항공기 프로펠러에 대해 - Propeller(2)

Helix Angle & Relative Angle of Attack은 무엇일까?

• Blade Angle에서 Helix Angle을 빼면 Propeller의 Relative Angle of Attack이 나오게 되는데 왜 Helix Angle이 생기는지 알아보자. Propeller는 항공기의 진행 방향과 수직 방향으로 회전을 한다. 이렇게 되면 Propeller가 회전하는 동시에 항공기가 앞으로 나아간다는 것이다. 항공기가 멈춰 있어야 Blade Angle 전체가 AOA가 되는데 항공 기기 앞으로 전진하는 만큼 Relative AOA가 감소하게 되고 감소된 AOA를 Helix Angle이라고 한다. Relative AOA가 감소하는 만큼 Propeller 효율이 떨어지고 추력이 감소한다.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

• 항공기 속도(TAS)가 증가하면 빨간색 화살표가 늘어난다고 보면 된다. 그렇게 되면 Propeller 회전 속도는 고정인데 항공기가 더 빨리 앞으로 가게 되니 Relative AOA는 더 줄어들게 된다.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

• 반대로 Propeller RPM이 증가하면 더 빠른 속도로 Propeller가 회전한다는 것을 의미하고 파란색 화살표가 늘어난다는 것이다. 결과적으로 Relavtive AOA는 증가한다.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

Propeller Efficiency(효율)는 무엇일까?

• 이전에 언급하였지만 항공기 속도가 증가하면 Relative AOA가 감소하게 되고 결과적으로 Propeller 효율이 떨어진다고 했다. Propeller Efficiency가 정확히 무엇인지 알아보자. Propeller Efficiency는 쉽게 말해 엔진이 100이라는 힘을 Propeller에 전달했는데 Propeller가 얼마만큼 추력으로 잘 변환시켰는지를 말해준다. 정확한 공식은 아래와 같다.

  

  Shaft Power는 Engien Torque X RPM 이며 Thrust Power는 Thrust X TAS이다.
• Fixed Pitch Propeller라고 하여 Pitch의 각도가 고정되어 있는 항공기는 Propeller Efficiency가 가장 좋은 지점을 순항속도에 기준으로 한다. 다시말해 항공기가 순항 속도에 맞춰 비행을 하면 가장 Propeller Efficiency가 가장 높고 그 이외 비행 구간에서는 Efficiency가 떨어진다. 항공기 속도가 빠른 구간에서는 Propeller Efficiency가 감소하는 것을 이해했지만 왜 항공기 속도가 낮은 구간에서도 Propeller Efficiency가 감소할까? 그 이유는 Relative AOA는 증가하지만 항공기 속도(TAS)가 작아서 위 공식의 Thrust Power가 작아지게 되므로 Propeller Efficiency가 작아지게 되는 것이다.

  

  출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

  Propeller Efficiency가 가장 높을 때는 85~88%정도 된다.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

• 하지만 이러한 단점을 보완하기 위해 비행 중에도 Pitch를 변화 시킬 수 있는 Variable Pitch Propeller가 나오게 된다. Constant Speed Propeller(Variable Pitch Propeller)는 모든 비행 구간에서 Propeller의 Optimum Speed에 해당하는 Relative AOA를 유지하도록 하여 Propeller Efficiency를 증가시켜주는 장점이 있다. Constant Speed Propeller에 대해서는 다음 포스트에서 알아보자.