항공기 프로펠러에 대해 - Propeller(4)

Fixed Pitch Propeller의 단점

• Fixed Pitch Porpeller란 Pitch 각이 고정되어 있는 Propeller를 말한다. 이전 포스트에서 언급하였지만 어떤 Pitch 각은 특정 항공기 속도와 Propeller RPM에서 가장 효율적이다. 예를 들어, 항공기 순항 속도에서 가장 효율적으로 설계된 Pitch 각을 가진 Propeller를 장착한 항공기는 순항 속도 이외는 비행에서는 Propeller의 효율성이 떨어진다는 것이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 Constant Speed Propeller가 나오게 된다.

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

Constant Speed Propeller

• Constant Speed Propeller 전에 Variable Pitch Propeller가 먼저 나오게 된다. Pitch 각을 두 가지 정도로 세팅할 수 있는 Propeller로 보통 Takeoff & Climb에 유리한 Pitch 각과 Cruise에 유리한 Pitch 각으로 구성되어 있다. Variable Pitch Propeller에는 없는 Governor라는 것이 개발되면서 Constant Pitch Propeller가 나오게 된다.
• Constant Speed Propeller는 조종사가 세팅한 RPM을 유지하기 위해 Governor가 Pitch 각을 자동으로 변경하는 Propeller이다. 정해진 RPM을 유지하기 위해 왜 Pitch 각을 조절해야 하는가? 이전에 언급하였지만 Pitch 각이 커지면 Total Thrust가 커지고 Propeller의 회전을 방해하는 힘이 커진다고 했다. 이 힘에 의해 RPM이 감소하게 된다. 예를 들어, 조종사가 RPM을 2300으로 세팅했다. 이 상태에서 항공기 속도가 점점 빨라지면 어떻게 되겠는가? Pitch 각은 그대로이지만 항공기 속도의 증가로 Relative AOA가 줄어든다. 그러면 Propeller의 회전을 방해하는 힘이 줄어들고 RPM이 증가하게 될 것이다. 이때 Governor라는 것이 자동적으로 Pitch 각을 증가시켜 줄어든 Relative AOA를 보상해 주게 된다. 이렇게 Governor가 Propeller의 RPM을 일정하게 유지하도록 해준다.

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

Takeoff 시 Propeller의 힘으로 항공기가 좌측으로 가려고 한다?

1. Left Turning Tendency라고 하는 힘이 Propeller에 의해 발생한다. 이 힘이 항공기가 이륙하려고 Power Full을 하고 Runway를 활주할 때 항공기가 좌측으로 가려는 힘을 만들게 된다.
2. Slipstream
   • Propeller가 시계방향으로 회전하게 되고 추력을 만들어내는 과정에서 뒤로 Airflow를 흘려보낸다. 이 Airflow가 시계방향으로 회전하면서 뒤로 흘러가기 때문에 Propeller 뒤쪽 꼬리날개의 왼쪽 부분을 부딪히게 된다. 꼬리날개가 오른쪽으로 밀리면서 상대적으로 기수가 왼쪽으로 가려는 힘이 생긴다.
3. Torque Reaction
   • Torque Reaction은 작용 반작용에 의해 발생하는 힘으로 Propeller가 시계방향으로 회전하는 작용에 반대 힘은 반작용이 반시계 방향으로 나타나면서 항공기 기수가 왼쪽으로 가려는 현상이 발생한다.
4. Gyroscopic Precession
   • Gyroscopic Precession 이란 Gyro 특성 중 하나로 회전하고 있는 Gyro에 힘을 가하면 그 힘은 회전 방향으로 90도 가서 그 힘이 작용한다는 것이다. 예를 들어, 회전하고 있는 자동차 타이어가 있다고 가정하자. 회전하는 타이어의 위쪽에 힘을 가하면 그 힘은 회전하는 방향으로 90도 만큼 간 타이어의 왼편에 힘이 작용하게 된다. 이러한 특성이 항공기에도 나타나게 된다.
   • Conventional Type의 Landing Gear를 가진 항공기가 이륙을 하기 위해 활주를 시작한다고 가정하자. 속도가 상승하면 뒤쪽의 Tail Wheel 들리면서 항공기가 수평 상태가 되고 속도가 더 상승하면 이륙하는 것이다. 이때 Tail Wheel이 들릴 때 회전하는 Propeller의 위쪽을 앞으로 당기는 힘이 생긴다. 그 힘이 90도 만큼 회전해서 Propeller의 오른쪽이 앞으로 가도록 만든다. 이 힘에 의해 항공기 기수가 왼쪽으로 가려고 한다.
5. Asymmetric Blade Effect
   • 이 힘을 한 문장으로 정의하게 되면 내려가는 Propeller의 AOA가 올라오는 Propeller의 AOA가 커서 추력 차이에 의해 항공기 기수를 왼쪽으로 가게 한다. 항공기 엔진에 두 개의 Blade가 장착되어 회전한다고 하자. 그러면 한쪽은 올라가고 한쪽은 내려가는 것을 반복하며 회전한다. 이때 내려가는 Propeller의 AOA가 올라오는 AOA보다 크다. AOA가 크면 더 많은 추력이 발생하게 되는데 오른쪽 Propller가 상대적으로 더 많은 추력을 발생시키게 된다는 것이다. 오른쪽이 앞으로 나오니 상대적으로 왼쪽으로 기수가 돌아가게 되는 것이다.

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight (Slipstream)

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight (Torque Reaction)

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight (Gyroscopic Precession)

 

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight (Gyroscopic Precession)

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight (Asymmetric Blade Effect)