RC 헬리콥터. 오토로테이션에 대해 알아보자. – 수다피플

몇몇 분들이 시뮬레이터를 구입해서 연습중이시라는 리플과 쪽지를 받았다. 이 연재를 시작한 보람이 느껴진다. 세상 산다는게, 남에게 피해 주지 않으면서 내 입에 풀칠하고 그러면서 해 보고 싶은거 하면서 사는거 아니겠는가. 이런 소소한 인생의 즐거움을 주는 취미로 RC 헬리콥터는 상당히 괜찮은 물건이다. 상당한 재미와 보람, 그리고 어릴적에는 꿈만 꿨던 것을 어른이 되어서 이루어 본 듯한 기분을 느끼게 해 주는, 삶 사는 재미를 느끼에 해 주는 훌륭한 취미라 생각한다. 연재의 목적이 이 훌륭한 취미를 많은 사람들이 그리 큰 돈 들이지 않고 할 수 있게 하는 것으로 잡았었는데, 많은 분들의 리플을 보며 매우 뿌듯하다.

 

시뮬레이터로 열심히들 연습 하고 있는 동안, 이번 글에서는 진짜 RC 헬리콥터를 샀을때 뚜껑을 열고 나서 멘붕에 빠지지 않도록 미리 RC 헬리콥터의 여기 저기를 보여주는 내용과 현실 비행에서 맞닥뜨린 내용들에 대해서 이야기 할까 한다. 놀랍게도 시뮬레이터들은 이러한 현상을 이미 다 반영해 놓는다. 따라서 컴퓨터 앞에서도 느낄 수 있는 현상들이자 기능이다. 내용이 길어서 두 번 정도 가지 않을까 싶다.

 

오늘 이야기 할 주제는 오토로테이션이다. 개인적으로 상당히 흥미있는 주제다.

 

– 오토로테이션 (Autorotation)

 

Afbeeldingsresultaat voor neil degrasse tyson

사진의 포쓰가 머릿속에 잊혀졌던 아시안 프린스가 살짝 떠오르게 한다.

 

이 사람 누구인지 아는가? 얼마 전 내쇼날 지오그래픽에서 리메이크 한 “코스모스”의 사회자로 닐 디그라스 타이슨 (귀 물어 뜯은 그 타이슨 아니다) 이라는 과학자다. 저술 활동도 활발히 하면서 대중과의 과학 소통을 열심히 하는 연예인 같은 과학자다. 트럼프 만큼이나 이 양반도 트위터 활동에 열심인데, 얼마 전에 이런 트윗을 한번 날린 적이 있었다.

 

tyson.jpg

 

해석하자면, 엔진 꺼진 비행기는 글라이더가 되지만, 엔진 꺼진 헬리콥터는 벽돌이다. 즉, 그냥 땅에 떨어진다…

뭐 이런 말이었는데…

 

이 트윗을 하고 나서 전세계 헬리콥터 매니아들로부터 대차게 까였다. (퍼거슨 옹 또 1승 올렸다.) 헬리콥터는 일반인 (그리고 저런 과학자) 의 추측과는 달리, 엔진이 꺼져도 날 수 있다. 땅에 소프트 랜딩을 할 수 있는 한번의 기회가 주어지는데, 그걸 가능하게 해 주는게 오토 로테이션이다.

 

혹시 헬리콥터의 다리는 왜 스키, 혹은 썰매처럼 생겼는지 궁금해 해 본 적이 있는가?

 

Afbeeldingsresultaat voor helicopter skid

그게 다 오토로테이션을 위한거다.

 

오토 로테이션이란, 헬리콥터가 공중에서 엔진에 이상이 생겼을때, 돌고 있던 로터의 관성만으로 착륙하는 기능을 말한다. 하늘에서 지상 가까이에 올 때까지는 블레이드의 피치를 최소화 하고 사실상 자유낙하에 가깝게 내려오면서 로터의 rpm을 최대한 유지하고, 땅 근처에 왔을때에 collective pitch를 높여서 부드럽게 착륙하는 기능이다. 피치를 높이는 순간 로터의 rpm은 급격히 떨어지고, 엔진이 꺼진 상태이기 때문에 rpm을 다시 올릴 길은 없다. 따라서 하늘에 날고 있는 헬리콥터는 엔진이 꺼질 경우, 단 한번 안전한 착륙의 기회를 제공 받게 된다. 이 한번의 기회를 제대로 살리지 못한다면……… 상상하고 싶지 않다.

 

Afbeeldingsresultaat voor autorotation

일반 비행과 오토로테이션 시 블레이드를 통과하는 바람의 방향

 

 

공중에서 지상으로 내려오는 동안은 헬리콥터가 아닌 자이로콥터가 되는 것이고, 지상에 가까이 왔을때 단 한번의 기회로 헬리콥터가 되는 것이다.

 

여기서 잠깐. 자이로콥터?

 

일단 영상을 하나 보자.

 

자이로콥터란 헬리콥터의 전신이라고 할 만한 비행체인데, 얼핏 보면 헬리콥터와 똑같아보이지만 비행 원리는 매우 다르다. 머리 위를 돌고 있는 로터에는 아무런 동력이 연결되어 있지 않고 그저 바람개비와 같이 돌고 있는거다. 동력을 만들어 내는 것은 조종자 뒤에 있는 선풍기 같은 프로펠러인데, 이게 전진하는 힘을 만들어내고 저 바람개비는 전진하면서 맞는 바람에 따라 돌면서 양력을 만들어 내는 탈 것이다. (그냥 낙하산 같은 역할을 하고 있는 거라고 보면 됨.) 롤링은 로터의 collective pitch로 조절하고 피칭과 요잉은 비행기와 마찬가지로 꼬리날개와 러더로 조절한다. 로터에 연결된 동력이 없으니 토크가 발생하지 않는다. 따라서 토크를 잡아주기 위한 꼬리의 수직 로터 같은 것이 필요 없다. 다만 헬리콥터같이 생겼어도 로터에 동력이 없기 때문에 헬기처럼 지속적인 호버링은 불가능하고 이륙과 착륙에도 활주로가 필요하다.

 

헬기의 동력이 끝어진 순간, 일시적으로 헬기를 자이로콥터로 만들어서 비행을 하다가 착륙 직전에 로터에 남은 힘을 이용해서 부드럽게 착륙하는게 바로 오토로테이션이다.

 

그럼 실제 헬리콥터가 어떻게 오토로테이션으로 착륙하는지 동영상으로 보자.

 

빠른 속도로 하강하다가 막판에 블레이드의 피치를 올려서 양력을 만들어낸다.

영상의 헬기는 너무 늦게 피치를 올려서 스키드 한쪽이 부러져 버렸다.

이건 실패한 경우고, 보통은 잘들 성공한다.

 

모든 진짜 헬리콥터와 450급 이상의 RC 헬리콥터들은 반드시 오토 로테이션이라는 기능을 수행할 수 있도록 설계되어 있다. 이것은 드론에는 없고 오로지 헬리콥터에만 있는 기능으로서, 헬리콥터가 사람을 실어 나를만한 나름 안전한 비행체가 될 수 있는 한가지 이유이기도 하다. 다만 쉽지는 않아서 오토 로테이션을 통한 착륙은 진짜 헬기 조종사들에게는 파일럿이 되기 위한 시험 과정에 들어가는 필수 항목이자 실제 비행에서는 접하기를 바라지 않는 상황일 것이고, RC 헬리콥터 파일럿들에게는 자신의 비행 솜씨와 헬기의 성능을 자랑하기 위한 테크닉이기도 하다.

 

그럼 RC 헬리콥터는 오토로테이션을 어떻게 하는지 살펴보자.

 

오토로테이션 시합이다. 저런 속도로 내려오며 착륙하는 것도 어려운데, 정확히 저 테이블 위에 착륙 시키는 시합인거다. 쉬워 보이지만 저 정도 조종 실력에 도달하려면 최소 1년 이상은 연습 해야 한다. 링크된 영상의 5분 쯤에서 날리는 조종자는 로터의 rpm을 극대화 하기 위하여 블레이드를 피치를 +로 놓은 후 헬리콥터를 배면 비행 시키며 내려오고 착륙 직전 다시 뒤집는 기술까지 보여준다. 

 

저 위에서 450급 이상의 RC 헬리콥터는 오토로테이션이 가능하다고 이야기 했다. 그럼 RC 헬리콥터에서 오토 로테이션이 왜 필요한가… 우선 말 그대로 비상시에 헬리콥터의 피해를 최소화 하면서 착륙시키기 위한 목적을 가지고 있다. RC헬리콥터가 엔진이나 모터가 망가지는 일은 거의 없고 보통은 날고 있던 도중 배터리가 떨어질 경우 부득이하게 해야 하는 경우가 있다. 또, 바로 위 동영상에서 보듯이, 어려운 기술에 대한 도전이라는 측면에서 오토로테이션을 하는 경우가 있다. 그리고 또 매우 중요한 한가지 경우는, 꼬리의 수직 로터에 이상이 생겨 헬리콥터가 토크에 의해 회전을 하기 시작할 때이다.

 

저 위에 자이로콥터 동영상을 보면 알겠지만, 동력과 연결되지 않은 로터는 토크를 발생시키지 않는다. 따라서 꼬리의 수직 로터에 이상이 생겨 요잉을 컨트롤 하지 못하는 경우가 발생할 때, 오토로테이션으로 들어가면 안정적인 비행(혹은 추락)이 가능하다. 

 

오토로테이션이 가능하기 위해서는 몇가지 조건이 필요한데,

 

1. 일단 로터가 고속으로 회전해야 한다.

오토로테이션은 동력이 끊어진 상태에서 로터의 회전 에너지만으로 착륙하는 것이기 때문에 로터가 돌던 관성이 강할수록 더 안정적이다. 따라서 로터의 회전 속도가 빠를수록 유리하다. “낮은 rpm + 높은 collective pitch”와 높은 rpm + “높은 rpm + 낮은 collective pitch” 중 하나를 고르라면 당연히 후자를 골라야 한다. (오토로테이션 외에도 여러가지 이유로…)

 

2. 메인 로터에 원웨이 베어링 (one-way bearing)이 있어야 한다.

모터가 멈추더라도 로터는 계속 돌기 위해서는 이 둘을 연결해는 축에 한쪽 방향으로만 힘을 전달하는 원웨이 베어링이 있어야 한다. 자전거의 뒷바퀴 허브를 생각하면 된다. 비탈길에서 페달을 밟지 않아도 바퀴는 굴러가고, 페달을 밟으면 그때 힘이 전달되는 역할을 해 주는 것이 원웨이 베어링이다. 이런 장치가 있어야 모터가 멈춘 상태에서도 블레이드는 계속 돌아갈 수 있다.

 

3. 메인 로터와 수직 꼬리 로터가 물리적으로 연결이 되어 있어야 한다.

오토로테이션 시에도 요잉은 컨트롤을 해 줘야 한다. 토크는 생기지 않겠지만, 최소한 헬기가 어느 방향을 바라보고 있을지는 조정을 해 줘야 하기에.. 그래서 모터는 메인 로터를 돌려주고, 꼬리 로터는 메인 로터로부터 동력을 전달 받는 시스템이 있어야 한다. 이를 위해서 RC 헬리콥터는 모터로부터 메인 로터의 기어에 동력을 전달하고 메인 로터 기어는 수직 꼬리 로터에 동력을 전달해주는 기어와 축을 공유한다. 이 둘 사이는 원웨이베어링이 위치하고 있어서 로터의 회전은 꼬리 로터 기어와 항상 연결되어 있고, 메인 로터 기어는 자전거 뒷바퀴처럼 모터로부터 힘을 받을때에만 돌아간다.

 

말로 설명하자니 복잡한데, 이 세가지의 이해를 위해 다음 사진을 한번 보자.

rotor.jpg

 

위 사진은 500급 헬리콥터로서 좌측 아래에 은색으로 빛나는 것이 모터이다. 모터의 기어와 직접 연결되어 있는 것이 빨간색 기어인데 모터의 기어와 빨간 기어의 비율이 로터의 스피드를 결정한다. 다만 빨간 기어는 로터 축과 직접 연결되어 있지 않고 그 아래에 있는 하얀 기어의 축을 감싸고 있는데, 이 사이에 원웨이 베어링이 들어간다. 아래 하얀 기어는 로터축과 직접 연결 되어 있고 그와 동시에 우측에 살짝 보이는 다른 작은 기어를 돌려준다. 이 작은 기어는 수평으로 연결되어 꼬리 (테일 붐이라 부른다)를 타고 수직 꼬리 로터로 동력을 전달해 준다. 그와 동시에 로터를 돌려준다. 위 사진의 모델은 토크튜브 (torque tube)라 부르는 긴 축을 이용해서 꼬리를 돌려주는 방식이고, 벨트로 연결하는 방식의 헬리콥터도 있다. (일반적으로 오토로테이션에는 토크튜브 방식이 유리하다.)

 

이것들이 움직이는 모습은 다음과 같다.

 

 

모터가 돌아감에 따라서 로터가 같이 돈다. 모터를 멈추자 빨간 기어도 같이 멈추지만 밑의 하얀 기어와 로터는 관성에 의해서 계속 돌아간다. 빨간 기어와 하얀 기어 사이에 웬웨이 베어링이 있기 때문이다. 밑의 하얀 기어가 계속 돌아가니 수직 꼬리 로터도 계속 돌아간다.

 

이 세가지를 모두 갖춘 헬기는 450급 이상에서 시작한다. 지지난 글서부터 450.. 450.. 이야기 한 이유가 바로 이런거다. 여기서부터 진정한 헬기의 맛을 느낄 수 있기 때문이다… 낮은 수준의 헬리콥터를 살 돈으로 차라리 시뮬레이터를 사서 연습하고, 어느 정도 숙달 되면 제대로 된 헬리콥터로 시작하라는 것이 이 연재를 관통하고 있는 필자의 조언이다.

 

그 외에 오토로테이션이 잘 되기 위해서 일부러 무거운 블레이드를 쓰기도 한다. 실제로 카본 재질의 제대로 된 블레이드들은 끝에 무게추로 작은 쇠조각이 들어가 있는 경우도 있다. 아울러, 당연하겠지만, 헬리콥터의 무게가 가벼울수록 오토로테이션 하기가 좋다. 덩치 큰 동체(fuselage)를 씌운 스케일 모델들에서는 오토로테이션이 어려운 이유다.

 

자, 그럼 오토로테이션을 마무리 하기 전에 영화 한 클립 보고 가자.

 

 

블랙호크 다운의 한 장면이다. 실화를 바탕으로 했고 영화적으로는 훌륭할지 모르지만 헬리콥터 매니아로서는 좀 깔 부분이 많은 영화다. (리들리 형님 왜 그러셨…)

 

우선 꼬리에 바주카포 비슷한걸 하나 맞았다. 맞고도 첨에는 이상이 없다고 착각한다. 꼬리 로터가 덜렁덜렁한 동안은 멀쩡하다 떨어져 나가는 순간부터 헬리콥터가 돌기 시작한다. 지난 글에서 설명했듯이 꼬리 로터에 가해지는 힘은 어마어마하다. 저렇게 너덜너덜한 상태가 되기 이전부터 헬리콥터는 정신없이 돈다. 영화적 긴장감을 더해 주기 위한 오버였던 듯…

 

두번째로 로터의 회전 방향이 위에서 볼때 시계방향이다. 그 이야기는 헬리콥터에 가해지는 토크의 방향은 반시계방향이어야 한다는 말이다. 그럼에도 불구하고 헬리콥터는 시계방향으로 돌며 떨어진다. 물리법칙에 위배되는 에러다. 사실 UH-60 블랙호크는 로터가 반시계방향으로 돌아간다. 그러니까 영화상 헬리콥터가 빙빙 도는 방향이 맞는거다. 위 클립 마지막에 추락한 블랙호크의 사진을 보면 반시계방향으로 돌아가는 구조의 블레이드를 가지고 있다. 아마도 CG 담당자가 별 생각 없이 시계방향으로 도는 헬리콥터로 만든것 같다.

 

세번째로, 꼬리 로터가 떨어져 나간 정도면 저렇게 예쁘게 천천히 돌지 않는다. 실제로 유튜브에 찾아보면 꼬리 로터 망가져서 추락하는 헬리콥터 영상들 있는데 사람들 다 튀어 나갈 정도로 돈다. (차마 링크는 못하겠다.)

 

마지막으로.. 오늘 오토 로테이션을 배웠으니…. 저런 상황에서 오토로테이션을 할 생각을 못했을까…. 어차피 망가진 것은 꼬리 로터.. 메인 로터는 멀쩡히 살아 있으니 일단 동력 끊고 오토로테이션 들어가면 토크로 회전하는 것은 어느 정도 잡을 수 있을 것이고 어느 정도 시간만 끌 수 있었다면 비교적 안정적인 착륙을 할 수 있었을까… 라는 의문이 들지만… 이 부분에 있어서는 영화가 어느 정도 현실적이라고 본다. 일단 오토로테이션은 헬리콥터가 가지고 있는 위치 에너지를 로터의 회전 에너지로 전환하면서 고도를 낮춘 후 마지막 한방의 착륙 기회를 노리는 것인데, 그러기에는 일단 헬리콥터의 고도가 너무 낮았다. 그리고 꼬리 로터가 통째로 날아간 상태이기 때문에 동력을 차단하여 토크의 발생을 막았다 하더라도 이미 헬리콥터가 돌고 있던 관성에 의한 요잉을 잡아줄 장치가 없다. 게다가 저런 전투용 헬기는 절대 가볍지 않다. 오토로테이션을 고려하기에는 여러가지로 어려운 상황이 아니었을까 싶다.

 

 

그럼 오늘은 여기까지….

from 딴지일보 RSS http://www.ddanzi.com/190826105

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