서 최대 피치각 변화(최대 양력 변화)를 주면, 실제 로터 디스크의 최대 기울기(플래핑)는 그 지점에서 약 90도 회전 방향으로 지연된 지점에서 발생한다. 따라서 제어 입력은 원하는 로터 디스크 기울기 발생 지점보다 약 90도 이전에 적용되도록 설계된다 (예: 전방 추력을 원하면, 최대 피치각 입력은 측면에서).
결과적으로 로터 디스크 전체가 조종사가 의도한 방향으로 기울어지고, 로터 디스크에 수직으로 작용하는 총 추력 벡터 역시 같은 방향으로 기울어집니다. 이 기울어진 추력 벡터의 수평 성분이 헬리콥터를 전후좌우로 이동시키는 힘이 된다.
반동 토크 제어 및 요잉(Yawing) 제어
메인 로터가 회전하면 뉴턴의 제3법칙에 따라 동체에는 반대 방향으로 회전하려는 반동 토크(Reactive Torque)가 작용한다. 쉽게 말하면 헬리콥터 날개가 회전하면 몸체가 그 반대 방향으로 돌려고 하는 힘이 생기는 것이다. 이를 럾애주지 않으면 헬리콥터는 뱅글뱅글 돌게 된다. 이를 상쇄하고 기수의 방향(Yaw)을 제어하기 위한 시스템이 필수적이다.
테일 로터(Tail Rotor)
메인 로터가 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 강력하게 회전하면, 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용)에 따라 헬리콥터 동체는 그 반대 방향으로 회전하려는 힘, 즉 ‘토크(Torque)’를 받게 됩니다. 이 토크를 상쇄하지 않으면 헬리콥터는 제자리에서 빙글빙글 돌게 될 것입니다.
이것을 제어하는 가장 일반적인 방식으로 이용되는 것이 꼬리 부분에 작은 로터를 설치하여 메인 로터 토크와 반대 방향의 추력을 발생시키는 것이다. 조종사는 페달(Anti-torque Pedals)을 이용해 테일 로터 블레이드의 피치각을 조절하여 추력 크기를 변화시킴으로써, 토크 상쇄는 물론 원하는 방향으로 기수를 돌리는 요잉 제어를 수행한다.
위의 이미지에서 메인 로터가 좌회전하면 헬리콥터의 몸체도 좌회전하는데, 테일 로터에서 왼쪽 방향으로 추력을 만들면 두 힘이 서로 상쇄되어 헬리콥터는 균형을 잡을 수 있다.
모든 헬리콥터가 테일 로터를 사용하는 것은 아니다. 메인 로터를 위아래 두 개 배치하여 서로 반대 방향으로 회전시키는 동축반전로터(Coaxial Rotors), 앞뒤로 배치하는 탠덤로터(Tandem Rotors), 또는 꼬리 부분에서 압축 공기를 분사하여 토크를 상쇄하는 노타(NOTAR, No Tail Rotor) 시스템 등 다양한 방식이 존재한다
꼬리날개는 측면으로 공기를 밀어내며 회전 반작용을 상쇄해준다. 조종사가 테일 로터의 추력을 조절하면, 헬리콥터는 제자리에서 회전할 수도 있다. 마치 몸은 가만히 있고 머리만 도는 느낌이다. 미국의 아파치 헬기 같은 경우, 꼬리로터 대신 반대 방향으로 회전하는 두 개의 로터(coaxial rotor)를 사용해서 토크를 상쇄하기도 한다.
꼬리로터 효율 상실(Loss of Tail Rotor Effectiveness, LTE)
특정 바람 조건(주로 저속, 측풍/배풍)에서 테일 로터가 생성하는 추력이 급격히 감소하여 기수의 방향(Yaw) 제어가 불가능해지는 위험한 현상이다. 이는 와류 링 상태(Vortex Ring State), 풍향계 안정성(Weathercock Stability) 등 복합적인 공기역학적 요인에 의해 발생할 수 있다.
대안 시스템
탠덤 로터(Tandem Rotors), 동축 반전 로터(Coaxial Rotors), 교차 반전 로터(Intermeshing Rotors) 등은 두 개의 메인 로터를 서로 반대 방향으로 회전시켜 토크를 상쇄한다. NOTAR (No Tail Rotor) 시스템은 메인 로터의 하강류 일부를 이용하여 동체 측면 슬롯과 방향 제어 노즐로 공기를 분사하여 코안다 효과(Coanda Effect) 및 직접 추력을 통해 토크를 상쇄하고 요 제어를 수행한다.
주요 비행 영역 및 공기역학적 현상
호버링(Hovering)
제자리 비행 상태. 지면 효과 내(In-Ground Effect, IGE) 호버링은 지면의 방해로 유도 속도가 감소하여 더 적은 동력으로 비행 가능하며, 지면 효과 외(Out-of-Ground Effect, OGE) 호버링은 더 많은 동력이 필요하다.
전진 비행(Forward Flight)
비대칭 양력, 플래핑 보정 외에도 횡단 흐름 효과(Transverse Flow Effect)가 천이 비행(Transition Flight, 호버링에서 전진 비행으로 전환) 시 발생한다. 로터 디스크 전후방의 유도 속도 차이로 인해 진동과 함께 롤링(Rolling) 경향이 나타난다.
고속 전진 비행 시에는 후퇴깃 실속(Retreating Blade Stall)이 성능 한계 요인이 된다. 후퇴깃의 낮은 상대풍 속도와 높은 받음각 요구 조건이 결합되어 블레이드 일부 또는 전체가 실속에 빠지며 양력 손실, 진동 증가, 조종 계통 부하 증가를 유발다. 또한 로터 팁 속도가 음속에 가까워지면 압축성 효과(Compressibility Effects)로 인한 충격파 발생, 항력 증가, 소음 증가 등의 문제도 고려해야 한다.
자동회전(Autorotation)은 엔진 고장 시 비상 절차. 하강 기류가 로터 블레이드의 특정 영역(Driving Region)을 아래에서 위로 통과하며 풍차처럼 로터를 회전시킨다. 조종사는 컬렉티브 피치를 조절하여 로터 RPM을 유지하고 양력을 제어하여 활공 및 착륙을 시도한다. 이는 헬리콥터의 잠재 에너지를 로터의 운동 에너지로 변환하는 과정이다.
안정성 및 제어 시스템
헬리콥터는 본질적으로 공기역학적 불안정성이 높은 항공기입니다. 특히 호버링 시 외부 교란(돌풍 등)에 민감하게 반응한다. 이를 보완하기 위해 현대 헬리콥터에는 안정성 증대 시스템(Stability Augmentation System, SAS)이나 자동 조종 장치(Autopilot)가 탑재되어 조종사의 부담을 줄이고 비행 안정성을 향상시킨다.
그 외 흥미로운 과학적 사실들
자동회전 (Autorotation)
만약 비행 중 엔진이 고장 나면 어떻게 될까? 헬리콥터는 즉시 추락할까? 다행히 자동회전이라는 기능이 있다. 엔진 동력이 끊겨도, 헬리콥터가 하강하면서 아래에서 위로 불어오는 공기의 힘으로 메인 로터가 계속 회전하게 된다. 조종사는 이 회전력을 이용해 양력을 제어하며 비교적 안전하게 착륙을 시도할 수 있다. 마치 바람개비가 바람에 돌아가는 것과 유사한 원리입니다.
지면 효과 (Ground Effect)
헬리콥터가 지면 가까이(보통 로터 직경의 1배 이내 높이)에서 호버링할 때는 평소보다 적은 힘으로도 떠 있을 수 있습니다. 로터가 아래로 밀어낸 공기가 지면에 부딪혀 빠져나가지 못하고 ‘에어 쿠션’처럼 쌓이면서 로터 효율을 높여주기 때문이다.
횡단 경향 (Translating Tendency)
꼬리로터가 토크를 상쇄하기 위해 옆으로 추력을 발생시키기 때문에, 헬리콥터는 특별한 조작 없이 호버링하면 꼬리로터 추력 방향으로 약간씩 밀리는 경향이 있다. 조종사는 이를 상쇄하기 위해 사이클릭 스틱을 미세하게 반대 방향으로 조작한다.
마무리
헬리콥터의 비행은 에어포일 이론, 유체 역학, 복잡한 로터 동역학, 정밀한 기계적/전자적 제어 시스템이 상호작용한 결과이다. 비대칭 양력, 반동 토크, 다양한 공기역학적 간섭 현상들을 극복하고 안정적인 비행과 정밀한 기동을 구현하기 위해 수많은 공학적 난제들이 해결되어 왔다. 따라서 헬리콥터는 단순한 이동 수단을 넘어, 응용 공기역학과 기계공학의 정수를 보여주는 대표적인 사례라 할 수 있다.