▲ 오늘은 세계최고의 수직이착륙(VTOL)기인 헤리어기를 만나보도록 하겠다. 헤리어기는 세계최초로 실전배치된 수직이착륙기로써, 다른 항공기에서는 감히 엄두도 못낼 수직이착륙기능을 가지고 있다. 과연 어떠한 원리에 의하여 헤리어가 뜨고 내리는 것일까? 일단 헤리어에 장착된 Rolls-Royce社의 Pegasus 엔진에 대하여 알아보도록 하겠다.

 위 사진은 페가수스 엔진의 외형이다. 왼쪽 앞에 붉은색 덮게로 씌워진 부분이 일반적인 제트엔지과 동일한 공기흡입구이다. 하지만 일반적인 제트엔진은 한군데의 Nozzle을 가지는데 반해 이 엔진은 4군데의 공기출구를 가진다. 사진의 가운데 부분은 엔진의 팬을 통과한 공기가 나오는 Nozzle이다. 물론 좌우에 하나씩 있다. 사진의 우측 부분에 붉은색 보호마개가 씌워진 부분이 내부엔진을 통과한 연소된공기(Jet)가 나오는 부분이다. 이를 단면도로 보면 아래그림과 같다.

 위 단면도에서 공기흡입구는 좌측이고, 팬을 통과한 공기는 청색으로 표현되고, 엔진내 연소실을 통과하여 뜨거워진공기는 붉은색으로 표현되어있다.

 위 투시도를 보면 공기의 흐름을 좀더 쉽게 이해할 수 있다. 전방에 흡입구를 통해서 들어온 공기는 좌우측에있는 각가 4개의 출구로 나누어져 배출된다. 이 4개의 배출구가 헤리어의 자세를 안정적으로 잡아 수직이착륙을 가능하게한다.

 위 사진의 노란원 안의 물체가 엔진배출구(Nozzle)이다. 헤리어는 좌우측에 두개씩 총 4개의 노즐을 가지고 있다.

 공중에 정지상태(Hovering)로 있는 헤리어기를 아래서 촬영한 것인데, 노즐 두개가 선명하게 보인다. 수증기가 나오는 부분은 노즐이 아니다. 노즐에서는 압축된 고압의 공기가 나오므로 수증기가 나올 수가 없다.

▲ 앞의 사진을 다른 각도에서 찍은 것이다. 공기흡입구 주변의 작은 4각형 구멍이 모두 열려있는데, 수직이착륙할 때 많은 양의 공기가 필요하므로 보조 공기흡입구를 통해 공기를 최대한 빨아 들여야 한다. 호버링 중에는 비행기가 전진 하지 않으므로 엔진으로 들어오는 공기흡입량이 충분하지 않으며, 본체 날개에서 양력을 얻을 수 없어 오직 엔진힘에 의존하여 공중에 떠있기 때문에 엔진을 최대출력으로 가동시킨다.

 네 개의 노즐은 각도 조절이 가능하며, 수평 0도 에서 하방 98도 까지 작동된다. 98도 까지 필요한 이유는 항공기를 정지시키기 위해 약간의 역추력이 필요하고, 필요시 후진과 회전이 필요하기 때문이다.

▲ 이 사진은 노즐을 후방으로 향하게 하고(수평비행시) 항공기 뒤에서 전방을 보고 찍은 사진이다. 가까운 부분(좌측)이 후방 부분이고, 우측이 전방 부분이다. 좌측 노즐 안쪽으로 엔진 터빈이 보인다.

 앞의 사진을 좀더 먼 거리에서 찍은 사진이다.

 전방 노즐이 아래로 향한 상태.

 시뮬레이션을 통해 헤리어가 수직이착륙 할 때의 공기 흐름과 온도를 나타낸 것이다.

 수직착륙중에 지상에서 발생한 먼지나 수증기가 엔진으로 빨려 들어가 사고의 원인이 되기도 한다. 또한 엔진에서 나온 공기가 다시 엔진으로 빨려 들어가면 엔진의 추력이 급격하게 저하되는데, 엔진에서 배출되어 뜨거워진 공기는 밀도가 낮고 산소가 부족하여 엔진이 꺼질 수도 있다. 

 수직이착륙시 이러한 엔진의 비정상 동작은 매우 치명적이다.

 실험기로 제작된 9대중 3대가 추락한 헤리어는 수직이착륙이 얼마나 어려우며, 결함에 민감한지를 반증하고 있다.
 
 공기흡입구에서 충분한 공기를 흡입하기 위해 인테이크(Intake)를 크게 하고 보조공기흡입구를 설치하였다. 헤리어기는 단발의 항공기로 엔진 인테이크는 매우 큰 형태이다. 이는 수직이착륙시 엔진 출력을 높이기 위해 많은 공기 흡입이 필요한 비행 특성 때문이다.

 그리고 인테이크 주변에 따로 보조 공기 흡입구를 두고있다.

 사진의 보조공기 흡입구 너머로 엔진 팬이 보인다.

 이러한 커다란 공기흡입구 형태로는 초음속 비행이 불가능하다. 초음속 비행을 위해서는 동체에 딱 달라붙은 공기 흡입구와 아음속과 천음속, 초음속에 맞는 가변의 인테이크를 사용해야 한다. 하지만 헤리어는 커다란 인테이크와 4개로 분산된 노즐 때문에 After Buner를 사용할 수 없어 초음속 비행이 불가능하다.
 
 그래서 해리어기의 최대 속도는 마하 0.9뿐이다.

 수직이착륙모드는 대개 5분 이내에 완료하여야 한다. 수직이착륙모드에서 엔진은 최대출력를 유지하며, 속도가 없이 저고도에 떠있어 엔진에 차가운 공기가 들어가지 않기 때문에, 이 상태에서 5분 이상 유지하면 엔진이 과열되어 엔진부품의 수명을 단축시키거나 지나칠 경우 고장을 유발하기도 한다. 

 수직이착륙기는 또 다른 골치거리가 있는데, 조종문제이다. 헤리어는 조종이 어려워 조종사에게 있어서 많은 경력과 숙련도를 요구한다. 헤리어는 통상의 항공기처럼 수평이착륙과 실속 속도 이상에서의 비행은 통상의 비행 조종과 같다. 하지만 수직이착륙과 단거리이륙착을 할 때는 조종면(에어론, 플랩, 러더 등)의 역할이 무의미하다. 전진 속도가 없으므로 조종면으로 공기가 흐르지 않게 되고 이는 아무리 조종면을 조작해도 항공기는 움직이지 않다는 것이다. 자동차가 달리지 않는 상태에서 핸들을 돌린다고 해서 자동차가 회전하지 않는 것과 같다. 수직이착륙, 단거리이착륙시에는 오히려 전투기 조종사이지만 헬기의 항공역학을 이해하여 한다. 그래서 실질적으로 대부분의 해리어 조종사들이 헬기 경력을 보유하고 있으며, 타 기종보다 많은 기종전환 훈련(조종사가 주기종을 바꾸어 임무를 맡을 때 하는 훈련) 시간을 요구하게 된다.
 
 항공기가 호버링(헬기처럼 속도 없이 공중에 떠있는 상태) 상태에서는 플랩, 에어론, 등이 작동하여도 항공기 움직임에는 아무런 영향을 미치지 못한다. 기본적으로 공기 압력을 받아야 하는데, 전혀 공기 흐름을 받지 않기 때문이다.

 그렇다면 어떻게 항공기를 기울이거나 회전시키거나 할 것인가? 하나의 예만 보면, 엔진의 압축 공기를 날개 끝에서 품어내어 자세를 제어한다. 우주비행선이 공기가 없는 우주에서 사용하는 조종 방식이다. 위 사진은 날개 끝에 장착된 제트 분출구이다. 동체에 달려있던 4개의 메인엔진 노즐로 비행기를(정지상태에서) 수평으로 회전(Yawing) 시켜주고, 날개 끝 중앙(사진의 우측)에 달린 Ejector는 비행기를 좌우로 기울여주는(Rolling) 역할을 한다. 이러한 공기제트 분출구는 전방부분과 꼬리부분에 또 있어서 Pitch(기수 들고 낮춤)조절을 하게한다. 이렇게 되면 항공기에서 필요한 3축 제어를 모두 할 수 있는 것이다.

 호버링을 하면서 서서히 착륙중이다. 호버링중에 수평자세를 유지하는 것은 매우 중요하다.

 위 도면은 수직이착륙기 F-35에 장착된 엔진이다. 여기서도 Roll Control Duct라는 것이 별도로 설치되어 호버링 중에 비행기 자세를 바꿀 수 있게 한다.

 위 도면은 JSF 프로그램의 X-32에 사용했던 수직이착륙엔진 형태인데, 여기서도 Roll Nozzle의 사용이 필요했다.

 과연 해리어는 세계유일의 수직이착륙기인가? 러시아에서도 헤리어와 유사한 Yak-38 항공기를 제작하였지만 널리 실용화 시키지는 못했다.

 이 항공기는 엔진을 3개 사용한다. 수직 이착륙용 엔진을 별도로 전방에 장착하여야 하는데, 이 두 엔진은 일반 비행시에는 전혀 쓸모가 없어서 무게증가와 공간만 차지 할 뿐이다.

 Yak-141 항공기다. 방식은 Yak-38과 동일하다. 사진에서 보다시피, 전방동체 부분에 두 개의 엔진이 작동하는 것이 보인다.

 이상 헤리어의 수직이착륙 원리에 대하여 설명하였다.
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