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항공기

헬리콥터의 정지 비행(Hovering Flight)

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  공중 정지비행 시 헬리콥터는 보통 지면 위에 선택된 지점 위에서 정위치를 유지한다. 하늘에 멈춰 떠 있기 위해서는 헬리콥터의 회전 날개 장치에 의해 발생한 양력, 추력은 수직 위쪽으로 작용하고, 수직 아래쪽으로 작용하는 중력, 항력과는 같아야 한다. 공중 정지하는 동안 주 회전날개 추력은 공중 정지 고도를 유지하기 위해 변화될 수 있다. 이것은 콜렉티브 피치(collective pitch)를 움직여서 회전날개 블레이드의 입사각을 변경하는 방법으로 적용할 수 있다. 받음각을 변경하는 것은 회전날개의 항력을 변경하고 엔진에 의한 동력은 일정한 회전날개 속도를 유지하도록 변경해야 한다.

  지탱해야 하는 무게는 헬리콥터와 탑승자의 전체 무게이다. 만약 양력이 실제의 중력보다 더 크다면 헬리콥터의 상승력은 고도를 얻는 중력과 같아질 때까지 위쪽으로 가속하고, 만약 추력이 무게보다 작다면, 헬리콥터는 아래 방향으로 가속한다. 지면 근처에서 작동할 때는 지면의 근접 효과 때문에 다소 차이가 있다.

  공중 정지하는 헬리콥터의 항력은 날개 블레이드가 양력을 발생시키고 있는 동안 초래된 유도항력이다. 그러나 공기 속에서 회전할 때는 날개 블레이드에 일부 형상 항력이 있고, 여기서 항력은 유도항력과 형상항력 모두를 포함한다.

 

평행 이동 또는 편류 경향(Translating Tendency or Drift)

  공중 정지비행 시 단일 회전날개 헬리콥터는 편류하려는 경향이 있거나 또는 꼬리 회전날개의 추력 방향으로 이동하려는 경향이 있다. 이 편류 경향(drifting tendency)은 평행 이동 경향(translating tendency)이라고 부른다. 이 편류를 막기 위해 다음과 같은 방법이 사용되는데 모든 예는 주 회전 날개 장치를 반시계 방향으로 회전시키는 방법이다.

① 주 변속기는 회전날개가 꼬리 회전날개 추력에 대항하기 위해 붙박이 경사를 갖도록, 뒤에서 보았을 때 좌측으로 약간의 각을 주어 설치된다.

② 비행 조종장치는 회전날개 디스크가 회전할 때 약간 우측으로 기울어져 있도록 조립하거나 조절할 수 있다.

③ 만약 변속기가 로터 축이 동체에 대하여 수직이 되도록 설치된다면 헬리콥터 공중 정지비행 시 근소한 미끄럼 효과를 발생시킨다.

④ 전진 비행에서 꼬리 회전날개는 우측으로 지속 밀어주고, 헬리콥터의 회전날개가 수평일 때 슬립 볼(slip ball)이 중간에 있으면 바람과 작은 각도를 만든다. 이것을 사이드슬립(sideslip)이라고 부른다.

 

지면 효과(Ground Effect)

  지면 근처에서 공중 정지비행 시 지면효과(ground effect)라고 알려진 현상이 일어난다. 이 효과는 보통 지면과 지면 위로 거의 회전날개 1개 직경 사이의 높이에서 일어난다. 지면의 마찰은 회전날개에서 밑으로 밀어내는 공기로 인해 헬리콥터로부터 바깥 방향으로 이동하게 한다. 회전날개 디스크를 통한 유도 공기흐름이 표면마찰에 의해 감소할 때 양력 벡터는 증가한다. 이것은 유도항력을 줄이는 동일한 양력에 비해 더 낮은 회전날개 각도를 허용한다. 지면효과는 또한 양력을 생성하는 날개 블레이드의 더 넓은 부분을 형성하는 세척(down-wash)과 바깥 방향 공기흐름으로 인한 날개 블레이드 끝(blade tip)의 와류 생성을 제한한다. 헬리콥터가 대기 속도 없이 수직으로 고도를 늘릴 때 유도된 공기 흐름은 더 이상 제한되지 않고, 날개 블레이드 끝의 와류는 바깥 방향 공기흐름의 감소와는 반대로 증가한다. 이 결과로써 더 큰 피치각을 이끄는 항력은 커지고 더 많은 동력은 회전날개를 통해 아래로 공기를 이동시킨다. 지면효과는 고정되고 매끄러운 표면 위, 무풍 상황에서 최대량을 갖는다. 회전날개 끝 와류는 증가의 원인이 되고 지면의 거친 형태나 해수면 등의 표면 형태에 따라 변화된다.

 

코리올리 효과(Coriolis Effect(Law of Conservation of Angular Momentum))

  코리올리 효과(Coriolis effect)는 각운동량 (angular momentum) 보존의 법칙으로 적용된다. 회전체의 각운동량 값은 외력이 가해지지 않는 한 변하지 않는다는 것이다. 다시 말해 회전체는 어떤 외력이 회전의 속도를 변경하도록 가해졌을 때까지 동일한 회전속도로 속한다는 것을 의미한다. 각운동량은 회전의 속도로써 곱해진, 질량×[회전의 중심에서 거리], 관성모멘트(moment of inertia)이다. 각가속도(angular acceleration), 감속도 (angular deceleration)로 알려진 각속도(angular velocity)에서 변화는 회전체의 질량이 회전의 축에 더 가깝게 이동하려 할 때, 또는 더 멀리 떨어지려 할 때 일어난다. 회전 질량의 속도는 반지름의 제곱에 비례하여 증가하거나 감소한다. 이 원리의 좋은 예로써 스케이트를 타는 사람의 급회전이 있다. 스케이터는 다른 쪽 다리와 양쪽 팔은 펼치고 발 하나로 회전을 시작한다. 스케이터 몸의 회전은 비교적 느리다. 스케이터가 안쪽으로 양쪽 팔과 한쪽 다리를 끌어당길 때 관성모멘트(질량×반지름 2)는 더 많이 작아지게 되고, 몸은 눈이 따라가는 것보다 더 빠르게 회전하고 있다.

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