이번에는 에어버스의 최신 헬기인 H160에 대해서 알아보면 좋을것 같습니다. 군용 버전인 H160M도 외형은 거의 동일한듯 하기때문에 여기 나오는 내용이 동일하게 적용될듯 합니다.

우선, 항공기 설계에서는 외형이 기능을 담당하기 때문에 자동차처럼 외형적인 아름다움을 추구하는 디자인이 개입하지 않는다고 했었는데요. 하지만 이 H160은 자동차 디자인 전문인 Peugeot 디자인랩에서 외형 로프트를 담당했다고 합니다. 헬기의 속도영역은 상대적으로 저속으로 제한되어 있고 동체의 크기에 비해서 탑승인원이 차지하는 공간이 많기때문에 시각적인 부분이 개입할 여지가 있었을것 같기는 합니다. 그렇더라고 하더라도 헬기의 기본적인 특성에 대해서 이해를 하고 있었거나 아니면 기본적인 설계는 엔지니어가 처리하고 이를 토대로 외형의 곡선을 다듬는 정도로 한정되지 않았을까 합니다.

그래서 그런건지 몰라도 H160은 누가 보더라도 첫 눈에 매끈하고 멋있다는 생각을 할 것 같은데요. 그 중에서도 특히 눈에 띄는 몇 가지인 Biplane Stabilizer 복엽식 수평안정판, Canted Fenestron 기울어진 페네스트론, Double Sweep Rotor 끝부분이 특이하게 꺾어진 메인로터 순으로 알아봅니다. 

복엽식 수평안정판 

회전익 항공기인 헬기도 고정익 항공기인 비행기나 마찬가지로 안정성을 갖기 위해서는 수평안정판이 필요합니다. 수직안정판도 역시 마찬가지입니다. 아주 쉽게 얘기하자면 풍향계를 생각하면 됩니다. 무게중심에서 멀리 떨어진 부위에서 바람의 힘을 더 크게 받아서 기체를 곧게 유지하는 역할이라고 보면 되는데요. 이것 외에 제자리에서 정지비행을 할 수 있는 헬기의 특성을 감안했을때 수평안정판을 결정하기 위해서 고려하는 요인 중에서 가장 쉬운것 두 가지를 예로 들어봅니다.

우선 헬기가 전진을 하는 상황을 고려해 봅니다. 메인로터가 앞으로 기울어지면 양력이 일부가 추력으로 사용되면서 앞으로 전진을 하는데요. 메인로터에서 발생하는 양력의 일부를 전진을 위한 추력으로 사용하고 그래서 이때 동체는 기수가 내려가는 쪽으로 기울어지려고 합니다. 그러면 이는 조종사를 포함한 탑승자 모두 앞으로 넘어지려는 자세를 유지한 채로 전방으로 직진을 한다는 얘기가 됩니다. 또한 동체가 앞으로 기울어진채로 순항비행을 하면 기체가 평평한 상태와 비교했을때 항력도 증가하기 때문에 좋지 않을겁니다. 일반적으로 주기된 헬기를 보면 메인로터 마스트가 약 3-5도 정도 앞으로 기울어져 있는데 이는 순항시 메인로터가 앞으로 기울어진 상태에서 기체를 안정한 상태를 만들기 위한것이라고 볼 수 있습니다.

그래서 순항시 기체가 최대한 안정된 자세를 유지하도록 하기 위해서는 수평안정판을 달아서 기체의 후미를 아래로 내려주어 기수를 들어 올려야 합니다. 

그래서 이런식으로 고속 전진비행을 위해서라면 수평안정판에서 충분히 힘을 내야하기 때문에 위의 그림에서 빨간색 표시처럼 수평안정판의 면적이 넓어지는게 좋을겁니다. 메인로터를 지나는 후류가 수평안정판에 위쪽으로 받음각을 주어서 아래로 내려주는 힘을 만든다고 생각할 수도 있고 아니면 수평안정판의 에어포일이 일반 비행기 날개하고 반대로 되어있어서 양력이 아래로 발생한다고 생각해도 마찬가지입니다. 헬기 수평안정판에는 대칭형을 사용하기도 하고 일반 비행기와는 반대로 캠버가 아래인 형태를 사용하기도 합니다.

그러면 이제 이렇게 고속 직진비행에 필요한 큼직한 수평안정판을 장착했다고 가정하고서 호버링을 생각해 봅니다. 호버링에서는 메인로터에서 아래쪽으로 내리치는 후류가 아주 강하게 작용할겁니다. 그러면 이 후류는 수평안정판을 아래쪽으로 눌러줄텐데 그러면 기수는 위로 올라갈 것입니다. 호버링뿐 아니라 저속비행에서도 비슷합니다. 이렇게 기수가 번쩍 들린 상태로 호버링을 하는건 좋을 이유가 없습니다.

그래서 이렇게 호버링과 저속비행을 감안한다면 수평안정판이 가급적이면 작은것이 후류의 영향을 적게 받기때문에 피치를 들어 올리는 영향도 줄어들 것입니다.

그러고보니 헬기 수평안정판의 크기는 호버링 또는 저속비행과 고속비행에서 필요한 요구사항이 완전히 반대가 됩니다. 고속비행시 기수를 들어주기 위해서는 면적이 넓어야 좋지만 호버링에서는 작은게 더 유리합니다. 그래서 수평안정판을 그냥 대충 적당한데 장착하면 되는것 같지만 실제로는 위치라던가 크기를 결정하는 설계가 아주 까다롭습니다. 위에서 예를 들었던 두 가지 외에도 메인로터 마스트에 작용하는 하중, 테일붐에 작용하는 하중같은 다른 고려사항도 있습니다.

이렇게 배경을 알아봤으니 이제 H160의 복엽식 수평안정판을 살펴봅니다. 먼저 기체의 옆쪽에서 보면, 위아래 위치가 약간 어긋나게 장착되어 있는데요. 이건 호버링 또는 저속비행에서 메인로터 후류의 영향을 최소한으로 줄이기 위한 목적입니다. 위쪽 안정판을 지나온 후류가 아래쪽에는 영향을 미치지 않고 거의 그냥 지나치도록 한다는 정도로 받아들이면 쉬울것 같습니다. 아래쪽 안정판에서는 아래로 눌러주는 힘을 거의 만들지 않고 위쪽에서만 만들어진다는 의미입니다.

이번에는 고속 전진비행을 생각해 보면, 수평안정판에서 만들어야 하는 기수를 들어주는 힘은 위아래 안정판의 간격이 충분하기 때문에 서로 간섭이 없이 하나의 대형 안정판과 비슷한 효과를 얻을 수 있습니다. 위아래 수평안정판에서 모두 기수를 들어주는 힘을 만들기 때문에 둘의 면적을 합한 하나의 수평안정판과 동일한 효과를 얻는 것입니다. 하지만 이렇게 하나의 대형으로 만들었다면 호버링에서는 불리했을 것입니다.

가만히 생각해보면 별로 대단할 것도 없는 당연한 원리인데 이를 어떤식으로 적용했는가에 따라서 받아들이는 느낌은 많이 다른것 같습니다.

수평안정판 설계에서 이런식으로 서로 상반되는 조건에 대한 절충점을 찾기위한 노력의 결과가 바로 현재 운용중인 여러가지 헬기의 수평안정판의 위치가 제각각 다른것이기도 합니다.

그러면 여기서, 호버링에서 수평안정판의 영향이 좋지 않다면 후류의 영향을 받지 않게 뒤쪽으로 멀리 떨어뜨려서 테일붐 끝부분에 장착하면 되는것 아닌가 하고 생각할 수 있을텐데요. 아래 그림을 보면 왼쪽은 호버링, 오른쪽은 호버링에서 전진비행으로 전환하는 순간입니다. 테일붐에 있는 빨간색이 수평안정판입니다.

호버링에서는 안정판이 후류의 영향을 받지 않기때문에 기수가 들리지 않고 기체가 안정한 자세를 갖습니다. 하지만 전진비행을 하려고 하면 메인로터 후류가 뒤쪽으로 흘러가면서 이때 갑자기 수평안정판에 영향을 미쳐서 기수가 들리는 피치업이 나타납니다. 실제 운용중인 헬기 중에서도 이렇게 테일붐 끝단에 수평안정판이 위치한 헬기도 있고 이런 경우 피치업을 피할 방법은 없지만 별로 바람직한 현상은 아니므로 과도하지 않도록 제한되어 개발되었을 것입니다.

이번에는 아래 그림을 보면, 수평안정판이 테일붐의 앞쪽에 있는 경우에는 호버링이나 직진비행 전환에서나 모두 메인로터 후류의 영향을 강하게 받기때문에 피치업의 변화가 작습니다. 피치업 자체가 작다는게 아니라 변화하는 정도가 작다는 의미입니다. 이런 경우 고속비행에서는 기수를 들어주는 모멘트암이 작기때문에 크기가 커져야 하거나 아니면 캠버가 아래인 에어포일을 사용할 수도 있을겁니다. 역시 어딘가 절충점이 필요한건 마찬가지입니다.

이것도 저것도 아니고, 전환시점뿐 아니라 직진에서도 메인로터 후류로부터 완전히 벗어나도록 하고 싶다면 T-Tail을 고려할 수도 있습니다. 이렇게 MD500의 테일처럼 T-Tail로 할 수도 있지만 수직안정판에 수평안정판을 장착하기 위해서는 구조중량이 증가하고 또한 진동에 취약해집니다.

이것마저도 아니라면 수평안정판이 고정된 방식이 아닌 움직일 수 있는 UH-60이나 AH-64처럼 Stabilator 형태로 장착할 수도 있습니다. 하지만 구동을 위해서는 무게가 무거워지고 또한 비용도 증가하고 정비도 어렵고, 테일붐의 맨 뒤에서 무게가 증가한다는건 또 다른 문제를 일으킬 여지가 많이 있기도 합니다.

UH-60은 RFP상에 C-130 같은 수송기에 적재할 수 있어야 한다는 조건이 있어서 동체가 납작해지기도 했고 또한 동체의 앞부분이 좀 잘리기도 했습니다. 그러다보니 무게중심이 로터 마스트보다 한참 뒤로 멀어졌고 그래서 호버링시 기체가 뒤로 많이 기울어지게 되었습니다. 이를 보상하기 위해서 테일로터를 20도 기울여서 일부 양력을 만들어 주는 식으로 기수를 들어주었고 또한 수평안정판도 조절이 가능하도록 만들었습니다.

AH-64는 처음에는 T-Tail로 설계했지만 테스트 과정에서 문제점이 발견되어 어쩔 수 없이 조절이 가능한 UH-60방식인 Stabilator로 변경되었습니다. 수평안정판, 수직안정판 간단한것 같지만 설계가 상당히 난해하다고 합니다. 왜냐하면 메인로터의 후류도 복잡하지만 여기에 테일로터의 후류하고 만나면서 간섭이 생기는데 이게 서로간의 위치에 따라서 얽혀있어서 쉽게 예측하기 어렵다고 합니다. 헬기의 수평안정판이 별것 아닌것 같았지만 알아볼수록 더 어려워지는것 같습니다. 

잘 보면 어떤 기종에는 수평안정판 끝단에 Endplate가 있는것도 있습니다. 이건 방향안정성을 위한 목적인데, 그래서 잘 보면 메인로터의 회전방향에 따라서 위에서 내려다본 Endplate의 각도가 달라지기도 합니다. 왜냐하면 그래야만 메인로터 회전으로 인한 토크를 막아주는 힘을 만들어줄 수 있기 때문입니다.

수평안정판은 이 정도로 하고 이제 페네스트론에 대해서 알아봅니다.

기울어진 페네스트론 

에어버스 헬기의 시초격인 Sud에서 페네스트론을 처음 개발한 이유는 지상에서의 안전때문입니다. 수직이착륙과 정지비행까지도 가능한 헬기의 특성상 좁은 공간에서 운용하는 일이 많은데 그러다보니 테일로터로 인한 사고가 많았습니다. 테일로터가 파손되는 사고뿐 아니라 지상에서 인명사고를 방지하기 위해서 덕티드팬 형태를 적용한 것입니다. 팬은 팁에서 손실이 적다보니 같은 힘을 내기 위해서 로터보다 크기가 줄어들 수 있습니다. 그래서 보통 동일한 로터 대비 50%에서 70% 정도의 크기만으로 같은 효과를 낼 수 있다는 식으로 얘기를 하는데요.

테일에 로터를 사용하는 경우 수직안정판이 가로막기 때문에 수직안정판의 크기가 제한될 수 밖에 없습니다. 그리고 테일로터하고 수직안정판이 어떤식으로 배열되는가에 따라서 Pusher 아니면 Tractor가 되기도 하는데, 로터에서 불어내는 바람이 개방된 공간으로 나간다면 푸셔, 반대로 로터에서 불어내는 바람을 수직안정판이 막고 있다면 트랙터가 됩니다.

서로 장단점이 있지만 이런저런 복잡한 현상으로 인해서 일반적으로 푸셔 방식이 반작용 토크를 만드는 효율이 더 낫고 그래서 더 많이 사용한다고 합니다. 그렇다고 해서 무조건 푸셔를 적용하는건 아니고 UH-60을 보면 트랙터 방식입니다. 왜냐하면 수직안정판이 그대로 수직으로 서있는 상태에서 테일로터는 양력을 위해서 약간 기울어져 있는데, 이때 트랙터를 이용하면 로터와 수직안정판 아래부분의 간섭을 피하기 위해서 샤프트를 아주 길게 뽑아내야 하기때문에 이를 피하기 위해서입니다.

 

별로 중요한건 아닌것 같지만, 메인로터의 회전방향은 크게 봐서 미국식은 위에서 내려다봤을때 반시계 방향이고, 프랑스와 러시아는 시계방향입니다. 하지만 반드시 국적별로 그런것도 아니라서 몇몇 예외도 있습니다. 그리고 이런식으로 방향을 유지하는 것에는 특별한 이유가 있는것 같지도 않습니다. 중요한건 테일로터의 회전방향인데 이건 좀 어려워서 여기서 알아볼 성격은 아닌것 같습니다. 일반적으로 테일로터가 메인로터의 후류를 아래에서 위로 거슬러 올라가는 방향으로 회전하는게 더 낫다는것 같습니다.

어쨋든, 페네스트론은 기본적으로 팬을 감싸주고 있으면서 위로는 수직안정판이 올라가고 아래로는 보호대 같은 역할을 위한 부분도 있습니다. 그래서 보통 전체적인 크기가 더 커지는듯 하고, 또한 덕트의 효과를 위해서는 두께도 어느 정도 있어야 하기때문에 두께도 꽤 두껍습니다. 당연히도 기본적으로 무게가 무겁습니다. 따라서 초기 페테스트론은 Gazelle이나 Dauphin같은 다소 작은 기종으로 한정되었습니다. Puma에도 적용을 하려고 했었지만 테일이 너무 무거워져서 적용하지 않았습니다. 하지만 이후 재료기술이 발전하면서 복합재료의 적용으로 인해서 페테스트론의 크기가 조금씩 증가되었는데요. 그래도 역시나 크기에 제한을 받는것 같고, 현재 H160에까지 적용된 모델이 가장 큰것 같습니다.

사실 페테스트론을 적용한 이유 중의 하나가 지상에서의 안전때문인데 이를 감안한다면 테일로터가 사람의 키가 닿지 않을 정도로 높은 곳에 있는 대형 기체라면 굳이 페네스트론을 적용할 이유가 있을지 모르겠습니다. 왜냐하면 일반 테일로터 방식과 비교한 페네스트론의 장단점을 보자면, 고속에서는 동력을 적게 사용한다는 장점이 있는 반면 호버링시에는 오히려 동력을 더 많이 사용하기 때문입니다. 대형 기종은 고속이나 고기동 보다는 주로 무거운 것을 들어올리는 능력이 더 중요하다고 보면 호버링에서 동력을 더 많이 사용하는 페네스트론보다는 일반적인 테일로터가 더 설득력이 있어보이기도 합니다.

그러면 속도영역에 따라서 사용하는 동력의 차이가 나는 이유를 알아봅니다. 페네스트론을 위해서 내려다보면 수직안정판의 단면이 좀 두꺼운 에어포일 모양입니다. 다시 말해서 고속 직진 비행에서는 페네스트론이 아니더라도 기체가 회전하는 것을 막아주는 힘을 충분히 낼 수 있다는 얘기입니다. 마치 양력을 만들어주는 날개가 세워져 있는것이나 마찬가지이기 때문입니다. 반대로 호버링에서는, 덕티드팬이기 때문에 오픈로터에 비해서 손실이 적고 그래서 효율이 좋은건 사실입니다. 그렇지만 기본적으로 중량을 위해서 팬의 사이즈가 제한되기 때문에 수직안정판의 힘을 이용할 수 없는 호버링에서 직경이 더 큰 테일로터와 동일한 힘을 내기 위해서는 그만큼 동력을 더 사용해야 합니다. 이런면으로 보자면 페네스트론은 고속비행에 적합하다고 할 수도 있을것 같습니다.

에어버스 홍보영상 같은데 보면 페네스트론에 대한 설명 중에서는 테일로터가 고장이 나더라도 안전하게 착륙할 수 있다는 장점이 있다고 나오면서 아래 그림처럼 빠르게 전진하면서 앞으로 미끄러지듯 랜딩하는 영상을 보여주기도 합니다.

이게 무슨 얘기인가 하면, 전진비행에서는 페네스트론의 회전으로 인한 힘이 아니더라도 에어포일 모양의 수직안정판 양력만으로 기체의 회전을 충분히 막아줄 수 있기때문에 만약 비행중 팬이 고장나면 전진비행으로 속도를 유지하면서 잔디밭 같은데 마치 비행기가 랜딩하듯 앞으로 미끄러지면서 Running landing으로 착륙할 수 있다는 의미입니다. 이건 일반 테일로터인 경우에도 속도가 어느 정도 된다면 수직안정판에서 반대방향으로 막아주는 힘이 생기기는 하지만 테일로터를 사용하는 경우 수직안정판의 크기가 너무 크면 로터의 회전면적 막아버리는 면적이 넓어지기 때문에 페네스트론에 비해서는 그 힘이 한정되는것 같습니다.

이번에는 페네스트론이 기울어진 이유에 대해서 알아봅니다. 지금까지 에어버스 헬기를 보면 페네스트론이 수직으로 장착되어 있었는데 이번에 나온 H160은 약간 기울어져 있습니다. 이건 UH-60하고 마찬가지로 호버링과 저속비행에서 팬에서 작용하는 힘의 일부가 아래쪽으로 작용하기 때문에 꼬리를 들어 올려서 기수를 내려주는 역할을 위해서입니다. 헬기 전체 양력의 일부를 담당한다는 식으로 얘기하기도 합니다.

페네스트론에 대해서도 이정도로 하고, 이번에는 위의 그림에서 빨간색 원에 나오는것처럼 메인로터의 끝단이 왜 그렇게 특이하게 꺾어져 있는건지 알아봅니다. 

헬기를 회전익 항공기라고 하기도 하는데 이건 양력을 발생시키는 역할을 하는 날개가 비행기처럼 고정된게 아니라 회전하기 때문입니다. 날개에서 양력이 발생하는 이유는 윗면 아랫면 사이의 압력차이 때문인데요. 압력차이가 왜 생기는지에 대해서는 넘어가고, 어쨋든 차이가 생기는데 날개의 맨 끝단에서는 이 차이때문에 공기 흐름이 아래에서 위로 카고 넘어가려고 합니다. 그런데 비행기는 앞으로 전진을 하기때문에 날개 끝에서 뒤쪽으로 소용돌이 와류가 생깁니다. 유도항력을 만드는 별로 좋지 않은 현상인데, 이를 막아줄 방법은 없고 이로 인한 악영향을 줄이기위해서 여객기에 보면 날개끝에 Winglet를 달아서 유도항력을 줄이고 연료소모율을 줄이고 그런 역할입니다. 여객기를 잘 보면 이런 윙렛의 모양도 제각각입니다.

헬기의 로터블레이드도 날개이고 회전을 하면서 양력을 만들기 때문에 끝단에서 와류가 생깁니다. 그런데 로터을 하기때문에 이 와류도 원을 그리게 되고 또한 헬기가 앞으로 전진을 하기때문에 이 와류가 계속해서 원을 그리면서 뒤로 이어지게 됩니다. 그런데 로터에는 블레이드가 한장만 있는게 아니라 여러개 있어서 앞의 블레이드에서 만들어진 와류하고 뒤따르는 블레이드가 계속해서 만나게 됩니다. 이때 와류하고 블레이드가 어떤식으로 만나는가에 따라서 헬기에서 발생하는 소음이 달라진다고 하고 이를 Blade Vortex Interaction이라는 식으로 부른다고 합니다. 서로 평행하게 만나는지, 수직으로 만나는지, 기울어져 만나는지 등에 따라서 소음특성이 달라지는데 보통 평행하게 만날때 소음 특성이 가장 좋지 않다고 합니다.

이렇게 블레이드하고 와류가 평행하게 만나는 부분이 넓어지면 주기적으로 튀는듯한 소음이 크게 난다고 합니다. 이렇게 서로 만나는 부분을 완전히 제거하는 것은 불가능하기 때문에 이를 최소화 하려는 목적으로 블레이드의 끝부분에 전진각과 후퇴각을 주는 방식으로 처리했습니다.

그 결과로 아래 그림처럼 차이가 나서 소음이 50% 감소되었다고 합니다.

실제 소음의 차이는 https://www.youtube.com/watch?v=wZt7adYYu3U 여기서 들어볼 수 있습니다. 

이제 H160의 사진을 다시 한 번 보면 어딘가 좀 다르게 보일지도 모르겠습니다. 신형 헬리콥터가 나오더라도 속도가 엄청나게 빨라지지도 않는것 같고 페이로드나 무장탑재량 같은게 확연히 늘어나는것 같지도 않고 대충 비슷비슷해 보여서 그냥 그런것 같지만 사실 잘 알고 보면 신형 모델이 나올때마다 상당한 기술이 적용되고 있습니다. 예를 들어 페네스트론은 처음 적용된 이후로 50년이 되었다고 하는데요. 그간 이를 위해서 얼마나 노력을 했을지 생각해 볼 필요가 있을것 같습니다.

끝까지 읽어주셔 감사합니다.