VTOL

VTOL

수직이착륙(VTOL) 항공기활주로에 의존하지 않고 수직 이착륙이 가능한 항공기입니다. 이 분류에는 헬리콥터를 포함한 다양한 유형의 항공기와 추력 벡터 고정 날개 항공기사이클로그래프 자이로다인과 같은 동력 회전체를 가진 기타 하이브리드 항공기가 포함될 수 있습니다.[1]

일부 VTOL 항공기는 CTOL(기존 이착륙), STOL(단편 이착륙) 또는 STOVL(단편 이착륙)과 같은 다른 모드로도 작동할 수 있습니다. 일부 헬리콥터와 같은 다른 것들은 유도를 처리할 수 있는 착륙 장치가 없기 때문에 VTOL로만 작동할 수 있습니다. VTOL은 V/STOL(수직 또는 짧은 이착륙)의 하위 집합입니다.

일부 항공기는 수직 접근/출발 프로파일로 공중을 맴돌거나 이륙 및 착륙할 수 있기 때문에 VTOL 항공기로도 적합합니다.[2]

전기 수직 이착륙 항공기, 즉 eVTOL은 주문형 항공 택시 서비스, 지역 항공 이동성, 화물 배송 및 개인 항공 차량(PAV)을 포함할 수 있는 첨단 항공 이동성(AAM)을 가능하게 하기 위해 보다 자율적인 비행 제어 기술 및 서비스로서의 이동성(Mobility-as-a-Service)과 함께 개발되고 있습니다.[3]

현재 군 복무 중인 VTOL 항공기에는 어디에나 있는 헬리콥터 외에도 벨 보잉 V-22 오스프리와 같은 틸트로터 항공기와 해리어 계열과 신형 F-35B 라이트닝 II 합동 타격 전투기와 같은 추력 벡터 비행기 두 종류가 있습니다. 민간 부문에서는 현재 헬리콥터만 일반적으로 사용되고 있습니다(일부 다른 유형의 상업용 VTOL 항공기가 제안되었으며 2017년 현재 개발 중입니다). 일반적으로 STOVL이 가능한 VTOL 항공기는 일반적으로 순수 VTOL에 비해 이륙 중량, 사거리 또는 탑재량을 크게 증가시키기 때문에 가능한 모든 곳에서 STOVL이 사용됩니다.[4]

역사

소품, 프로모터 및 고급 로터크래프트

수직 비행에 대한 아이디어는 수천 년 동안 있어왔고, 레오나르도 다빈치의 스케치북에 VTOL(헬리콥터) 스케치가 나옵니다. 원시 헬리콥터 형태의 유인 VTOL 항공기는 1907년에 처음 비행했지만 제2차 세계 대전 이후까지 완벽하게 비행했습니다.[5][6]

헬리콥터 개발 외에도 Henry Berliner의 1922-1925년 실험적 수평 로터 고정익 항공기를 포함하여 수직 이착륙 능력을 갖춘 실용적인 항공기를 개발하기 위해 많은 접근법이 시도되었습니다. 그리고 상대적으로 실용적이지 않은 VTOL 고정 날개 비행기에 대한 니콜라 테슬라의 1928년 특허와 조지 레버거의 1930년 특허.[7][8][9] 1930년대 후반 영국 항공기 디자이너 Leslie Everett Baynes는 또 다른 틸트 로터 항공기인 Baynes Heliplane에 대한 특허를 받았습니다. 1941년 독일 디자이너 하인리히 포케(Heinrich Focke)는 수직 이륙을 위해 아래로 기울어진 두 개의 로터가 있는 포케-아흐젤리스 Fa 269에 대한 작업을 시작했지만 전시 폭격으로 개발이 중단되었습니다.[9]

컨베어 XFY-1 포고 비행 중

1951년 5월, 록히드사컨베어사는 두 대의 실험용 VTOL 전투기를 설계, 제작, 시험하기 위한 계약을 체결했습니다. 록히드는 XFV를, 컨베어는 컨베어 XFY 포고를 생산했습니다. 두 실험 프로그램 모두 비행 상태로 진행되었으며 계약이 취소된 1954-1955년 시험 비행을 완료했습니다.[10] 마찬가지로, Ryan X-13 Vertijet은 1955년과 1957년 사이에 일련의 시험 비행을 했지만, 또한 같은 운명을 겪었습니다.[11]

엔진으로 구동되는 수직 팬의 사용은 1950년대에 조사되었습니다. 미국은 제트 배기가스가 팬을 구동하는 곳에 항공기를 만들었고, 영국은 제작하지 않은 프로젝트에 제트 엔진에서 나오는 기계 구동으로 구동되는 팬이 포함되었습니다.[citation needed]

벨 15-15

NASA소련 해군루프트바페와 마찬가지로 벨 XV-15 연구용 우주선 (1977)과 같은 다른 VTOL 우주선을 날렸습니다. 시코르스키는 헬리콥터의 방식으로 이륙한 X-Wing이라는 이름의 항공기를 시험했습니다. 회전자는 비행 중에 정지하고 고정 날개 외에 양력을 제공하는 날개 역할을 합니다. 보잉 X-50은 유사한 개념을 사용하는 카나드 로터/윙 시제품입니다.[12]

페어리 제트 자이로다인

또 다른 영국의 VTOL 프로젝트는 자이로다인(Gyrodyne)으로, 회전자는 이착륙 중에 동력을 공급받지만 비행 중에는 자유 바퀴가 작동하며, 별도의 추진 엔진이 전방 추력을 제공합니다. 이후 페어리 자이로다인을 시작으로, 이 기종은 훨씬 더 큰 쌍발 엔진 페어리 로토다인으로 진화하여 이착륙 시 회전자에 동력을 공급했지만, 그 후 추진력을 제공하기 위해 상당한 날개에 장착된 2개의 네이피어 엘랜드 터보프롭을 사용했습니다. 수평 비행 동안 로터를 내리는 역할을 하는 날개 로토다인은 크루즈에서 고정익 항공기의 효율성과 헬리콥터의 VTOL 기능을 결합하여 도심에서 공항까지 단거리 여객기 서비스를 제공하기 위해 개발되었습니다.

미국 해병대원들이 최초의 생산 틸트로터 항공기인 벨보잉 V-22 오스프리에서 뛰어내립니다.
온타리오주 오타와에 있는 캐나다 항공우주박물관에 전시된 캐나다 항공 CL-84 Dynavert CL-84-1 (CX8402)

CL-84 Dynavert는 캐나다의 V/STOL 터빈 틸트윙 모노플레인으로 1964년에서 1972년 사이에 캐나다 항공에서 설계 및 제작되었습니다. 캐나다 정부는 1968년 CL-84-1로 명명된 군용 평가를 위해 3대의 업데이트된 CL-84를 주문했습니다. 1972년부터 1974년까지, 이 버전은 항공모함인 USS 괌과 USS 과달카날을 타고 미국과 다른 여러 센터에서 시연되고 평가되었습니다.[13] 이 시험에는 미국, 영국, 캐나다의 군 조종사들이 참여했습니다. CL-84 중 2대는 시험 도중 기계 고장으로 추락했지만, 이러한 사고로 인한 인명 손실은 발생하지 않았습니다. 제작 계약이 발생하지 않았습니다.[14]

1940년대 중반의 Focke-Achgelis Fa 269와 1950년대의 Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano"와 같은 틸트로터는 테스트 또는 모형 제작 단계에 도달했지만 벨보잉 V-22 오스프리는 세계 최초의 틸트로터 항공기로 간주됩니다. 각 날개 끝에 장착된 3개의 블레이드 프로모터, 터보프롭 엔진 및 변속기 나셀이 있습니다. 오스프리는 수직이착륙(VTOL)과 단거리이착륙(STOL)을 모두 갖춘 멀티미션 항공기입니다. 터보프롭 항공기의 장거리 고속 순항 성능으로 기존 헬기와 같은 임무를 수행할 수 있도록 설계되었습니다. FAA는 오스프리를 동력 리프트 항공기의 모델로 분류합니다.[15]

1960년대에 VTOL 기능을 갖춘 상용 여객기를 개발하려는 시도가 있었습니다. Hawker Siddely Inter-City Vertical-Lift 제안서에는 양쪽에 두 줄의 리프팅 팬이 있었습니다. 그러나, 이 항공기들 중 어느 것도 너무 무겁고 비싸서 운행할 수 없다고 기각된 후 생산에 성공하지 못했습니다.[16][unreliable source?][17]

2018년 오프너 에어로(Offner Aero)는 전기 동력 고정익 VTOL 항공기인 블랙플라이(Blackfly)를 시연했으며, 이는 제조사가 세계 최초의 초경량 고정익, 올 일렉트릭, 수직 이착륙 항공기라고 주장합니다.[18]

현대 드론

현대식 VTOL 무인항공기쉬벨 캠콥터 S-100

21세기에는 무인 드론이 점점 더 보편화되고 있습니다. 이 중 대부분은 VTOL 기능, 특히 쿼드콥터 유형을 갖추고 있습니다.

제트 리프트

라이언 X-13

꼬리 시터즈

1947년, 미국 해군에 의해 테일시터 디자인인 Ryan X-13 Vertijet이 주문되었고, 그 후 1948년에 재래식 선박의 갑판에 장착된 플랫폼에 수직 이착륙(VTOL)이 가능한 항공기에 대한 제안을 발표했습니다. ConvairLockheed 모두 계약을 위해 경쟁했지만 1950년 VTOL 선박 기반 호송 호위 전투기로 진화할 수 있는 연구용 항공기에 대한 요구와 함께 요구 사항이 수정되었습니다.

전통적인 디자인

"플라잉 베드스테드" - 롤스로이스 추력 측정 리그

VTOL에 대한 또 다른 초기 기능적 기여는 1953년 롤스로이스추력 측정 장비("플라잉 베드스테드")였습니다. 그 결과 영국 최초의 VTOL 항공기인 쇼트 SC.1(1957년), 쇼트 브라더스와 벨파스트의 할랜드에서 사용된 VTOL 엔진은 수평 방향의 4개의 수직 리프트 엔진을 전방 추력에 사용했습니다.

짧은 SC.1a VTOL 델타 항공기

Short SC.1은 영국 최초의 고정익 VTOL 항공기였습니다. SC.1은 VTOL 비행과 전방 비행으로의 전환에 대한 문제점을 연구하기 위해 고안되었습니다. SC.1은 1953년 9월에 발행된 수직 이륙 연구용 항공기에 대한 공급부(MoS)의 입찰 요청(ER.143T)을 충족시키기 위해 고안되었습니다. 1954년 10월 15일 제원서 ER.143D를 충족하기 위해 두 대의 항공기(XG900과 XG905)에 대한 계약이 체결되었습니다. SC.1에는 VTOL 항공기를 위한 최초의 "플라이 바이 와이어(fly-by-wire)" 제어 시스템도 장착되어 있었습니다. 이를 통해 공기역학적 표면 또는 노즐 제어의 세 가지 모드를 제어할 수 있었습니다.

Republic Aviation AP-100알렉산더 카트벨리가 설계한 VTOL 6x General Electric J85 Turbojet 엔진 핵 능력 타격 전투기 개념의 원형으로, TFX 프로그램의 경쟁자로 동체와 꼬리 중앙에 3개의 도관 팬을 가지고 있습니다.[20][21][22] 또 다른 설계는 A400 AVS로 가변기하학 날개를 사용했지만 너무 복잡하다는 것이 밝혀졌지만, AFVG의 개발로 이어졌고, 이는 파나비아 토네이도의 개발을 도왔습니다.

소련의 VTOL 항공기 야코블레프 Yak-38

야코블레프 Yak-38은 경항모, 화물선, 수도선 등에 탑재하기 위한 소련 해군의 VTOL 항공기였습니다. 1970년대 야코블레프 Yak-36 실험용 항공기에서 개발되었습니다. 소련이 해체되기 전, Yak-38의 후속 기종인 Yak-141로 초음속 VTOL 항공기가 개발되었는데, 이 항공기는 생산에 들어간 적이 없습니다.[23]

독일 뮌헨Deutsches Museum에 전시된 독일 V/STOL VJ101
독일 Deutsches Museum에서 전시중인 31 E3.

1960년대와 1970년대 초, 독일은 세 대의 다른 VTOL 항공기를 계획했습니다. 하나는 록히드 F-104 스타파이터를 V/STOL 항공기 연구의 기초로 사용했습니다. 두 가지 모델(X1, X2)이 제작되었지만, 독일 공군과 NATO의 변화된 요구뿐만 아니라 높은 비용과 정치적 문제로 인해 프로젝트가 취소되었습니다. EWR VJ 101C는 60년대 중후반에 마하 1 이상의 시험 비행뿐만 아니라 VTOL 이착륙을 자유롭게 수행했습니다. 그 시험 비행기들 중 하나는 프리드리히샤펜 공항 밖에 있는 또 다른 하나의 독일 뮌헨의 독일 박물관에 보존되어 있습니다. 다른 것들은 VFW-Fokker VAK 191B 경전투기와 정찰기, 그리고 Dornier Do 31E-3 (군대) 수송기였습니다.[24]

LLRV는 아폴로 달 착륙선을 위한 우주선 시뮬레이터였습니다.[25] 그것은 달에 착륙하기 위해 반응 엔진에 의존해야 했던모듈(LEM)의 비행 특성을 모방하도록 설계되었습니다.

추력의 경로를 변경하여 수직과 수평 비행에 동일한 엔진을 사용하는 아이디어는 미셸 위볼트에 의해 구상되었습니다.[26] 그것은 4개의 회전 노즐을 사용하여 다양한 각도에 걸쳐 추진력을 지시하는 브리스톨 시들리 페가수스 엔진으로 이어졌습니다.[27] 이는 1965년 초음속 호커 시들리 P.1154가 취소되었음에도 불구하고 이후 케스트렐이 된 호커 시들리 해리어로 생산에 들어간 기체 호커 P.1127과 함께 나란히 개발되었습니다. 프랑스는 P.1154와 경쟁하여 Mach 1을 달성할 수 있는 Dassault Mirage III 버전을 개발했습니다. 다쏘 미라지 IIIV는 1966년 3월 수직 비행에서 수평 비행으로 전환했으며, 얼마 후 수평 비행에서 마하 1.3에 도달했습니다.

V/STOL

인도 해군 항공대와 함께 해리어 점프 제트기 착륙

해리어는 보통 STOVL 모드로 비행하기 때문에 주어진 거리에서 더 높은 연료 또는 무기 부하를 운반할 수 있습니다.[4] V/STOL에서 VTOL 항공기는 수직 추력을 사용하여 이륙하기 전에 활주로를 따라 수평으로 이동합니다. 이를 통해 공기역학적 리프트는 물론 스러스트 리프트를 제공하고 더 무거운 하중으로 이륙할 수 있으며 더 효율적입니다. 착륙 시 추진체 무게 손실로 항공기가 훨씬 가벼워져 조종 수직 착륙이 가능합니다. 해리어 STOL 작전의 중요한 측면은 "스키 점프"가 상승된 전방 갑판이며, 이는 이륙 시 추가적인 수직 추진력을 제공합니다.[28]

1981년 3월 Popular Science지의 표지는 "비행기처럼 빠른 속도, 헬리콥터처럼 착륙" 1면 특집 기사를 위해 세 개의 삽화를 보여주었습니다.;[29]후속[29] 기사는 2006년 4월호에서 "초기 비행기/콥터를 괴롭혔던 연료 소비 및 안정성 문제"에 대해 언급했습니다.[30]

2006년 영국 왕립해군에서 퇴역한 [31]인도 해군은 2016년까지 주로 항공모함 INS Viraat에서 [32]Sea Harrier를 계속 운용했습니다. 해리어의 최신 버전인 BAE 해리어 II는 영국 공군과 영국 해군에 의해 운용된 후 2010년 12월에 퇴역했습니다. 미국 해병대와 이탈리아와 스페인 해군은 모두 미국이 디자인한 동급 버전인 AV-8B 해리어 II를 계속 사용하고 있습니다. 미국과 영국의 공군에서 해리어 II/AV-8B를 대체하는 것은 록히드 마틴 F-35 라이트닝 II, F-35B의 STOVL 변형입니다.[33]

로켓

SpaceX재사용 가능한 발사 시스템 개발 프로그램의 다양한 저고도, 저속도 엔지니어링 측면을 검증하기 위해 Falcon 9의 여러 프로토타입을 개발했습니다.[34] 최초의 원형인 메뚜기는 2012-2013년에 8번의 시험[35] 비행에 성공했습니다. 2013년 10월 7일, VTVL 착륙에 성공하기 전에 744m(2,441피트)의 고도까지 비행하며 8번째이자 마지막 시험 비행을 했습니다.[36][37] 이것은 메뚜기 장비를 위한 마지막 예정된 테스트였습니다; 다음 테스트는 텍사스의 Falcon 9 Reuseable (F9R) 개발 차량의 저고도 테스트에 이어 뉴 멕시코의 고고도 테스트입니다.

2015년 11월 23일, 블루 오리진의 뉴 셰퍼드 부스터 로켓은 우주에 도달한 무인 궤도 하부 시험 비행 후 첫 수직 착륙에 성공했습니다.[38] 2015년 12월 21일, 스페이스X 팰콘 9 1단은 팰콘 9 비행기 20에서 11개의 상업 위성을 지구 저궤도로 끌어올린 후 성공적으로 착륙시켰습니다.[39] 이러한 시위는 우주 비행 비용을 크게 줄일 수 있는 길을 열었습니다.[40]

로터크래프트

헬리콥터

헬리콥터의 VTOL 형태는 수직 이착륙, 공중부양, 전방, 후방, 측방 비행을 가능하게 합니다. 이러한 특성으로 인해 헬리콥터는 일반적으로 고정익 항공기가 이착륙할 수 없는 혼잡하거나 고립된 지역에서 사용될 수 있습니다. 장시간 동안 효율적으로 공중에 떠 있을 수 있는 능력은 헬리콥터의 상대적으로 길고 따라서 효율적인 회전 날개 때문이며, 헬리콥터는 고정익 항공기와 다른 형태의 수직 이착륙 항공기가 적어도 2011년까지 수행할 수 없었던 작업을 수행할 수 있습니다.

반면에, 긴 로터 블레이드는 적어도 기존 헬리콥터의 최대 속도를 시속 약 250마일(400km/h)로 제한합니다. 왜냐하면 후퇴하는 블레이드 스톨은 측면 불안정성을 야기하기 때문입니다.

오토자이로

오토자이로는 자이로플레인 또는 자이로콥터로도 알려져 있습니다. 로터는 동력이 없고, 우주선이 전진하면서 기류 속에서 자유롭게 회전하기 때문에, 우주선은 추력을 제공하기 위해 재래식 발전소가 필요합니다. 오토자이로는 본질적으로 VTOL을 수행할 수 없습니다. VTO의 경우 보조 드라이브를 통해 로터를 회전시켜 속도를 높여야 하며 수직 착륙을 위해서는 로터의 운동량과 피치를 정확하게 제어해야 합니다.

자이로다인

자이로다인은 복합 헬리콥터 또는 복합 자이로 비행기로도 알려져 있습니다. 자이로다인은 별도의 오토자이로의 전방 추력 시스템을 갖춘 헬리콥터의 동력 로터를 가지고 있습니다. 로터는 이착륙과는 별도로 전원이 차단되고 자동 회전될 수 있습니다. 디자인에는 추가된 리프트를 위한 스터브 날개도 포함될 수 있습니다.

키클로지로

사이클로그로(cyclogyro) 또는 사이클로콥터(cyclocopter)는 기존의 날개와 같이 축과 표면이 공기 흐름을 따라 옆으로 유지되는 회전 날개를 가지고 있습니다.

파워 리프트

변환면

컨버터블 비행기는 헬리콥터처럼 로터 리프트 하에서 이륙한 다음 전방 비행에서 고정 날개 리프트로 전환됩니다.

틸트로터

틸트로터 또는 프로프로텍터는 VTOL을 위해 프로펠러 또는 로터를 수직으로 기울인 다음 수평 날개 매개 비행을 위해 앞쪽으로 기울인 반면, 메인 날개는 제자리에 고정되어 있습니다.

틸팅 덕트 팬

틸트 로터 개념과 유사하지만 도관 팬이 있습니다. 벨 X-22에서 볼 수 있듯이.

틸트윙

틸트윙은 프로펠러나 로터를 기존 날개에 고정하고 전체 조립체를 기울여서 수직 비행과 수평 비행 사이를 전환합니다.

꼬리 시터

꼬리 시터(tail-sitter)는 이착륙을 위해 꼬리에 수직으로 앉은 다음 수평 비행을 위해 항공기 전체를 앞으로 기울입니다.

벡터 추력

추력 벡터링은 엔진 배기 방향이 달라지는 제트 및 로켓 엔진에 사용되는 기술입니다. VTOL에서 배기는 수직 추력과 수평 추력 사이에서 다양하게 변화할 수 있습니다.

틸트젯

틸트로터 개념과 유사하지만 프로펠러가 있는 엔진 대신 터보젯 또는 터보팬 엔진이 있습니다.

리프트 제트

리프트 제트는 VTOL 작동을 위해 리프트를 제공하는 데 사용되는 보조 제트 엔진이지만, 일반적인 날개 매개 비행의 경우에는 작동이 중단될 수 있습니다. Yak-38은 리프트 제트기를 사용하는 유일한 생산 항공기입니다.

팬을 들어 올리기

리프트 팬은 기존의 고정 날개나 동체의 큰 구멍에 리프트 팬이 위치하는 항공기 구성입니다. V/STOL 운영에 사용됩니다.

비행기는 팬을 사용하여 리프트를 제공한 다음 전방 비행에서 고정 날개 리프트로 전환됩니다. 여러 실험용 비행체가 비행했지만, F-35 라이트닝 II만 생산에 들어갔습니다.

Co 및 ă 효과를 통한 리프트

Co 및 ă 효과를 이용하여 VTOL을 달성하는 항공기는 추력 벡터링과 마찬가지로 공기를 방향 전환할 수 있지만 덕트를 통해 공기 흐름을 라우팅하는 것이 아니라 공기 흐름을 단순히 기존 표면을 따라 라우팅하므로 일반적으로 우주선의 몸체가 더 적은 재료와 무게를 허용합니다.

아브로 캐나다 VZ-9 아브로카(Avro Canada VZ-9 Avrocar) 또는 간단히 VZ-9(VZ-9)는 아브로 항공이 개발한 캐나다의 VTOL 항공기입니다. 중앙으로 공기를 불어 넣어 이 현상을 이용한 다음 포물선 모양의 비행접시를 닮은 꼭대기 표면 위로 아래로 향합니다. Co 및 ă 효과로 인해 공기 흐름은 가장 가까운 표면으로 유인되며, 공기 흐름에서 멀리 떨어진 표면의 방향 변화에도 불구하고 해당 표면을 따라 계속 이동합니다. 이 공예품은 공기 흐름을 아래로 향하게 하여 양력을 제공하도록 설계되었습니다.

Jetoptera는 Co 및 ă 효과를 사용하는 소위 유체 추진을 기반으로 제안된 항공기 라인을 발표했습니다. 이 회사는 박스윙 디자인에 대해 오스왈드 효율 1.45를 주장합니다. 다른 주장으로는 효율성 향상, 무게 30% 감소, 복잡성 감소, 최대 25 dBA의 더 낮은 소음(및 무조), 더 짧은 날개 및 확장성이 있습니다.[41][42] Jetoptera는 이 접근 방식이 정적 또는 호버링 조건에서 터보팬과 비교할 때 2.0%와 50%의 연료 절감을 초과하는 추력 증가 비율을 산출한다고 말합니다. 이 유출량은 상부 표면 블로운(Upper Surface Blow) 아키텍처에 사용되어 양력 계수를 8.0을 초과하는 값으로 증가시킬 수 있습니다.

갤러리

참고 항목

참고문헌

메모들

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외부 링크