헬리콥터 구성 요소 비행 원리 역사 종류 한계

헬리콥터(Helicopter)란 공기 중에서 고정된 위치에 정지하거나, 전진, 후진, 측면 이동 등 다양한 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 회전익 항공기(rotorcraft)를 말합니다.

헬리콥터는 구조, 군사, 의료, 소방, 운송, 관광 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

이번 시간에는 헬리콥터 구성 요소, 비행 원리, 역사, 종류, 한계 등에 대하여 자세히 알려드리려고 합니다.

헬리콥터

'헬리콥터(Helicopter) '라는 단어는 그리스어 helix (나선)와 pteron (날개)을 조합한 말로써, 나선형 날개를 의미합니다.

헬리콥터는 고정익기(예: 비행기)와 달리 활주로 없이도 수직으로 이착륙이 가능하다는 점이 헬리콥터의 가장 큰 특징입니다.

이러한 수직 이착륙이 가능한 특성 덕분에 좁은 공간이나 특수한 환경에서도 이착륙할 수 있다는 장점이 있는 운송기입니다.

1. 헬리콥터 구성 요소

1-1. 로터(Rotor)

로터라는 부분은 헬리콥터의 '날개' 역할을 하는 부분입니다.

주로 2개 이상의 블레이드(날개)로 구성되어있으며 빠른 속도로 회전하면서 양력을 생성하게 됩니다.

로터는 크게 주 로터(Main Rotor)와 테일 로터(Tail Rotor)로 구분되게 됩니다.

• 주 로터(Main Rotor) : 헬리콥터의 대부분 양력과 추력을 담당하고 있습니다.
• 테일 로터(Tail Rotor) : 주 로터로 인하여 발생하는 토크(회전하는 힘)를 상쇄하여 기체가 제자리에서 회전하지 않도록 제어하게 됩니다. 일부의 헬리콥터는 테일 로터 대신에 NOTAR(No Tail Rotor) 시스템을 자주 사용하기도 합니다.

1-2. 엔진

과거 초기의 헬리콥터는 피스톤 엔진을 사용하였지만, 현대 헬리콥터 대부분은 가볍고 강력한 터보샤프트 엔진을 사용하게 됩니다. 엔진은 로터를 돌리기 위한 동력을 제공하고 있습니다.

1-3. 동체(Fuselage)

동체란? 조종석, 승객 좌석, 화물칸 등을 포함하는 헬리콥터 본체입니다. 동체는 공기역학적으로 설계되있으며, 탑승자와 장비를 보호하는 역할도 하기도 합니다.

1-4. 랜딩 기어(Landing Gear)

헬리콥터가 지상에 착륙할 때에 기체를 지탱하는 구조물을 말합니다. 착륙 장치는 스키드 타입(skid-type) 또는 바퀴(wheel-type)로 구분되어 집니다.

1-5. 조종 장치

조종사는 여러 조종 장치를 이용하여 헬리콥터를 제어하게 됩니다.

1-6. 사이클릭(Cyclic) : 사이클릭이란 헬리콥터가 앞, 뒤, 좌, 우로 움직이게 합니다.

1-7. 컬렉티브(Collective) : 컬렉티브란 전체 블레이드의 피치각을 동시에 조정하여 상승 및 하강을 제어하게 됩니다.

1-8. 페달(Pedals) : 페달이란 테일 로터를 조정하여 기체의 방향(요, yaw)을 조정하는 역할을 합니다.

2. 헬리콥터 비행 원리

비행기의 경우에는 날개(고정익)가 전진하게 되면서 공기의 흐름을 바꿔서 양력(lift)을 생성하게 됩니다.

헬리콥터의 경우에는 날개(로터 블레이드)가 회전함으로써 정지 상태에서도 공기를 아래로 밀어내어서 양력을 만들게 됩니다.

즉, 로터가 회전하면서 공기를 아래로 밀어내는 작용에 의하여 반작용으로 위쪽 방향의 힘(양력)이 발생하게 됩니다.

이 양력의 원리는 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용 법칙)과 베르누이의 원리에 따라서 설명이 됩니다.

2-1. 로터 시스템

헬리콥터의 비행 원리는 로터의 작동 방식에 관하여 깊이 관련되어 있습니다.

헬리콥터는 주로 단일 주 로터 + 테일 로터 구조를 갖추고 있으면서, 이 로터 시스템은 세 가지 주요 축의 제어를 담당하고 있습니다

• 상승/하강 (Lift/Descent)
• 전진/후진/좌우 이동 (Pitch/Roll)
• 회전 (Yaw)

2-2. 상승과 하강: 컬렉티브 피치 조절

컬렉티브(collective) 레버란 모든 로터 블레이드의 피치(pitch, 기울기)를 동시에 변경하게 되는 장치입니다.\

양력의 크기는 로터 회전 속도와 피치각에 따라 결정되게 됩니다. 일반적으로는 회전 속도는 일정하게 유지되며, 피치각을 조절하여 양력을 조절합니다.

• 피치를 증가시키게 되면 블레이드가 공기를 더 많이 밀어내게 되면서 양력이 증가하게 되고, 헬리콥터가 상승하게 됩니다.
• 피치를 감소시키게 되면 양력이 줄어들면서 헬리콥터가 하강하게 됩니다.

2-3. 전진, 후진, 좌우 이동: 사이클릭 피치 조절

사이클릭 스틱이란? 로터 디스크 전체의 기울기를 조절하는 장치를 말합니다. 블레이드의 피치를 회전 주기마다 비대칭적으로 조절하여서 특정 방향으로 더 많은 양력을 발생시키게 됩니다.

• 스틱을 앞으로 밀게 되면 : 전방 블레이드의 피치를 감소시키면서, 후방 블레이드의 피치를 증가시켜서 전방으로 기울어지며 전진하게 됩니다.
• 스틱을 왼쪽으로 움직이면 : 오른쪽 블레이드가 더 많은 양력을 생성하여서 헬리콥터가 왼쪽으로 움직이게 됩니다.

이사이클릭 스틱 과정은 사이클릭 피치 제어(Cyclic Pitch Control)라고 불리며, 주기적으로 피치를 조절하는 기계적 장치인 스와시플레이트(Swashplate)가 핵심인 장치입니다.

2-4. 방향 제어 (요, Yaw): 테일 로터 또는 대체 시스템

헬리콥터의 주 로터가 회전하게 되면, 뉴턴의 작용-반작용 법칙에 따라서 동체도 반대 방향으로 회전하려는 토크가 생기게 됩니다. 이를 상쇄하거나 제어하지 않으면 헬리콥터는 제자리에서 계속 빙빙 돌게 됩니다.

(1) 테일 로터(Tail Rotor)

• 꼬리 부분에 수평으로 장착된 로터를 말하며, 수평 추력을 제공하여서 본체가 회전하는 것을 방지하는 역할을 합니다.
• 조종사는 페달을 이용하여 테일 로터의 피치를 조절하여 방향을 바꾸게 됩니다.
  • 왼쪽 페달을 누르게 되면 테일 로터의 추력이 증가하며 기체가 왼쪽으로 회전합니다.
  • 오른쪽 페달을 누르게 되면 추력이 감소하며 기체가 오른쪽으로 회전합니다.

(2)대체 시스템

• NOTAR (No Tail Rotor) : 배기 공기를 이용하여 반작용 토크를 상쇄시킵니다.
• 동축 반전 로터 (Coaxial Rotors) : 두 개의 로터가 반대 방향으로 회전해 서로의 토크를 상쇄시킵니다.
• 탠덤 로터 (Tandem Rotors) : 앞 뒤의 두 개의 로터가 반대 방향으로 회전시킵니다.

2-5. 로터 블레이드의 공기역학

헬리콥터의 블레이드는 비행기 날개처럼 에어포일(Airfoil) 형태로 이루어져 있습니다. 공기 흐름을 위 아래로 서로 분리하면서

• 윗면은 더 빠른 공기 흐름이 흐르며 압력 낮게 됩니다.
• 아랫면은 느린 공기 흐름이 흐르며 압력 높게 됩니다.
  → 이 차이에 의하여양력이 발생하게 됩니다.

하지만 헬리콥터의 경우에는, 블레이드가 회전하면서 위치에 따라서 속도가 달라지기 때문에 복잡한 공기역학적 보정이 매우 필요합니다.

2-6. 비행 중 발생하는 주요 문제

• 비행 속도 불균형
  • 전진 비행 시에, 한쪽 블레이드는 진행 방향으로 회전(진행 블레이드), 다른 한쪽은 반대 방향으로 회전하게 됩니다.(후퇴 블레이드)
  • 이로 인하여 속도 차이가 생기게 되고, 양력 불균형이 발생합니다.
• 플랩핑(Flapping)
  • 블레이드가 위아래로 진동하게 되면서 양력 불균형을 보정하는 현상이 일어납니다.
  • 힌지(hinge)를 통해 유연하게 움직이도록 설계됩니다.
• 리드-래그(Lead-Lag)
  • 블레이드가 회전 중 앞뒤로 약간 흔들리는 현상을 말하며, 회전 운동에 따라 발생하는 관성력 변화에 적응하기 위함입니다.
• 피치 변경(Feathering)
  • 블레이드의 피치를 지속적으로 조정하여 비행 방향과 자세를 유지시킵니다.

이 모든 작용은 스와시플레이트(Swashplate)라는 복합 메커니즘을 통하여 이루어지게 됩니다.

2-7. 제어 시스템 요약

컬렉티브	전체 블레이드 피치 변경	상승/하강
사이클릭	로터 디스크 기울기 변경	전후좌우 이동
페달	테일 로터 피치 조절	회전 방향(Yaw) 조절
스로틀 (Throttle)	엔진 출력을 제어 (일부는 자동)	로터 회전 속도 조정

2-8. 안정성과 오토로테이션(자동회전 비상 착륙)

헬리콥터의 가장 중요한 안전 기능 중 하나는 오토로테이션(Autorotation)이라는 기능입니다.

• 오토로테이션이란 기능은 엔진이 고장나도, 로터는 공기 흐름으로 인해 계속 회전할 수 있게 합니다.
• 오토로테이션이란 기능으로 이때 조종사는 로터 피치를 조절하여 공기를 타고 하강하며 착륙하게 됩니다.
• 오토로테이션이란 기능은 오토로테이션은 숙련된 조종사가 실전에서도 안전하게 착륙할 수 있도록 훈련을 받게 됩니다.

2-9. 정지 비행(Hovering)의 복잡성

헬리콥터가 공중에서 한 지점에 정지하는 것은 매우 복잡한 제어를 요구하게 됩니다.

• 양력과 중력이 정확히 균형을 이뤄야 합니다.
• 바람이나 공기 밀도 변화, 연료 소모 등에 따라서 미세하게 조정하여야 합니다.
• 이는 조종사에게 큰 피로를 주게 되며, 자동 조종 장치(AFCS)가 개발되어 많은 헬리콥터에 도입되고 있습니다.

헬리콥터의 비행 원리는 단순히 회전하는 날개로 나는 것 이상의 복합적 원리와 정밀 제어 기술에 기반하게 됩니다.

아래와 같은 특징이 핵심입니다.

• 수직 이착륙 및 호버링 가능합니다.
• 로터 피치 조절을 통한 3축 제어 가능합니다.
• 테일 로터 또는 대체 시스템을 통한 토크 상쇄됩니다.
• 블레이드의 복합 공기역학적 동작

헬리콥터는 이 복잡하고 정교한 기술 덕분에 고정익 항공기가 접근할 수 없는 지역에서도 다양한 중요한 역할을 수행할 수 있게 됩니다.

3. 헬리콥터 역사

• 1485년 : 레오나르도 다 빈치가 나선형 비행체(헬리컬 에어스크루)를 구상하였습니다. 비록 실제로 비행하진 못했지만, 현대 헬리콥터 개념의 시초였다고 할 수 있습니다.
• 1936년 : 독일의 플레트너(Focke-Wulf Fw 61)가 최초로 성공적인 헬리콥터 비행을 기록하였습니다.
• 1939년 : 미국의 이고르 시코르스키(Igor Sikorsky)가 설계한 VS-300이 첫 비행에 성공하였으며 현대적 단일 로터 헬리콥터 설계의 기초를 닦았습니다.

시코르스키는 현대 헬리콥터 개발에 매우 핵심적인 인물로 평가받았으며, 현재까지 그의 설계 철학은 많은 헬리콥터에 계속적으로 반영되고 있습니다.

4. 헬리콥터 활용 분야

• 군사 : 공격 헬리콥터(AH-64 아파치), 수송 헬리콥터(CH-47 치누크), 정찰 헬리콥터 등으로 활용됩니다.
• 구조 및 응급 의료 : 산악 구조, 해상 구조, 응급 환자 이송(MEDEVAC) 등으로 활용됩니다.
• 소방 : 대형 산불 진압 시 대형 물탱크를 매달고 화재 지역에 물 투하합니다.
• 교통 : 대도시에서는 헬리콥터 택시 서비스도 등장하였습니다.
• 농업 : 대규모 농경지에 농약을 살포하거나 모종을 뿌리는 데 활용됩니다.
• 관광 : 대자연, 도시 경관을 감상하는 관광 헬기 투어도 가능합니다.
• 산업 : 발전소 건설, 송전선 점검, 해상 석유 시추 플랫폼 지원합니다.

5. 헬리콥터 종류

• 단일 주 로터(single main rotor)
  가장 흔한 형태의 헬리콥터입니다. 메인 로터와 테일 로터로 구성되어 있습니다.
• 동축 반전 로터(coaxial rotor)
  두 개의 주 로터가 같은 축을 중심으로 반대 방향으로 회전하여 테일 로터가 필요 없는 헬리콥터입니다. ( ex: 카모프 Ka-50)
• 트윈 로터(tandem rotor)
  앞뒤로 두 개의 큰 로터가 수평으로 배치된 방식의 헬리콥터입니다. ( ex : CH-47 치누크)
• 틸트로터(tiltrotor)
  수직 이착륙과 고속 수평 비행을 모두 할 수 있는 하이브리드 형태의 헬리콥터입니다. ( ex : V-22 오스프리)
• NOTAR
  테일 로터 없이, 배출되는 공기를 이용해 방향 제어를 하는 헬리콥터입니다. ( ex : MD 520N)

6. 헬리콥터 한계와 도전 과제

• 속도 한계 : 헬리콥터는 블레이드 진행/후퇴 불균형 때문에 고속 비행에 제한이 있게 됩니다. 일반적으로 시속 300km 이상을 넘기 어렵다는 특징이 있습니다.
• 복잡한 유지보수 : 로터 시스템은 많은 정비를 필요로 하게되며, 엔진, 기어박스, 로터 허브 등은 고장이 잦을 수 있습니다.
• 소음 문제 : 헬리콥터는 고속 회전하는 로터와 엔진 소음 때문에 주변 환경에 큰 소음을 발생시키게 됩니다.
• 연료 효율성 : 헬리콥터는 같은 크기의 비행기 대비 연료 소모가 큰 편입니다.

이런 헬리콥터의 한계점을 개선하기 위한 신기술 개발이 활발합니다.

예를 들어, 하이브리드 전기 헬리콥터, 무인 헬리콥터, 고속 헬리콥터(SB>1 디파이언트, S-97 레이더) 등이 계속적으로 연구되고 있습니다.

7. 미래의 헬리콥터

도심 항공 모빌리티(UAM, Urban Air Mobility) 시대가 다가오면서 전기 수직이착륙기(eVTOL) 개발이 활발하고 있습니다.
전통적인 헬리콥터보다 조용하고 친환경적인 비행체들이 계속적으로 등장하고 있으며, 자율비행 기능을 갖춘 무인 헬리콥터도 급속히 발전하고 있는 추세입니다.

현재 대표적인 미래형 헬리콥터 프로젝트로는 에어버스의 '시티에어버스', 벨의 '넥서스', 현대차의 'S-A1' 등이 있습니다.

최근 헬리콥터 기술은 계속적으로 크게 발전하고 있습니다.

• 복합 로터 시스템 : 예를 들어 콱스로터(4개의 로터) 구조 또는 동축 반전로터(coaxial rotors)는 더 높은 안정성과 기동성을 제공하게 됩니다.
• 무인 헬리콥터(UAV) : 드론 형태의 무인 회전익기도 계속적으로 점점 발전 중입니다.
• 전기 추진 헬리콥터 : 친환경 기술을 접목한 전기 헬리콥터 실험이 활발히 계속적으로 진행되고 있습니다.
• 하이브리드 형태 : 비행기와 헬리콥터의 장점을 결합한 틸트로터기(예: 벨 V-22 오스프리)도 최근 개발되었습니다.

헬리콥터는 수직 이착륙 능력과 자유로운 비행 능력이란 특징 덕분에 매우 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 기술 발전에 따라서 이전보다 점점 더 빠르고, 조용하고, 효율적인 방향으로 발전하고 있습니다.