CarterCopter, 헬기 속도 한계를 넘는다.

CarterCopter 항공기는 Carter Aviation Technologies 사에서 제작한 Compound Autogyro 개념을 실험하기 위한 실험기로 제작되었다.
 CarterCopter는 기본적으로 자이로콥터 개념이 적용되었는데, 이전의 자이로콥터와 다른 개념은 회전 로터를 기존의 로터보다 강하고 무겁게 제작하였고, 고정식 날개가 부착되었다. 무거운 로터를 이용하여 살짝 수직 상승한 후, 고정익 날개와 프로펠러를 이용하여 고속의 수평비행(Cruise)을 하고, 로터를 이용 다시 수직으로 착륙 할 수 있게 하였다. 기존 자이로 콥터에서 실현 할 수 없었던 가장 큰 발전은 바로 회전익의 속도 한계를 넘어서는 고속 비행이다.

회전익의 특징 중 하나는 속도 한계이다. Rotor가 Windmill 상태로 비행 중 Rotor Tip 회전 속도가 항공기와 같을 경우, 항공기를 중심으로 로터가 뒤쪽으로 회전하는 쪽은 양력이 '0'상태이며 반대의 전진 방향쪽은 비행체 전진 속도의 두 배가 된다. 
 

 위 그림에서 좌측은 호버링(전진 속도가 없는 제자리 비행)상태이다. 예를 들어 로터의 회전속도가 100km/h라면 모든 부분에서 로터의 회전속도는 동일하고, 로터 회전면 전체에서 균등한 양력이 발생한다. 하지만 헬리콥터가 100km/h로 전진하게되면 전진하는 로터쪽(그림의 우측면)의 속도는 전진속도와 회전속도가 합쳐져서 200km/h가 되지만, 그 반대쪽은 속도가 ‘0’이 된다. 헬기의 전진속도와 로터 회전 속도 비를 공학적으로 μ(뮤)라하며 헬기속도와 로터 회전속도가 같아지는 시점을 μ=1이라한다(μ=기체속도/블레이드 끝단 회전속도). 그래서 이 카터콥터 기체이름이 Mu one 이라 붙여졌다. 호버링에서 전진을 계속할수록 로터가 전진하는 우측은 점점 속도가 증가하여 양력이 증가하는 반면, 좌측은 속도가 감소하면서 양력이 줄어들게 되며, μ=1이 되면 헬기의 좌측로터 회전면에는 양력이 거의 발생하지 않게 된다. 이는 곳 한쪽 날개만 가지고 비행한다는 의미인데, 헬기는 양력 불균형으로 뒤집혀버리게 된다. 바로 이것이 회전익의 속도 한계점이다. μ(뮤)값이 ‘0’이 되기 전까지는 로터 블레이드의 받음각을 변화시키고(사이클릭 피치 콘트롤), 플래핑(Rotor blade가 관절을 통해 움직이게 함)을 통해 양쪽의 균형을 맞출 수 있지만 속도가 ‘0’이 되는 시점에서는 어떠한 방법도 양력 균형을 맞출 수 없다.

 그래서 자이로콥터는 로터 회전 속도보다 항상 낮은 속도로 비행할 수 밖에 없다. 이 현상은 헬기에서도 마찬가지로 적용된다. 헬기는 로터에 엔진 동력을 직접 전달하므로 속도 증가를 위해 로터의 회전 속도를 높일 수 있지만 그렇게 되면 로터 회전 속도가 가장 빠른 부분에서 음속돌파 현상이 발생하고, 블레이드 효율이 급격하게 떨어져 속도 증가의 벽에 부딪힌다.
CarterCopter는 이 부분을 고정익 장착으로 극복하였다. 
 

<Cartercopter는 2010년 10월 첫 비행을 하였다.>

CarterCopter는 이륙단계에서 조종사는 메인로터의 Blade Pitch를 '0'으로 하고 고속 회전을 시킨다. 즉 양력이 발생하지 않는 상태로 로터에 강한 관성을 가하는 것이다. 로터의 끝부분에는 무게를 충분하게 실어 관성력(Momentum)을 높였다. 회전력이 충분하면 엔진의 파워를 동체 후방의 Cruise 용 Propeller로 연결하고, 동시에 회전중인 로터 블레이드 Pitch 각을 높인다. 그러면 로터에 양력이 발생하여 동체를 공중에 띄움과 동시에 동체는 프로펠러의 힘으로 앞으로 추진한다. 엄밀하게 보면 수직 이륙은 아니나 조종사의 의도에 따라 수직 이륙도 사실상 가능하다.

<2011년 1월에 있는 시험비행중 Taxing사진>

하지만 CarterCopter식의 이륙은 지상에서 곧바로 수평비행모드로 들어 갈 수 있어서 과거 대부분의 수직 이착륙기에서 보아왔던 천이비행시의 추력 분배 어려움이나 호버링중의 조종 어려움 등은 없으며, 호버링중 자세 제어를 위한 Control Surface 구조물도 필요 없게 되었다. 일단 기체가 공중에 떠오르면 조종사는 엔진 동력을 후방 추진용 프로펠러에 최대한의 추력을 공급하여 속도를 증가시킨다. 가속되기 전 저속에서는 관성력으로 회전하는 로터가 양력 대부분을 담당한다. 메인로터 관성력이 점점 떨어지는 동안 항공기는 점점 가속되어 고정익에서 차지하는 양력이 점점 증가하면서 140 km/h를 증가하게 되면 고정익이 대부분의 양력을 담당하게 되며 메인로터는 그저 바람개비(Windmill) 수준이 된다. 이때 조종사는 메인 로터 Pitch각을 '0'으로 하여 양력을 ‘0’으로 하여 양력 불균형을 무의미하게 한다.

CarterCopter의 이론적 최고속도는 800 km/h이다. 통상 헬기의 두배 이상 속도에 해당한다. 참고로 UH-60의 최대속도는 약 300 Km/H이다. 하지만 현재 이 CarterCopter 실험기에서 2010년 12월 첫 비행에서 달성한 최고속도는 270 km/h로 아직 군용헬기의 속도에는 못 미치고 있는 실정이다. 하지만 동급의 중량 헬기에서 CarterCopter의 속도를 달성하기 위해서는 두 배의 엔진 출력과 연료가 소모된다는 점에서 이미 절반의 성공을 평가하고 있다. 

<7인승 컴파운드 헬기 구상도>

Carter Aviation Technologies는 Cartercopter 성공여부에 관계없이, 제트엔진으로 동력을 공급하는 Compound Autogyro 개념의 2인승 소형에서 부터 100인승 대형기 까지 여러 형태의 항공기를 구상중이다.

제 원
총탑승인원: 5
날개폭: 9.75m
높이 : 3.40m
길이 : 6.81m
순중량: 1134kg
최대이륙중량 : 1905kg(수직이륙)
엔진: 600 마력, V6 NASCAR 왕복엔진
로터 : 13.26m
프로펠러 : 2.44m
순항속도 : 270Km/H(목표속도 : 800km/h)
순항고도: 3,000 m
항속거리 : 3,860km

사진모음

<이륙전 Taxing>

<2011년 1월 17일 시험비행중 막 이륙하는 모습>