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1. 개요
프로펠러(Propeller) 혹은 에어스크루(Airscrew)는 원동기의 회전력을 추진력으로 변환하는 회전익이 장착된 장치다. Propel은 동사로 나아가게 하다, 몰아가다 등의 뜻이 있다. 주로 항공기나 선박에 사용되는 장치다. 한자어로는 '추진기(推進機)' 혹은 '기익(機翼)'이다.선박용 프로펠러는 스크류 프로펠러, 즉 꼬인 추진기라고 하며 대한민국에서는 통칭 줄여서 스크류라고 한다.[1] 공기와 물의 성질이 다르고, 항공기와 선박 간의 속도 차이가 매우 크기 때문에 항공기용 프로펠러와 선박용 프로펠러의 형상은 상당히 다르다. 선박용 프로펠러는 항공기와 달리 날개수와 확장면적비가 많이 차이나며 피치, 레이크, 스큐, 코오드, 캠버, 두께의 형상정의를 이용하여 구성된다.
2. 항공기의 추진장치
사실 프로펠러는 양력을 만드는 날개의 일종이라고 할 수도 있다. 다만 그 양력방향이 항공기의 위쪽 방향이 아니라 앞쪽 방향인 셈. 물론 위쪽 방향인 것들도 있다. 대표적으로 헬리콥터. 단 이 경우에는 추진용이 아니므로 프로펠러라는 표현을 잘 안쓰며, 회전익(Rotary wing), 혹은 로터(Rotor)라고 부른다. 뭐 생긴거나 힘을 얻는 원리는 그게 그거지만.
프로펠러가 회전하면 각각의 깃(blade)은 날개 역할을 한다. 항공기는 앞으로 전진할때 발생하는 맞바람(Head wind)을 이용하여 주날개(Main wing)가 양력을 만든다면 프로펠러는 회전하면서 깃에 맞바람을 만들어주어 양력을 만든다.
이 양력을 만드는 방법에 대해 프로펠러가 만드는 뒷바람과 이것에 따른 작용-반작용을 통해 설명하는 이론(운동량 이론)과 프로펠러의 깃 하나하나를 날개로 보고 양력으로 설명하는 이론(깃 요소 이론)이 있는데 둘 다 전혀 다른 이론은 아니고 사실 같은 이론이다. 엄밀히 따지자면 양력을 만들면 필연적으로 뒷바람이 생긴다. 다만 사람이 손으로 계산하는 수준에서는 깃 하나하나를 날개로 보는 이론보다 뒷바람을 이용하는 이론이 더 손쉽고, 또 뒷바람은 상대적으로 측정하기도 쉽다보니 막 프로펠러가 실용화되던 시절부터 이 이론이 쓰였다. 현재도 그 간단함 때문에 정밀도보다는 시간을 요하는 간단한 계산에는 자주 쓰이는 편이다.
프로펠러의 깃은 대체로 안쪽으로 갈수록 크게 휘어져있고 바깥쪽으로 갈수록 적게 휘어져 있는데 이는 프로펠러가 회전하기 때문. 회전운동은 중심에서 멀수록 속도가 빠르다. 즉 항공기의 날개는 항공기의 속도와 거의 같은 속도로 맞바람이 생기지만 프로펠러는 회전하면서 프로펠러 안쪽과 바깥쪽의 속도가 전혀 다르기 때문에 각각의 속도에 맞춰 최적의 각도로 만들다보면 자연스럽게 프로펠러의 깃이 안쪽은 크게, 바깥쪽은 작게 휘어지게 된다. 이론상으로는 이 휘어지는 정도가 점점 작아지는 형태(비선형 형태)여야 하지만 제작상의 난이도 때문에 보통은 휘어지는 정도가 균일하다.
프로펠러의 모양과 깃의 개수는 항상 설정하기 어렵다. 길고 가늘게 만들면 양항비가 높아져 프로펠러 자체의 효율이 좋아지는데 구조적으로 약해지는데다가 항공기가 땅에 있을 때 프로펠러가 땅에 닿지 않도록 해야해서 항공기의 설계가 더 까다로워질 수 있다.
깃의 개수가 늘어나면 회전속도 대비 추진력이 늘어난다. 그래서 같은 추력에서는 회전속도가 줄어들기 때문에 소음을 줄일 수 있고, 프로펠러를 소형화하는 데도 유리하다. 물론 일반적으로는 무게가 늘어나는 만큼 깃 자체를 회전하는데 드는 힘도 더 많이 필요하므로 파워트레인의 토크와 회전속도를 고려하여 상황에 맞게 택하면 된다.[2]
피치, 즉 프로펠러가 기울어진 각도를 일정 수준 이상 크게하면 더 많은 추진력을 얻을 수 있지만 대신 더 많은 토크가 필요하다.[3]
일반적으로 왕복엔진 항공기는 엔진과 프로펠러 사이에 별 다른 변속기 없이, 엔진의 크랭크샤프트에 직접 연결된다. 그러나 대형 왕복엔진이나 제트엔진의 하나인 터보프롭이 사용될 경우에는 엔진의 회전속도가 너무 빠른 탓에 전기자동차처럼 감속기어 1개만을 거쳐 연결된다.
초기에는 나무를 깎아서 프로펠러를 만들었지만 요즘은 대부분 금속제를 사용하며 최근에는 기술의 발전에 따라 복합재 프로펠러도 늘어나는 추세이다. 라이트 형제가 최초의 비행기를 만들 때, 그들은 이미 프로펠러의 중요성을 인식했고, 바깥쪽으로 감에 따라 기울기를 달리하는 등 세심한 설계를 적용시켰다. 덕분에 그들이 만든 프로펠러는 100여 년이 지난 현대의 프로펠러에 비교해 봐도 불과 5% 정도만 효율이 떨어질 뿐이다. 물론 라이트 형제 이전에 항공기용 프로펠러가 없었던 것은 아니다. 비행선이 있었으니까.
일반적으로 터보프롭이나 내연 피스톤 왕복 엔진은 출력을 마력이나 kW 등 일률로 표시하고 터보팬 등 제트엔진은 kN 등 추력으로 표시하는데 출력 일률을 추력으로 변환하려면 프로펠러의 효율을 감안해야 한다. 비행 속도나 고도/온도/기압 등 프로펠러의 변환 효율에 좌우되지만 대충 주먹구구로는 프로펠러 비행기의 경우 1 hp = 0.72 kW →2.5 lbf(thrust) = 11 Newtons 가량 이다. 대충 1 kW → 15 N, 1 kN →65 kW 라고 보면 된다.
2.1. 단점
2.1.1. 고속 비행효율 저하와 소음
프로펠러의 추진력은 거의 상당부분 중심에서 바깥쪽 방향으로 70~80% 되는 영역에서 만들어낸다. 더 바깥쪽은 마치 항공기 날개처럼 소용돌이 흐름[4]을 만들어서 속도가 빠름에도 효율이 떨어져 버린다.항공기가 전진비행을 하면 프로펠러의 속도 + 항공기가 전진함으로서 유입되는 공기의 속도가 더해져서 도리어 프로펠러의 효율이 올라간다. 하지만 일정 속도를 넘어가버리면 프로펠러의 효율이 다시 극단적으로 떨어지는데, 고속으로 회전하는 프로펠러의 속도 + 항공기 전진속도 탓에 프로펠러의 끝 부분 속도가 음속에 가까워지기 때문. 최악의 경우 이 부분이 초음속에 도달하는데, 항공기는 아직 음속에 한참 못 미치는데도[5] 프로펠러에서 심한 충격파가 발생하여 엄청난 소음, 진동을 유발하고 프로펠러의 효율도 급격히 감소하며 프로펠러의 내구성에도 문제가 생긴다. 이 소음 수준은 엄청난 것이라 프로펠러기 중 최고속도 마하 0.8로 가장 빠른 축에 드는 Tu-95의 경우 수십 킬로미터 밖에서도 비행기 소리가 들리고 잠수함 소나에 어그로를 끌 정도가 된다.
다만, 트랙터식 프로펠러 추진의 단점은 푸셔식 프로펠러 추진으로 고속에서의 프롭워시 효율을 조금 더 높힐 수 있다. 가령 프로펠러에 후퇴익을 준다든지. 다만 이 경우에는 엔진의 냉각에 문제가 발생할 수 있으므로 수랭식 엔진이 필수가 될 것이다. 물론 예외적으로 신덴처럼 푸셔식 배치이면서 공랭식 엔진을 장착하는 경우도 있었다. 이 경우엔 기체 앞쪽에 공기흡입구를 큼지막하게 달아놔서 공기를 강제로 압축 후 엔진에 보내는 방식으로 되어 있었지만.
보통 프로펠러 항공기는 마하 0.5~0.6 정도까지가 가장 효율적이며 그 이상으로 넘어가면 제트엔진류에 비하여 효율이 떨어진다. 서구의 가장 빠른 프롭 민항기는 사브 2000으로, 순항속도는 685km/h.
2.1.2. 토크현상
프로펠러라는 엄청난 쇳덩이가 고속으로 회전하다보니 항공기에는 그 반작용이 걸려서 반대방향으로 돌아가려는 힘이 생긴다. 이것이 토크 현상(Torque Effect).그래서 프로펠러를 사용하는 항공기는 필연적으로 비행중에 계속 한쪽으로 기체가 기울어지는 힘이 발생한다. 특히 A-1이 심했는데, 거의 조종간을 반대쪽으로 돌려야 했을 정도라고 한다. 쌍발 항공기라면 양쪽의 프로펠러를 반대방향으로 돌림으로서 서로 상쇄시킬 수 있긴 하다.
그러나 이렇게 하기 위해선 하나의 엔진과 기어박스 등이 좌우 대칭으로된 엔진 하나가 따로 더 필요하게 된다. 단순히 따로 하나 더 만들면되겠거니 생각할 수도 있지만, 이게 보통 문제가 아닌 것이, 부속이나 특히 엔진 자체도 소모품의 일종이기 때문에 생산이나 유지 관리 에선 전혀 다른 하나의 엔진을 따로 관리하는 것과 유사한 수준의 비용이 들기 때문이다. 거기다 기존의 엔진을 다른 기종이나 위치장착해서 전용할 가능성도 상당히 제한된다.
실례로 2차대전 당시 엔진 제조사들이 이를 위해 반대로 회전하는 엔진을 제작할 경우 제조명을 따로 붙여 구분했었다. 이에, 과거부터 지금까지 거의 대부분의 쌍발 혹은 그 이상의 다발 항공기들은 그냥 한쪽으로만 돌아가는 엔진을 일괄 장착한 경우가 많고 좌우대칭으로 회전하는 경우를 찾아보기가 다소 힘든데, 그나마 P-38이 이와 같은 엔진축 배치를 채용한 항공기들 중 가장 이름이 나 있는 편.. 위에 언급한 동축반전 방식도 이 때문에 앞뒤의 프로펠러가 서로 반대로 돌아간다. 아니면 이것처럼 같은 방향의 엔진 중 하나를 뒤로 돌리든가.
이것을 상쇄하기 위해 여러가지 방법이 나오는데, 이를테면 어떤 항공기는 아예 수직꼬리날개를 항공기가 쏠리는 방향에 맞춰서 약간 비틀어 장착하기도 하고, 수직꼬리날개의 가동부(방향타) 뒤쪽 끝부분에 작은 가동부 날개를 만들어 승강타 피치 주는것처럼 살짝 옆으로 틀어서 회전을 상쇄하며 속도에 따라 조절할 수 있는 경우도 있다. 전자의 사례는 Bf 109, 후자의 사례는 슈퍼마린 스핏파이어가 대표적.
또 어떤 항공기는 일부러 좌우 날개중 한쪽을 일부러 더 짧게 만들어 자동으로 기체가 한쪽으로 기울어지게 만들어서 프로펠러에 의한 반동을 상쇄시키게 설계하기도 한다.[6] 또 아니면 엔진 자체를 약간 한쪽 방향으로 기울여서 설치하기도 한다. 실제로는 엔진을 살짝 옆으로 설치하는 사이드 트러스트는 엔진과 프롭의 반토크를 직접적으로 상쇄하는 것은 아니다. 반토크는 롤 방향(에일러론 방향)으로 작용하는데, 엔진을 기울여 봐야 요 방향(러더 방향)으로 기체를 트는 것이기 때문이다. 엔진의 반토크를 억제하기 위해서는 롤 방향의 힘이 필요하고, 이는 좌우 주익의 양력을 다르게 하는 것으로 해결할 수 있다. 위에서 나온 대로 날개의 크기를 다르게 하거나, 받음각을 다르게 하거나. 다만 어떤 방식이든 양력을 증가시키려면 항력도 증가하므로, 양 주익의 항력이 서로 달라 요 방향으로 회전하게 된다. 이 항력에 의한 요 방향의 회전을 억제하기 위해 사이드 트러스트를 주거나 수직미익을 삐딱하게 설치하는 것이다.
프로펠러와 엔진을 기체 위에 단 로터가 추진력인 헬리콥터는 필연적으로 이 문제를 통제하기 위해 주프로펠러 방향과 반대로 돌아가는 로터가 하나 더있다. 그 로터가 어딨느냐에 따라 테일로터,동축반전로터,탠덤로터등 다양한 방식이 있으며, 동축반전,탠덤 방식은 위의 해결책과 원리는 동일하다.
여담으로, 대부분의 항공모함의 함교가 비행갑판 오른쪽 끝에 위치하고 있는 까닭도 과거 프로펠러 항공기들을 함재기로 사용하던 시절에서 비롯된다. 상술한 바와 같이 프로펠러 항공기들은 프로펠러의 회전 방향(시계 방향)에 따라 항공기가 토크 현상으로 인하여 점차 왼쪽으로 기울게 되는데, 항공기가 항공모함 비행갑판에 착륙할 때에 이러한 문제점 때문에 함교가 비행갑판 왼쪽에 위치할 경우 착함중인 항공기가 토크 현상으로 왼쪽으로 서서히 기울면 자칫 충돌할 위험성이 있기 때문에 함교의 위치를 비행갑판 오른쪽 끝으로 설계한 것이다. 이러한 전통이 제트 엔진 항공기로 바뀐 현대 항공모함의 설계에 그대로 남아있는 것.
2.2. 프로펠러의 종류
2.2.1. 가변 피치 프로펠러
프로펠러의 깃 각도(피치)는 프로펠러가 느끼는 맞바람 속도에 따라 최적의 속도가 다르다. 그런데 프로펠러 자체는 일정 RPM으로 돈다고 해도 항공기의 비행속도가 바뀌면 결국 프로펠러가 느끼는 맞바람의 속도(속력 + 방향)이 바뀌므로 이 각도를 달리해줘야 한다. 저속이라면 상대적으로 더 큰 각도로, 고속이라면 상대적으로 더 작은 각도로 유지해야 하는 것이 일반적.초창기의 프로펠러는 이런거 무시하고 그냥 깃 각도가 고정되었으나 이후 조종사가 임의로 조작가능한 가변피치 프로펠러가 등장하였다.
한편 자동차도 마찬가지지만 항공기의 엔진도 최적 RPM이 있다. RPM이 너무 낮으면 제대로 속도를 내기 어렵고, RPM이 너무 높으면 연비가 나쁠 뿐더러 과열의 위험이 있기 때문. 그래서 가변피치 개념이 발전되어 정속프로펠러라는 것이 나온다. 즉 조종사가 쓰로틀을 밀어서 엔진출력을 높여도 엔진의 RPM은 거의 변화없이 일정하게 도는 대신, 프로펠러 깃의 각도가 더 커져서 결과적으로 더 큰 힘을 내는 것이다. 어찌보면 악셀을 밟아도 RPM은 일정값을 유지하도록 기어단을 바꾸는 자동차의 다단 기어개념하고 유사하다.
과거에는 쓰로틀을 움직이고 엔진 피치각도 바꾸고 등등 조종사가 정신 없었지만 현재는 쓰로틀 레버를 조작하면 알아서 엔진으로 가는 연료유입량, 프로펠러 피치각등이 제어되도록 설계되고 있다. 이걸 최초로 적용한 기종이 Fw 190.
한편 이런 가변 피치 프로펠러 중에는 프로펠러 날개를 진행 방향에 평행하게 아예 90° 기울여 세울 수 있는 것도 있다. 이는 불가피한 이유로 비행 중에 엔진이 멈췄을 때 프로펠러가 일종의 풍차처럼 제멋대로 돌아가서 불필요한 소음, 진동, 공기저항을 만드는 것을 막기 위해서다. 이를 흔히 페더링이라고 하며 이 페더링 기능이 있는 항공기들은 보통 지상에 정지상태일 때는 이 각도를 유지하다가 엔진을 켜기 시작하면 추진력을 낼 수 있는 각도로 움직인다.
몇몇 비행기에서는 프로펠러의 피치를 반대로 할 수도 있다. 이 경우 추진력이 반대(역추진)로 된다. 보통 제트 엔진의 역추진
처럼 착륙시 속도를 줄이는데 보조적 역할로 쓰인다. 간혹 후진을 하는데도 사용되지만, 공항에서는 시설물 파손 위험 때문에 쓰지 않는다.
2.2.2. 동축반전 프로펠러
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| 러시아 폭격기 Tu-95의 이중반전식 프로펠러 |
덕분에 이중반전식 프로펠러는 6~16% 정도 효율이 더 좋은 반면, 시끄럽고 정비요소가 많아진다는 것이 단점이다. 진동문제를 잡기 어려운지 2차대전 중 몇 몇 항공기들이 이 이중반전식 프로펠러를 시도하다가 진동 문제로 운용에 난항을 겪거나 포기한 사례가 좀 있다.[7]
2차세계대전 중에는 프로펠러 토크 문제를 해결하기 위해 두개의 엔진을 서로 반대방향으로 구동시키는 방법도 사용되었다. 대표적인게 바로 P-38 라이트닝.
다만 이렇게 되면 프로펠러 토크 자체는 상쇄시킬 수 있지만 쌍발기 특성상 고속에서의 비행효율이 단발엔진 항공기보다 훨씬 떨어지며 서로 반대방향으로 구동하는 엔진의 설계를 따로 담당해야 하는 번거로운 문제가 발생한다. 이 때문에 그냥 엔진 두개를 모두 같은 방향으로 구동시키는 Bf 110의 경우가 일반적이었다.
2.2.3. 시미터 블레이드 프로펠러
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| 에어버스 A400M |
프로펠러 블레이드의 형상이 시미터처럼 생긴 것으로, 고속회전에서도 효율을 잃지 않기 위해서 고안된 형상이다. 이로 인해 고속비행시의 연비 향상과 소음 감소의 효과를 거두었다. 고속에서 특성이 좋은 후퇴익을 적용한 것으로 볼 수 있다.
2.2.4. 토로이달 프로펠러
블레이드 끝의 와류를 줄이기 위해 고안된 프로펠러이다. 수중 프로펠러의 공동현상도 줄일 수 있기 때문에 항공용, 선박용 양쪽으로 활발하게 연구되고 있다. 와류가 줄어들므로 소음 저감도 기대할 수 있다. 항공기 날개로 비유하면 윙렛, 혹은 Closed wing과 원리가 비슷하다[8].
형상을 보면 알겠지만 가공과정이 어렵다. 다만 최근 3D 프린터의 발달로 접근이 쉬워지며 소규모 연구의 접근성이 좋아지고 있다.
2.2.5. Zipline 프로펠러
저소음을 목표로 설계된 프로펠러이다. 블레이드를 한쪽으로 몰아버리는 특이한 디자인을 하고 있는데, 기울어진 무게중심을 보상하기 위해 반대쪽에 추를 달아놓는다. 저소음 설계의 핵심은 편향된 블레이드로 추는 무게중심을 가운데로 옮기기 위한 에드훅에 불과하다. 동일 블레이드 개수의 대칭 프로펠러와 비교하면 실제 소음은 줄어들지 않으나, 소음 주파수 대역을 사람 귀에 덜 민감한 영역으로 옮겨 체감 소음을 줄인다. 또한 블레이드끼리의 각도를 잘 조절하면 블레이드가 발생시키는 소음이 서로 상쇄되게 하여 실제 소음을 줄이는 트릭을 부릴 수도 있다[9]. 효율은 동일 블레이드 개수를 가지는 대칭 프로펠러보다 떨어진다.
2.3. 프로펠러의 설치 위치
프로펠러를 항공기의 앞에 다는가 뒤에 다는가도 중요한 문제. 앞에다 다는 트랙터식의 경우 프로펠러의 후류가 만드는 강한 바람덕에 수평, 수직꼬리날개에는 더 빠른 맞바람이 부는 효과가 생겨서 전반적으로 이 꼬리날개들의 효율이 올라간다. 또한 항공기가 이, 착륙을 위해 기수를 들어도 프로펠러가 땅에 닿을 염려가 없다.프로펠러를 뒤에 다는 푸셔식의 경우 항공기 앞쪽을 뾰족하게 만들 수 있으므로 기수를 좀 더 유선형에 가깝게 만들 수 있어 전체적인 공기저항을 줄일 수 있다.[10] 또한 전투기의 경우 기관포 등의 무장을 기수부분에 집중하여 달아서 똑같은 숫자의 무장을 달아도 무장의 집중효과가 더 늘어난다.[11] 대신 프로펠러가 뒤쪽에 있다보니 항공기가 이륙을 위해 기수를 들면 프로펠러가 더 아래로 내려가므로 땅에 닿을 염려가 있어서 결과적으로 랜딩 기어를 더 길게 설계해야 한다. 또한 전투기들의 경우 비상탈출시 프로펠러에 조종사가 말려들어 끔살 당할 수도 있다.[12]
현재까지 대세는 프로펠러가 앞쪽에 달린 형태인 트랙터식이다. 프로펠러를 뒤쪽에 단 항공기가 없는 것은 아니지만, 아무래도 이쪽이 이전부터 만들기 더 쉬웠기 때문.
엔진 배치상의 문제로 아예 항공기 앞 뒤로 모두 프로펠러가 달린 경우도 있다. 이를 테면 Do335나 세스나 337 같은 기종들.
다만 Do 335의 경우 프로펠러가 앞뒤로 달리는만큼 앞쪽의 프로펠러의 회전에 의한 와류로 후방쪽의 프로펠러 추진효율이 조금 떨어진다는 단점이 존재한다. 이 때문에 양산형 중에서는 앞 뒤 프로펠러의 위치가 조금 조정되는 등의 조치가 이루어졌을것으로 보인다.
일반적으로 프로펠러의 끝 부분에는 노란색 칠이 칠해져있거나, 혹은 중심부에 나선형으로 뱅글뱅글 돌아가는 그림이 칠해져있는데 이것은 프로펠러가 회전중임을 알 수 있게 해주는 표식이다. 프로펠러가 회전하면 보통 RPM이 2,000 전후가 넘기 때문에 사람 눈에는 보이지를 않는다. 또 보여서도 곤란한 것이, 대부분의 프로펠러는 조종사 앞쪽에 설치되기 때문에 조종사의 시야를 가리면 안된다. 이러다보니 지상에서 근무하던 이들이 프로펠러의 위치를 제대로 못보고 부딪혀서 끔살당하는 사고가 종종 있어서 이런 장치를 해둔 것. 이는 터보팬 제트 엔진도 마찬가지로 공항에 세워져있는 비행기 엔진을 보면 높은 확률로 나선형 무늬를 볼 수 있다.
2.4. 기타
왜인지 여러가지 문화 매체들 중에서 낡은 도시 건물이나 폐허 등을 묘사할 때는 조용한 건물 잔해에 담담히 돌아가며 삐걱대는 프로펠러가 보이는 연출이 많다. 아마 인류 산업 문명에서 꽤나 자주 볼 수 있는 물건이라 그런 듯하다. 하여튼 뭔가 폐허 속에서 특유의 분위기를 준다.개념미술 및 다다이즘의 창시자 마르셀 뒤샹은 1912년 항공 공학 박람회를 관람한 뒤 친구이자 소묘예술가였던 콘스탄틴 브랑쿠시에게 “이제 회화는 망했어. 저 프로펠러보다 멋진 걸 누가 만들어 낼 수 있겠어? 말해보게, 자넨 할 수 있나?”라고 말했다고 한다.
2.4.1. 프로펠러를 사용하는 캐릭터
- 도라에몽 - 대나무 헬리콥터 참조.
- 동방 프로젝트 - 카와시로 니토리
- 록맨 5 - 자이로맨
- 록맨 9 - 토네이도맨
- 킹콩(몬스터버스) - 콩: 스컬 아일랜드
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스컬걸즈 -
페인휠
프로펠러는 아니지만 프로펠러 비스무리한게 있으며 위치와 용도가 자이로맨와 흡사하다. - 형사 가제트 - 가제트
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리그 오브 레전드 - 니코(리그 오브 레전드) -
트랜스포머 시네마틱 유니버스 -
블랙아웃(트랜스포머 시네마틱 유니버스) ,
그라인더(트랜스포머 시네마틱 유니버스)
둘다 비클모드인 CH-53의 프로펠러를 칼날처럼 휘둘러 사용한다. 그야말로 프로펠러를 사용하는 캐릭터.(...)
3. 선박의 추진기
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| 다양한 선박의 프로펠러들 |
대형 선박용 프로펠러는 인장강도가 높으면서 바닷물에서도 부식이 잘 되지 않는 청동을 주 재료로 사용한다. 그래서 금빛이 나는 경우가 대부분이다.
일반적으로 상선 등의 민간선박은 프로펠러를 하나만 사용하는 단추진기 선박이고 군함은 프로펠러를 두개 혹은 그 이상 사용한다. 엄청난 고속성능도, 급격한 기동성도 필요없는 상선의 경우 저렴하고 경제속력을 지속적으로 내는데 아무 문제가 없는 단추진기 선박을 사용하는게 경제적일것이다. 그러나 단추진기 선박은 속도, 기동성, 조종성 모두가 쌍추진기 선박에 비해 부족하기 때문에 기동성이 중요한 군함의 경우 쌍추진기 혹은 4추진기 선박을 사용한다. 예외 케이스로 군함임에도 1축추진을 하는 미 해군의 올리버 해저드 페리급 프리깃이 있다. 추진기가 하나만 있을 경우 추진기의 회전과 추진기를 따라 흐르는 수류의 작용때문에 타를 돌리지 않아도 배가 방향을 바꾸려는 회두작용이 발생하는데 (특히 후진시에 강력한 좌회두작용이 발생하여 닻을 쓰지 않으면 똑바로 후진이 불가능한 정도이다)두개의 추진기를 서로 반대 방향으로 돌리면(보통 우현의 추진기는 시계방향, 좌현의 추진기는 반시계방향) 이러한 회두작용이 상쇄되는데다가 양현의 추진기의 피치를 반대로 조정하여 서로 반대 방향으로 추력을 발생시킨다면 타의 작용이 더해져 거의 제자리 회전이 가능할 정도로 엄청난 선회능력을 가질 수 있다.
당연한 얘기지만 만약 기동중인 함선 근처에 사람이 빠진다면 매우 주의해야 한다. 잘못하면 익수자가 선저로 끌려들어가서 추진기의 흡수류에 말려들어가버리는 끔찍한 사고가 발생한다. 초고속으로 회전중인 거대한 금속제 프로펠러에 말려들어간 사람이 어떻게 될지는 굳이 서술하지 않아도 될 것이다. 특히 전함이나 항공모함, 크루즈선, 유조선, 벌크선, 컨테이너선처럼 엄청난 크기의 배에 달린 프로펠러는 미친듯이 크기 때문에[13] 웬만한 연질 암석의 암초는 눈치채지 못하고 긁더라도 갈아버리면서 전진할정도로 크다. 사람 목숨에 비하면 사소한 문제지만 사람이 추진기에 부딫히면서 추진기도 크고작은 손상을 입게 된다. 따라서 만약 항해중인 선박에서 익수자가 발생한다면 항해당직사관은 즉시 기관정지 및 익수자 발생 현측으로 전타를 명하여 익수자로부터 추진기가 위치한 선미를 멀리해야 한다. 이때 익수자 현측으로 전타하는 이유는 배는 방향을 틀 때 뒤쪽부터 움직이기 때문이다. 예를 들어 자동차는 핸들을 왼쪽으로 틀면 앞바퀴가 움직여 보닛과 엔진룸이 왼쪽으로 움직이지만 배는 타기가 선미에 위치하여 좌현전타를 명령하면 선미가 오른쪽으로 이동하면서 선수가 왼쪽을 보게 된다. 따라서 익수자가 배 좌현에 있다면 좌현전타를 명하여 추진기가 있는 선미를 우측으로 보내서 익수자로부터 멀어지게 만들어야 한다.
3.1. 프로펠러의 종류
고정 피치 프로펠러(FPP/Fixed Pitch Propeller)는 블레이드의 피치(날이 비스듬한 정도)가 변하지 않는 프로펠러로 저렴하고 튼튼하지만 변속을 위해 기관회전수를 변경해야 하고 후진시에는 기관을 반대로 돌려야 하는 등 기관에 무리가 많이 간다. 따라서 엄청난 배수량을 가지고 일정한 속력으로 장시간 항해하는 상선, 항공모함에서 많이 사용한다.가변 피치 프로펠러(CPP/ Controllable Pitch Propeller)는 블레이드의 피치각을 변화시킬 수 있는 프로펠러로 항공모함 등 초대형 선박을 제외한 대부분의 군함과 일부 민간선박에 적용되어 있다. 군함은 변속이 잦고 급격한 기동을 자주 하는 만큼 피치의 변화만으로 변속이 가능하고 후진시에도 기관의 회전방향은 그대로 둔 채 피치를 반전시켜 후진할 수 있는 가변 피치 프로펠러가 더 좋다. 물론 이러면 프로펠러 내부에 피치 변환을 위한 모터를 넣어야 하므로 내구성이 떨어지고 가격이 비싸진다.
이중반전 프로펠러(Coaxial Propeller)는 보통 어뢰에 많이 사용되는데 프로펠러가 회전하면서 생기는 반작용으로 어뢰 본체가 프로펠러의 회전방향과 반대방향으로 회전하려는 힘이 발생한다. 이때 서로 반대방향으로 회전하는 프로펠러를 앞뒤로 설치해 서로의 회전력으로 상쇄시킨다.
보이츠 슈나이더 프로펠러(VSP/Voith Schnider Propeller)는 일반적인 프로펠러와 다르게 회전축이 갑판에 수직이다. 선풍기 날개 같은 일반적인 스크류 프로펠러랑은 달리 닭발을 세워놓은 것처럼 생긴 모습이 특징인데, 4개 또는 5~6개의 날개가 수면과 수직으로 회전하며 날개의 각도를 변경하여 추진방향을 바꾼다. 이것은 속도는 느리지만 낮은 소음과 높은 조종성을 가지기에 정숙하고 정밀하게 기뢰에 접근해서 소해작업을 실시해야 하는 소해함이나 비슷한 수준의 정밀작업에 투입하는 작업용 선박에 주로 사용한다.
덕트 프로펠러(Duct Propeller)는 프로펠러를 둥근 덕트로 둘러싼 프로펠러로 가속 덕트 프로펠러와 감속 덕트 프로펠러가 있다. 덕트의 단면은 비행기 날개 모양으로 생겼으며 가속 덕트 프로펠러는 유체의 흐름이 빠른 쪽이 덕트의 안쪽에 위치하여 프로펠러 후류를 더 빠르게 만들어준다. 강한 추력이 필요한 터그보트나 고속성능이 중요한 선박, 어뢰 등에 사용된다. 반대로 유체의 흐름이 느린 쪽이 덕트의 안쪽에 위치한 감속 덕트 프로펠러도 있는데 수류의 흐름을 느리게 만들어 공동현상을 예방하는 효과가 있다. 보통 정숙성이 요구되는 잠수함에 많이 사용한다.
아지무스 트러스터는 2000년대 이후 대형 크루즈선에 많이 사용되며, 방향타를 별도로 설치할 필요가 없고 선체 내에 프로펠러 구동축이 통과할 필요가 없고, 부두 접안 시에 미세 조작이 가능하다는 점이 장점이다.
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| 트로이달 프로펠러 |
3.2. 공동현상
프로펠러가 회전을 하면 프로펠러 주변의 물도 프로펠러와 같이 회전하며 이동하게 된다. 이때 수류의 속도가 일정 이상이 되면 물의 압력이 낮아지면서 물 속에 녹아있던 기체가 기화된다. 이 기체방울이 프로펠러를 때리며 프로펠러를 마모시키고 진동과 소음을 유발한다. 겨우 공기방울이 무슨 프로펠러를 마모시키냐고 생각할지도 모르지만 프로펠러는 수중에서 엄청난 힘과 속도로 회전하는 중이고 이 속도로 공기방울을 가르게 되면 프로펠러 날이 순간적으로 물 밖으로 나왔다가 엄청난 속도로 물 표면에 부딪히는 것과 동일한 효과를 얻는다. 무수한 기포에 부딪히면서 이러한 충격이 계속 가해지면 프로펠러가 심하게 마모된다. 또한 이러면 프로펠러에 진동이 발생하고 소음이 발생하여 군함의 경우 적 음탐기에 탐지될 가능성이 커진다. 따라서 함선의 항해당직사관은 이러한 공동현상이 발생하는 조건을 숙지하고 함선을 공동초생속도 미만으로 기동시켜야 한다.특히 수중에서 은밀한 기동을 해야 하는 잠수함에서는 공동현상은 적 음파탐지기에 자신의 위치를 알려주는 치명적인 현상이며, 따라서 현대 잠수함의 프로펠러는 공동현상 발생을 최소화하기 위해 일반 선박의 프로펠러보다 더 시미터 칼날처럼 크게 휘어지고 폭이 얇은 블레이드를 다수 배열한 것을 사용한다.[15]
[1]
프로펠러는 문자 그대로 해석하면 추진기이다. 다만 항공용 프로펠러가 널리 알려지면서 프로펠러라고 하면 관용적으로 항공용 프로펠러라고 인식되는 경향이 강하다.
[2]
특히 드론에서 쓰이는 모터는 KV(전압 1볼트당 낼 수 있는 분당회전수)값에 따라 특성이 달라지는데, KV값이 높으면 토크가 낮은 대신 회전속도가 빠르고, KV값이 낮으면 그 반대 현상이 일어난다(물론 일반적으로 KV값이 낮은 모터가 더 크고 무거운 반면, KV값이 높은 모터는 역기전력 때문에 고속에서 효율을 크게 까먹는다). 그러므로 KV값이 높다면 프로펠러는 짧은 것을, 낮다면 긴 것을 쓰는 게 가장 효율적이지만, 프롭이 길어지면 그만큼 암대의 길이도 늘어나서 여러모로 중량이 늘어나기 때문에 길이를 늘리는 대신 깃의 숫자를 늘려서 최적화를 할 수 있다.
[3]
물론 과유불급이라고, 각도가 너무 커지게 되면 프로펠러의 진행방향 뒤쪽에 와류가 생겨 발생하는 양력은 줄어드는데 오히려 항력만 늘어나게 되는 지점이 있다.
[4]
끝단 와류, tip vortex
[5]
프로펠러 끝단이 초음속이 된 것은 프로펠러 자체의 속도가 더해진 것임을 생각하자.
[6]
이탈리아 마키(Macchi)사의
C. 20x 시리즈가 대표적이다.
[7]
슈퍼마린 시파이어 FR 46,
XP-75,
XB-35 등
[8]
윙렛보다는 Closed wing에 더 가깝다.
[9]
와류 자체를 없애지는 못 한다.
[10]
그러나 기본적으로 동체와 날개를 통과하면서 난기류가 되어있기 때문에 프로펠러의 추진효율이 떨어진다. 그래서 실질적으로는 전반적인 효율성 차이는 미미하다.
[11]
물론 트랙터식도 싱크로나이즈 기어를 활용해서 엔진 카울에 배치하거나 프로펠러 허브에 장착하는 식으로 집중시킬 수는 있다. 구조가 복잡해질 뿐.
[12]
이때문에 이 방식의 전투기들은 조종사가 비상탈출하기 직전에 프로펠러를 분리해버릴 수 있는 장치가 되어있거나, 비상탈출 좌석이 설치되어있거나 한다.
[13]
다만 위에 설명한것처럼 군용 함선은 프로펠러를 크게 만드는 것보다 어느정도 수를 늘리는 쪽이 이득이라 민간선과 크게 차이가 없거나 오히려 좀 더 작기도 하다. 그래도 배 자체가 크기가 크기 때문에 중소형 선박의 것보다 더 크다.
[14]
연구 자체는 오래 되었다.
[15]
때문에 몇몇 잠수함은 스크류 형상 자체가 기밀인 경우도 많다. 사진에 공개된 잠수함이나 이미 죄다 퇴역한 잠수함들이 이례적인 경우이며, 현역 잠수함이라면 거의 대부분 스크류 날 개수조차 기밀이라고 생각해도 된다. 이러한 경우 잠수함이 물 밖으로 나와있는 진수식 등의 상황에서는 스크류 날에 보호 덮개를 씌워둔다. 심지어 1980년대에 소련 KGB가 일본
도시바 간부들을 매수해 최신형 CNC 공작기계를 밀수해 잠수함 스크류를 개량하자 미국 해군에서 난리가 났고 미국이 일본에 엄중히 항의한 외교 문제가 발생한 적도 있다.