프로펠러
[image]
propeller.
1. 기계부품
1.1. 설명
프로펠러는 엔진의 회전력을 추진력으로 바꾸는 장치로서 주로 항공기에서 사용된다[1]. 선박용 프로펠러는 스크류 프로펠러, 즉 꼬인 추진기라고 하며 대한민국에서는 통칭 줄여서 스크류라고 한다.
공기와 물의 성질이 다르고, 항공기와 선박 간의 속도 차이가 매우 크기 때문에 항공기용 프로펠러와 선박용 프로펠러의 형상은 상당히 다르다 스크류 프로펠러는 선풍기 날개랑 비슷하게 생겼다.
이하 항공기용 프로펠러에 대한 내용.
사실 프로펠러는 양력을 만드는 날개의 일종이라고 할 수도 있다. 다만 그 양력방향이 항공기의 위쪽 방향이 아니라 앞쪽 방향인 셈. 물론 위쪽 방향인 것들도 있다. 대표적으로 헬리콥터. 단 이 경우에는 추진용이 아니므로 프로펠러라는 표현을 잘 안쓰며, 회전익(Rotary wing), 혹은 로터(Rotor)라고 부른다. 뭐 생긴거나 힘을 얻는 원리는 그게 그거지만.
프로펠러가 회전하면 각각의 깃(blade)은 날개역할을 한다. 항공기는 앞으로 전진할때 발생하는 맞바람(Head wind)을 이용하여 주날개(Main wing)가 양력을 만든다면 프로펠러는 회전하면서 깃에 맞바람을 만들어주어 양력을 만든다.
이 양력을 만드는 방법에 대해 프로펠러가 만드는 뒷바람과 이것에 따른 작용-반작용을 통해 설명하는 이론(운동량 이론)과 프로펠러의 깃 하나하나를 날개로 보고 양력으로 설명하는 이론(깃 요소 이론)이 있는데 둘 다 전혀 다른 이론은 아니고 사실 같은 이론이다. 엄밀히 따지자면 양력을 만들면 필연적으로 뒷바람이 생긴다. 다만 사람이 손으로 계산하는 수준에서는 깃 하나하나를 날개로 보는 이론보다 뒷바람을 이용하는 이론이 더 손쉽고, 또 뒷바람은 상대적으로 측정하기도 쉽다보니 막 프로펠러가 실용화되던 시절부터 이 이론이 쓰였다. 현재도 그 간단함 때문에 정밀도보다는 시간을 요하는 간단한 계산에는 자주 쓰이는 편.
프로펠러의 깃은 대체로 안쪽으로 갈수록 크게 휘어져있고 바깥쪽으로 갈수록 적게 휘어져 있는데 이는 프로펠러가 회전하기 때문. 회전운동은 중심에서 멀수록 속도가 빠르다. 즉 항공기의 날개는 항공기의 속도와 거의 같은 속도로 맞바람이 생기지만 프로펠러는 회전하면서 프로펠러 안쪽과 바깥쪽의 속도가 전혀 다르기 때문에 각각의 속도에 맞춰 최적의 각도로 만들다보면 자연스럽게 프로펠러의 깃이 안쪽은 크게, 바깥쪽은 작게 휘어지게 된다. 이론상으로는 이 휘어지는 정도가 점점 작아지는 형태(비선형 형태)여야 하지만 제작상의 난이도 때문에 보통은 휘어지는 정도가 균일하다.
프로펠러의 모양과 깃의 개수는 항상 설정하기 어렵다. 길고 가늘게 만들면 프로펠러 자체의 효율이 좋아지는데 구조적으로 약해지는데다가 항공기가 땅에 있을 때 프로펠러가 땅에 닿지 않도록 해야해서 항공기의 설계가 더 까다로워질 수 있다.
깃의 개수가 늘어나면 소음도 줄어들고 추진력이 늘어나지만 깃 자체를 회전하는데 드는 힘도 더 많이 필요하고 무게도 무거워진다.
피치, 즉 프로펠러가 기울어진 각도 일정 수준 이상 크게하면 더 많은 추진력을 얻을 수 있지만 대신 더 많은 엔진힘이 필요하다.
일반적으로 왕복엔진 항공기는 엔진과 프로펠러 사이에 별 다른 변속기 없이, 엔진의 크랭크샤프트에 직접 연결된다. 그러나 대형 왕복엔진이나 제트엔진의 하나인 터보프롭이 사용될 경우에는 엔진의 회전속도가 너무 빠른 탓에 변속기어를 거쳐 연결된다.
단 변속기어를 쓴다고 해도 자동차처럼 1단, 2단 하는식으로 다단기어로 되어있지는 않다.
초기에는 나무를 깎아서 프로펠러를 만들었지만 요즘은 대부분 금속제를 사용하며 최근에는 기술의 발전에 따라 복합재 프로펠러도 늘어나는 추세이다. 라이트 형제가 최초의 비행기를 만들 때, 그들은 이미 프로펠러의 중요성을 인식했고, 바깥쪽으로 감에 따라 기울기를 달리하는 등 세심한 설계를 적용시켰다. 덕분에 그들이 만든 프로펠러는 100여년이 지난 현대의 프로펠러에 비교해 봐도 불과 5% 정도만 효율이 떨어질 뿐이다. 물론 라이트 형제 이전에 항공기용 프로펠러가 없었던 것은 아니다. 비행선이 있었으니까.
일반적으로 터보프롭이나 내연 피스톤 왕복 엔진은 출력을 마력이나 kW 등 일률로 표시하고 터보팬 등 제트엔진은 kN 등 추력으로 표시하는데 출력 일률을 추력으로 변환하려면 프로펠러의 효율을 감안해야 한다. 비행 속도나 고도/온도/기압 등 프로펠러의 변환 효율에 좌우되지만 대충 주먹구구로는 프로펠러 비행기의 경우 1 hp = 0.72 kW →2.5 lbf(thrust) = 11 Newtons 가량 이다. 대충 1 kW → 15 N, 1 kN →65 kW 라고 보면 된다.
1.2. 단점
1.2.1. 고속 비행효율 저하와 소음
프로펠러의 추진력은 거의 상당부분 중심에서 바깥쪽 방향으로 70~80% 되는 영역에서 만들어낸다. 더 바깥쪽은 마치 항공기 날개처럼 소용돌이 흐름[2]을 만들어서 속도가 빠름에도 효율이 떨어져 버린다.
항공기가 전진비행을 하면 프로펠러의 속도 + 항공기가 전진함으로서 유입되는 공기의 속도가 더해져서 도리어 프로펠러의 효율이 올라간다. 하지만 일정 속도를 넘어가버리면 프로펠러의 효율이 다시 극단적으로 떨어지는데, 고속으로 회전하는 프로펠러의 속도 + 항공기 전진속도 탓에 프로펠러의 끝 부분 속도가 음속에 가까워지기 때문. 최악의 경우 이 부분이 초음속에 도달하는데, 항공기는 아직 음속에 한참 못 미치는데도[3] 프로펠러에서 심한 충격파가 발생하여 엄청난 소음, 진동을 유발하고 프로펠러의 효율도 급격히 감소하며 프로펠러의 내구성에도 문제가 생긴다. 이 소음 수준은 엄청난 것이라 프로펠러기 중 최고속도 마하 0.8로 가장 빠른 축에 드는 Tu-95의 경우 수십 킬로미터 밖에서도 비행기 소리가 들릴 정도가 된다.
다만, 트랙터식 프로펠러 추진의 단점은 푸셔식 프로펠러 추진으로 고속에서의 프롭워시 효율을 조금 더 높힐 수 있다. 가령 프로펠러에 후퇴익을 준다든지. 다만 이 경우에는 엔진의 냉각에 문제가 발생할 수 있으므로 수랭식 엔진이 필수가 될 것이다. 물론 예외적으로 신덴처럼 푸셔식 배치이면서 공랭식 엔진을 장착하는 경우도 있었다. 이 경우엔 기체 앞쪽에 공기흡입구를 큼지막하게 달아놔서 공기를 강제로 압축 후 엔진에 보내는 방식으로 되어 있었지만.
보통 프로펠러 항공기는 마하 0.5~0.6 정도까지가 가장 효율적이며 그 이상으로 넘어가면 제트엔진류에 비하여 효율이 떨어진다. 서구의 가장 빠른 프롭 민항기는 SAAB 2000으로, 순항속도는 685km/h.
1.2.2. 토크현상
프로펠러라는 엄청난 쇳덩이가 고속으로 회전하다보니 항공기에는 그 반작용이 걸려서 반대방향으로 돌아가려는 힘이 생긴다.[4]
그래서 프로펠러를 사용하는 항공기는 필연적으로 비행중에 계속 한쪽으로 기체가 기울어지는 힘이 발생한다. 특히 A-1이 심했는데, 거의 조종간을 반대쪽으로 돌려야 했을 정도라고 한다. 쌍발 항공기라면 양쪽의 프로펠러를 반대방향으로 돌림으로서 서로 상쇄시킬 수 있긴 하다.
그러나 이렇게 하기 위해선 하나의 엔진과 기어박스 등이 좌우 대칭으로된 엔진 하나가 따로 더 필요하게 된다. 단순히 따로 하나 더 만들면되겠거니 생각할 수도 있지만, 이게 보통 문제가 아닌 것이, 부속이나 특히 엔진 자체도 소모품의 일종이기 때문에 생산이나 유지 관리 에선 전혀 다른 하나의 엔진을 따로 관리하는 것과 유사한 수준의 비용이 들기 때문이다. 거기다 기존의 엔진을 다른 기종이나 위치장착해서 전용할 가능성도 상당히 제한된다.
실례로 2차대전 당시 엔진 제조사들이 이를 위해 반대로 회전하는 엔진을 제작할 경우 제조명을 따로 붙여 구분했었다. 이에, 과거부터 지금까지 거의 대부분의 쌍발 혹은 그 이상의 다발 항공기들은 그냥 한쪽으로만 돌아가는 엔진을 일괄 장착한 경우가 많고 좌우대칭으로 회전하는 경우를 찾아보기가 다소 힘든데, 그나마 P-38이 이와 같은 엔진축 배치를 채용한 항공기들 중 가장 이름이 나 있는 편.. 위에 언급한 동축반전 방식도 이 때문에 앞뒤의 프로펠러가 서로 반대로 돌아간다. 아니면 이것처럼 같은 방향의 엔진 중 하나를 뒤로 돌리던가.
이것을 상쇄하기 위해 여러가지 방법이 나오는데, 이를테면 어떤 항공기는 아예 수직꼬리날개를 항공기가 쏠리는 방향에 맞춰서 약간 비틀어 장착하기도 하고[5], 수직꼬리날개의 가동부(방향타) 뒤쪽 끝부분에 작은 가동부 날개를 만들어[6] 살짝 옆으로 틀어서 회전을 상쇄하며 속도에 따라 조절할 수 있는 경우도 있다.[7]
또 어떤 항공기는 일부러 좌우 날개중 한쪽을 일부러 더 짧게 만들어 자동으로 기체가 한쪽으로 기울어지게 만들어서 프로펠러에 의한 반동을 상쇄시키게 설계하기도 한다.[8] 또 아니면 엔진 자체를 약간 한쪽 방향으로 기울여서 설치하기도 한다[11].
1.3. 프로펠러의 종류
1.3.1. 가변 피치 프로펠러
프로펠러의 깃 각도(피치)는 프로펠러가 느끼는 맞바람 속도에 따라 최적의 속도가 다르다. 그런데 프로펠러 자체는 일정 RPM으로 돈다고 해도 항공기의 비행속도가 바뀌면 결국 프로펠러가 느끼는 맞바람의 속도(속력 + 방향)이 바뀌므로 이 각도를 달리해줘야 한다. 저속이라면 상대적으로 더 큰 각도로, 고속이라면 상대적으로 더 작은 각도로 유지해야 하는 것이 일반적.
초창기의 프로펠러는 이런거 무시하고 그냥 깃 각도가 고정되었으나 이후 조종사가 임의로 조작가능한 가변피치 프로펠러가 등장하였다.
한편 자동차도 마찬가지지만 항공기의 엔진도 최적 RPM이 있다. RPM이 너무 낮으면 제대로 속도를 내기 어렵고, RPM이 너무 높으면 연비가 나쁠 뿐더러 과열의 위험이 있기 때문. 그래서 가변피치 개념이 발전되어 정속프로펠러라는 것이 나온다. 즉 조종사가 쓰로틀을 밀어서 엔진출력을 높여도 엔진의 RPM은 거의 변화없이 일정하게 도는 대신, 프로펠러 깃의 각도가 더 커져서 결과적으로 더 큰 힘을 내는 것이다. 어찌보면 악셀을 밟아도 RPM은 일정값을 유지하도록 기어단을 바꾸는 자동차의 다단 기어개념하고 유사하다.
과거에는 쓰로틀을 움직이고 엔진 피치각도 바꾸고 등등 조종사가 정신 없었지만 현재는 쓰로틀 레버를 조작하면 알아서 엔진으로 가는 연료유입량, 프로펠러 피치각등이 제어되도록 설계되고 있다. 이걸 최초로 적용한 기종이 Fw 190.
한편 이런 가변 피치 프로펠러 중에는 프로펠러 날개를 진행 방향에 평행하게 아예 90° 기울여 세울 수 있는 것도 있다. 이는 불가피한 이유로 비행 중에 엔진이 멈췄을 때 프로펠러가 일종의 풍차처럼 제멋대로 돌아가서 불필요한 소음, 진동, 공기저항을 만드는 것을 막기 위해서다. 이를 흔히 페더링이라고 하며 이 페더링 기능이 있는 항공기들은 보통 지상에 정지상태일 때는 이 각도를 유지하다가 엔진을 켜기 시작하면 추진력을 낼 수 있는 각도로 움직인다.
[image]
출처 : 위키피디어
.몇몇 비행기에서는 프로펠러의 피치를 반대로 할 수도 있다. 이 경우 추진력이 반대(역추진)로 된다. 보통 제트 엔진의 리버스처럼 착륙시 속도를 줄이는데 보조적 역할로 쓰인다. 간혹 후진을 하는데도 사용되지만, 공항에서는 시설물 파손 위험 때문에 쓰지 않는다.
1.3.2. 이중반전 프로펠러
특이한 프로펠러로는 이중반전식 프로펠러(contra-rotating propellers)가 있는데, 하나의 축에 서로 반대로 돌아가는 2개의 프로펠러를 끼운 형태다. 엔진 출력은 이미 충분한데 공간상의 제약등으로 프로펠러의 깃 개수나 크기를 더 못늘릴 때 유용하다. 특히 Tu-95는 이중반전식 프로펠러를 사용하는 대신 프로펠러의 RPM을 낮춰서 고속에서도 프로펠러가 느끼는 맞바람 속도를 낮춘덕에 마하 0.8 정도의 비행도 가능하다. 두 프로펠러는 서로 반대방향으로 돌아가도록 되어있는데, 이는 밑에 설명하겠지만 프로펠러의 반동으로 인해 항공기가 한쪽으로 쏠리는 현상을 막기 위해서다.
덕분에 이중반전식 프로펠러는 6~16% 정도 효율이 더 좋은 반면, 시끄럽고 정비요소가 많아진다는 것이 단점이다. 진동문제를 잡기 어려운지 2차대전 중 몇 몇 항공기들이 이 이중반전식 프로펠러를 시도하다가 진동 문제로 운용에 난항을 겪거나 포기한 사례가 좀 있다.[12]
2차세계대전 중에는 프로펠러 토크 문제를 해결하기 위해 두개의 엔진을 서로 반대방향으로 구동시키는 방법도 사용되었다. 대표적인게 바로 P-38 라이트닝.
다만 이렇게되면 프로펠러 토크 자체는 상쇄시킬 수 있지만 쌍발기 특성상 고속에서의 비행효율이 단발엔진 항공기보다 훨씬 떨어지며 서로 반대방향으로 구동하는 엔진의 설계를 따로 담당해야 하는 번거로운 문제가 발생한다. 이 때문에 그냥 엔진두개를 모두 같은방향으로 구동시키는 Bf 110의 경우가 일반적이었다.
[image]
러시아 폭격기 Tu-95 의 이중반전식 프로펠러.
1.3.3. 시미터 블레이드 프로펠러
[image]
에어버스 A400M의 프로펠러
프로펠러 블레이드의 형상이 시미터 처럼 생긴 것으로, 고속회전에서도 효율을 잃지 않기 위해서 고안된 형상이다. 이로 인해 고속비행시의 연비 향상과 소음 감소의 효과를 거두었다. 고속에서 특성이 좋은 후퇴익을 적용한 것으로 볼 수 있다.
1.4. 프로펠러의 설치 위치
프로펠러를 항공기의 앞에 다는가 뒤에 다는가도 중요한 문제. 앞에다 달면 프로펠러의 후류가 만드는 강한 바람덕에 수평, 수직꼬리날개에는 더 빠른 맞바람이 부는 효과가 생겨서 전반적으로 이 꼬리날개들의 효율이 올라간다. 또한 항공기가 이, 착륙을 위해 기수를 들어도 프로펠러가 땅에 닿을 염려가 없다.
프로펠러를 뒤에 달면 항공기 앞쪽을 뾰족하게 만들 수 있으므로 기수를 좀 더 유선형에 가깝게 만들 수 있어 전체적인 공기저항을 줄일 수 있다. 또한 전투기의 경우 기관포등의 무장을 기수부분에 집중하여 달아서 똑같은 숫자의 무장을 달아도 무장의 집중효과가 더 늘어난다. 대신 프로펠러가 뒤쪽에 있다보니 항공기가 이륙을 위해 기수를 들면 프로펠러가 더 아래로 내려가므로 땅에 닿을 염려가 있어서 결과적으로 랜딩 기어를 더 길게 설계해야 한다. 또한 전투기들의 경우 비상탈출시 프로펠러에 조종사가 말려들어 끔살 당할 수도 있다. [13]
현재까지 대세는 프로펠러가 앞쪽에 달린 형태다. 프로펠러를 뒤쪽에 단 항공기가 없는 것은 아니지만, 아무래도 이쪽이 이전부터 만들기 더 쉬웠기 때문.
엔진 배치상의 문제로 아예 항공기 앞 뒤로 모두 프로펠러가 달린 경우도 있다. 이를 테면 Do335나 O-2 같은 기종들.
다만 Do 335의 경우 프로펠러가 앞뒤로 달리는만큼 앞쪽의 프로펠러의 회전에 의한 와류로 후방쪽의 프로펠러 추진효율이 조금 떨어진다는 단점이 존재한다. 이 때문에 양산형 중에서는 앞 뒤 프로펠러의 위치가 조금 조정되는 등의 조치가 이루어졌을것으로 보인다.
일반적으로 프로펠러의 끝 부분에는 노란색 칠이 칠해져있거나, 혹은 중심부에 나선형으로 뱅글뱅글 돌아가는 그림이 칠해져있는데 이것은 프로펠러가 회전중임을 알 수 있게 해주는 표식이다. 프로펠러가 회전하면 보통 RPM이 2000 전후가 넘기 때문에 사람 눈에는 보이지를 않는다. 또 보여서도 곤란한 것이, 대부분의 프로펠러는 조종사 앞쪽에 설치되기 때문에 조종사의 시야를 가리면 안된다. 이러다보니 지상에서 근무하던 이들이 프로펠러의 위치를 제대로 못보고 부딪혀서 끔살당하는 사고가 종종 있어서 이런 장치를 해둔 것. 이는 터보팬 제트 엔진도 마찬가지로 공항에 세워져있는 비행기 엔진을 보면 높은 확률로 나선형 무늬를 볼 수 있다.
1.5. 기타
왜인지 여러가지 문화 매체들중에서 낡은 도시 건물이나 폐허등을 묘사할때는 조용한 건물잔해에 담담히 돌아가는 프로펠러가 보이는 연출이 많다. 아마 인류 산업 문명에서 꽤나 자주 볼 수 있는 물건이라 그런듯. 하여튼 뭔가 폐허속에서 특유의 분위기를 준다.
1.5.1. 프로펠러를 사용하는 캐릭터
프로펠러는 아니지만 프로펠러 비스무리한게 있으며 위치와 용도가 자이로맨와 흡사하다.
[1] 프로펠러는 문자 그대로 해석하면 추진기이다. 다만 항공용 프로펠러가 널리 알려지면서 프로펠러라고 하면 관용적으로 항공용 프로펠러라고 인식되는 경향이 강하다.[2] 끝단 와류, tip vortex[3] 프로펠러 끝단이 초음속이 된 것은 프로펠러 자체의 속도가 더해진 것임을 생각하자.[4] 토크 현상[5] 대표적인 예가 Bf109[6] 승강타 피치 주는것처럼[7] 대표적으로 슈퍼마린 스핏파이어.[8] 이탈리아 마키(Macchi)사의 C. 20x 시리즈가 대표적이다.[9] 에일러론으로 조종하는 방향[10] 러더로 조종하는 방향[11] 엄밀히 말하면 엔진을 살짝 옆으로 설치하는 사이드 트러스트는 엔진과 프롭의 반토크를 직접적으로 상쇄하는 것은 아니다. 반토크는 롤 방향[9]으로 작용하는데, 엔진을 기울여 봐야 요 방향[10]으로 기체를 트는 것이기 때문이다. 엔진의 반토크를 억제하기 위해서는 롤 방향의 힘이 필요하고, 이는 좌우 주익의 양력을 다르게 하는 것으로 해결할 수 있다. 위에서 나온 대로 날개의 크기를 다르게 하거나, 받음각을 다르게 하거나. 다만 어떤 방식이든 양력을 증가시키려면 항력도 증가하므로, 양 주익의 항력이 서로 달라 요 방향으로 회전하게 된다. 이 항력에 의한 요 방향의 회전을 억제하기 위해 사이드 트러스트를 주거나 수직미익을 삐딱하게 설치하는 것이다.[12] 슈퍼마린 시파이어 FR 46, XP-75, XB-35 등[13] 이때문에 이 방식의 전투기들은 조종사가 비상탈출하기 직전에 프로펠러를 분리해버릴 수 있는 장치가 되어있거나, 비상탈출 좌석이 설치되어있거나 한다.