프로펠러 (항공기)

C-130J 슈퍼 허큘리스 군 수송기에 장착된 프로펠러 항공공학에서 **항공기 프로펠러**는 **에어스크루**라고도 불리며,Beaumont, R.A.; Aeronautical Engineering, Odhams, 1942, Chapter 13, "Airscrews".page=28 항공기 엔진 또는 다른 동력원에서 발생하는 회전 운동을 프로펠러를 앞이나 뒤로 밀어내는 소용돌이치는 슬립스트림으로 변환한다. 이는 여러 개의 방사형 익형 단면 블레이드가 부착된 회전하는 동력 구동 허브로 구성되어 전체 어셈블리가 세로축을 중심으로 회전한다. 블레이드 피치는 고정되거나, 몇 개의 설정된 위치로 수동으로 가변되거나, 자동으로 가변되는 "정속" 유형일 수 있다. 프로펠러는 동력원의 구동축에 직접 또는 감속 기어를 통해 부착된다. 프로펠러는 나무, 금속 또는 복합 재료로 만들어질 수 있다. 프로펠러는 일반적으로 약 mph 이하의 아음속에서만 유용하며, 맥도넬 XF-88B 실험용 프로펠러 장착 항공기가 다이빙 시 마하 1.01의 속도를 달성하고 78%의 프로펠러 효율을 보였다.Flight Investigation Of A Supersonic Propeller On A Propeller Research Vehicle At Mach Numbers To 1.01,Hammack et al.,Research Memorandum RM L57E20,June 10,1957,National Advisory Committee For Aeronautics,Washington
# 역사
장식된 일본 도르래 (장난감) 수직 비행에 대한 가장 초기의 언급은 중국에서 나왔다. 기원전 400년경부터,Leishman, J. Gordon. Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge aerospace series, 18. Cambridge: 케임브리지 대학교 출판부, 2006. . archive-date=2014-07-13 Web extract 중국 어린이들은 도르래 (장난감)을 가지고 놀았다."Early Helicopter History." Aerospaceweb.org. Retrieved: 12 December 2010서적 인용|title=Taking Flight: Inventing the Aerial Age, from Antiquity Through the First World War|url=https://archive.org/details/takingflightinve0000hall|url-access=registration|date=8 May 2003|publisher=Oxford University Press|isbn=978-0-19-516035-2|pages=] 로우리는archive-date=18 August 2012 세스나 172의 순항 시 프로펠러 효율이 약 73.5%라고 인용했다. 이는 고정 피치 또는 정속 프로펠러를 사용하는 경량 일반 항공기의 성능을 분석하기 위한 그의 "부트스트랩 접근법"에서 파생된 것이다. 프로펠러의 효율은 받음각 (α)에 의해 영향을 받는다. 이는 α = Φ - θ로 정의되며,isbn=978-0521885164 여기서 θ는 헬릭스 각 (합력 상대 속도와 블레이드 회전 방향 사이의 각도)이고 Φ는 블레이드 피치 각도이다. 매우 작은 피치 및 헬릭스 각도는 저항에 대해 좋은 성능을 제공하지만 추력이 거의 없고, 더 큰 각도는 반대 효과를 가진다. 최적의 헬릭스 각도는 블레이드가 항력보다 훨씬 더 많은 양력을 생성하는 날개 역할을 할 때이다. 그러나 '양력 및 항력'은 블레이드에 작용하는 공기역학적 힘을 표현하는 한 가지 방법일 뿐이다. 항공기 및 엔진 성능을 설명하기 위해 동일한 힘이 추력과 돌림힘으로 약간 다르게 표현된다https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.205354 Fig 1-8 왜냐하면 프로펠러의 필요한 출력은 추력이기 때문이다. 추력과 돌림힘은 아래에 표시된 프로펠러 효율 정의의 기초이다. 프로펠러의 전진비는 날개의 받음각과 유사하다. 프로펠러의 기계 효율은 다음으로 결정된다.Prof. Z. S. Spakovszky date=2012-06-28. "11.7.4.3 Efficiency date=2015-02-26" MIT turbines, 2002. Thermodynamics and Propulsion, main page date=2010-02-17 :\eta = \frac{\hbox{추력}\cdot\hbox{축 속도{\hbox{저항 돌림힘}\cdot\hbox{회전 속도. 프로펠러는 낮은 항력 날개와 유사한 익형 단면을 가지므로 최적의 받음각 이외의 각도에서는 성능이 좋지 않다. 따라서 대부분의 프로펠러는 엔진 속도와 항공기 속도가 변함에 따라 블레이드의 피치 각도를 변경하기 위해 가변 피치 메커니즘을 사용한다. 수병이 공기부양상륙정 호버크래프트의 프로펠러를 점검한다. 블레이드의 수와 모양도 고려해야 한다. 블레이드의 가로세로비를 늘리면 항력이 줄어들지만, 생성되는 추력량은 블레이드 면적에 따라 달라지므로 고가로세비 블레이드를 사용하면 프로펠러 직경이 과도하게 커질 수 있다. 또 다른 균형은 블레이드 수를 줄이면 블레이드 간의 간섭 효과가 줄어들지만, 주어진 직경 내에서 사용 가능한 동력을 전달하기에 충분한 블레이드 면적을 가지려면 타협이 필요하다는 것이다. 블레이드 수를 늘리면 각 블레이드가 수행해야 하는 작업량도 줄어들어 국부적인 마하 수가 제한되는데, 이는 프로펠러의 중요한 성능 한계이다. 블레이드 끝단에 천음속 흐름이 처음 나타날 때 프로펠러의 성능은 저하된다. 프로펠러의 어떤 단면에서든 상대 공기 속도는 항공기 속도와 회전으로 인한 접선 속도의 벡터 합이므로, 블레이드 끝단의 흐름은 항공기보다 훨씬 먼저 천음속에 도달할 것이다. 블레이드 끝단 위의 공기 흐름이 임계 속도에 도달하면 항력과 돌림힘 저항이 급격히 증가하고 충격파가 형성되어 소음이 급격히 증가한다. 따라서 재래식 프로펠러가 장착된 항공기는 일반적으로 마하 0.6보다 빠르게 비행하지 않는다. 마하 0.8 범위까지 도달한 프로펠러 항공기도 있었지만, 이 속도에서의 낮은 프로펠러 효율은 이러한 적용을 드물게 만든다.
## 블레이드 비틀림
허브에서 끝단으로 갈수록 프로펠러 블레이드 각도의 변화. 프로펠러 블레이드의 끝단은 허브보다 빠르게 움직인다. 따라서 블레이드가 비틀려야 하며, 점진적으로 블레이드의 받음각을 줄여 허브에서 끝단까지 균일한 양력을 생성해야 한다. 가장 큰 받음각 또는 가장 높은 피치는 허브에 있고, 가장 작은 받음각 또는 가장 작은 피치는 끝단에 있다. 전체 길이에 걸쳐 동일한 받음각으로 설계된 프로펠러 블레이드는 비효율적일 것이다. 비행 중 대기 속도가 증가하면 허브 근처 부분은 음의 받음각을 가지는 반면 블레이드 끝단은 스톨될 것이기 때문이다.pages=7–4 – 7–5
## 고속
고아음속 항공기를 위한 프로펠러 및 프롭팬 개발 노력이 있었다.Pushing The Envelope With Test Pilot Herb Fisher. date=2014-02-01 Planes and Pilots of World War 2, 2000. Retrieved: 22 July 2011. '해결책'은 천음속 날개 설계와 유사하다. 얇은 블레이드 단면이 사용되고 블레이드는 날개 스윕백과 유사하게 시미터 모양(시미터 프로펠러)으로 뒤로 젖혀져 블레이드 끝단이 음속에 접근할 때 충격파 발생을 지연시킨다. 최대 상대 속도는 블레이드가 큰 헬릭스 각도를 가질 수 있도록 피치 제어를 통해 가능한 한 낮게 유지된다. 블레이드당 작업량을 줄여 순환 강도를 낮추기 위해 더 많은 블레이드가 사용된다. 반회전 프로펠러가 사용된다. 설계된 프로펠러는 터보팬보다 효율적이며 순항 속도(마하 0.7~0.85)는 여객기에 적합하지만, 발생하는 소음이 매우 크다(이러한 설계의 예로는 안토노프 An-70 및 투폴레프 Tu-95를 참조).
## 물리학
항공기 프로펠러 블레이드에 작용하는 힘은 다음과 같다. 이러한 힘 중 일부는 서로 상쇄되도록 배열되어 전반적인 기계적 응력을 줄일 수 있다.archive-date=2014-08-26 ;추력 굽힘 :공기를 뒤로 미는 힘에 대한 반작용으로 블레이드에 작용하는 추력 하중은 블레이드를 앞으로 휘게 한다. 따라서 블레이드는 종종 앞으로 기울어져, 회전의 원심력이 블레이드를 뒤로 휘게 하여 굽힘 효과를 상쇄한다. ;원심 및 공기역학적 비틀림 :비대칭 회전체는 원심 비틀림력을 경험한다. 프로펠러에서는 블레이드를 미세 피치로 비틀려고 한다. 따라서 공기역학적 압력 중심은 일반적으로 기계적 중심선보다 약간 앞으로 배열되어 거친 피치 방향으로 비틀림 모멘트를 생성하고 원심 모멘트를 상쇄한다. 그러나 고속 다이빙 시 공기역학적 힘이 크게 변할 수 있으며 모멘트가 불균형해질 수 있다. ;원심력 :회전 시 블레이드를 허브에서 멀리 당겨내려는 힘. 위에서 설명한 대로 추력 굽힘력을 상쇄하는 데 도움이 되도록 배열될 수 있다. ;돌림힘 굽힘 :블레이드에 저항하는 공기 저항과 관성 효과가 결합되어 프로펠러 블레이드가 회전 방향에서 벗어나 휘어지게 한다. ;진동 :많은 종류의 교란이 블레이드에 진동력을 발생시킨다. 여기에는 블레이드가 날개와 동체에 가깝게 통과할 때의 공기역학적 여기(excitation)가 포함된다. 피스톤 엔진은 돌림힘 충격을 도입하여 블레이드의 진동 모드를 여기시키고 피로 파손을 유발할 수 있다.Nelson, Wilbur C. (1944), Airplane Propeller Principles p.67 가스 터빈 엔진으로 구동될 때는 돌림힘 충격이 존재하지 않는다.
# 가변 피치
가변 피치 프로펠러 (항공) 피치 각도를 변경하는 목적은 비행 전 범위에 걸쳐 프로펠러 블레이드의 최적 받음각을 유지하여 최대 효율을 제공하는 것이다. 이는 연료 소모를 줄인다. 고속에서 프로펠러 효율을 극대화해야만 가능한 최고 속도를 달성할 수 있다.access-date=1 July 2022 대기 속도가 증가함에 따라 유효 받음각은 감소하므로 고속에서는 더 거친 피치가 필요하다. 피치 변화의 필요성은 1931년 슈나이더 트로피 대회에서의 프로펠러 성능으로 나타난다. 사용된 페어리 항공 회사 고정 피치 프로펠러는 이륙 시 부분적으로 실속되었고, 최고 속도 mph에 도달하기까지 mph까지도 실속되었다.archive-date=2018-03-31 매우 넓은 속도 범위는 항공기 성능에 대한 일부 일반적인 요구 사항이 적용되지 않았기 때문에 달성되었다. 최고 속도 효율에 대한 타협이 없었고, 이륙 거리가 가용한 활주로 길이에 제한되지 않았으며, 상승 요구 사항도 없었다.archive-date=2018-04-01 투폴레프 Tu-95에 사용된 가변 피치 블레이드는 예외적으로 거친 피치를 사용하여The Development Of Jet And Turbine Engines", 4th edition, Bill Gunston 2006, Patrick Stephens Limited, , p.66 프로펠러 구동 항공기로는 한때 가능하다고 여겨졌던 최대 속도를 초과하는 속도로 추진한다."Jane's All The World's Aircraft 1982-1983, Jane's Publishing Company Limited, , p.228
## 메커니즘
제2차 세계 대전의 많은 미국 전투기, 폭격기 및 수송기에 사용된 [[해밀턴 스탠더드 프로펠러의 단면도.]] 초기 피치 제어 설정은 조종사가 작동했으며, 미리 설정된 소수의 위치를 사용하거나 연속적으로 가변적이었다. 가장 간단한 메커니즘은 지상에서 조절할 수 있지만 일단 공중에서는 사실상 고정 피치 프로펠러인 지상 조절식 프로펠러이다. 스프링이 장착된 "2단" VP 프로펠러는 이륙 시 미세 피치로 설정된 다음 순항 시 거친 피치로 전환되고, 나머지 비행 동안 거친 피치를 유지한다. 제1차 세계 대전 이후, 최적의 받음각을 유지하기 위해 자동 프로펠러가 개발되었다. 이는 블레이드에 작용하는 구심 비틀림 모멘트와 카운터웨이트 세트를 스프링 및 블레이드에 작용하는 공기역학적 힘과 균형을 이루게 함으로써 이루어졌다. 자동 프로펠러는 간단하고 가볍고 외부 제어가 필요 없다는 장점이 있었지만, 특정 프로펠러의 성능을 항공기 동력 장치의 성능과 일치시키기 어려웠다. 가장 일반적인 가변 피치 프로펠러는 정속 프로펠러이다. 이는 유압식 정속 장치(CSU)에 의해 제어된다. 주어진 동력 제어 설정에 대해 일정한 엔진 속도를 유지하기 위해 블레이드 피치를 자동으로 조절한다. 정속 프로펠러는 조종사가 최대 엔진 동력 또는 최대 효율의 필요에 따라 회전 속도를 설정할 수 있게 하며, 프로펠러 거버너는 선택된 엔진 속도를 유지하기 위해 필요한 대로 프로펠러 피치 각도를 변경하는 폐쇄 루프 제어기 역할을 한다.url-status=dead 대부분의 항공기에서 이 시스템은 유압식이며, 엔진 오일이 유압유 역할을 한다. 그러나 제2차 세계 대전 중에는 전기적으로 제어되는 프로펠러가 개발되어 군용 항공기에 광범위하게 사용되었으며, 최근에는 자작 항공기에서 다시 사용되고 있다. 또 다른 디자인은 자체 동력 및 자체 조절식인 V-프로펠러이다.
## 페더링
TP400 터보프롭 엔진에 있는 페더링된 프로펠러]] 대부분의 가변 피치 프로펠러에서 블레이드는 엔진이 고장 나거나 의도적으로 꺼졌을 때 프로펠러의 회전을 멈추고 항력을 줄이기 위해 공기 흐름과 평행하게 회전할 수 있다. 이를 페더링이라고 하는데, 이는 조정에서 차용한 용어이다. 단발 항공기, 즉 동력 글라이더 또는 터빈 동력 항공기의 경우 글라이딩 거리를 늘리는 효과가 있다. 다발 항공기의 경우 작동하지 않는 엔진의 프로펠러를 페더링하면 항력이 줄어들고, 작동 중인 엔진으로 항공기가 속도와 고도를 유지하는 데 도움이 된다. 페더링은 또한 풍차 작용을 방지하는데, 이는 슬립스트림에 의해 강제로 프로펠러가 회전하여 엔진 구성 요소가 돌아가는 것을 말한다. 풍차 작용은 엔진을 손상시키고 화재를 일으키거나 항공기에 구조적 손상을 줄 수 있다. 왕복 엔진의 대부분의 페더링 시스템은 오일 압력 강하를 감지하고 블레이드를 페더 위치로 이동시키며, 엔진이 유휴 RPM에 도달하기 전에 조종사가 프로펠러 제어를 뒤로 당겨 고피치 정지 핀을 해제하도록 요구한다. 터보프롭 제어 시스템은 일반적으로 감속 기어박스의 *음의 돌림힘 센서*를 사용하여 엔진이 더 이상 프로펠러에 동력을 공급하지 않을 때 블레이드를 페더 위치로 이동시킨다. 설계에 따라 조종사는 버튼을 눌러 고피치 정지 장치를 무시하고 페더링 과정을 완료해야 할 수도 있고, 페더링 과정이 자동으로 이루어질 수도 있다. 우발적인 페더링은 위험하며 스톨을 초래할 수 있다. 예를 들어, 예티 항공 691편 추락 사고는 우발적인 페더링으로 인해 착륙 도중 추락했다.url=https://www.tourism.gov.np/files/1/9N-ANC%20FINAL%20Report.pdf
## 역 피치
역추력 일부 항공기의 프로펠러는 음의 블레이드 피치 각도로 작동하여 프로펠러에서 나오는 추력을 역전시킬 수 있다. 이를 베타 피치라고 한다. 역추력은 착륙 후 항공기의 속도를 줄이는 데 사용되며, 휠 브레이크의 효과가 감소하는 젖은 활주로에 착륙할 때 특히 유리하다. 경우에 따라 역 피치는 항공기가 후진으로 택시 이동할 수 있게 해주는데, 이는 수상 비행기가 협소한 도크에서 빠져나오는 데 특히 유용하다.
# 반회전
반회전 프로펠러 반회전 프로펠러 반회전 프로펠러는 때때로 날개에 엔진이 장착된 쌍발 및 다발 항공기에 사용된다. 이 프로펠러는 돌림힘 및 p-팩터 효과의 균형을 맞추기 위해 다른 날개에 있는 프로펠러와 반대 방향으로 회전한다. 이들은 각각 왼손 및 오른손 버전이 있기 때문에 때때로 "손잡이형" 프로펠러라고 불린다. 일반적으로 대부분의 재래식 쌍발 항공기의 두 엔진에 있는 프로펠러는 시계 방향으로 회전한다(항공기 후방에서 볼 때). 임계 엔진 문제를 해결하기 위해 반회전 프로펠러는 일반적으로 동체 안쪽으로 회전한다. 즉, 왼쪽 엔진은 시계 방향, 오른쪽 엔진은 반시계 방향으로 회전한다. 그러나 제2차 세계 대전 당시의 P-38 라이트닝과 같이 동체 바깥쪽으로 회전하는(왼쪽 엔진은 반시계 방향, 오른쪽 엔진은 시계 방향) 예외도 있으며, 에어버스 A400은 동일한 날개에서도 안쪽 엔진과 바깥쪽 엔진이 반대 방향으로 회전한다.
# 역회전
역회전 프로펠러 역회전 프로펠러 또는 콘트라-프롭은 두 개의 반회전 프로펠러를 동심 구동 샤프트에 배치하여 하나의 프로펠러가 다른 프로펠러의 바로 '하류'에 위치하도록 한다. 이는 단일 동력 장치에 대해 반회전 프로펠러의 이점을 제공한다. 전방 프로펠러는 대부분의 추력을 제공하며, 후방 프로펠러는 프로펠러 슬립스트림 내 공기의 회전 운동에서 손실된 에너지를 회수한다. 역회전은 또한 프로펠러 직경을 늘리지 않고도 주어진 엔진에서 동력을 흡수하는 프로펠러의 능력을 증가시킨다. 그러나 시스템의 추가 비용, 복잡성, 무게 및 소음으로 인해 드물게 가치가 있으며, 궁극적인 성능이 효율성보다 더 중요한 고성능 유형에만 사용된다.