양력의 비대칭(Dissymmetry of Lift)

  양력의 비대칭(dissymmetry)은 각각 절반 영역의 서로 다른 바람 유속에 의한 회전날개 디스크의 앞쪽 이동 부위(advancing halves)와 뒤쪽 이동 부위(retreating halves) 사이에 동일하지 않은 양력이 발생하는 것이다. 양력의 대칭을 얻기 위해서는 이렇게 같지 않은 양력을 보정하기(compensating), 교정하기(correcting) 또는 배제하기(eliminating)의 수단이 필요하다. 헬리콥터가 공기를 지나서 이동할 때 주 회전날개 디스크를 통과한 상대적 공기흐름은 후단과 전단이 서로 다르다. 전진날개 블레이드에서의 상대 바람 헬리콥터의 전진 속도에 의해 증가하는 반면 후퇴날개 블레이드에 작용하는 상대 바람은 헬리콥터의 전진 대기속도에 의해 줄어든다. 따라서 상대 풍속의 결과로 회전날개 디스크의 전진날개 블레이드 방향으로 후퇴날개 블레이드보다 더 많은 양력을 만든다. 이러한 상황에서 반시계 방향의 주 회전날개 블레이드 회전에 따라 헬리콥터는 양력의 차이 때문에 왼쪽으로 혹은 좌우로 흔들리게 될 것이다. 주 회전날개 블레이드는 회전날개 디스크의 전역에서 양력을 동등하게 하도록 자동으로 위아래로 퍼덕거리고 수평으로 움직인다. 보통 3개 이상 날개 블레이드를 가지고 있는 관절형 회전날개 방식은 개개의 회전날개 블레이드가 움직이게 하도록, 또는 그들이 회전할 때 위아래로 퍼덕거리는 수평 힌지, 즉 flapping hinge를 적용한다. 날개 블레이드가 단일체처럼 퍼덕거리게 하는 반 고정형 회전날개 방식, 즉 2개의 날개 블레이드는 teetering hinge를 활용한다. 한쪽 날개 블레이드가 위로 퍼덕거릴 때 다른 쪽 날개 블레이드는 아래로 퍼덕거린다.

  회전날개 블레이드(rotor blade)가 회전날개 디스크의 앞 단에 도달할 때 그것은 최대 상향 Flapping 속력(maximum upward flapping velocity)에 도달한다. 날개 블레이드가 위로 퍼덕거릴 때 시위선과 합성 상대 바람(resultant relative wind) 사이의 각도는 감소한다. 날개 블레이드에 의해 일으켜진 양력의 양을 줄여 받음각을 감소시킨다. 이후 회전날개 블레이드는 그것의 최대 하양 Flapping 속력(maximum downward flapping velocity)에 도달한다. 하향 Flapping으로 인하여 시위선과 합성 상대 바람 사이의 각도는 증가한다. 이것은 받음각을 증가시키고 양력을 발생시킨다. 후퇴날개 블레이드에 작용하는 날개 블레이드의 Flapping과 느린 상대 바람의 조합은 정상적으로 헬리콥터의 최대 전진 속도를 제한한다. 고 전진 속도에서 후퇴날개 블레이드는 고 받음각과 느린(slow) 상대 바람으로 인하여 실속을 발생시킨다. 이 상황을 “후퇴날개 블레이드 실속(retreating blade stall)”이라고 부르며, 기수 올림 피치(nose-up pitch), 진동 그리고 보통 반시계 방향 날개 블레이드 회전으로 헬리콥터에서 왼쪽으로, 롤링 경향에 의해 입증된다.

  양력의 비대칭을 보상하기 위해 회전날개 블레이드의 공력 Flapping 시 전진날개 블레이드는 기수 위에서 최대 상향 Flapping 변위(maximum upward flapping displacement)를 이루고 뒷날개 부위에서 최대 하향 Flapping 변위(maximum downward flapping displacement)를 이룬다. 이는 끝단 통과 면(tip path plane) 하여금 뒤로 기울어지게 하고 blow back이라고 부른다. 대기 속도가 얻어졌고 Flapping이 양력의 비대칭을 제거할 때 디스크의 정면은 오르고 디스크의 뒤쪽은 내려간다. 회전날개 디스크의 방향 전환은 전체 회전날개 추력이 작용하는 곳에서 방향을 변경하는데 헬리콥터의 전진 속도는 속력을 늦추지만 순환 입력으로 교정될 수 있다. 조종사는 그들이 회전날개 디스크의 자세를 제어하게 하는 양력의 비대칭에 대해 보상하도록 주기적 Feathering(cyclic feathering)을 사용한다.

  주기적 Featheing은 다음과 같이 받음각을 변경하는 양력의 비대칭에 대해 보상한다. 공중 정지에서 같은 양력은 평행 이동 경향(translating tendency)에 대한 보상을 무시하는 회전 날개 장치에서 같은 피치, 모든 날개 블레이드에 같은 받음각 그리고 모두 같은 지점에서 회전 날개 장치 주위에서 생성된다. 회전날개 디스크는 수평선에 평행한 것이다. 추진력을 발생시키기 위해 회전 날개 장치는 움직임이 요구된 방향으로 기울어져야 한다. 주기적 Featheing은 회전 날개 장치 주위에 차별적으로 입사각을 변경한다. 전방 순환이동은 다른 부분에서 각도를 증가하는 동안 회전 날개 장치의 한 부분에서 입사각을 감소시킨다. 기수 위 날개 블레이드의 최대 하향 Flapping과 뒷날개의 블레이드 최대 상향 Flapping은 앞으로 회전날개 디스크와 추력 벡터를 기울인다. 발생한 Blow back을 방지하기 위해 조종사는 헬리콥터의 속력이 커 때 앞쪽으로 순환하는 것을 끊임없이 움직여야 한다. 공중 정지에서 순환은 전진날개 블레이드와 후퇴날개 블레이드의 피치각이 동일한 것이다. 저 전진 속도에서 앞쪽으로 순환하면 움직이기 위해서는 전진날개 블레이드의 피치각을 줄이고 후퇴날개 블레이드의 피치각을 증가해야 한다. 이것은 약간의 회전날개 경사의 원인이 된다. 고 전진 속도에서 조종사는 앞쪽으로 순환하는 것을 이동하기 위해 지속해야 한다. 이것은 전진날개 블레이드에 피치각을 더욱 줄이고 후퇴날개 블레이드에 피치각을 더욱 증대시킨다. 결과적으로 저속에서보다 회전날개에 한층 더 많은 경사가 지게 된다. 이러한 수평 양력성분, 즉 추력은 더 고속의 속도를 발생시킨다. 고속은 양력의 대칭을 유지하기 위해 날개 블레이드 Flapping을 유발한다. Flapping과 주기적 Feathering의 조합은 양력의 대칭과 회전 날개 장치 및 헬리콥터에 원하는 자세를 유지한다.