본의 아니가 DC 웹기능의 임시저장 기능 써보는 듯. 쓰다가 중간에 나갔다 왔는데 컴이 꺼졌었음. ㅋ



헬리콥터라는 물건은 상당히 시끄러움. 특유의 투타타타거리는 소리 때문에 오죽하면 미국에서 chopper(칼로 다지는 사람, 기계)라는 이름이 거의 정식명칭처럼 굳어져 감. 마치 공기를 잘게 자르면서 가는거 같다고.


이 소음의 원인은 여러곳에서 생기지만, 보통 로터가 와류를 치면서 내는 소음과 로터 자체가 너무 고속으로 비행하면서 내는 일종의 충격파 소음으로 보고 있음.




비행기 날개의 경우, 많이 알려진것처럼 날개 아래와 위는 압력이 다르고 이 때문에 위로 뜨는 힘, 즉 양력이 생김. 그리고 이 때 공기 흐름은 높은쪽에서 낮은쪽으로 흐르려하다보니 날개에 가로 막히지 않은 날개 끝 부분에서 위로 말려 올라가려는 소용돌이 흐름(와류, vortex)가 생김. 이를 날개 끝 와류(wing tip vortex)라 부름.


헬리콥터의 로터도 결국 일종의 날개이기 때문에 당연히 이와 같은 현상이 생김. 그런데 항공기라면 이 복잡한 소용돌이 흐름을 뒤로 한채 유유히 날아가지만, 헬리콥터의 로터는 제자리에서 빙빙도는 물건이라 앞쪽 로터에서 만든 와류에 뒤쪽 로터가 부딪힘.









이때 일종의 파열음 비슷한 소음이 발생하고, 헬리콥터 비행시 '타타타'하는 소음은 대부분 이놈이 만드는거임. 위의 컬러풀한 그림은 전진비행중인 UH-60 로터가 만드는 공기흐름을 컴퓨터로 모델링 한 것이고, 특히 소용돌이가 심한 부분의 흐름을 표현한 거임. 위에서 보았을때 로터는 반시계 방향으로 회전중인데, 이를테면 그림 기준으로 6시 방향의 로터 깃 끝에서 만든 후류에 9시 로터가 부딪히는 등, 아주 난리도 아닌 상황임.


여기에 더해 고속 전진비행시에는 로터 한쪽에서 충격파가 생기기도 함. 속도 400km/h가 될까 말까한 헬리콥터에서 뭔 초음속 충격파일까 싶지만 헬기라는 물건이 제자리/수직 비행을 위해 공돌이들이 혼을 판 물건인지라 전진비행시에 G-Ral 맞게도 초음속 흐름이 생김.




위 사진에서 헬리콥터의 로터는 그림 12시 방향으로 전진비행중임. 그리고 로터는 반시계 방향으로 돌고 있음. 로터는 기본적으로 날개의 일종이므로 회전하면서 게속 로터 깃에 공기흐름이 있어야 양력(=추력을 겸함)을 만들어냄. 그런데 헬리콥터가 12시 방향으로 전진비행을 하면 전진하면서 불어오는 맞바람 + 원래 로터가 회전하면서 만드는 맞바람이 더해져서 3시 방향 깃 끝의 속도는 엄청나게 빨라지게 됨. 뭐 메인로터 속도가 빨라봐야 얼마나 빠를까 싶지만, UH-60의 로터깃 끝쪽으로 가면 속도가 800km/h에 육박함. 길이 8m짜리 로터깃이 300RPM 가까운 속도로 회전하니 당연한 일임. 여기에 전진비행속도가 300km/h쯤 되면 저 3시 방향은 이미 속도가 1100km/h, 그러니까 마하 0.9 정도에 다다름.


그래도 마하 1.0 안넘어갔으니 초음속은 아니게 싶지만 로터가 일종의 날개라는 것을 생각해야 함.



날개 주변, 특히 날개 위쪽은 앞에서 들어오는 공기흐름보다 훨씬 빠른 속도로 공기흐름이 가속 됨. 그렇기에 공기흐름은 마하 1.0은 커녕 마하 0.77 밖에 안 되었음에도 날개 위아래 일부 구간에서 초음속 흐름(Supersonic Flow)가 생김. 참고로 위 그림보면 뭔가 떠오르는게 있을텐데, 흔히 '소닉붐'으로 잘못 알려진 고속 비행중인 전투기 주변에 깔때기 모양 구름 생기는거랑 비슷하게 보임. 위 그림속의 초음속 흐름 부근은 실제로 갑작스렇게 속도가 늘고 압력은 갑자기 줄면서 온도 또한 급격히 떨어져서 눈에 안보이던 수증기가 물방울로 응축되어 일종의 구룸이 생길 수 있음. 그게 그 깔때기 구름의 정체임.


앞서 설명한 로터깃 끝의 와류와 충격파는 소음뿐만 아니라 로터 자체의 성능에도 많은 영향을 미침. 와류를 만드는 것은 항공기와 마찬가지로 로터 효율 감소로 이어지고, 충격파는 고속 전진 비행시 항력으로 작용하므로 로터를 돌리는데 더 큰 엔진 토크가 필요로 하게 됨.


이 외에도 메인로터 외에 테일로터도 같은 이유로 소음을 내는거에 더해서, 메인로터 후류와 테일로터가 부딪혀 추가적인 소음을 만들어 냄. 테일로터는 일단 크기는 작기 때문에 메인로터보다 만드는 소음의 절대값은 작은데, 메인로터보다 고속으로 회전하다보니 (UH-60 기준 1100 RPM쯤) 더 고주파 소음을 냄. 사람 귀는 저주파보다 고주파에 민감해서 경우에 따라선 테일로터가 만드는 소음이 사람귀에 더 거슬리게 됨.


여기에 더하여 헬기가 만드는 소음은 전진비행시 앞으로 집중되는 경향이 있음.



그림이 흐릿해서 잘 안보이는데, 지금 헬리콥터가 오른쪽으로 비행중인데 소음이 퍼지는 영역도 오른쪽, 그러니까 헬리콥터 앞으로 퍼짐. 헬리콥터 소음 95 데시벨인 영역(가장 안쪽 영역)이 헬리콥터 전방 1마일(약 1.6km)까지 퍼지고 있음. 이는 군사적으로 따져봐도 내가 적에게 접근하는데 적에게 소음을 집중하며 날아가는 격이됨. 한편 군생활이나 에어쇼나 기타 등등의 이유로 헬기 소음을 들었는데 생각보다 조용한데?라고 느끼는건 여러가지 이유가 있지만 위와 같은 이유도 있는거임. 즉 헬기가 나를 향해 접근중이면 소리가 상대적으로 더 크게 들림.



여하간에 만약 이러한 소음들을 줄이려면 어떻게 해야 할까.


로터깃 끝 속도를 줄이려면 RPM을 줄이거나 로터 길이 자체를 줄이는 방법이 있음. 하지만 로터 길이를 줄이려면 로터의 앞뒤 폭을 넓히거나 로터 깃 숫자를 늘려야 원하는 만큼의 양력을 만들수 있는데 이는 모두 로터 효율 감소/무게 증가의 요인이 됨. 소음 잡다가 성능 떨어지면 이래도 저래도 공돌이 죽어요 죽어.


다른 방법으로 로터 깃 끝의 와류 및 충격파를 어떻게든 줄여보는 방법이 있음. 쉽게 생각할 수 있는 것은 깃끝의 면적을 줄이고, 후퇴각을 크게주주고 깃 자체를 끝부분만 얇게 만드는거임. 보통 70~80년대 기술로 만들어진 헬리콥터에서 많이 보이는 방법인데 비용등의 현실적인 이유로 현재도 널리 쓰이는 방법들임. UH-60이나 AH-64 로터 끝부분을 보면 후퇴각이 들어가 있는게 이러한 이유임. 물론 이는 소음저감 뿐만 아니라 성능향상에도 도움을 줌.


영국은 여기서 한 발 더 나아가 공돌이들에게 정어리 파이를 먹여가며 BERP(버프)라는 로터 디자인을 개발함. British Experience Rotor Program의 약자인데 노린건지 어쩐건지 트림을 뜻하는 BURP와 발음이 유사함.




영국 공돌이들이 정어리 파이를 먹고 내놓은 결과물은 날개 끝에 주걱달린 모양새인데, 저게 실제로는 상당히 복잡한 모양새임. 이 형상은 이론적인 설명 다 빼고 이야기하자면 충격파를 줄이는 한편, 날개 끝 와류를 약화시켜서 소음/진동/비행성능 모든 것을 끌어 올림. 다만 저거 붙일라면 가격도 같이 올라가는게 인지상정이라 우리나라 링스 헬기에는 저 버프 옵션이 안 달림. 현재까지도 일반 단일로터-테일로터 형상 헬기 중에는 이 버프달고 400km/h찍은 영국 육군형 링스 기록수립용 헬기가 세운 기록이 최고 속도임.



보기엔 별로 안 빨라보이게 생겼는데 이게 현재 이분야 최고 기록 보유중임.



여하간에 저하간에 요즈음은 정어리 피쉬도 모자라서 막 이상한거 더 먹이고 그러는지 로터 소음 줄인다고 더 이상한 로터 형상도 막 내놓고 있음. 아래의 유로콥터 블루엣지가 대표적.




빈라덴 잡을때 썼다는 스텔스형 블랙호크의 "상상도"들을 보면 메인로터 끝 부분이 이상하게 생긴 것들이 많은데, 대체로 그림 그리는 사람들이 저런 특이한 메인로터 끝 형상을 참조한 경우가 많음. 어쨌거나 스텔스를 위해 소음 감소에 신경을 썼을테니. 물론 아직 공개된바는 없지만.



한편 테일로터 소음을 줄이는 방법도 메인로터의 경우와 크게 다르진 않음. 날개 끝 적당히 모양 정리해주고, 어떻게든 깃끝 속도 줄여보고.




혹은 페네스트론, 혹은 덕티드팬 방식이라 하여 테일로터를 꼬리날개 속에 묻어버리는 것도 방법임.



사실 이 방식의 주된 장점은 소음감소보다는 헬기 주변 걸어가다가 테일로터에 사람이 끔살당하는 문제를 막으려는 이유가 강해보이지만(그런 사고가 제법 난다는 듯), 어쨌거나 겸사겸사 소음 감소에도 효과가 있다고 함. 기본적으로 크기가 작아서 깃끝 속도도 줄고, 메인로터 후류에 의한 영향도 적고, 구조물 안에 갇혀 있어서 와류 생성문제도 덜하고. 대신 이게 헬기 크기가 커지면 팬의 출력도 커져야 하는데, 팬 출력이 커질 수록 효율이 감소하는 문제가 있어서 대형 헬기에는 잘 못쓰고 있음.



테일로터를 아예 없애는 NOTAR(No Tail Rotor) 방식도 대안이 될 수 있음. 꼬리안에 고속 공기를 뒤쪽으로 불어 넣어서 일종의 제트를 만들어 테일로터를 대체하는 방식임(더불어 꼬리 측면 틈새로도 공기가 흐르게 하는데 이게 메인로터 후류와 상호작용을 해서 꼬리로터 역할을 겸함). 근데 이거 결과적으로 고속 제트가 틈새로 빠져나오는거라 멀리서 들으면 테일로터가 만드는 타타타타하는 소음은 없지만, 가까이서 들으면 불쾌한 고주파 소음이 발생하는 문제가 있다고 함. 더불어 이것도 효율이 별로라서 대형 헬기에는 못써먹음.



AH-64 아파치는 테일로터가 등각도 90도 간격이 아니라 한쪽으로 쏠린 형태인데, 이경우 되려 가까이 있는 테일로터가 앞의 로터 후류를 빗겨나가는 상황이 만들어져서 소음 저감에 효과가 있다고 함. 근데 아무 헬기나 다 쓰진 않는걸 보면 이것도 결국 케바케인 듯.



한편 헬기 안에 탑승한 사람 입장에서는 기어박스와 엔진등이 만드는 소음도 상당하다고 함. 특히 이런 소음은 대부분 고주파 소음이라서 사람귀에 더 거슬린다고. 이건 뭐 소음=진동이므로 진동을 잡아서 해결하는게 일차적인 방법이고 그 외에도 흡음재등을 쓰는 방법등도 있지만 결과적으로 귀마개가 제일 답인 듯.



한줄 요약.


공돌이를 시끄럽게 닦아 세우면 헬기가 조용해진다.