사이언스타임즈는 항공우주연구원과 공동으로 일반인들에게 우주항공기술에 대한 상식과 정보를 제공하기 위해 '우주항공기술 이것이 궁금하다'라는 기획시리즈를 연재합니다. 지난 4회에 걸쳐 연재한 우주기술편에 이어 항공기술편을 연재합니다 <편집자주>.

비행기, 헬기와 같은 항공기는 물론 심지어 선박에 추진력을 부여하는 장치로 알고 있는 프로펠러. 과연 프로펠러가 어떻게 항공기를 날 수 있도록 만드는 지 그 원리를 알아보자.

프랑스의 알폰스 페노는 1871년에 고무줄로 프로펠러를 돌려서 생긴 추진력으로 비행하는 장난감 비행기 프라노포(Planophore)를 개발했다. 최초의 고유 안정성을 가진 길이 50cm의 작은 모형비행기로서 11초 동안에 40m를 비행했으며 근대 비행기의 표본이 되었다. 또한 1903년 라이트 형제의 최초의 동력 비행에 역시 이 프로펠러가 사용됐다.

이처럼 초기 항공 발전에 지대한 영향을 끼친 프로펠러에 대해 알아보도록 하자. 프로펠러의 원리를 이해하기 위해서는 추력과 양력에 대해 먼저 이해하여야 한다. 추력은 프로펠러의 회전이나 가스의 분사에 의해서 얻어지는, 항공기를 밀거나 당기는 추진력과 같은 말이다. 반면에 양력은 중력에 반대방향으로 작용하는 힘으로서 항공기를 뜨게 해주는 역할을 한다.

비행기의 프로펠러가 돌면, 프로펠러의 블레이드(blade : 날개)는 공기를 뒤쪽으로 밀어낸다. 프로펠러의 블레이드는 단면이 에어포일이며 비행기의 날개가 회전하는 것과 같은 효과를 주게 된다. 비행기의 날개는 양력을 발생시키는데 반해 블레이드는 추력을 발생시킨다.

프로펠러는 블레이드의 수에 따라 종류를 나눈다. 2장의 블레이드(2엽)를 가진 프로펠러에서부터 6장의 블레이드(6엽)를 가진 프로펠러까지 있는데, 최신의 항공기에는 6장의 블레이드를 이용해 천천히, 조용히 회전시키며 충분한 추력을 얻어내고 있다. 하지만 블레이드 수가 많아질수록 효율이 떨어지므로 용도에 맞게 사용해야한다. 최근에 프로펠러가 많이 사용되는 초경량 비행기에는 2~3엽 프로펠러가 사용된다.

비행기마다 프로펠러가 사용되는 위치도 다르다. 날개의 앞쪽에 있어서 비행기를 당겨주는 경우(더글라스 DC3), 날개의 뒤쪽에 있어서 비행기를 밀어주는 경우(비치 스타쉽Ⅰ), 앞과 뒤에 하나씩 부착되어 비행기를 밀어주고 당겨주는 경우(세스나 337 스카이 마스터) 등 여러 위치에 사용되지만 대부분의 비행기의 경우 동체 앞부분과 날개에 각각 부착되어 있다.

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프로펠러를 보면 이상한 점을 하나 발견할 수 있을 것이다. ‘왜 끝단이 비틀려 있을까?’ 하는 것이다. 그 이유는 프로펠러가 회전을 하게되면 블레이드의 바깥쪽이 중심축(HUB)쪽보다 더 빨리 돌게 된다. 따라서 블레이드 바깥쪽의 실속을 방지하고 추력을 고르게 발생시키기 위해서 블레이드의 모양을 비틀어 놓는다.

프로펠러와 로터의 단면을 살펴보면 둘 다 유선형임을 알 수 있다. 이 두 장치에서 추력과 양력이 발생하는 원리는 비슷하다.

로터가 회전하면서 공기의 흐름을 만든다고 가정하자. 볼록한 위쪽을 지날 때와 평평한 아래쪽을 지날 때 속도 차이가 생기게 된다. 그렇게 만들어진 공기의 속도 차이는 날개의 위쪽과 아래쪽의 압력의 차이를 가져오게 된다. 공기의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고 속도가 느려지면 압력이 낮아진다는 '베르누이의 정리'에 의해 날개 위쪽의 압력이 낮아지고, 아래쪽의 압력이 높아지게 되는 것이다. 그렇게 되면 위쪽으로 힘이 작용하게 되는데. 그것이 양력이다. 그 양력이 헬리콥터를 날 수 있게 해주는 힘이다.

@img10@ 이번엔 이 그림을 옆으로 돌려놓고 보자. 프로펠러가 돌아가면서 공기의 흐름을 만들어내고 속도 차이가 생기게 되며, 그 속도 차이는 압력의 차이를 만들어내어 '베르누이의 정리'에 의해 오른쪽에서 왼쪽으로 힘을 가하게 된다. 그것이 바로 추력이 되는 것이다. 이 힘은 항공기를 앞으로 당기게 되고 그 추력을 바탕으로 날개에서 양력이 생겨 공중으로 떠오르게 되는 것이다.

프로펠러기는 제트추진기에 비해 정지시 출발추력이 좋고, 비행 중 비행속도 및 엔진의 출력 설정이 쉽다. 또한 저속, 저고도에서의 성능이 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 현재 프로펠러기가 각광받지 못하는 이유는 비행속도가 음속에 다다르게 되면 프로펠러에 충격파가 발생해 효율이 급격하게 저하된다는 단점 때문이다. 그래서 프로펠러는 초경량 비행기, 자이로콥터와 같은 레저용으로 사용되고 있다.

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