propeller.
1 설명
프로펠러는 엔진의 회전력을 추진력으로 바꾸는 장치로서 주로 항공기에서 사용된다[1]. 선박용 프로펠러는 스크류 프로펠러, 즉 꼬인 추진기라고 하며 대한민국에서는 통칭 줄여서 스크류라고 한다.
공기와 물의 성질이 다르고, 항공기와 선박 간의 속도 차이가 매우 크기 때문에 항공기용 프로펠러와 선박용 프로펠러의 형상은 상당히 다르다 스크류 프로펠러는 선풍기 날개랑 비슷하게 생겼다.
이하 항공기용 프로펠러에 대한 내용.
사실 프로펠러는 양력을 만드는 날개의 일종이라고 할 수도 있다. 다만 그 양력방향이 항공기의 위쪽 방향이 아니라 앞쪽 방향인 셈. 물론 위쪽 방향인 것들도 있다. 대표적으로 헬리콥터. 단 이 경우에는 추진용이 아니므로 프로펠러라는 표현을 잘 안쓰며, 회전익(Rotary wing), 혹은 로터(Rotor)라고 부른다.
프로펠러가 회전하면 각각의 깃(blade)은 날개역할을 한다. 항공기는 앞으로 달려나가며 그 맞바람을 이용하여 양력을 만든다면 프로펠러는 회전하면서 깃에 맞바람을 만들어주어 양력을 만든다.
이 양력을 만드는 방법에 대해 프로펠러가 만드는 뒷바람과 이것에 따른 작용-반작용을 통해 설명하는 이론(운동량 이론)과 프로펠러의 깃 하나하나를 날개로 보고 양력으로 설명하는 이론(깃 요소 이론)이 있는데 둘 다 전혀 다른 이론은 아니고 사실 같은 이론이다. 엄밀히 따지자면 양력을 만들면 필연적으로 뒷바람이 생긴다. 다만 사람이 손으로 계산하는 수준에서는 깃 하나하나를 날개로 보는 이론보다 뒷바람을 이용하는 이론이 더 손쉽고, 또 뒷바람은 상대적으로 측정하기도 쉽다보니 막 프로펠러가 실용화되던 시절부터 이 이론이 쓰였다. 현재도 그 간단함 때문에 정밀도보다는 시간을 요하는 간단한 계산에는 자주 쓰이는 편.
프로펠러의 깃은 대체로 안쪽으로 갈수록 크게 휘어져있고 바깥쪽으로 갈수록 적게 휘어져 있는데 이는 프로펠러가 회전하기 때문. 회전운동은 중심에서 멀수록 속도가 빠르다. 즉 항공기의 날개는 항공기의 속도와 거의 같은 속도로 맞바람이 생기지만 프로펠러는 회전하면서 프로펠러 안쪽과 바깥쪽의 속도가 전혀 다르기 때문에 각각의 속도에 맞춰 최적의 각도로 만들다보면 자연스럽게 프로펠러의 깃이 안쪽은 크게, 바깥쪽은 작게 휘어지게 된다. 이론상으로는 이 휘어지는 정도가 점점 작아지는 형태(비선형 형태)여야 하지만 제작상의 난이도 때문에 보통은 휘어지는 정도가 균일하다.
프로펠러의 추진력은 거의 상당부분 중심에서 바깥쪽 방향으로 70~80% 되는 영역에서 만들어낸다. 더 바깥쪽은 마치 항공기 날개의 그것처럼 소용돌이 흐름(끝단 와류, tip vortex)을 만들어서 속도가 빠름에도 효율이 떨어져 버린다.
항공기가 전진비행을 하면 프로펠러의 속도 + 항공기가 전진함으로서 유입되는 공기의 속도가 더해져서 도리어 프로펠러의 효율이 올라간다. 하지만 일정 속도를 넘어가버리면 프로펠러의 효율이 다시 극단적으로 떨어지는데, 고속으로 회전하는 프로펠러의 속도 + 항공기 전진속도 탓에 프로펠러의 끝 부분 속도가 음속에 가까워지기 때문. 최악의 경우 이 부분이 초음속에 도달하는데, 항공기는 아직 음속에 한참 못 미치는데도(프로펠러 끝단이 초음속이 된 것은 프로펠러 자체의 속도가 더해진 것임을 생각하자) 프로펠러에서 심한 충격파가 발생하여 엄청난 소음, 진동을 유발하고 프로펠러의 효율도 급격히 감소하며 프로펠러의 내구성에도 문제가 생긴다. 이 소음 수준은 엄청난 것이라 프로펠러기 중 최고속도 마하 0.8로 가장 빠른 축에 드는 Tu-95의 경우 수십 킬로미터 밖에서도 비행기 소리가 들릴 정도가 된다.
보통 프로펠러 항공기는 마하 0.5~0.6 정도까지가 가장 효율적이며 그 이상으로 넘어가면 제트엔진류에 비하여 효율이 떨어진다. 서구의 가장 빠른 프롭 민항기는 Saab 2000으로, 순항속도는 685km/h.
프로펠러의 모양과 깃의 개수는 항상 설정하기 어렵다. 길고 가늘게 만들면 프로펠러 자체의 효율이 좋아지는데 구조적으로 약해지는데다가 항공기가 땅에 있을 때 프로펠러가 땅에 닿지 않도록 해야해서 항공기의 설계가 더 까다로워질 수 있다.
깃의 개수가 늘어나면 소음도 줄어들고 추진력이 늘어나지만 깃 자체를 회전하는데 드는 힘도 더 많이 필요하고 무게도 무거워진다.
피치, 즉 프로펠러가 기울어진 각도 일정 수준 이상 크게하면 더 많은 추진력을 얻을 수 있지만 대신 더 많은 엔진힘이 필요하다.
일반적으로 왕복엔진 항공기는 엔진과 프로펠러 사이에 별 다른 변속기 없이, 엔진의 크랭크샤프트에 직접 연결된다. 그러나 대형 왕복엔진이나 제트엔진의 하나인 터보프롭이 사용될 경우에는 엔진의 회전속도가 너무 빠른 탓에 변속기어를 거쳐 연결된다.
단 변속기어를 쓴다고 해도 자동차처럼 1단, 2단 하는식으로 다단기어로 되어있지는 않다.
초기에는 나무를 깎아서 프로펠러를 만들었지만 요즘은 대부분 금속제를 사용하며 최근에는 기술의 발전에 따라 복합재 프로펠러도 늘어나는 추세이다. 라이트 형제가 최초의 비행기를 만들 때, 그들은 이미 프로펠러의 중요성을 인식했고, 바깥쪽으로 감에 따라 기울기를 달리하는 등 세심한 설계를 적용시켰다. 덕분에 그들이 만든 프로펠러는 100여년이 지난 현대의 프로펠러에 비교해 봐도 불과 5% 정도만 효율이 떨어질 뿐이다. 물론 라이트 형제 이전에 항공기용 프로펠러가 없었던 것은 아니다. 비행선이 있었으니까.
프로펠러의 깃 각도(피치)는 프로펠러가 느끼는 맞바람 속도에 따라 최적의 속도가 다르다. 그런데 프로펠러 자체는 일정 RPM으로 돈다고 해도 항공기의 비행속도가 바뀌면 결국 프로펠러가 느끼는 맞바람의 속도(속력 + 방향)이 바뀌므로 이 각도를 달리해줘야 한다. 저속이라면 상대적으로 더 큰 각도로, 고속이라면 상대적으로 더 작은 각도로 유지해야 하는 것이 일반적.
초창기의 프로펠러는 이런거 무시하고 그냥 깃 각도가 고정되었으나 이후 조종사가 임의로 조작가능한 가변피치 프로펠러가 등장하였다.
한편 자동차도 마찬가지지만 항공기의 엔진도 최적 RPM이 있다. RPM이 너무 낮으면 연비가 나쁘고 RPM이 너무 높으면 과열의 위험이 있기 때문. 그래서 가변피치 개념이 발전되어 정속프로펠러라는 것이 나온다. 즉 조종사가 쓰로틀을 밀어서 엔진출력을 높여도 엔진의 RPM은 거의 변화없이 일정하게 도는 대신, 프로펠러 깃의 각도가 더 커져서 결과적으로 더 큰 힘을 내는 것이다. 어찌보면 악셀을 밟아도 RPM은 일정값을 유지하도록 기어단을 바꾸는 자동차의 다단 기어개념하고 유사하다.
과거에는 쓰로틀을 움직이고 엔진 피치각도 바꾸고 등등 조종사가 정신 없었지만 현재는 쓰로틀 레버를 조작하면 알아서 엔진으로 가는 연료유입량, 프로펠러 피치각등이 제어되도록 설계되고 있다.
한편 이런 가변 피치 프로펠러 중에는 프로펠러 날개를 진행 방향에 평행하게 아예 90도 기울여 세울 수 있는 것도 있다. 이는 불가피한 이유로 비행 중에 엔진이 멈췄을 때 프로펠러가 일종의 풍차처럼 제멋대로 돌아가서 불필요한 소음, 진동, 공기저항을 만드는 것을 막기 위해서다. 이를 흔히 페더링이라고 하며 이 페더링 기능이 있는 항공기들은 보통 지상에 정지상태일 때는 이 각도를 유지하다가 엔진을 켜기시작하면 추진력을 낼 수 있는 각도로 움직인다.
- 출처 : 위키피디어
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몇몇 비행기에서는 프로펠러의 피치를 반대로 할 수도 있다. 이 경우 추진력이 반대로 된다. 보통 착륙시 속도를 줄이는데 보조적 역할로 쓰이지만, 간혹 후진을 하는데도 사용된다.
특이한 프로펠러로는 이중반전식 프로펠러(contra-rotating propellers)가 있는데, 하나의 축에 서로 반대로 돌아가는 2개의 프로펠러를 끼운 형태다. 엔진 출력은 이미 충분한데 공간상의 제약등으로 프로펠러의 깃 개수나 크기를 더 못늘릴 때 유용하다. 특히 Tu-95는 이중반전식 프로펠러를 사용하는 대신 프로펠러의 RPM을 낮춰서 고속에서도 프로펠러가 느끼는 맞바람 속도를 낮춘덕에 마하 0.8 정도의 비행도 가능하다. 두 프로펠러는 서로 반대방향으로 돌아가도록 되어있는데, 이는 밑에 설명하겠지만 프로펠러의 반동으로 인해 항공기가 한쪽으로 쏠리는 현상을 막기 위해서다.
덕분에 이중반전식 프로펠러는 6~16% 정도 효율이 더 좋은 반면, 시끄럽고 정비요소가 많아진다는 것이 단점이다. 진동문제를 잡기 어려운지 2차대전 중 몇 몇 항공기들이 이 이중반전식 프로펠러를 시도하다가 진동문제로 포기한 사례가 좀 있다.[2]
러시아 폭격기 Tu-95 의 이중반전식 프로펠러.
프로펠러를 항공기의 앞에 다는가 뒤에 다는가도 중요한 문제. 앞에다 달면 프로펠러의 후류가 만드는 강한 바람덕에 수평, 수직꼬리날개에는 더 빠른 맞바람이 부는 효과가 생겨서 전반적으로 이 꼬리날개들의 효율이 올라간다. 또한 항공기가 이, 착륙을 위해 기수를 들어도 프로펠러가 땅에 닿을 염려가 없다.
프로펠러를 뒤에 달면 항공기 앞쪽을 뾰족하게 만들 수 있으므로 기수를 좀 더 유선형에 가깝게 만들 수 있어 전체적인 공기저항을 줄일 수 있다. 또한 전투기의 경우 기관포등의 무장을 기수부분에 집중하여 달아서 똑같은 숫자의 무장을 달아도 무장의 집중효과가 더 늘어난다. 대신 프로펠러가 뒤쪽에 있다보니 항공기가 이륙을 위해 기수를 들면 프로펠러가 더 아래로 내려가므로 땅에 닿을 염려가 있어서 결과적으로 랜딩 기어를 더 길게 설계해야 한다. 또한 전투기들의 경우 비상탈출시 프로펠러에 조종사가 말려들어 끔살 당할 수도 있다. [3]
현재까지 대세는 프로펠러가 앞쪽에 달린 형태다. 프로펠러를 뒤쪽에 단 항공기가 없는 것은 아니지만, 아무래도 이쪽이 이전부터 만들기 더 쉬웠기 때문.
엔진 배치상의 문제로 아예 항공기 앞 뒤로 모두 프로펠러가 달린 경우도 있다. 이를 테면 Do335나 O-2 같은 기종들.
일반적으로 프로펠러의 끝 부분에는 노란색 칠이 칠해져있거나, 혹은 중심부에 나선형으로 뱅글뱅글 돌아가는 그림이 칠해져있는데 이것은 프로펠러가 회전중임을 알 수 있게 해주는 표식이다. 프로펠러가 회전하면 보통 RPM이 2000 전후가 넘기 때문에 사람 눈에는 보이지를 않는다. 또 보여서도 곤란한 것이, 대부분의 프로펠러는 조종사 앞쪽에 설치되기 때문에 조종사의 시야를 가리면 안된다. 이러다보니 지상에서 근무하던 이들이 프로펠러의 위치를 제대로 못보고 부딪혀서 끔살당하는 사고가 종종 있어서 이런 장치를 해둔 것.
프로펠러라는 엄청난 쇳덩이가 고속으로 회전하다보니 항공기에는 그 반작용이 걸려서 반대방향으로 돌아가려는 힘이 생긴다. 그래서 프로펠러를 사용하는 항공기는 필연적으로 비행중에 계속 한쪽으로 기체가 기울어지는 힘이 발생. 쌍발 항공기라면 양쪽의 프로펠러를 반대방향으로 돌림으로서 서로 상쇄시킬 수 있긴 하다. 위에 언급한 동축반전 방식도 이 때문에 앞뒤의 프로펠러가 서로 반대로 돌아간다.
이것을 상쇄하기 위해 여러가지 방법이 나오는데, 이를테면 어떤 항공기는 아예 수직꼬리날개를 항공기가 쏠리는 방향에 맞춰서 약간 비틀어 장착하기도 하고(대표적인 예가 Bf109), 또 어떤 항공기는 일부러 좌우 날개중 한쪽을 일부러 더 짧게 만들어 자동으로 기체가 한쪽으로 기울어지게 만들어서 프로펠러에 의한 반동을 상쇄시키게 설계하기도 한다. 또 아니면 엔진 자체를 약간 한쪽 방향으로 기울여서 설치하기도 한다[4].
왜인지 여러가지 문화 매체들중에서 낡은 도시 건물이나 폐허등을 묘사할때는 조용한 건물잔해에 담담히 돌아가는 프로펠러가 보이는 연출이 많다. 아마 인류 산업 문명에서 꽤나 자주 볼 수 있는 물건이라 그런듯. 하여튼 뭔가 폐허속에서 특유의 분위기를 준다.
1.1 프로펠러를 사용하는 캐릭터
2 일본의 게임 제작사
표기는 영어인 propeller로 한다.
주식회사 윌 산하의 에로게, 미연시 제작사로, 윌 산하의 도쿄개발실을 중심으로 작업을 진행하고 있다.
후일 익스트림 노벨을 통해 정발된 라이트 노벨 짐승사냥으로 명성을 드높이게 되는 시나리오 라이터 히가시데 유이치로와, 팬텀, 베도고니아, 사야의 노래 등의 초기 니트로플러스 게임의 원화를 맡은 츄오 히가시구치의 조합이 절정을 이루었던 아야카시비토, Bullet Bulters 시절이 절정기로 꼽힌다. 이후로는 전기물에서 순애물로 방향을 틀거나, 전연령판에도 진출하는 등 다변화를 꾀하고 있으나 이렇다 할 소득은 없는 상태.
2.1 작품 일람
- 2004/09/17 : てこいれぷりんせす! ～僕が見えない君のため～
- 2005/06/24 : 아야카시비토
Bullet Butlers와 함게 프로펠러의 2대 전기물로 꼽히는 수작. 히가시데 유이치로X츄오 히가시쿠치 조합의 포텐이 폭발한 작품이기도 하다. 2006년 아야카시비토 -환요이문록- 이라는 타이틀로 PS2 전연령판으로 이식되었으며, 2009년에는 PSP로도 이식되었다.
- 2007/07/27 : Bullet Butlers
간지 넘치는 남성 캐릭터들이 많이 등장하는지라 여성향으로 착각을 불러일으키기도 하는 작품. 이 탓에 여성팬들에게 더 인기가 많은 작품 중 하나다. 가가가 문고를 통해 소설화가 되기도. 아야카시비토보다 캐릭터의 매력은 증가했으나 도리어 시나리오의 질은 저하되었다는 평을 받는다. 2012년 PSP로 이식되었다.
- 2008/05/23 : 크로노벨트
아야카시비토와 Bullet Butlers의 크로스 팬디스크.
- 2009/07/24 : 분명, 맑은 아침 색 보다도
StarTRain의 원화가 야스유키와 Lump Of sugar의 언젠가, 닿을, 저 하늘에의 시나리오를 맡았던 슈몬 유우가 뭉친 작품. 조합에서부터 알 수 있듯이 순애물이나 슈몬 유우 특유의 집필 스타일 때문에 호불호가 많이 갈리는 작품이다.
- 2010/05/28 : 에보리미트
히가시데 유이치로X츄오 히가시쿠치 조합으로 내놓은 3번째 작품. 초기 2대 전기물에 비해서 인지도는 밀리는 편이나 역시 수작이라는 평.
- 2011/06/24 : 벚꽃의 틈새와 거짓말쟁이의 도시
후일 확산성 밀리언 아서 카드 일러스트로 인지도를 쌓는 refeia가 원화를 맡은 마지막 에로게. 평타는 쳤다는 평이 대다수.
- 2012/08/31 : 도쿄 바벨
프로펠러의 첫 전연령판 미연시로, 히가시데 유이치로X츄오 히가시쿠치 조합이 깨진 첫 작품이기도 하다. 슈타인즈 게이트의 원화 담당 중 한 명인 이시이 히사오가 원화로 참여했기 때문. 전연령판답게 주인공부터 카미야 히로시, 히로인에 사와시로 미유키, 이토 카나에, 하나자와 카나. 이외에도 사쿠라이 타카히로, 카토 에미리 등이 참여하는 등 흠좀무한 성우진을 자랑한다. 시나리오는 전체적으로 수작이나 용두사미식으로 흘러가는 점이 감점 요소.
- 2013/08/23 : 소원의 조각과 백은의 계약자
도쿄 바벨에 이은 전연령판 미연시. 라이트 노벨 블러드 링크 작가로 유명한 야마시타 타카시와, 후일 스트라이크 더 블러드 삽화로 인지도를 쌓는 마냐코가 뭉친 작품이다. 덤으로 적 캐릭터 디자인에 반파이 아키라가 참여. 역시나 주역 성우로 후쿠엔 미사토, 이세 마리야, 아케사카 사토미, 하나자와 카나가 기용되는 등 호화 성우진으로 구성되어 있다. 프로펠러 작품으로는 특이하게 주인공부터가 여성 주인공으로 설정되는 듯 백합 성향이 짙게 드러나는 편. 그리고 뜬금없는 용두사미 진엔딩 때문에 도리어 진엔딩 이후의 사이드 스토리가 더 재미있다는 평을 받는 괴작. 여담으로 마냐코가 원화를 맡은 대표작으로 스더블은 자주 언급될지언정 해당 작품은 언급이 거의 없는 것만 해도 이 작품의 인지도가 어떤지를 반증해 주는 지도 모른다.
- 2014/08/29 : 창격의 예거
- ↑ 프로펠러는 문자 그대로 해석하면 추진기이다. 다만 항공용 프로펠러가 널리 알려지면서 프로펠러라고 하면 관용적으로 항공용 프로펠러라고 인식되는 경향이 강하다.
- ↑ 슈퍼마린 스핏파이어나 XB-35 등
- ↑ 이때문에 이 방식의 전투기들은 조종사가 비상탈출하기 직전에 프로펠러를 분리해버릴 수 있는 장치가 되어있거나, 비상탈출 좌석이 설치되어있거나 한다.
- ↑ 엄밀히 말하면 엔진을 살짝 옆으로 설치하는 사이드 트러스트는 엔진과 프롭의 반토크를 직접적으로 상쇄하는 것은 아니다. 반토크는 롤 방향(에일러론으로 조종하는 방향)으로 작용하는데, 엔진을 기울여 봐야 요 방향(러더로 조종하는 방향)으로 기체를 트는 것이기 때문이다. 엔진의 반토크를 억제하기 위해서는 롤 방향의 힘이 필요하고, 이는 좌우 주익의 양력을 다르게 하는 것으로 해결할 수 있다. 위에서 나온 대로 날개의 크기를 다르게 하거나, 받음각을 다르게 하거나. 다만 어떤 방식이든 양력을 증가시키려면 항력도 증가하므로, 양 주익의 항력이 서로 달라 요 방향으로 회전하게 된다. 이 항력에 의한 요 방향의 회전을 억제하기 위해 사이드 트러스트를 주거나 수직미익을 삐딱하게 설치하는 것이다.
- ↑ 프로펠러는 아니지만 프로펠러 비스무리한게 있으며 위치와 용도가 자이로맨와 흡사하다.