Autogyro / Gyrocopter
Cierva C.30
1. 개요
가장 원시적인 형태의 회전익기로서, 헬리콥터의 선조뻘이다.
최초 개발은 1920년대로서,[1] 한동안은 군용으로도 사용되었고 2차 세계대전 동안 의외로 독일군이 사용하기도 했다.
현대적인 헬리콥터가 등장하기 직전, 대충 2차대전까지는 군에서도 소량 사용해보기도 했다. 독일군에서는 잠수함에 탑재하여 유사시 목표 관측 및 감시용으로 사용했고, 대영제국 공군에서는 Cierva C.30의 군용 버전을 사용했고, 일본제국 해군에서는 카야바 Ka-1과 Ka-2를 대잠용이나 포병 탄착 확인용 등으로 사용했다. 다른 나라에서도 주로 정찰용으로 사용했으나 2차 대전 도중 헬리콥터가 발명되면서 종전 직후 헬리콥터로 모두 대체되었다.
1960년대에는 베트남 전쟁때 조종사 탈출 등을 실험해보고자 X-25 자이로콥터가 만들어지기도 했다. 이후 여러가지 문제점들이 발견되어 결국 폐기되었는데, 도면이 공개되어 있기 때문에 몇몇 항공덕후들이 자체 제작해서 운영하기도 한다.
오토자이로(autogyro)와 자이로콥터(gyrocopter), 자이로플레인(gyroplane)는 같은 용어이다. 명확히 하자면 자이로플레인은 이 형태의 항공기를 가리키는 미국연방항공청(FAA)의 공식 용어다. 자이로콥터는 1950년대에 미국에서 이 형태의 항공기를 크게 성공시킨 이고르 벤슨의 벤슨 에어크래프트 사에서 만든 B-8을 가리키는 상표명이다. 파이프로 만든 초경량에 푸셔형 구조인 이 형태가 현대에 오토자이로 하면 떠올리는 바로 그 형태의 원조 격. 오토자이로는 후안 데 라 시에르바가 1920년대에 최초로 만든 오토자이로(스페인어로는 autogiro)에 붙인 상표명이다.
즉 자이로플레인은 항공청 기준의 범용 명칭, 오토자이로와 자이로콥터도 오랫동안 널리 사용된 명칭이지만 원래는 상표명.
자이로콥터가 로터에 동력을 나눠서 주익을 회전시켜 수직 이착륙이 가능하다는 것은 틀린 설명이며, 동력 로터를 가지고 있는 물건은 극소수에 지나지 않는다.
2. 헬리콥터와의 차이점
1931년에 제작된 오토자이로의 구성요소와 원리, 그리고 이착륙 및 일시적 호버링 등 성능 시연 영상.
오토자이로는 회전익을 사용하는 점은 헬기와 비슷하지만 헬기와 결정적으로 다른 것으로 회전익은 거들 뿐, 실제 동력은 별도의 추진 프로펠러에 의존한다는 것이다. 사실상 머리에 풍차 단 비행기. 즉, 수직이착륙, 수직하강과 상승, 호버링 등등은 못한다![2]
좀 더 쉽게 풀어 말하면,
- 추진용 로터가 회전함으로서 항공기가 전진한다.
- 이때 받는 공기의 힘으로 메인 로터가 돌아가며 양력을 얻는다.[3]
- 그렇게 얻어진 양력으로 하늘에 뜬다.
그러니까 이 회전날개는 동력에 전혀 연결되지 않은, 그냥 풍차다! 물론 이 회전날개로 양력을 받는 거니까 굉장히 중요하지만[4] 헬기 메인 로터가 반드시 갖춰야 하는 로터의 피치 조작 기능이 전혀 없이 각도가 그냥 고정된 물건이다.
덕분에 고정익기 만큼은 아니더라도 활주로도 필요하다. 자세히 알아보기 시작하면 꽤나 골때리는 물건인데, 고정익기와 회전익기의 특징을 동시에 갖고 있으나 헬기로서 보기에는 너무 저성능이고, 고정익기에 비교할 경우 사소한 장점에 비해 불리한 점이 너무 많다…[5]
때문에 현실적으로 현대에 대부분의 오토자이로는 민간 스포츠용으로 사용중이다. 대한민국 특성상 비행기가 뜨고 내릴 공간이 매우 부족해서 오토자이로는 초경량 항공기를 다루는 사람에게 있어서 중요한 기체이다. 우월한 점이 있다면 극단적으로 단순한 구조라서 만들기도 쉽고 가격도 싸면서 유지보수가 비행기나 헬기와는 비교도 할 수 없이 쉽고 저렴하다는 점이 있다. 이 덕택에 민간에서 취미나 개인사업같은 용도로 자체 제작해 쓰는 사람들도 꽤 많다.
해외에서는 간혹 경찰이 쓰는 경우도 있는데, 운영비가 헬리콥터에 비해 매우 저렴하고, 조종이 쉽기 때문에 헬기 한대도 굴리기 힘든 저예산의 경찰서에서 굴리는 경우다.
- 장점
- 고정익기 보다 짧은 거리로 이착륙이 가능하다는 장점이 있다.[6]
- 고정익기 보다 초저속 비행이 가능하다.[7] 사실 에어스피드가 0이 되어도 오토로테이션하며 내려갈 뿐이기 때문에, 사실상 스톨에 걸리지 않는다고 생각해도 된다.
- 저속으로 안전하게 날 수 있기 때문에 지면을 살피는 관광, 수색 등의 저고도 비행에 적합하다. 경치 좋은 지역에서 지면 가까이 날며 두루 살필 수 있다는 점은 민간인의 스포츠 비행 취미에서 꽤 어필하는 요소.
- 회전 반경이 매우 작다. 오토자이로는 거의 제자리에 가까운 짧은 전진 중에 360도 회전할 수도 있다.
- 초보자들이 쉽게 조종을 배울 수 있다. 헬기가 사이클릭과 콜렉티브와 쓰로틀, 페달 조작에 상당히 민감하며 숙련이 요구되는 것에 비하면, 오토자이로는 상당히 쉬운 편에 속한다. 비행안정성도 좋은 편이라 적절하게 속도가 올라 전진하는 상태에서는 그냥 스틱 놔도 별 문제 없이 비행을 유지할 정도.
- 구조가 단순하고 유지비용이 싸다.
- 단점
- 구조상 상승력에 한계가 있고, 그 때문에 탑재량, 기체 중량, 무게등등에 제약이 심하다.
- 헬리콥터와는 달리 호버링, 수직상승, 수직하강, 수직이착륙이 불가능하다.[8]
동력을 회전날개에 전달해 수직이착륙 정도는 가능하게 한 모델도 있으나, 그래도 그것으로 오토자이로의 한계가 원천적으로 극복되는 정도는 아니었다.
반세기 가까이 구시대의 유물로 취급 받았으나, 고유가와 불경기의 시대가 오면서 다시 주목받았다. 주날개와 꼬리날개 모두를 돌려야 하는 헬리콥터에 비해 구조가 훨씬 간단하므로 값이 싼 것이 장점. 그리고 다들 알다시피 헬리콥터는 연비(오토자이로의 경우 시간당 15~17리터)가 장난 아니다.[9] 때문에 한국에서도 레져스포츠용으로 꽤 인기있는 편이고, 경량항공기로 분류되고 있다. 독일이나 미국의 예산이 적은 카운티(郡) 경찰이 항공지원용으로 쓰기도 한다.
단순하고 약해 보이는 외형 때문에 불신을 사는 것에 비해 꽤 안전하다. 엔진이 정지하더라도 천천히 수직 활공해 착륙이 가능하다. 위에서 설명한 Auto-rotation 때문인데, 이는 원래 회전익기의 특징으로 헬리콥터도 가능한 것이다. 오토자이로는 아예 그냥 전적으로 오토로테이션에 의해 날 수 있게 된 비행기이니 동력 비행하는 헬리콥터보다 훨씬 오토로테이션에 의존한다. 덕분에 헬리콥터보다 더 안전하다. 헬리콥터 역시도 처음 교습 과정에서부터 오토로테이션을 배우지만, 주로 동력 비행을 하는 이상 오토로테이션은 일종의 비상 상황에서 '시도'하는 수단이다. 하지만 오토자이로는 원래부터 메인 로터가 동력 없이 오토로테이션으로 안정성을 제공하는 구조다보니 오토로테이션 활공이 일상적인 기술이고, 하기도 쉽다.
오토자이로에서 수직 활공은 일반적인 기술 중 하나로 안전하게 지상에 착륙이 가능하다. 특히 착륙 거리가 짧다는 것이 안전상에 매우 큰 장점이 된다. 오토자이로가 오토로테이션을 이용해서 천천히 하강할 경우 상황에 따라서는 수직하강하는 것처럼 보인다. 오토자이로의 착륙 장면을 보면 활주로 초입에 들어와서도 한참 높은 곳에서 떠 있다가 수직이착륙하듯이 서서히 내려오다가 지면 근처에서 전진 활주하면서 착륙하는 모습을 곧잘 보인다. 마지막 착지 순간까지 오토로테이션으로 수직 착륙하는 것은 맞바람으로 양력이 상당히 있을 때 아니면 별로 권장되진 않고, 단거리라도 활주하는 것이 안전하다. 다만 그냥 기체를 앞으로 기울이면 하강하며 전진 속도를 얻기 때문에, 착지 할 때 아예 동력이 없어도 안전하게 착지하는 것이 가능하다.
오토자이로가 이륙하려면 머리 위의 큰 로터가 양력을 발생시킬 수 있을만큼 충분히 돌아줘야 하는데, 정지 상태에서는 초기 시동했을 때는 회전이 안 걸리기 때문에 옛날에는 손으로 돌려서 회전을 시작하게 만들었다. 지금은 prerotator라는 걸로 엔진에서 끌어온 기계 동력, 유압, 전기 모터 등으로 로터를 돌기 시작하게 해 준다. 보통은 이걸로는 이륙할만한 양력 속도를 내지 못하고 프로펠러로 추력을 발휘해서 본격적으로 로터를 돌리지만, 아주 극히 드물게는 살짝 점프하거나 수직 이륙에 가까운 속도를 낼 수 있는 강력한 프리로테이터를 지닌 기체도 있긴 하다. 하기야 매우 희귀한 것까지 치자면 로터 끝에 제트 엔진을 장착한 오토자이로도 있었으니까.
또한 양력이 발생할 만큼의 동력만 있으면 날아오르기 때문에 엔진 없이 인력으로 비행하게 만들기도 하고 수상기나 비행정처럼 물에 뜨게 만들어서 수상스키마냥 배로 끌어서 이륙시킬 수도 있다. 앞서 언급한 이고르 벤슨은 자이로콥터를 만들기 전에 자이로글라이더라는, 동력이 전혀 없이 그냥 글라이더처럼 하강 비행하는 물건도 만들었었다.
3. 미디어에 등장하는 오토자이로
오토자이로의 원리를 잘 이해하지 못하고 헬리콥터과 동일하게 로터를 돌려 수직이착륙하는 식으로 묘사되는 경우가 의외로 많다.- 건버드의 플레이어블 기체 중에 이것을 직접 제작해 타고 나는 게이 목수 코테츠 할아버지가 있다. 물론 전 스테이지 내내 발로 열심히 밟는다.(…)
게이의 원천에서 나오는 무한근력
- 레이튼 교수와 영원한 디바: 작품 중반에 레이튼 교수, 루크, 제니스가 창고 안의 잡동사니들로 만든다.
- 루팡 3세 칼리오스트로의 성: 루팡 3세 일행을 뒤쫓는 칼리오스트로 백작 일당이 사용한다.
- 매드 맥스 2: 자이로 캡틴(Gyro Captain). 여담으로 3부 비욘드 선더돔에서는 같은 배우(브루스 스펜스)가 "파일럿 제데디야(Jedediah the Pilot)"라는 이름으로 경비행기를 몰고 등장하는데 맥스와 면식이 있는 듯한 언행은 하지 않는 걸로 보아 2부의 자이로 캡틴과는 별개의 인물로 보인다.
- 워크래프트 시리즈의 노움이나 드워프의 비행기. 워크래프트 3 오리지날 당시 이름이 '자이로콥터'였다. 월드 오브 워크래프트에서 플레이어 탈것으로 묘사된 것을 보면 추진을 제트엔진으로 하고 양력을 추력 편향 노즐 및 따로 동력이 들어간 로터로 얻는 구조다.
- 영화 독수리요새(Where Eagles Dare): 나치독일군의 항공기로 등장. 실제로는 당시의 오토자이로를 구할 수 없어 Bell 47 헬기를 대신 사용하였다.
- 파일럿 윙즈: 닌텐도 64 버전인 파일럿 윙즈 64에서 경비행기를 대체해 등장한다. 오토자이로를 직접 몰 수 있는 얼마 없는 비행 시뮬레이션
요즘은 KSP에서도 구현가능하다고 한다. 무한탄창 로켓을 쏠 수 있다.
- 함대 컬렉션: 일본군에서 운용하던 오토자이로인 카호 관측기가 대잠장비로 등장한다. 함대 컬렉션/함재기 항목 참고.
- 화성 연대기: TV 미니시리즈판. 3차 화성 탐사대가 오토자이로를 몇 대 우주선에 싣고 와서는 화성 탐사에 이용한다.
- 카와구치 카이지의 만화 지팡구에서는 2차대전 당시로 타임슬립한 자위대 이지스함 '미라이'에 탑재된 헬리콥터를 보고, 구 일본 해군 장교들이 "저 괴상한 오토자이로는 무엇인가?"라고 말하는 장면이 있다.
그리고 오토자이로가 불가능한 전투헬기의 공중기동과 전투능력을 보고 또 놀란다
- 크레용 신짱 극장판 폭풍을 부르는 정글의 파라다이스 킹이 타고다니는 핫핑크 도색 개인항공기로 등장. 다량의 다이너마이트가 실려있어 폭격이 가능하다.[11]
[1] 1923년에 개발되었으며, 발명가는 스페인의 후안 데 라 시에르바(Juan de la Cierva). 특히 이 양반이 오토자이로의 로터로 인하여 생기는 각종 문제점을 거의 다 해결해 놨는데(주로 로터 뿌리 부분에 있는 각종 관절(hinge)구조와 로터의 회전면을 기울이는 장치 등), 그 해결 방안은 훗날 헬리콥터가 고스란이 물려 받는다. 그래서 시에르바는 오토자이로의 발명가이자 헬리콥터 발명의 대표적인 선구자이기도 하다.[2] 상황에 따라 일시적으로 가능은 하다. 위 1931년도 영상에 호버링 하는 모습이 나오는데, 이것은 강한 맞바람 때문이다. 사실 맞바람을 이용한 호버링에 가까운 비행이나 초단거리 착륙은 현대에도 SuperSTOL 같은 단거리 이착륙성을 중시한 부시플레인 계열 프로펠러기도 할 수 있는 묘기.[3] 전문용어로 Auto-rotation(자동회전)이라고 부른다. 초소형 오토자이로는 이륙시에 사람이 직접 손으로 메인로터의 회전을 돕기도 하고, 몇몇 오토자이로는 이륙거리를 줄이기 위해 헬리콥터마냥 엔진으로 rpm을 어느정도 올려놓고 클러치를 뗀다. 클러치를 떼지 않고 이륙시 바로 사고.[4] 보기엔 좀 허술해 보여도 중요도만 따지면 헬리콥터의 메인 로터나 비행기의 날개만큼 중요한 물건이니 절대 대충 만드는거 아니다.[5] 그나마 실험기 중에는 속도만이라도 고정익기의 속도를 따라잡는 것을 목표로 개발중인 기체도 있으나 2013년 초반까지는 성공한 기체가 전무하다.[6] 이륙거리: 30m~100m, 착륙거리: 3m~10m[7] 초저속 최소 40km, 가장 느린 초경량 비행기도 글라이더가 아닌 동력 비행기인 이상 저속이 100~80km 안팎이다. 역풍불면 후진하는 비행기는 일단 논외로 하자[8] 고정익기와 비교하면 매우 저속으로 비행, 단거리 이착륙이지만 헬리콥터하고 비교하면 특징도 아닌 셈.[9] 헬리콥터 중에서는 가장 작고 연비가 좋은 편인 R-22가 75리터 정도로 2시간 난다. 한국에서 시간당 수십만원의 연료비를 쓴다.[10] 조립식으로 제임스 본드가 Q에게 공수받아서 사용하며, Bell 47 무장 헬리콥터 4대를 관광보낼 정도로 무장을 탑재했는데도 빠르다.(…) 괜히 Q가 아니다![11] 작중 후반 파라다이스 킹이 발키리의 기행을 흥얼거리며 다이너마이트를 폭격하여 크루즈선을 침몰시키려한다.