1. 개요
틸트로터(Tiltrotor)는 헬리콥터의 변형으로서 개발된, 로터 블레이드의 회전축과 면을 직접 기울여 수직 상태에서는 헬리콥터처럼 수직이착륙을, 수평 상태에서는 고정익기처럼 고속 비행을 할 수 있도록 만든 추진 방식이다.개발 초기에는 일단 헬리콥터의 일종으로 분류했었으나, 근래에는 전환식 비행기(convertiplane)라는 새로운 카테고리로 구분하여 파워드 리프트에 포함시키고 있다.[1]
2. 개발 과정
항공기의 발달과 함께 활주로를 필요로 하지 않고 이착륙이 가능한 항공기에 대한 수요는 언제나 존재했다. 이는 헬리콥터가 실용화 되면서 어느 정도 충족되었지만 헬리콥터는 구조적으로 고정익기보다 속도가 느렸다.[2] 때문에 수직이착륙이 되면서 고정익기처럼 빠른 항공기를 만들려다 보니 크게 두 가지 아이디어가 가능성을 나타났는데, 그 중 첫번째가 단순하게 이전보다 더욱 강한 엔진을 장착해 어떻게든 빠른 헬기를 만드는 것이었고, 두 번째가 '수직 이착륙이 가능한 고정익기를 개발'이다. 두 번째 아이디어의 실현 방법 중 하나로 헬기의 이착륙 체계를 고정익기의 추진 체계와 결합하는 방식이 고안되면서 틸트로터가 실용화된다.3. 작동원리
수직이착륙의 경우에는 로터 회전면을 수직으로 보내어 탠덤로터처럼 사용한다. 일반적인 헬리콥터는 토크 때문에 메인로터 회전 방향 반대로 헬기가 회전하려 하고, 이를 막기 위해 테일로터가 존재한다. 그러나 현존하는 틸트로터기들은 엔진을 두 개 장착해 양측의 로터가 탠덤로터로서 서로의 토크를 상쇄하는 방식으로 해결한다. 이렇게 헬리콥터처럼 이륙한 뒤에는 전진 비행을 하며 비행속도를 늘린 뒤, 로터 회전면을 서서히 수평방향으로 바꾸고, 그러면서 마침내 고정익기처럼 고속 수평비행을 하게 된다.일단 원리는 참 쉬워보인다. 하지만 실제로 이를 구현하려다 보니 기술적인 문제가 많이 발생하였고, 때문에 최초의 틸트로터인 V-22는 개발중에 각종 사고가 겹쳐(이 중에는 정비사가 배선을 잘못 연결한다던가 하는 식의 어이없는 사고도 있었다) 개발 인원들 다수가 사망하기도 했다.[3] V-22는 1989년에 첫 비행을 하였으나 실전배치가 된 것은 2007년이 되어서였고,[4] 개발기간 동안 4건의 추락사고로 30명이 희생되는가 하면 실전배치 이후인 2010년 4월에도 추락사고를 당하여 사망 4명, 부상 16명의 피해를 기록했다.
틸트로터와 비슷한 원리로 연구되어 온 프로젝트로는 엔진이 날개에 고정되어 있되 날개의 각도가 바뀌는 틸트윙(Tiltwing), 제트 엔진의 방향을 바꾸는 틸트제트(Tiltjet) 같은 것이 있다. 하지만 틸트윙은 엔진만 돌리면 될 걸 굳이 날개 전체를 돌릴 합당한 이유가 없고 틸트로터에 비해 성능상의 이점이 크지 않아서 버려졌고, 틸트제트는 틸트로터나 틸트윙에 비해 고속화가 좀 더 용이하나[5] 양력을 이용하는 것에 비해 연료 효율과 성능비가 너무나도 떨어지는 문제가 있어 버려졌다.
4. 장점
- 헬리콥터에 비해 순항속도가 높다. 위에서 이야기한대로 헬기의 고속비행은 기술적으로 어려움이 많은데, 고정익기처럼 비행하게 되면 순항속도는 460km/h, 최고속도는 560km/h 정도로 헬리콥터에 비해 월등히 빠르고, 진짜 터보프롭 고정익기와 비슷한 수준이다.[6]
- 최대상승고도가 높다. 이 역시 헬기보다는 고정익기가 유리한 것으로, 일단 헬기의 특성은 여러 가지로 저고도에서의 임무에 유리하기 때문에 처음부터 수만 피트 고도로 올라가도록 제작되지 않는 경우가 많다. 대체로 엔진 특성도 중~저고도에서 효율이 높고, 엔진 성능이 받쳐주는 헬기들은 대략 15000피트(대략 4500미터) 정도 올라간다. 그러나 V-22는 그보다 높이 비행할 수 있고[7] 그 정도 고도에서도 탑재량이 9,070kg 가량 된다. 헬기중에도 아에로스페살 라마(알로엣 기종의 개량형)은 무려 40000피트(12442미터)까지 상승한 사례가 있지만 이는 매우 이례적인 경우다. 게다가 저 기록을 세운 라마기도 저 고도에 도달 한 뒤 엔진에서 화염이 솟구쳐 나와 불타는 바람에(...) 비상착륙해야 했다.
- 헬리콥터에 비해 이동 반경이 크다. 속도와 고도를 더 높일 수 있는데다 로터를 돌려서 양력을 얻을 필요 없이 고정익으로 양력을 얻으므로 순항할 때의 연료 효율이 같은 급의 헬리콥터보다 더 높을 수밖에 없다.
- 테일로터가 아예 필요없기 때문에 테일로터식 헬리콥터를 운용할 때 일어날 수 있는 각종사고, 특히 인명사고의 위험을 제거할 수 있다.
5. 단점
- 틸트로터 추진장치는 헬리콥터의 것보다 크고 복잡하다. 크기와 공허중량에 비해 적은 탑재량 및 운용의 복잡성 때문에 미 육군은 V-22를 채택하지 않았다.[8] 뿐만 아니라 틸트로터는 일반적인 헬리콥터와 달리 로터 블레이드만 단독으로 기울이는 것이 불가능하기 때문에 듀얼로터 틸트로터는 CH-47과 달리 측면비행을 할 수 없다.
- 로터를 기울이는 과정에서 발생하는 반작용 토크를 제어하기 어렵다. 뿐만 아니라 로터가 회전중심보다는 멀리 떨어져있기 때문에 모드전환을 할 때 로터 공력중심의 위치까지 바뀐다.
- 당연히 구조가 더 복잡해지는 만큼 동급 헬리콥터보다 훨씬 비싸다. 헬기는 비슷한 급의 고정익기 보다 구조가 더 복잡한 경우가 많기 때문에 가격이 더 높다. 그런데 그보다도 훨씬 비싼 것이다. 즉, 고정익 <<<<<< 헬기 <<<<<< 틸트로터 순으로 가격이 오르는 것이다. 대표적으로 V-22의 경우 비싼 헬리콥터로 유명한 AW-101과 엇비슷한 가격을 자랑한다. 이는 틸트로터의 대중화에 있어서 가장 큰 벽이다
- 탑재량은 헬리콥터보다 적은 편이다. V-22는 6,150마력 터보샤프트 엔진을 2대 탑재하며 공중량 15,032kg, 적재량 9,070kg인데 반해 탠덤로터인 CH-47은 3,750마력 터보샤프트 엔진 2대를 탑재하면서 공중량 10,185kg, 적재량 12,700kg이며, CH-53E의 경우는 4,380마력 터보샤프트 엔진 3대를 탑재하며 공중량 15,071kg, 적재량 13,600kg이다. 단 이것은 내부 최대 적재량의 이야기이고, 외부 적재량의 경우 V-22는 6,800kg이 한계이다. 즉 출력대비 탑재량 및 기체중량대비 탑재량 모두 헬리콥터보다는 떨어진다.[9]
- 호버링 및 이착륙 성능이 일반 헬리콥터보다 나쁘며 이로 인해 조종이 매우 어렵다. 일단 이착륙 모드로 전환하면서 엔진을 돌려야 하기 때문에 일반 헬기보다 시간이 걸리는 문제도 있으며 바로 위에서 언급한 것처럼 로터 자체가 헬리콥터보다 양력을 덜 발생시키기 때문에 속도가 느려지는 것은 물론 이착륙할 때 더 조심스럽게 움직여야 한다. 특히 착륙할 때 하강 속도 제한이 심해서 헬기와 같은 감각으로 운용하면 추락할 수 있다.[10]
- 로터와 엔진이 좌우 양 끝에 2개 붙으면서 불리한 점이 생길 수 있다. 예를 들어 로터 둘이 샤프트로 연결된 구조가 아닐 경우[11] 엔진 하나가 이상이 생기면 낙하 충격을 줄이기 위한 마지막 발악조차 불가능하다. 좌우 길이 때문에 같은 급의 헬기에 비해 시가지 같은 장애물이 많은 곳에서 활용하기 더 어려워진다. 특히 군사 용도에서 낮은 고도로 활용할 때는 피탄 면적의 증가와 바이탈 파트의 분산이 치명적인 약점으로 작용할 수 있다.[12] 거기에 정비성이 나빠지는건 덤.
- 속도와 적재량 모두 애매하다. 헬리콥터보다는 빠르지만, 프롭기보다는 느린 탓에 합동 작전을 할 때 대형을 갖추기 힘들다는 평가가 있다. V-22는 긴 항속거리와 빠른 최대속력 때문에, 호위용 공격헬기들이 이를 따라잡지 못해 작전에 차질이 생기거나, 아예 단독 작전으로 변경해야 한다는 난점이 존재한다. 반대로 고정익기가 호위기로 붙자니 V-22의 엔진을 혹사시켜야 한다는 문제가 생긴다.
6. 틸트로터의 대항마?
이렇듯 원래 헬리콥터의 장점과 고정익기의 장점을 동시에 갖추려던 틸트로터기는 가격과 유지보수 면에서 메리트를 잃었는데, 그러는 중에 헬리콥터를 빨리 날리려는 시도가 어느 정도 성공을 거두고 있다. 미군이 앞으로 4000여대의 헬리콥터를 대체하기 위해서 추진중인 JMR 사업을 진행하면서 고속 헬리콥터 모델이 여러 가지 나왔는데, 그중 시코르스키사의 S-97이 실용화가 거의 눈앞에 왔다. 이 기종은 동축반전로터를 이용해 후퇴깃 실속현상과 토크를 동시에 해결하고, 기체 뒷쪽에 추진용 프로펠러를 장착해서 순항속도가 220노트, 최대 속도가 240노트에 도달했다. 이는 링스의 최대 속도를 아득히 능가하는 수준으로, 웬만한 고정익 단발기의 최대속도에 가까운 수준이다.그러나 V-280에 밀려 JMR사업에서 탈락함으로써 의미없는 얘기가 되어버렸다. 동축반전로터를 사용했지만 틸트로터에 결국 항속거리와 최고속력 둘다 밀렸다.
7. 틸트로터를 채택한 항공기
- TR-100 - 한국항공우주연구원에서 개발한 민간용 무인 틸트로터로 일명 스마트 무인기로 불리기도 한다. TR-100을 기반으로 군용으로 뒤이어 나온 무인 틸트로터가 TR-60. 2011년부터 2013년에 걸쳐, 두 기종 공히 시범 비행에서 계획된 수준의 기동 성능을 보였으나 사업화(양산)로 이어지진 않았다. 원천 기술은 항우연이 보유하고 있다.[15]
- Project Heaviside - 위와 같이 전기동력 개인항공기로 개발중인 민간 틸트로터.
8. 대중매체 속 틸트로터
8.1. 게임
- 레지스탕스 시리즈의 U/AV-17 호크, P-1117 킹피셔.
- 에어리어 88 게임판의 스테이지 5 보스로도 등장.
- 폴아웃 시리즈의 버티버드 - 전쟁 전 개발된 틸트윙 방식의 수직이착륙기로 정식 양산은 2085년이지만 핵전쟁 당시인 2077년도에도 소수 선배치는 된 것처럼 보인다. 시리즈 순서상 첫 등장은 폴아웃2의 엔클레이브가 가지고 있는 녀석이며, 수송용 헬리콥터 주제에 개틀링, 미사일 런처에다가 소형 핵까지 사용하는 화력덕후의 모습을 보여준다. 거기다 엔클레이브는 세계가 날아간 마당에 이놈들을 ''직접 생산해서 띄운다!'' 엔클레이브 파워 아머와 함께 엔클레이브의 과학기술력을 상징하는 존재였다. 하지만 주인공 하지만 3편 엔딩 기준으로 동부 엔클레이브까지 날아가 버리고 그걸 동부 BoS가 버티버드 기술을 습득했으며, 뉴 베가스에서는 NCR 소속의 버티버드가 등장하면서 더이상 하늘은 엔클레이브만의 것이 아니게 되었다. 이후 4편에서 동부 BoS는 정식적으로 운용하여 랜서(기동대, Lancer)란 파일럿 계급이 생겼다.
그렇다고 여기서도 주인공에게 경험치셔틀이란건 변함없다
- 스타크래프트 2 - 의료선이 틸트로터의 제트 엔진 버전인 틸트제트를 사용한다. 멈춰있을 때는 그대로 있지만, 병력을 내릴 때 엔진이 밑을 향한다. 엄밀히 말하면 틸트제트인 만큼 TVC를 적용한 고정익 수직이착륙기에 가깝다 할 수 있으나 틸트로터기가 참고되었음을 짐작할 수 있다. -
사실 애초에 틸트로터가 터브프롭버전 TVC다-
- 톰 클랜시의 엔드워 - 미합중국 통합 타격군 진영에서 V-22의 발전형인 V-25 고스호크와 벨사와 보잉사 합작의 쿼드 틸트로터 방식 전술수송기인 QTR 의 발전형인 V-120 발키리를 각각 병력 수송용과 전술 수송기로 사용한다.
- 콜 오브 듀티: 블랙 옵스 2 - 싱글 캠페인 미래 파트에 등장하는
등장 세력 거의 모두 사용하는군용과 Colossus에서 등장하는 민간용 여객기, 멀티플레이 킬스트릭으로 등장하는 군용의 건쉽 버전.
- 소울워커 - 설정상 제6구역과 루인포트리스 사이를 이동할 때 사용하는 것으로 보인다. 제6구역과 루인포트리스 출입구에 주기되어 있다.
- 타임 크라이시스 시리즈 중 하나인 타임 크라이시스 3에서 1 스테이지의 보스로 V-22처럼 생긴 기체를 타고 나온다. 주익에 로켓 포드와 개틀링 기관총이 노즈 터렛으로 달려있고 동체 측면에 AC-130스럽게 기관총도 달려있으며 조종사는 자고리어스 연방의 빅터 잔(Victor Zahn)이라는 남자다.
- Grand Theft Auto Online의 어벤져 - V-22 오스프리 베이스 2017년 12/12일 '심판의 날 습격'(The Doomsday Heist) 업데이트를 통해 '어벤져'라는 이름으로 추가되었다. 개인 항공수단이 아닌 이동식 작전 본부다. 무식한 내구성과 합동 플레이 시 무지막지한 화력을 보인다. 수직이착륙 모드일 경우 자동조종 기능을 활성화시켜 짐칸에서 총알을 사거나 포탑을 사용할 수도 있다.
8.2. 애니메이션
- 신세기 에반게리온의 VTOL - 정식 명칭은 YAGR-3B인 듯하다. 틸트로터의 제트 엔진 버전인 틸트제트로 비행하며 주 무장은 AH-64가 운용하는 히드라 로켓 또는 헬파이어 미사일인 듯하다. 작중의 UN, NERV, 전략자위대 등에서 널리 운용하는 군용기로,
1화에서부터 사도에게 자주 박살나는전투용 및 요인운송용 등 다목적으로 널리 쓰이는 것 같다.
- 공각기동대 SAC에서 공안 9과의 주력 항공기로 틸트윙 수송기가 등장하는데, 타치코마를 2대 수용한다. 그러나 2nd GIG 21화에서 난민의 자폭테러에 의해 파괴되어 더 이상 등장하지 않는다.
- 종말의 세라프에서 일본제귀군의 수송기로 널리 쓰이고 있다.
- 포켓몬스터 썬&문 애니판에서는 평소에는 릴리에가 살던 대저택의 마당 밑에 위치한 비밀 격납고에 보관되어 있다가 릴리에가 에테르파라다이스로 갈 때 격납고에서 꺼내서 쓴다. 프로펠러 방식인 틸트로터 항공기들과 다르게 제트엔진 방식의 틸트로터 항공기다.
- 루팡 3세 PART 5 2화서는 루팡 일행들이 경찰들이 가득한 공항을 탈출하기 위해 활주로 끝에 있는 격납고로 가서 격납고에 보관되어 있는 틸트로터 항공기를 타고 공항에서 탈출한다. 기종은 아구스타-웨스트랜드 AW609. 여담으로 틸트로터 항공기의 별도의 동력원을 충전할 때 격납고 안까지 몰고 온 전기자동차(기종은 테슬라의 흰색상의 2012년형 테슬라 모델 S 전기형 모델)을 이용해 충전시켰다.
- 출동! 슈퍼윙스 시즌 3에서 경찰팀으로 나오는 배형사가 틸트로터 항공기다. 전통적인 슈퍼윙스 캐릭터들과 다르게 로봇으로 변신하지는 않고 로터만 돌아간다. V-22와 매우 비슷하게 생겼다. #
8.3. 영화
- 레지던트 이블 4: 끝나지 않은 전쟁 - 알버트 웨스커가 엘리스가 엄브렐러 코퍼레이션의 도쿄지부를 공격하자 다른 사람들은 내버려 두고 자기 혼자 도망갈 때 쓴다. 그리고 확인 사살차 아주 크고 아름다운 빛을 내는 것을 터뜨리면서 유유히 사라진다.
- 명탐정 코난: 순흑의 악몽 - 검은 조직이 V-22를 구해 와서 관람차에 기총을 퍼붓다 아카이 슈이치한테 리타이어당한다.
9. 관련 문서
| 항공기의 날개 분류 | ||
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| 평면 형태 구분 | 평익 · 타원익 · 테이퍼익 · 전진익 · 후퇴익 · 델타익 · 원형익 | |
| 단면 형태 구분 | 날개골 | |
| 작동 방식 | 고정익 · 가변익(경사익) · 회전익(동축반전로터 · 탠덤로터 · 테일로터 · 틸트로터) · 오니솝터 | |
| 개수 구분 | 고정익 단엽익 · 복엽익 · 다엽익 | |
회전익 멀티콥터 · 쿼드콥터 | ||
| 기능 구분 | 주익 · 미익(회전익의 경우 테일로터) | |
주·미익 일체형 전익(동체익기 · 리프팅 바디) | ||
| 기타 | 러더 · 플랩 · 엘리베이터 · 윙렛 · 카나드 · 스피드 브레이크 | |
| ※참고: 날개 / 항공기 관련 정보 | ||
[1] 파워드 리프트는 양력을 고정익으로부터 얻고 그것과는 별개로 엔진의 힘을 응용해 수직이착륙을 구현하는 방식을 의미한다. 틸트로터의 경우 헬리콥터처럼 로터가 양력과 추력을 다 만들 수 있지만 고정익을 사용하는 특성이 더 인상적이기 때문에 결국 이쪽으로 분류하게 된 모양.[2] 몇 가지 이유가 복합적으로 작용하는데, 그중 대표적인 것으로 고속에서의 양력 불균형과 이로 인한 리트리팅 블레이드 스톨이 있다. 헬리콥터는 고속이 될수록 로터 블레이드 중에서 전진 방향으로 회전하는 날개의 상대적인 속도와 양력이 강해진다. 헬리콥터 속도 + 로터 블레이드 회전속도가 되기 때문이다. 그런데 반대쪽 날개는 로터 블레이드 회전 속도 - 헬리콥터 속도이기 때문에 양력의 불균형이 일어난다. 이를 막기 위해 헬리콥터는 전진 방향 로터의 피치 각도를 줄이고 반대쪽은 피치 각도를 높여서 양력을 최대한 동등하게 주게 되는데, 그래도 속도가 너무 올라가면 후퇴하는 방향의 로터는 아예 양력을 잃고 실속 상태가 된다. 이를 후퇴깃 실속현상(Retreating blade stall)이라고 부르는 것이다. 사실 이 정도 알기 시작했으면 헬기 조종사가 배우는 교과 과정으로 들어간 것이다(...).[3] 이 때문에 과부제조기라는 별명이 붙기도 했지만 지금은 괜찮다고 알려져 있다.[4] 그래서 V-22는 1990년대 항공기 관련 학습만화에도 종종 등장한다.[5] 실제로 제작되었던 틸트제트 시험기 중에는 EWR VJ 101, Bell사의 D-188(XF-109) 등과 같은 초음속기도 있었다.[6] 이 속도기록은 신메이와 US-2나 노스롭 그루먼 C-2에 필적하는 수준이다.[7] 참고로 1만 피트 이상으로만 올라가도 공기중 산소농도가 희박해지기 때문에 저산소증을 염려해야 한다. 즉, 산소마스크나 여압객실이 필수다.[8] 그러나 V-22를 채택한 미 해병대와 다르게 틸트로터 V-280은 미 육군에서 도입을 고려하고 있다.[9] 틸트로터라는 것을 그대로 현재 기술로 담아내는 데는 어쩔 수 없는 결과이다. 첫 번째 사진의 로터를 자세히 볼 경우, 헬리콥터의 로터와 형상이 다르다는 것을 알 수 있다. 회전축 방향으로 전진(여기서는 상승 또는 하강)을 거의 하지 않거나 비행기의 경우보다 느린 헬리콥터와 같은 경우는 로터의 날개가 거의 고른 양력이 분포가 되도록 납작하게 된다. 하지만, 회전축 방향으로 전진해야 한다면, 그것도 일반비행기만큼 빠른 속도로 효율적으로 전진해야 한다면 회전날개가 모두 같은 각도(받음각)로 공기를 받도록 하기 위해서 일반 프로펠러나 첫 번째 사진의 V-22처럼 휘어져야 한다. 이런 회전날개의 휘어진 정도를 피치라고 한다. 즉, 수평비행을 위한 추진력을 얻기 위한 어쩔 수 없는 조치이므로, 수직이착륙을 위한 추진력부족은 당연한 결과이다. 더군다나 틸트를 위한 시스템까지 더해진 덕분에 보통 탑재량으로 돌아갔었을 중량도 자체중량으로 가버렸으니... 이 때문에 미 해군에서 V-22를 급유기로 써먹자고 할 때도 반대파는 적재량을 이유로 들었다. 물론 찬성파도 F/A-18이 급유기 알바를 뛰는 사정이니 이착함 부담이라도 없는 오스프리를 써먹는 게 더 낫다는 취지로 찬성하는 편.[10] 한때 과부제조기로 악명을 떨쳤던 V-22의 추락 사고 원인으로도 이 경우가 지적되었다고 한다.[11] V-22처럼 억지로 이을 수는 있는데 구조가 복잡하고 중량이 늘며 비용 부담도 커진다.[12] 이 때문에 미 해병대가 전선에서 V-22를 제대로 사용하지 못했다.[13] 아구스타 웨스트랜드는 모회사였던 핀메카니카와 함께 레오나르도로 흡수합병되었다. 브랜드명 자체도 없어져서 기존 아구스타웨스트랜드에서 생산되던 헬기는 전부 레오나르도 AW라는 모델명을 가지게 됐다.[14] Bell과 공동개발했기 때문에 초기에는 BA609라고 불렸다. 이후 벨이 아래의 V-280에 집중하고 아구스타가 전면에 나서게되면서 모델명이 변경되었다. 그렇다고 벨이 개발에 완전히 빠져나간 것은 아니다. 판권을 아구스타가 100% 인수했을 뿐이다.[15] 항우연은 TR-60/100과는 별도로 틸트로터 방식의 OPPAV(미래형 유무인 겸용 개인항공기)도 개발 중이다. https://youtu.be/KPj_LTjUyhM