프로펠러 토크(torque) 현상-1: 토크 반작용

 

프로펠러로 추진력을 얻는 비행기는 한쪽 방향(주로 조종석에서 봤을 때 시계방향)으로 돌아가는 프로펠러의 특성 상 여러가지 물리적인 특징들이 나타나게 됩니다. 그 중 대표적인 특징들을 나열하면 아래와 같습니다.

 

1. 토크 반작용(torque reaction)
2. 나선 후류 효과(corkscrew effect, spiraling slipstream)
3. 자이로 선행성(gyroscopic action, gyroscopic presession)
4. 비대칭 추력(asymmetric load, p-factor)

이러한 특징들 때문에 비행기는 롤링(rolling) 또는 요잉(yawing) 하면서, 전반적으로 기체가 좌회두(left turning tendancy) 하게되는 경향이 생기게 되는데, 이것을 조종사 용어로 "토크(torque)" 현상이라고 합니다.

 

 

(출처: AC 61-21A, p33)

 

토크현상은 실제로 비행기 조종에 상당하게 영향을 미치며, 이를 미처 예상하지 못하고 적절하게 대응하지 못 한다면 큰 사고로 이어질 수 있습니다. 괜히 비행교관들이 Right ruduer!, Right ruduer! 하는게 아닙니다. 진짜로 사고납니다. 아래 영상처럼요.

 

 

 

 

위 영상을 보면, 초반에 착륙중 비행기 기수가 슬금슬금 좌회두 하는 토크 현상이 나타나는 것을 볼 수 있는데요, 그런데 조종사가 너무 늦게 눈치채는 바람에 갑작스럽게 강한 right rudder 조작을 하여 비행기는 활주로를 overshoot하고 반대방향으로 이탈해 버리는 사고가 납니다.

 

그럼 토크현상은 대체 왜 나타나게되는 걸까요? 지금부터 하나씩 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

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1. 토크 반작용(torque reaction)

토크 반작용은 뉴턴의 제3 운동법칙인, 작용이 있는 곳엔 반드시 반작용이 있다는 것을 보여주는 좋은 예입니다. 즉, 비행기 기준으로 프로펠러를 돌리는 힘(토크)이 작용 하면, 프로펠러 기준에서는 똑같은 크기로 반대로 비행기를 돌리는 반작용 힘을 일으킵니다. 그러므로 프로펠러가 돌고 있을 때 토크 반작용으로 인해 기체는 프로펠러 회전 방향과 반대방향으로 롤링(rolling)운동을 하는 힘을 받게 되는데요, 통상적으로 프로펠러는 조종석에서 바라보았을 때 시계방향으로 돌기 때문에 기체가 받는 토크 반작용은 반시계 방향으로 나타나게 됩니다.

 

결국 기본적으로 토크 반작용의 크기는 엔진의 힘에 의해 좌우 되는데요,

 

 

위 영상은 토크 반작용이 어떻게 작용하는지 실제로 보여주는 예 입니다. 뜬금없이 왜 트럭인가 싶을 텐데요, 토크 반작용이 걸리는 모습을 눈으로 직접 볼 수 있어서 가져와 봤습니다. 영상에서 나오는 트럭들이 워낙 강력한 엔진이 장착되어 있어서 가속할 때 토크반작용으로 한 쪽 바퀴가 들썩이는 것을 종종 볼 수 있습니다. 다만 영상에 나오는 트럭들은 엔진샤프트 회전 방향이 비행기 프로펠러와 달라서 토크 반작용이 반대로 걸리는 것에 유의하기 바랍니다.

 

 

 

마찬가지로 비행기도 지상에서 토크 반작용이 걸리면 한 쪽 바퀴에 무게가 실리게 됩니다. 그래서 무게가 실린쪽의 바퀴에 지면과의 마찰력이 크게 걸려, 지상이동 시 비행기는 무게가 실린쪽으로 회두하게 됩니다. 비행기의 경우 조종석 기준으로 프로펠러가 시계방향으로 돌기 때문에 왼쪽 바퀴에 더 많은 무게가 걸리게 되고, 따라서 왼쪽 바퀴에 걸리는 더 큰 마찰력에 의해 지상이동 시 왼쪽으로 회두(좌회두)하려는 경향이 발생합니다. 그러므로 이와같은 토크 반작용으로 인해 비행기는 이륙 활주 중에도 좌회두 하려는 경향이 있음으로 반드시 이를 상쇄하기 위해 적절한 "Right Rudder"를 사용해야 합니다.

 

그럼 공중에서는?

 

당연히 비행기는 왼쪽으로 기울며 롤링하게 됩니다. 그리고 기체 크기에 비해 엄청나게 강한 토크를 내는 힘좋은 엔진을 장착한 비행기라면, 토크 반작용도 엄청나게 강하기 때문에(작용 반작용 법칙) 비행기를 조종하기 어려울 정도의 롤링이 발생할 수 있습니다. 일례로 과거 함상 전투기였던 F4U 커세어(Corsair)가 이 문제로 악명이 높았습니다. 전투기라 기체는 크지 않은데 너무 강력한 엔진을 장착한 나머지 이 토크 반작용 때문에 발생하는 롤링을 컨트롤 하기가 매우 까다로웠습니다. 특히 착함도중 복행하기위해 본능적으로 갑자기 확! 스로틀을 풀로 열어버리기라고 한다면,

 

The sudden torque unleashed from the fighter's powerful R-2800 engine and its 13-foot,4-inch propeller would exacerbate the bank to the left, promptly flipping the aircraft onto its back just feet above the waves.
( 강력한 R-2800 엔진과 13피트 4인치짜리 프로펠러에서 발생한 갑작스러운 토크는 좌측 기울어짐(뱅크)을 더욱 심화시켜, 항공기를 파도 위 몇 피트밖에 되지 않는 높이에서 순식간에 뒤집히게 만들었다.)

- Lieutenant Commander Sam Porter
증언 내용 중 일부 발췌,

출처: Smithsonian magazine

 

 

착륙도중 뒤집히고(left rolling) 있는 F4U (출처: Smithsonian magazine)

 

그렇습니다. F4U의 또다른 별명이 "Ensign Eliminator", 초임 조종장교(소위) 제거기...;;

 

여기서 얻을 수 있는 교훈 하나, 절대로 엔진 조작은 절대로 급격하게 해서는 절대 안된다는 거.  

 

어째든 이와같이 토그 반작용은 엔진의 크기와 마력, 그리고 프로펠러의 크기와 회전수, 그리고 그러한 엔진과 프로펠러에 대한 기체의 상대적인 크기에 영향을 받습니다. 그리고 지상에서는 노면 상태에도 영향을 받게될 것입니다.

 

출처: PHAK(2023) p5-31

 

 

이러한 프로펠러 토크 반작용에 의한 롤(roll) 현상을 최소화하기 위해, 일부 오래된 항공기들의 경우 아래로 기울어지는 쪽 날개에 더 많은 양력이 생기게끔 조정하고, 현대 항공기들은 엔진 offset 설계를 적용합니다. 그리고 이러한 날개의 양력 조정 또는 엔진 offset은 통상 비행중 고정적으로 영향을 주는 방법임으로 전체 비행단계 중 가장 많은 부분을 차지하는 순항단계의 속도, 즉 순항속도(Cruising speed)에서 발생하는 토크 반작용에 맞추어 적용됩니다.

 

오른쪽으로 offset 된 엔진의 모습(출처: imgur)

(출처: imgur)

 

근데, 날개 양력 조정으로 롤을 막는 건 대충 알겠는데, 엔진 축을 오른쪽으로 비스듬히 offset 시킨 것이 어떻게 롤을 막을까요?

 

아무리 찾아보아도 저도 그 원리를 도통 알수가 없었습니다.;;(혹시 아시는 분은 댓글로 알려주세요), 일단 짐작가는 바는 있으나 어디까지나 뇌피셜임으로 여기서는 논하지 않고 따로 관련글을 작성하도록 하겠습니다.

 

여튼, 프로펠러 토크 반작용에 의한 롤(roll) 현상을 최소화하기 위한 또다른 방법으로 보조익(aileron)에 트림 탭(trim tab)이 설치된 비행기의 경우 이를 사용하는 방법이 있습니다. 비행중 날개의 수평을 맞추는 보조익 트림 탭을 사용하면 비행속도가 변화하여 토크 반작용의 크기가 변화하더라도 거기에 맞게 조절하여 토크 반작용에 의한 롤 힘을 상쇄하고 수평상태를 만들 수 있습니다. 

 

Aileron trim tab(출처: 사진 링크 참조)

 

일단, 토크 반작용(torque reaction)에 대한 설명은 여기까지, 다음 글에서는 나선 후류 효과(corkscrew effect, spiraling slipstream)에 대해 설명하겠습니다.