장난감 헬리콥터를 들여다보면 꼬리 끝에 작은 프로펠러가 옆을 향해 서 있습니다. 위의 큰 로터는 기체를 들어 올리는데, 꼬리의 작은 로터는 옆으로 바람을 보냅니다. 그런데 커다란 로터 두 개를 위아래로 겹쳐 단 헬리콥터에는 이 꼬리 로터가 없습니다.
꼬리 로터는 무엇을 하고 있을까요? 그리고 그것 없이 나는 헬리콥터는 그 일을 어떻게 대신할까요? 답은 고등학교 물리의 작용·반작용에서 시작합니다.
로터를 돌리면 몸체가 반대로 돈다
수영 선수는 앞으로 나아가려고 수영장 벽을 뒤로 밉니다. 한 물체가 다른 물체에 힘을 주면 자기도 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 받기 때문입니다. 뉴턴 제3법칙입니다.
헬리콥터에서도 같은 일이 일어납니다. 메인 로터가 하나인 헬리콥터에서 엔진이 로터를 돌리면, 몸체는 로터와 반대 방향으로 돌려 합니다. 이렇게 돌리거나 비트는 힘을 토크(torque), 교과서 말로 돌림힘이라고 부릅니다. 위에서 보아 로터가 반시계 방향으로 돌면 몸체는 시계 방향으로 돌려 합니다.
회전의자에 앉아 무거운 자전거 바퀴를 손으로 힘껏 돌리면 의자가 반대로 도는 것과 닮았습니다. 실제 헬리콥터에서는 팔 대신 엔진이 로터를 돌리고, 그 크기도 엔진이 로터에 쏟는 출력에 따라 달라집니다. 출력이 바뀌면 토크도 바뀝니다.
꼬리 로터: 옆으로 미는 작은 로터
대부분의 헬리콥터는 메인 로터가 하나이고, 토크를 이기려고 따로 작은 로터를 답니다. 이것이 꼬리 로터(tail rotor)입니다. 이고르 시코르스키가 VS-300에 쓴 설계이며, FAA 교범은 꼬리 로터를 단 단일 메인 로터 배치가 세계적으로 "헬리콥터"의 모습으로 자리 잡았다고 적습니다.
꼬리 로터는 꼬리를 옆으로 밀거나 당겨 토크에 맞섭니다. 몸체가 돌려는 방향과 반대쪽으로 꼬리를 밀어 기수 방향, 곧 요(yaw)를 붙잡는 셈입니다. 엔진이 메인 로터에 출력을 더 주면 토크가 커지므로 꼬리 로터도 더 큰 추력을 내야 합니다.
이 방식에는 대가가 있습니다. 엔진 출력 가운데 일부를 들어 올리는 데 쓰지 못하고 토크에 맞서는 데 써야 합니다. 꼬리 로터까지 동력을 보내려면 꼬리를 따라 구동축을 깔고 꼬리 끝에 기어박스를 달아야 합니다. 꼬리 로터가 미는 힘 때문에 제자리에 떠 있을 때 기체가 그 방향으로 옆걸음하려는 경향도 생기는데, 이를 옆밀림(translating tendency)이라고 부릅니다.
꼬리 로터를 대신하는 방법
FAA 교범은 오늘날 가장 흔한 반토크(antitorque) 방식으로 셋을 듭니다. 전통적인 꼬리 로터, 페네스트론(Fenestron, 팬테일이라고도 함), NOTAR입니다. 셋 모두 꼬리 쪽에서 옆 힘을 내어 토크에 맞선다는 점은 같고, 그 힘을 만드는 방법이 다릅니다.
페네스트론은 세로 꼬리날개 안에 여러 장의 날개를 감싸 넣고 돌립니다. 날개가 둥근 덕트 안에 있으니 사람이나 물체에 닿을 가능성이 작습니다.
NOTAR는 겉으로 드러난 꼬리 로터 대신 감싸인 팬을 씁니다. 이 팬이 바깥 공기를 불어 넣어 몸체 뒤로 뻗은 꼬리 기둥, 곧 꼬리 붐(tail boom) 안을 채우고, 그 오른쪽 옆을 따라 길게 난 틈 두 줄로 공기를 내보냅니다. 이 공기가 코안다 효과(Coanda effect)라는 경계층 제어를 일으킵니다.
그래서 제자리에 떠 있을 때 꼬리 붐이 메인 로터의 내리바람 속에서 날개처럼 옆 힘을 냅니다. 남은 방향 제어는 돌아가는 분사 장치가 맡습니다. 앞으로 날 때는 세로 안정판이 반토크의 대부분을 내고, 방향 제어는 여전히 분사 장치가 맡습니다. 긴 구동축 같은 꼬리 로터의 기계적 단점 일부를 덜어 낸 방식입니다.
두 로터를 반대로 돌리기
다른 길도 있습니다. 로터를 두 개 달고 서로 반대로 돌리면, 한 로터가 몸체를 비트는 힘을 다른 로터가 지웁니다. 꼬리에서 옆 힘을 따로 낼 필요가 없어집니다.
탠덤 로터(tandem rotor)는 큰 로터 두 벌을 앞뒤에 둡니다. 두 로터가 반대로 돌며 서로의 토크를 지우므로, 엔진 출력을 모두 들어 올리는 데 쓸 수 있습니다. 날개 세트가 둘이라 더 짧은 날개로 더 무거운 무게를 들 수도 있습니다.
교차 로터(intermeshing rotor)는 반대로 도는 두 로터의 마스트를 서로 조금 기울여 세웁니다. 그러면 날개끼리 부딪히지 않고 맞물려 돕니다. 반토크 장치가 필요 없어 출력을 들어 올리는 데 더 쓸 수 있지만, 두 로터 모두 똑바로 위로 들지 않아 로터마다 효율이 줄어듭니다.
동축반전로터: 한 축에 두 로터
동축반전로터(coaxial rotor)는 서로 반대로 도는 로터 한 쌍을 같은 회전축 위에 위아래로 겹쳐 단 것입니다. FAA 교범은 이 배치를 러시아 카모프(Kamov) 설계국 헬리콥터의 이름난 특징으로 소개하고, 시코르스키의 실험기 X2도 동축 로터를 쓴다고 적습니다.
첫째 이점은 토크입니다. 위 로터와 아래 로터가 몸체를 서로 반대쪽으로 비트니, 꼬리 로터나 다른 반토크 장치가 필요 없습니다.
둘째 이점은 앞으로 날 때 드러납니다. 로터 원판의 한쪽 날개는 비행 방향으로 나아가고, 반대쪽 날개는 뒤로 물러납니다.
나아가는 날개는 비행 속도만큼 더 센 바람을 맞고, 물러나는 날개는 그만큼 약한 바람을 맞습니다. FAA 교범의 예에서는 날개 끝 속도가 약 400노트인 헬리콥터가 100노트로 날면, 나아가는 쪽 바람은 500노트이고 물러나는 쪽은 300노트입니다.
바람이 센 쪽이 양력을 더 낼 수 있으니, 좌우의 양력이 달라집니다. 이것을 양력 비대칭(dissymmetry of lift)이라고 합니다. 로터가 하나인 헬리콥터에서는 날개가 저절로 위아래로 퍼덕이고 각도가 바뀌어 양력을 고르게 맞춥니다.
동축 로터는 두 로터가 반대로 도니, 위 로터가 나아가는 쪽에서 아래 로터는 물러나고 반대쪽에서는 그 반대가 됩니다. 그래서 동축 로터는 양력 비대칭의 영향을 피합니다.
대가도 있습니다. 가장 큰 단점은 로터 계통이 기계적으로 더 복잡해진다는 것입니다.
화성에서 난 동축 헬리콥터
동축 로터의 원리를 보여 주는 뜻밖의 예가 화성에 있습니다. NASA 에임스 연구센터 연구진의 논문에 따르면, 2015년 NASA 제트추진연구소(JPL)는 에임스·랭글리 연구센터, 에어로바이런먼트와 손잡고 화성의 독특한 대기에서 날 수 있는 작은 동축 헬리콥터 인저뉴어티(Ingenuity) 개발에 나섰습니다. 인저뉴어티는 퍼서비어런스 로버의 아랫면에서 내려진 뒤 화성에서 날았습니다.
인저뉴어티의 질량은 1.8 kg, 로터 지름은 1.21 m이고, 서로 반대로 도는 동축 로터 두 개를 씁니다. 논문은 이 설계의 이점으로 작은 로터 계통, 동축이 아닌 로터보다 같은 동력에서 더 큰 추력, 반대로 도는 로터에서 오는 토크 균형, 앞으로 날 때의 양력 대칭을 들었습니다. 앞에서 본 두 가지 균형이 그대로 들어 있습니다.
그렇다면 꼬리 로터 없이 기수 방향은 어떻게 바꿀까요? 같은 논문은 동축 반전 로터의 제어와 안정에서 중요한 과제가 방향 안정이라고 짚습니다.
기수를 한 방향으로 붙잡아 두려면 두 로터의 토크 합이 0이어야 합니다. 위 로터의 날개 각도를 조금 줄이고 아래 로터를 같은 만큼 늘리면, 전체 추력은 거의 그대로이면서 기체를 돌리는 힘이 바뀝니다. 토크를 지우던 균형을 일부러 조금 기울여 방향을 바꾸는 것입니다.
다음에 읽을 글
- 추력편향: 엔진이 방향을 바꾸면 무슨 일이 생길까: 힘의 방향을 바꿔 기체를 돌리는 또 다른 방법을 봅니다.
- 무게와 탑재: 차량, 함정, 항공기에 싣는다는 것: 레이저 무기를 항공기 같은 탈것에 실을 때 무엇을 따지는지 봅니다.
- 정찰·감시 무인기: 오래 떠 있는 드론이 중요한 이유: 사람이 타지 않는 비행체가 어떤 일을 하는지 봅니다.