헬리콥터 및 자이로플레인의 개발 역사 (2)

20여 년 만에 헬리콥터 연구 및 개발자로 다시 돌아온 루이 브르귀는 르네 도랑과 함께 자이로플레인이라 불리는 브르귀-도랑 헬리콥터의 개발에 성공했습니다. 이들이 개발한 자이로플레인은 1935년 6월경 최초 비행에 성공했습니다. 그 후 12월에는 시속 107.83km를 달성하며 세계 기록을 세웠고, 1936년 9월에 고도 155m까지 올라갔으며, 11월에는 44km 거리의 선회 비행을 달성했습니다. 한 개의 로터는 총 네 개의 블레이드로 구성되어 있으며, 자이로플레인은 이러한 로터 두 개를 같은 축에 겹쳐지게 장착하여 서로 반대 방향으로 회전하도록 설계되어 있습니다. 브르귀는 두 개의 수직 축 상단에 위치한 범용 조인트를 사용하여 로터 블레이드를 중앙 허브에 부착하는 설계 방법을 고안해냈는데, 이는 그 당시 기준 굉장히 획기적인 아이디어였습니다. 오늘날 관절형 로터 블레이드로 알려진 해당 설계 방식은 항공기의 안정성을 비롯해 주기적인 피치 제어 수단을 제공합니다.

 

독일 하인리히 포케 교수가 진행했던 헬리콥터 개발 작업과 브르귀의 헬리콥터 개발 작업은 거의 동시대에 진행되고 있었습니다. 수많은 사전 조사와 예비 연구를 기반으로 하여 설계를 진행한 후 만들어진 포커의 헬리콥터는 모든 세계 기록을 깨고 헬리콥터의 세계를 발전시켜, 해당 분야를 더 높은 다음 단계로 이끄는 계기가 되었습니다. 포케-아겔리스 Fa-61은 1936년 6월에 첫 번째 비행을 진행하였습니다. 이는 브르귀 도랑이 개발한 자이로플레인의 첫 비행이 진행된 날로부터 정확히 1년 후였습니다. 포케 교수에 의해 개발된 포케-아겔리스 Fa-61은 여러 차례에 걸친 개선과 개량을 통해 1937년 세계 최초의 자유낙하 비행을 통한 착륙을 성공시켰습니다. 당시 속도는 시속 124km였으며, 고도는 2,400m, 그리고 비행이 유지된 항속시간은 대략 1시간 20분 정도였으며, 선회 장주 비행 거리는 총 80km가량 되었습니다. 그 후 1938년 2월, 조종사 한나 리아취가 스포츠 경기장에서 수직 이륙, 제자리 및 측면 비행 등을 포케-아겔리스 Fa-61 헬리콥터를 이용해 시현하였습니다. 포케가 제작한 헬리콥터의 동체 양옆의 날개 끝부분에는 로터가 하나씩 달려있으며, 각 로터는 세 개의 관절형 블레이드로 구성되어 있습니다. 이와 같은 설계 및 디자인은 토크를 상쇄시킬 수 있는 실용적인 방법이며, 특히 로터 두 개가 위아래로 겹쳐 놓여 있을 경우에는 발생하는 진동 또한 대폭 감소시켜 불편을 해소시킬 수 있습니다.

 

스페인의 후앙 드 라 시에르바는 1920년대부터 1930년대까지 헬리콥터 개발에 기여했습니다. 시에르바는 전방 추진 프로펠러가 장착된 항공기에서 고정 날개를 제거하였고, 그 후 자유롭게 회전할 수 있는 회전 날개를 설치해 비행하는 것에 성공했습니다. 그는 이러한 형태의 항공기에 오토자이로라는 이름을 붙여주었고, 이 시점 이후부터는 이러한 유형의 항공기는 오토자이로 또는 자이로콥터라고 불리게 되었습니다. 동력이 가해지지 않은 상태의 로터에서 양력이 발생되는 원리는 자동 회전으로, 헬리콥터의 동력장치가 고장 났을 때 이와 같은 자동 회전을 통해 비상시에도 보다 안전하게 착륙할 수 있게 되었습니다. 다만, 오토자이로의 경우 로터가 직접 작동되는 방식은 아니기 때문에 이를 헬리콥터를 칭하기는 어렵지만, 비교적 작은 전진 속도만으로도 양력을 발생시킬 수 있다는 점, 그리고 회전날개의 기본 원리를 개발하고 발전시킨 것이라는 점은 주목할 필요가 있었습니다. 헬리콥터의 개발과 더불어 오토자이로 또한 자체적인 발전을 거듭해 왔습니다. 그 결과 오토자이로는 현재 스포츠와 더불어 헬리콥터 조종사의 기본 훈련 등에도 사용되고 있습니다. 이러한 지속적인 발전을 통해 1930년대 후반에는 추력, 안정성, 기동성, 그리고 토크 등의 다양한 단점들을 상당 부분 극복하였고, 이고르 시골스키와 아서 영 등의 수많은 학자들은 현대 헬리콥터를 완성할 수 있도록 기반을 마련하고 기초를 다졌습니다.

 

헬리콥터의 실용화는 1941년 미국의 시콜스키가 단일 로터에서 토크 오프셋과 제어를 실현하기 위해 테일 로터가 장착된 VS-300 헬리콥터를 소개 및 도입하면서 시작되었습니다. 시콜스키가 제작한 첫 번째 헬리콥터는 세 개의 꼬리로터로 구성되었습니다. 총 세 개의 꼬리로터 중 두 개는 회전면을 수평으로 두고, 하나는 수직으로 세워 배치했고, 이는 세로 면에서의 자세와 방향 제어를 위해 각각 사용되었습니다. 그 후, 수평 꼬리로터 대신 메인 로터의 회전면이 기울어지며 제어하는 방법을 채택하였고, 토크 오프셋 및 방향 제어를 위해서는 수직으로 설치된 단일 꼬리로터를 사용하였습니다. 이러한 형태의 발전을 통해 현재 널리 사용되는 단일로터 헬리콥터의 형태가 완성되게 됩니다. VS-300은 군용 헬리콥터 R-4로 개량되어 개발되었습니다. 이 R-4라는 군용 헬리콥터는 2차 세계대전 당시 미국 육군과 해군에 수백 대가 공급되었고, 이것을 계기로 헬리콥터 상업화의 물꼬를 트게 되었습니다.

 

헬리콥터의 주요 동력 장치로서 가스터빈 엔진을 사용하게 된 것은 제2차 세계대전 이후 진행된 헬리콥터 발달사 중 가장 획기적인 것이었습니다. 기존 헬리콥터에서 왕복기관이 차지하는 중량 비율은 대략 12~23%로 상당한 무게를 차지하였습니다. 하지만 이를 가스터빈 엔진으로 바꾸면서 헬리콥터 전체 중량에서 엔진이 차지하는 비중을 3~8% 정도로 현저히 경량화시키는 것에 성공했습니다. 다만, 마력당 연비가 개발 초기에는 가스터빈 엔진이 왕복기관엔진 대비 약 3배 정도 되는 수준이었으나, 연구와 개발이 지속됨에 따라 지금은 거의 같은 수준까지 줄어들었습니다. 그 당시 헬리콥터에 가스터빈 엔진이 최초로 사용된 것은 1951년 캐먼사에 의해 제작되었던 K-225였습니다.

 

현재 상용화되어 사용 중인 거의 모든 헬리콥터는 터보 축 엔진을 기반으로 만들어져 있습니다. 그리고 이 헬리콥터들의 이용 범위 또한 굉장히 넓은데, 군용으로는 관측과 통신은 물론이고, 병력과 군수물자 등의 대규모 수송 등 높은 기동성이 요구되는 영역까지도 확장되어 이용되고 있습니다. 특히 기존 육군의 경우 부대 이동시 주로 차량을 이용하고는 했지만, 이제는 그들의 작전개념이 헬리콥터를 좀 더 활용하는 개념의 방안으로 변하게 되어 특정 용도에 적합한 신규 형태의 기동 헬리콥터가 개발 및 운용되어 여러 국가에서 널리 사용되고 있습니다. 그 외 일반적인 민간용으로는 접근이 어려운 지역에서 발생한 사고의 인명구조나 산불 진화, 넓은 농지의 농약 살포, 그리고 다양한 관광활동 등 다양하게 널리 이용되고 있습니다.