로터 블레이드 운동

로터 블레이드 운동 

 로터 블레이드는 마스트에 장착되어 공기 중을 고속으로 회전한다. 이러한 운용환경 속에 놓인 로터 블레이드는 각종 항공 익힌 적 힘에 의한 하중(load)과 비틀림 등의 응력(stress)을 받는다. 블레이드가 마스트에 고정되어 있다면, 감당해야 할 하중과 응력이 증가하여, 구조적으로 견디지 못하고 심각한 변형이나 손상을 일으킬 수 있다. 이 같은 문제를 해소하기 위해, 로터 시스템(rotor system)은 블레이드가 받는 항공역학적 하중과 응력을 구조적으로 견딜 수 있도록 흡수하고, 유연하게 운동할 수 있도록 설계되어 있다. 로터 시스템에 적용된 블레이드 운동은 풀 래핑 (flapping). 페어링(feathering). 선행과 후행(lead and lag)이 있으며, 선행과 후행은 헌팅(hunting) 이라고도 한다. 로터 블레이드 운동은 적용하고 있는 로터 시스템의 형태에 따라 서로 다른 운동 특성을 갖는다. 로터 시스템 형태는 완전 관절식(fully articulated). 반고정식(semirigid), 고정식(rigid) 3가지로 구분되는데, 완전 관절식 로터 시스템은 기계적으로 풀 래핑, 페어링, 선행과 후행을 모두 허용하고, 반고정식 로터 시스템은 풀 래핑과 페어링만 허용한다. 고정식 로터 시스템은 페어링만 허용하는데, 풀 래핑. 선행과 후행은 블레이드의 신축성(flexing)과 굴성(bending)으로 흡수된다. 로터 시스템에 관한 내용은 '제4절 전진 비행'을 참조한다.

풀 래핑(Flapping) : 풀 래핑은 로터 블레이드의 상·하운종을 말하는데, 이를 가능하게 하는 것이 풀 래핑 힌지(hinge)이다. 풀 래핑 힌지는 회전축인 마스트 또는 로터 허브와 블레이드를 연결하는 역할을 한다. 풀 래핑은 블레이드의 상대풍 속도 변화나 블레이드 각(붙은 입각, 받음각)의 변화에 따른 양력 변화로 발생한다. 상대 풍 속도가 증가하거나 붙임 각이 증가하면, 양력 증가로 블레이드는 상향 풀 래핑을 하게 되고, 상대 풍 속도가 감소하거나 불임 각이 감소하면, 양력은 감소 되어야 향 플래핑을 하게 된다. 블레이드 붙인 가격이 변화에 의한 풀 래핑은 사이클릭 페어링과 결합하여 발생한다.

반면 로터 블레이드 끝단 경론 면(rotor blade tip path plane)이 마스트(회전축)에 수직일 경우, 풀 래핑은 발생하지 않는다. 회전익 항공기 가 전진 비행을 하게 되면, 로터(회전면) 내의 블레이드에 양력 불균형이 발생하는데, 풀 래핑은 이러한 양력 불균형을 해소하는 역할을 한다. 또한, 조종사가 사이클릭을 조작함에 따라 로터(회전면)를 경사지도록 하는 역할도 한다. 예를 들어. 사이클릭을 전방 12시 방향으로 적용하면, 로터 내 회전하는 블레이드 중 전방 12시를 통과하는 블레이드는 하향 풀 래핑을 하고, 반대인 6시 방향을 통과하는 블레이드는 상향 풀 래핑을 하여 로터 (회전면)이 앞으로 경사지게 하는 원리이다.

회전익 항공기를 운용하다 보면, 과도한 풀 래핑이 발생하여 항공기 손상을 일으킨 사례가 있다. 특히, 회전익 항공기가 전진 비행을 하게 되면, 로터 블레이드의 양력 불균형이 심화하여, 과도한 풀 래핑이 발생할 수 있다. 이러한 과도한 풀 래핑을 방지하기 위해 설계 단계에서부터 기계적인 해소 방법을 적용하는 항공기도 있다. 그러나 조종사는 항공기의 과도한 풀 래핑이 일어나지 않도록 비행 원리에 관한 전문지식과 경험을 가지고, 이를 방지해야 한다.

과도한 풀 래핑 해소 방법 : 단일 회전익 항공기는 기종별로 차이는 있지만, 로터에서 발생하는 과도한 풀 래핑을 방지하기 위해서는 아래와 같은 기계적인 방법을 적용하고 있다.

1. 마스트 또는 트랜스미션을 전방으로 경사지게 장착 (AH-64E 5도, KUH-1 5도, UH-60 3도, B0-105, 500MD 3도, CH-47 전방 로터 9도와 후방로터 4도 등)

2. 스테빌라이저(AH-1S) 또는 동기 승강타(AH-64E, UH-60) 설치

3. 로터 시스템에 델타-3 힌지 또는 오프셋 피치 혼 장착

마스트 또는 트랜스미션을 전방으로 경사지게 장착하여 처음부터 로터 회전면을 전방으로 기울어지도록 하면, 과도한 풀 래핑으로 인해 로터 회전면이 크게 뒤로 기울어지는 것을 어느 정도 해소할 수 있다. 따라서 항공기 기종별로 차이는 있지만, 마스트 또는 트랜스미션을 전방으로 기울여 장착하고 있다.

페어링(Feathering) : 페어링은 로터 블레이드 길이 방향의 축을 기준으로 블레이드의 붙임 각이 변화하는 것으로, 걸레가 티브이 또는 사이클릭으로 조절할 수 있다. 페어링은 킬 액티브 페어링과 사이클릭 페어링으로 구분된다.

콜렉티브 페어링(Collective feathering) : 콜렉티브 페어링은 로터 (회전면) 내의 각각의 블레이드 붙임 각이 모든 면에서 동시에, 동일한 방향, 동일한 크기로 변화하는 것을 말한다. 이는 로터 내 각 블레이드의 붙은 입각이 동시에 증가 또는 감소함으로써, 회전면 전체의 양력이 증가 또는 감소하게 되는 것이다.

사이클릭 페어링(Cyclic feathering) : 사이클릭 페어링은 로터(회 전면) 내에서 각각의 블레이드 붙임 각이 서로 다르게 변화하는 것이다. 예를 들어, 반시계 방향으로 회전하는 로터 블레이드는 사이클릭을 전방 12시 방향으로 움직이면, 회전운동의 세차를 고려하여 3시 방향 위치를 통과하는 블레이드 붙임 각은 감소하게 되고, 9시 방향을 통과하는 블레이드는 같은 크기로 붙임 각이 증가하게 되어. 회전면이 전방으로 기울어지게 된다. 이처럼 로터(회전면) 내에서 블레이드의 서로 다른 붙인 가격이 변화를 '사이클릭 페어링'이라고 한다.