VSTOL Bell XV-3

  Bell XV-3 (Bell 200)는 벨 헬리콥터 회사에서 개발된 틸트 로터-샤프트 개념을 실험하기 위한 실험기이다. Trancendental Model 1G와 동일한 방식으로 로터를 연결하는 샤프트를 기울여서 로터의 추진방향을 변환시키는 방식이다. 동체 내부에 엔진을 장착하고 축을 통해 양 날개 끝 로터로 동력을 전달하고, 로터는 축의 각도를 90도 변환시켜 수평비행과 수직비행을 가능케한다.

  1950년 미육군과 공군은 수평, 수직비행이 가능한 항공기 개발(Convertible Aircraft Program)에 대해, Tilt Rotor라는 개념용어를 공식적으로 사용하여 성능 요구사항(RFP : Request for Proposals)를 제시하였다. Bell 헬리콥터사가 자사 모델명 Model 200안을 제시하여 1951년 계약자로 선정되고, 2대의 시제기 제작을 담당하게 되었다. 애초 미 육군에서 지정한 프로그램명은 XH-33으로 헬기 프로그램으로 계획하였으나, 이내 새로운 용어인 Convertiplane이란 개념을 도입하면서 XV-3로 명명하였다.
사실 XV-3는 Tilt Rotor개념의 실험기 목적을 띄었지만 군은 Tilt Rotor로 정찰기, 관측기, 환자수송 임무 등의 군용기 요구성능에 만족 할 수 있는지 여부도 확인하고자, 총 4명이 탑승하고 100kg의 화물, 185km이상의 작전반경 요구 조건도 함께 제시하였다.

  길이 9.5 미터의 날개 양끝에 헬기형 로터를 장착하고, 로터는 수직이륙시는 수직 방향을, 수평비행시에는 전방을 향하게 하였다. 엔진은 450마력 P&W R-985 왕복엔진으로 날개 바로 후방의 동체에 장착되었다. 당시 더욱 강력한 엔진이 사실상 활용이 가능하였으나, 벨사가 비교적 낮은 P&W R-985 엔진을 사용한 이유는 엔진 신뢰성 때문이었다.

수직 이착륙기에서 엔진 고장은 곧장 추락으로 이어지므로 당시 엔지니어들은 출력보다는 신뢰성을 더 중요시하였다. 엔진의 출력은 기어박스와 구동축을 통해 로터로 전달되었다. 로터는 3개의 블레이드로 되어있고 로터 직경은 7.63m였다. 기어박스는 Model 1G와 동일한 개념으로 2단 변속개념을 적용하여 수직모드에서는 저속, 수평비행모드에서는 고속모드를 사용하였다. 양쪽 날개 모두 같은 각도로 Prop과 Shaft를 조절하기 위해 전기식 모터가 양 날개 끝에 장착되었다. 수직모드에서 수평모드까지 작동범위는 90도였고 작동시간은 약 10초에서 15초였다.
1951년 NASA(당시 NACA)의 대형 풍동시설에서 실험이 시작되었다. 호버링에 필요한 회전속도의 반이 수평비행에 가장 적합한 로터 회전수라는 것이 확인되었고, 안정성, 비행성, 요구성능 만족도 등은 양호하게 판정되었다.

 첫 시제기 XV-3 는 1955년 2월 10일 출고하여 당해 년 8월까지 load test, control system, 진동, 기체구조 등의 지상 시험을 거친 후, 높은 스탠드에 묶은 상태에서 천이비행 시험까지 완료하여 비행에 문제없음이 결정되었다. 1955년 8월 11일에 첫 호버링 비행을 하였다.(사진 2) 하지만 실제 비행에서는 풍동에서나, 지상 시험에서 나타나지 않았던 날개와 로터, 축의 진동 불안정성 문제로 기체가 손상되었다. 진동문제 해결을 위해 많은 구조물이 더 강화되었으나 한편으로는 300kg정도의 무게 증가라는 결과를 가져왔다. 날개의 25%후방부분은 수직 이륙시 로터의 공기저항을 줄이기 위해 아래로 꺾여지도록 개조하여 전체 무게 증가에 대한 보상역할을 하였다. 1954년 3월 24일 비행이 재개되었다. 매 비행시마다 호버링 중 서서히 Rotor의 각도를 숙여가기 시작하여. 7월 25일에는 70도까지 숙였고, 이때 속도는 150km/h를 기록하였다. 하지만 로터의 심한 진동으로 더 이상 실험은 중단되었다.

 

 
  
  1956년 10월 25일 기체 일부가 개조된 후 비행을 재개하였으나 로터가 수직상태에서 수평으로 전환하는 과정에서 기체의 극심한 진동이 발생하여 조종사가 사출하고 기체는 대파되었다. 벨사의 사고 조사팀은 로터 시스템 자체의 설계 문제로 파악했고, 그 보완방법으로 시제 2호기는 기존의 3 Blade Rotor에서 2 Blade Rotor로 바꾸고 NASA에서 지상 풍동실험을 통해 효과여부를 충분하게 검증을 하였다. Bell사는 엔진교체를 주장하였으나 공군은 신뢰성 문제로 낮은 추력의 엔진을 그대로 사용하였다.

 1958년 1월 21일 시험비행이 시작되었으나 Rotor의 진동문제가 다시 발생하여 비행이 중단되고 추가적인 풍동시험과 개조가 반복되었다. 심지어는 당시 처음 도입된 컴퓨터 시뮬레이션까지 동원하였다. 1958년 12월 다시 비행이 재개되어, 결국 헬기모드에서 완전히 항공기 모드(Cruise)로 전환에 성공하였다. 167km/h까지는 헬기모드로 비행하다가 이후 로터를 완전히 수평으로 하여 213km/h 까지 도달했다. 헬기모드에서 엔진이 꺼진 상황을 가상하여 Auto Rotation을 통한 착륙도 성공적으로 이루어졌다.
이후 이 기체는 에드워드 공군기지로 넘어와 1959년 5월부터 미공군에 의해 단거리 이착륙 성능, 조종시스템 개선, 랜딩기어 개조, 고도 성능, 속도증가 방법 등의 실험이 지속되었다.

 그동안 발생한 로터의 진동은 공력탄성(Aeroelastic effects)문제로 확인되었다. 당시 공탄성에 대한 이론이 정립되지 않은 상태여서 이에 대한 해결방안 이 사실상 제시되지 않던 시기였다. 공력탄성은 1947년 처음으로 제기된 새로운 연구였다. 공력탄성은 관성력, 구조물의 강도, 공기역학에 기인된 진동현상이다. NASA는 공탄성에 의한 진동문제를 연구하기 위해 NASA에서 풍동실험하던 중 1966년 6월 14일 로터가 떨어져 나가면서 날개를 찢어버리는 심각한 손상을 입어 결국 XV-3 프로그램을 중단하기에 이르렀다. 최종 사고는 금속 피로가 원인이었다. XV-3는 총 125시간, 250회의 비행을 통해 110회의 전환 비행에 성공하고 틸트 로터의 문제점을 밝히고 해결하는데 많은 데이터를 제공하였으며, 공력탄성에 대한 중요한 연구 계기를 제공하였다.

Bell XV-3가 경험한 자료는 향후 XV-15, XV-21 등에 매우 유용하게 활용되었다.
 손상된 기체가 데이비스 몬탄기지에 버려져 있다가 중간 과정을 알 수 없는 상태에서 육군 항공박물관으로 옮겨져 창고에 보관 상태로 있었다, 이후 수직이착륙 후속기인 XV-15 팀에 의해 우연히 발견되어 1986년 복원되었고, 여러 과정을 거친 후 현재는 미 공군박물관 라이트패트슨 기지에 전시되어있다. 

 
승무원: 1명
길이: 9.2 m
날개폭: 9.5 m
메인로터 직경: 7.6 m
높이: 4.0 m
순중량: 1,907 kg
총중량: 2,218 kg
엔진: 450마력 Pratt & Whitney R-985-AN-1왕복엔진 1대
최대속도: 296 km/h
순항속도: 269 km/h
Range: 255 miles (411 km)
순항고도: 4,600 m
상승율: 6.3 m/s