동축반전로터

정의 : Coaxial-Rotor. '같은 축에서 서로 반대로 도는 로터'라는 뜻이다.

개략적인 테일로터 동축반전로터의 움직임 방식을 알 수 있다.

1 일반사항

헬리콥터 개발 초창기에는 대부분 왕복엔진을 썼는데, 이게 무게에 비해서 내놓는 힘들이 시원치 않다보니 개발자들 입장에선 단 0.1마력의 힘도 낭비하고 싶지 않았다. 하지만 헬리콥터 몸통이 지멋대로 돌지 않으려면 반드시 어떤 장치를 사용해서라도 반동을 없애줘야 한다. 초창기 개발자들이 지금 헬리콥터가 많이 쓰는 테일로터 방식을 생각치 않은 것은 아니지만, 실제로 테일로터는 경우에 따라서 10% 이상의 엔진힘을 처묵처묵 한다. 즉 테일로터 방식을 사용하면 100마력짜리 엔진을 헬리콥터에 달아도 그중 실제로 헬리콥터를 위로 띄우는데 쓸 수 있는 힘은 90마력이 채 안된다는 이야기.

그래서 개발자들은 반동도 억제하면서 모든 엔진힘을 뜨는 데 쓸 수 있는 방식을 구상하였고 그 결과물이 동축반전로터다.

보통 동축반전 로터는 아래쪽 로터의 축을 속을 비운 파이프 형태로 만들고, 그 안으로 위쪽 로터의 축이 통과하도록 만든 다음, 두 로터를 기어 등을 이용하여 서로 반대 방향으로 돌리는 형태이다.

지금은 워낙에 이 방식을 쓰는 헬리콥터를 보기 힘들어서 무슨 오버테크놀로지 보듯 보는 사람들도 있지만, 사실은 앞서 언급한대로 매우 초창기 헬리콥터 모델들에서 잘 보이던 방식이다. 심지어 19세기 말엽에 등장한 고무줄이나 증기기관(!)으로 만든 모형헬리콥터도 전부 동축반전로터를 사용했다(이렇게 되면 로스트 테크놀로지이려나...?).

하지만 1940년대에 시코르스키옹의 테일로터 방식 헬리콥터가 대박을 치자 다들 훨씬 만들기 쉬운 테일로터 방식의 헬리콥터를 개발하였고, 그 이후로 동축반전식 로터는 잘 쓰이지 않았다.

2 장점

2.1 에너지 효율

동축반전 로터의 최대 장점은 앞서 언급한 것처럼 엔진 출력의 대부분을 양력에 쓸 수 있다는 점이다. 그러므로 테일로터에 비해서 조금이나마 효율이 좋다.

2.2 낮은 사고율

두번째 장점은 테일로터에 의한 각종 사고가 없다는 점. 헬리콥터가 개발된 초기에는 빠르게 회전하는 테일로터가 잘 보이지 않아서 여기에 부딪혀서 사람이 끔살당하는 사고가 제법 많았다. 테일로터를 지상에서 높게 설계하거나, 근처에 수평꼬리날개를 둬서 사람이 접근을 못하게 하는 등의 다양한 방지대책이 나왔지만 그래도 근본적인 사고를 막기는 어려웠다. 동축반전 로터는 이러한 문제가 없기 때문에 여러모로 안전하다.그래도 날개에 뛰어들면 동축반전로터이건 세스나같은 프롭기건 747같은 제트기건 답이 없다

더불어 베트남전 등에서 얻어진 데이터에 따르면, 헬리콥터에서 제일 취약한 부분이 테일로터 부분이다. 테일로터는 보통 가는 꼬리(테일붐)로 동체와 이어지므로 이 부분이 상대적으로 파괴되기 쉬우며, 이 부분이 파괴되면 헬리콥터는 뱅글뱅글 돌며 조종불능에 빠진다. 동축반전 방식은 테일로터가 없으므로 이런 위험이 아예 없다는 소리. 그럼 프로펠러 하나만 쏴도 둘 다 격추되잖아? 훨씬 좋은데?

2.3 양력 불균형 문제와 후퇴깃 실속현상(Dissymetry of lift, Reatreating blade stall)

세번째 특징은 비교적 최근에 들어서야 다시 주목 받는 부분인데, 고속비행시 로터 블레이드간의 양력 불균형 문제가 없다. 이는 파고들기 시작하면 복잡한 여러 비행이론들과 접목되는데, 간단히 요약하면 헬리콥터가 전진비행시 전진방향으로 회전하는 로터 블레이드는 헬기의 비행속도+로터의 회전속도가 더해져서 상대적으로 훨씬 더 고속이 된다. 반면에 반대쪽은 로터 블레이드가 후퇴하고 있다. 즉 로터의 회전속도-비행속도가 되는 것이다. 이를 상쇄하기 위해 로터 블레이드 자체의 각도를 틀어서 전진하는 방향 로터 블레이드는 피치 각도를 낮추어 양력을 덜 받게 하고(더 빨리 움직이니), 반대쪽은 피치 각도를 낮추어 양력을 더 받게(상대적으로 저속이니) 한다.

위에서 보았을 때 반 시계방향으로 돌고 있는 로터. 전진방향에 대해 오른쪽을 지나는 로터 깃 끝의 속도는 로터속도 + 헬리콥터 전진방향의 속도가 되는 반면, 왼쪽을 지나는 로터깃 끝은 로터속도 - 헬리콥터 전진방향의 속도가 된다.

그런데 이렇게 처리를 할 경우, 전진비행 속도가 너무 올라가면 후퇴하는 로터의 피치 각도는 점점 올라가고 상대 속도는 너무 줄어든다. 그리고 나중에는 마침내 양력을 잃을 정도가 된다! 이렇게 불균형이 벌어지면 비행기가 Roll 방향으로 기울어 질 것 같은데, 실제로는 대각선으로 기울기 시작한다. 이는 회전하는 물체에 어떠한 힘이 작용하면 그 결과는 회전하는 방향으로 90도 돌아간 다음 발생하는 Gyroscopic Precession 현상 때문이다. 즉, 실속이 발생한 로터가 90도 돌아가는 동안, 로터 회전면의 90도 각도인 1/4 정도 영역에서 양력이 줄어드는 것이다. 결국 헬기는 로터 회전 방향에 따라서 전방-좌측, 혹은 전방-우측 방향으로 Roll, Pitch up을 하게 된다.

이것이 영어로는 Reatreating blade stall, 한국말로는 후퇴깃 실속현상이다. 참고로 이 현상이 벌어지면 헬기는...

• 이상 진동
• 기수 들림(Pitch up)
• 기울어짐(Roll)

등이 나타나게 된다. 때문에 대부분의 헬기들의 최대 속도는 이 후퇴깃 실속현상이 일어나는 시점을 기준으로 정해진다.

그런데 동축반전로터는 상/하 로터의 회전방향이 반대이므로, 한쪽에서 실속현상이 나더라도 그 위나 아래에서 도는 다른 한쌍의 날개에서 발생하는 양력이 이를 상쇄함으로 헬리콥터가 고속에서 기울어지려는 특성이 없어진다. 다만 뒤로 기울어지는 현상은 여전할 것으로 보인다.

일반 헬기는 진동과 충격을 감소시키기 위해 로터에 연결된 패더링축이 약간 기울어질 수 있게(축 자체가 위아래로 움직이는 건 아니다. RC 헬기에서 패더링 샤프트에 들어가는 고무링 생각하면 이해가 쉬울 듯) 만드는데, 동축반전에서는 이렇게 만들면 위 로터와 아래 로터가 충돌할 수 있다. 해결법은 위 로터와 아래 로터를 충분히 멀게 배치하거나, 페더링축을 기울이는 플래핑 힌지를 없애고 고강성의 재료로 로터를 만드는 것.

이것은 위 로터와 아래 로터가 부딪혀서 시밤쾅! 하지 않도록 만든 것이지 양력 불균형의 문제와는 상관 없다. ABC도 똑같이 스와시 플레이트를 통해 피치 조작을 하는데, 이는 로터 받음각을 조정하여 양력을 조절하는 것으로 특히 사이클릭 피치 조작은 양력 불균형으로 기체가 기울어지도록 조종하는 것이다. 동축반전로터에서 상쇄되는 양력불균형이란 오히려 맞바람으로 인해 롤 방향으로 기울어지는 것을 방지한다는 의미이며, 세차 현상에 의해서는 로터의 회전 방향과 상관없이 뒤로 기울어지는 힘이 발생하므로 기수들림까지 억제하지는 못한다. 덧붙여 패더링 힌지의 존재이유 중 하나가 양력불균형을 어느 정도 흡수하는 것에 있으니 패더링 힌지가 없는 리지드 구조는...... 애초에 그냥 프로펠러를 쓰더라도 양단의 양력차와 세차 현상의 작용으로 발생하는 기수들림은 일어날 수 밖에 없다!

이 설명이 복잡하게 느껴졌다면 당연한 것이, 원래 복잡한 부분이다(..). 위의 전반적인 내용은 실제 조종사나 항공 관계자들이 배우는 부분이기 때문. 어찌되었던 이 이유로 인해 상대적으로 고속에서의 문제점이 덜하다는 점으로 차세대 고속헬기들은 동축반전로터를 사용할 것이라고 여겨지고 있다.

그리고 의외로 이 분야 연구를 많이 한 것도 테일로터의 선두주자 였던 시코르스키사다. 무려 1970년대 부터 차세대 고속 헬리콥터를 위해 이 분야의 연구를 했으며, 이를 ABC, 즉 Advancing Blade Concept라고 불렀다. 이는 두 개의 로터를 달아 반대 방향으로 돌리면 각각 서로 다른 쪽에서 전진깃(Advancing Blade)이 되므로 전진비행 시 양력불균형을 상쇄한다는 생각에서 나온 시콜스키의 고유 개념이다. 한 마디로 동축반전로터를 시콜스키에서 부르는 이름. 당연하지만 시콜스키의 동축반전이 카모프의 동축반전과 원리상 다를 건 없다. X-2 같은 데서 링키지가 보이지 않는 것은 그냥 항력감소를 위해 커버를 씌워 놓은 덕택이다. 이는 80년대와 90년대를 지나면서 고속 헬리콥터에 대한 요구가 줄어들어 잠잠해졌으나, 이후 2010년대에 들어서자 다시 실험기인 X-2를 제작하였고, 이후 2014년에는 거의 완성형인 S-97을 발표하기에 이르렀다.

다만 프로펠러를 사용하는 RC멀티콥터든 현대의 헬기든 파일럿이 기수들림을 크게 느끼기는 어렵다. 자이로 센서가 기수들림을 감지하고 이를 상쇄하도록 스와시 플레이트를 앞으로 기울이는 보정을 하기 때문이다. 다만 3축자이로 없이 기계식 스테빌라이저를 사용하는 RC헬기에서는 기수들림을 쉽게 느낄 수 있다.

2.4 설계의 용이성

네번째 장점은 헬리콥터 동체를 더 컴팩트 하게 설계할 수 있다는 점. 뒤로 길게 뻗어 나가야하는 꼬리가 없으므로 더 좁은 공간(이를테면 배의 갑판 위)에서 뜨고내리기 좋다. 게다가 로터의 직경도 (이론적으로는) 테일로터 방식의 절반만 있어도 동일한 양력을 내므로 그 만큼 로터의 직경을 작게 만들 수 있다. 이런 이유 때문에 미국은 무인헬리콥터인 DH-50을 동축반전형태로 개발하기도 했다.

3 단점(왜 대중화에 실패했나?)

이렇게 장점만 줄줄이 나열하면 진짜 이 동축반전이란 로스트 테크놀로지를 왜 여지것 사용하지 않았나 싶겠지만, 이게 다 이유가 있다.

3.1 까다로운 제작공정

첫번째 동축반전로터의 단점은 제작이 까다롭다는 것이다. 고속으로 회전하는 두 개의 회전축이 서로 한 축에서 반대로 돌게하려니 개발도 까다롭고, 제작에도 손이 많이가며 그만큼 정비소요도 크다.

3.2 애매한 효율문제

두번째로 단점이라고까지 하기는 뭐하지만, 동축반전 로터라고 테일로터 방식에 비해 아주 고효율이지는 않다. 위쪽 로터의 후류에 아래쪽 로터가 상항 잠기게 되는데, 이로 인한 간섭효과 때문에 실제로 아래쪽 로터는 위쪽 로터보다 약간 효율이 떨어진다. 그래서 테일로터 방식에 비하면 우왕ㅋ굳ㅋ 할 정도로 효율이 좋지는 않고, 조금씩 차이가 있지만 전반적으로 보았을때 그 효율은 서로 엇비슷한 수준이다. 게다가 로터의 직경을 너무 작게 만들면 로터 자체의 효율이 떨어지게 되다보니, 동축반전 로터의 직경을 무조건 일반적인 헬리콥터의 로터 직경의 절반만하게 만들 수도 없다(애시당초 효율이 동일하지 않다보니 정말 절반만하게 만들 수도 없지만).

3.3 항력 문제

세번째로 생각보다 고속에서 효율이 나쁘다. 앞서 언급한 동축반전 로터의 고속에서의 장점이 이것 때문에 다 상쇄되어 버리는데, 복잡한 축 부분(로터 허브)의 구조물이 고속에서 상당히 큰 항력을 만들어낸다. 특히 동축반전로터는 상하 로터간 거리가 멀 수록 효율도 좋고, 또 서로 부딪힐 위험도 없기 때문에 꽤 사이가 벌어져있는데 이는 축 부분의 구조물이 더 크고 복잡해진다는 이야기. 실제로 헬리콥터 고속기록을 세운 것은 Mi-24나 링스같은 테일로터 방식의 헬리콥터였다.

다만 시콜스키의 X-2는 이 부분의 항력문제를 해결하기 위하여 위에 언급한바와 같이 관절을 아예 없애버렸다. 허나 이는 X-2 처럼 특이한 케이스에만 적용 가능하고, 일반 헬리콥터는 이 관절부위가 없어지면 자세제어가 불가능하다...
단 X-2에서 플래핑 힌지나 리드래그 힌지를 없앴다고 해서 패더링 힌지까지 없어진 것은 아니다. 로터의 피치 컨트롤 자체를 불가능하게 만들었다면 그냥 프로펠러가 됐단 소린데, 그렇게 되면 멀티콥터가 아닌 이상 조종이 불가능해진다(2채널 토이RC헬기를 생각해 보자). 로터그립이 위아래로 약간 기울어질 수 있도록 만든 것이 플래핑 힌지인데, 이렇게 패더링축이 기울어지면 로터 끝이 위아래로 움직이게 된다. 일반 헬기야 별 문제 없지만 동축반전에서 이러면 잘못하다 위아래 로터가 충돌하게 된다. 그래서 힌지를 없애고 쉽게 움직이지 않게 강성이 높은 재료로 만든 것이다.
당연하지만 일반 헬기도 플래핑 힌지 없는 리지드 방식으로도 자세제어는 가능하다. 굳이 말하자면 양력불균형으로 인한 기울어짐이 시소형보다 좀 심해지겠지만 스와시를 기울여서 상쇄하면 끗. 다만 진동이 엄청날 것이고 자칫하면 자이로 센서도 헤맬 수 있지만 이는 ABC 즉 동축반전도 마찬가지로, XH-59A도 진동이 엄청 많은 편이었다. 따라서 일반 헬기는 플래핑 힌지를 없앨 이유가 없다.
X-2의 항력 감소는 힌지가 없어져 관절이 움직이지 않게 되었기 때문이 아니라, 간단해진 구조와 고강성 재료로 인해 크기가 줄어든데다 센터허브에 껍데기를 씌워 놨기 때문이다.

3.4 상부와 하부 블레이드 간의 폭 문제, 그리고 높아지는 헬기 전체 높이

네번째는 의외로 심각한 문제인데, 상부 블레이드와 하부 블레이드간에 폭이 어느정도 이상이 되지 않으면 재수없을 때 상부와 하부 블레이드들이 서로 부딪힐 수 있다! 실제로 Ka-50의 프로토타입에서 이 문제가 발생하여 시제기가 추락한 일이 있고, 이후 블레이드간의 폭을 넓힌 다음 프로토타입에서도 또 같은 현상이 발생하여 추락한 일이 있다. 위에서 언급된 Ka-32의 경우도 일반적인 헬기가 돌 수 있는 높은 각도의 Roll도 안전상의 이유로 못 하게 되어있다.

그리고 이 문제는 결국 헬기 전체의 높이가 높아지는 문제로도 발전한다. 즉 전후좌우 사이즈는 작아져도 높이가 높아져서 결과적으로 큰 격납고를 필요로 한다. 문제는 함정의 헬기용 격납고들의 높이 또한 생각보다 여유가 없다는 점. 특히 옆으로 공간 차지하는거야 헬리콥터의 로터 접고 꼬리 접어서 어떻게든 맞출 수 있는데 높이가 높은 것은 답이 없다.

즉 동축반전로터는 뭔가 킹왕짱스러운 기술이 아니라 나름 장단점이 존재하는 기술이다. 특히 개발이 까다로우면서도 생각만큼 효율적이지 않다는 점으로 인해서, 즉 동축반전로터의 장점보다는 단점이 더 크다고 판단하기 때문에 오늘날의 거의 모든 헬리콥터 제작 업체들은 동축반전 보다는 보통의 테일로터 방식을 선호하는 것.

뭐 그래도 카모프는 오늘도 줄기차게 동축반전로터를 사용중이지만, 2000년대 들어서는 카모프 마저도 테일로터 방식 헬기를 개발 중이다.

3.5 여담

이러저러니해도 산악구조대나 소방용 헬기로는 상당히 잘쓰고 있다. 화재때는 상공기류가 개판이다보니 안전성이 높은 이 방식이 좋을때도 있고, 테일로터가 없어 사고가 적다는 것도 장점이다. 기체 높이나 정비소요는 최상의 조건을 유지할 수 있는 민간에서는 별다른 문제가 안된다.