헬리콥터의 블레이드가 회전할 때, 블레이드 상하의 압력 차이에 의해서 lift force가 발생하고, 이를 통해서 헬리콥터는 뜰 수 있다.
이전의 글에서 본 Turbo shaft를 통해서 헬리콥터의 블레이드는 회전한다.
헬리콥터를 원하는 방향으로 움직이는 것은 비교적 쉽다. 앞으로 가고 싶다면 위 사진처럼 블레이드의 축이 앞 쪽을 바라보도록 기울이면 된다. 블레이드에 의해서 발생하는 힘에 의해서 앞으로 가려는 thrust가 발생하기 때문에 헬리콥터는 앞으로 갈 수 있다.
실제 헬리콥터가 어떻게 몸체를 기울이는 지를 이해하기 위해서는 airfoil의 원리에 대해서 알아봐야한다.
위 사진에서 알 수 있듯이, 블레이드의 angle of attack (받음각)에 따라서 lift force가 달라지는데, 일반적으로 받음각이 커질수록 lift force도 커지게 된다.
만약에 위 사진처럼 블레이드마다 angle of attack이 달라지게 되면 각각에 작용하는 lift force가 달라지게 되고, 그에 따라서 토크가 발생한다. 이를 통해서 헬리콥터를 기울일 수 있는 것이다.
방향을 바꾸기 위해서는 위 사진처럼 위치에 따라서 정해진 angle을 계속해서 가져야하기 때문에 블레이드가 돌아가면서 받음각을 계속해서 바꿔줘야한다.
해당 기능은 swash plate mechanism을 통해서 구현되는데, 우선 그 component에 대해서 살펴보자. 블레이드의 하부에는 위 사진과 같은 bottom swash plate가 있다. bottom swash plate는 spin 하지는 않지만 위 아래로 움직이거나 기울어질 수 있다.
Top swash plate는 위 사진과 같이 베어링을 통해서 bottom swash plate 위에 끼워져있다. 따라서 Top swash plate는 bottom swash plate의 위 아래로 움직이거나 기울어지는 모션을 같이 하면서도 독립적으로 회전할 수 있다.
Top swash plate는 위 사진과 같이 driver 를 통해서 rotor shaft에 연결되어 있다. 따라서 top swash plate는 항상 블레이드와 함께 회전하게 된다.
또한, top swash plate는 control rods를 통해서 블레이드와 연결되어 있다.
이러한 구조들을 통해서 bottom swash plate를 기울기만 하면 블레이드의 angle of attack을 계속해서 바뀌도록 할 수 있는 것이다.
즉, bottom swash plate를 뒤로 기울이면 헬리콥터의 앞쪽의 블레이드는 항상 negative angle을 가지고, 헬리콥터 뒷쪽의 블레이드는 항상 positive angle을 가져 위 사진과 같이 헬리콥터를 앞으로 기울이는 토크가 발생할 수 있는 것이다. 이러한 컨트롤을 cyclic pitch라고 부른다.
하지만 실제 헬리콥터에서 bottom swash plate를 뒤쪽으로 기울이면 위 사진처럼 헬리콥터가 옆으로 기울게 된다. 이는 gyroscopic precession에 의한 것이다.
왼쪽의 사진과 같이 헬리콥터가 기울어진 상황을 생각해보자. 헬리콥터가 기울어지면서 각운동량은 L1에서 L2로 변하게 되는데, 뉴턴의 제2법칙에 의해서 토크는 각 운동량의 변화율이므로 작용되는 토크의 방향은 위 사진처럼 헬리콥터의 앞쪽 방향이어야한다. (실제 힘이 작용하는 방향 x)
따라서, 토크가 해당 방향으로 만들어지기 위해서는 돌림힘은 오른쪽 사진처럼 만들어져야한다. 따라서 헬리콥터를 앞으로 기울이기 위해서는 bottom swash plate가 뒷쪽이 아니라 옆쪽으로 기울여져야 하는 것이다.
한편, 위 사진처럼 bottom swash plate를 기울이지 않고 위 아래로만 움직이면 모든 블레이드의 받음각이 변하게 되는데, 이를 통해서 헬리콥터가 위 아래로 움직일 수 있게 된다. 이러한 컨트롤을 collective pitch라고 부른다.
헬리콥터에는 Tail rotor가 있는데, 이를 통해서 블레이드가 돌아가며 생기는 반작용을 상쇄시킨다. 만약 이 반작용을 상쇄시키지 않으면 헬리콥터의 몸체가 블레이드와 반대 방향으로 회전하게 될 것이다.
또한, tail rotor에 의한 힘을 조절해서 헬리콥터가 바라보는 방향을 바꾸기도 한다. (yaw motion)
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