헬리콥터의 안전한 무단 기어

모터 속도가 일정하지만 로터 회전수가 유연한 새로운 개념의 헬리콥터 기어를 비엔나 공과대학이 선보였다. 새로운 두 개의 유성 기어를 커플링 없이 연결하여 회전수를 무단으로 조정할 수 있다.

라인홀드 셰퍼(Reinhold Schäfer)

일반적으로 로터 회전수가 일정하게 돌아간다. 비엔나 공과대학에 따르면 바로 이 점이 연료 소모에 부정적인 영향을 끼친다고 한다. 이에 항공 교통을 혁신할 새로운 개념의 기어를 개발하였다. 두 개의 유성 기어를 연결하여 커플링이 없이 회전수를 무단으로 조정할 수 있다. 그로 인해 루핑(looping)이 더욱 쉽고, 승객들 입장에서는 롤러코스터를 타는 느낌이 들 것이다. 실제로 현존하는 군용 헬기를 타는 느낌은 놀이 기구에 비할 바가 아니다.

자동차용 더블 클러치 기어는 적합하지 않다

이 헬리콥터 기어는 두 개의 유성 기어가 연결되어 있다.

헬리콥터에서 클러치를 이용하여 드라이브에서 로터를 갑자기 분리하게 되면, 바로 추락할 수 있습니다. 따라서 회전수가 변하더라도 출력을 항상 유지해야 합니다. 또한 자동차 산업에서는 더블 클러치 기어의 토크가 매우 높을 경우 구동 측과 로터 측 사이에서 회전수 차이를 감안해야 합니다. 클러치 요소에 의해 마모가 매우 심하게 일어날 수 있기 때문입니다. (Dr. 한스 암리, 비엔나 공과대학 설계 과학 및 제품 개발 연구소)

비엔나 공과대학이 항공 기어 연구 분야에서 산학 협력으로 Vari-Speed라는 프로젝트를 시작하였다. 목적은 미래의 헬리콥터를 위한 솔루션을 개발하는 것이다. 일반적으로 헬리콥터에는 모터와 로터가 서로 고정되어 있다. 비엔나 공과대학은 이른바 디자인 미션이라는 목표를 갖고 헬리콥터 회전수를 해석하였다. 헬리콥터의 비행 회전수는 고정되어 있습니다. 따라서 넓은 대역의 회전수를 가능하게 하면, 유연성이 높아지고, 비행 범위의 한계가 확장되어 에너지 효율이 개선됩니다.(공학박사 미하엘 바이간트 교수, 비엔나 공과대학 설계 과학 & 제품 개발 연구소)

이를 통해 헬리콥터는 더욱 빠른 속도에 도달할 수 있고, 소음 레벨은 낮아지며 출력은 높아져 헬리콥터를 보다 넓은 스펙트럼의 미션에 투입할 수 있습니다. 연결되어 있는 두 개의 유성 기어로 구성되는 새로운 유형의 정교한 기어로 클러치가 필요 없으며, 드라이브와 로터의 변속비를 단계 없이 바꿀 수 있다.

헬리콥터 전체 시스템을 숙고해야 한다

하지만 기어 개발에만 집중하는 것으로 충분하지 않다. 유연한 회전수를 가능하게 하려면 로터 블레이트 설계를 동시에 변경해야 한다. 또한 고유 주파수를 고려하여 특정 회전수에서 공진 파괴 현상이 일어나는 것을 방지해야 한다. 이는 결국 헬리콥터 전체 시스템을 새로이 설계하는 것이다. 뮌헨 공과대학의 로터 블레이드 디자인 및 설계 전문가와 오스트리아의 기어 전문가 Zoerkler들 역시 이번 프로젝트의 파트너로서 기어 제작과 작동에 관한 자신의 노하우를 적용했다. 비엔나 공과대학은 기어 컨셉트를 담당하고, 마찰 공학과 기어 윤활 최적화 분야에 자신의 전문 지식을 투입하였다.

새로운 타입의 헬리콥터 제작을 위해 일차 설계와 구동 트레인의 질량 산정, 구동 트레인의 구상 및 개발과 적격성 문제 그리고 허가에 이르기까지 일련의 단계들이 필요하고, 이 과정에서 비엔나 공과대학 팀이 협력 파트너들과 함께 진행하였다.

승인 절차가 큰 역할을 한다

항공기 산업은 안전 기준이 극도로 까다롭고, 승인 절차가 설계 프로세스에서 매우 중요한 역할을 합니다. 따라서 기업체 파트너들이 항공기 허가 과정에서 비엔나 공과대학의 시험기와 측정기를 지원하였습니다.(미하엘 바이간트) 비엔나 공과대학에서 시험할 수 없는 것은 TÜV Austria와 비엔나 공관 대학이 공동으로 운영하는 기술시험 및 연구 기관인 TVFA와 협력하여 테스트하였다. 

새로운 유형의 이 기어 컨셉트는 비엔나 공과대학에서 개발하였다.

미하엘 바이간트와 한스 암리는 회전수가 가변적인 새로운 헬리콥터 기어가 시장에 상당한 잠재력이 있다고 보았다. 물론 시장이 성숙되고 승인을 받은 헬리콥터가 하늘로 날아오르기까지는 7 ~ 12년이라는 시간이 걸릴 것이다. 이번 프로젝트의 첫 단계는 비엔나 공과대학의 기계요소와 항공 기어 연구 분야의 활동을 통해 시작하였다. 그리고 일 년간의 연구 개발 끝에 지난 6월 17 ~ 23일에 열린 파리 에어쇼 SIAE에서 국제 항공기 업계에 공식적으로 처음 선보였다. 여기에서 비엔나 공과대학 연구소는 다음 4가지 사항을 소개하였다.

항공 산업에서 진동 보조 기계 가공(VAM)을 통해 최고의 품질을 위해 가공 기술을 개선하는 방법,

적극적인 터뷸런스 억제를 통해 연료 소모와 CO2 값을 10% 감축하는 방법,

고도로 안정적인 고성능 폴리머가 환경친화적으로 제조된 폴리머를 기반으로 하여 650°C에서 특히 무게가 근소하다는 점,

항공 기술에서 복잡한 형상과 효과에 대한 멀티피직스 시뮬레이션 소프트웨어 NG Solve를 기존 워크플로우에 통합할 수 있다는 점.