020 - 헬리콥터의 3가지 STATEs / VRS(Voltex Ring State)

9월에 극동대학교 항공안전과정 관련 교육을 받던 중 수업시간에 잠깐 언급된 내용에 착안해서 글을 작성해 본다.
 
첫째로, 헬리콥터의 3가지 STATES에 대해 알아보고
둘째로는 그중 VRS에 대해, 
끝으로 2017년 USHST에 게시된 Vuichard Recovery Technique에 대한 내용으로 마무리 짓겠다.
 
◈ 헬리콥터 3가지 STATEs
먼저, 헬리콥터 3가지 STATE에 대한 언급은 참고한 자료마다 용어 표현의 차이는 있으나 그 뜻은 크게 다르지 않다.
 
1. FAA : Rotor flow states
  - Powered State
  - Autorotation State
  - Vortex Ring State

2. U.S. Army Field Manual : Induced Flow States

 
3. NASA : 로터유도속도((V_i))의 부호로 표현
  - Propeller State: (V_i > 0) (induced flow downward)
  - Windmill State: (V_i < 0) (induced flow upward)
  - Vortex Ring State: 혼합류 (induced flow partly up and down across the disc)
 
4. EASA : Vortex Ring State 에 대해 비정상상태(Abnormal Flight Condition)로 표현
 
5. 헬리콥터의 상태에관한 용어를 종합해 보면

구 분	정 의	주 요 특 징
Propeller State Powered Flight Condition Normal Thrusting State	헬리콥터가 자체 출력으로 양력·추력을 발생시키는 정상 비행상태	하강유도류(Downwash) 발생, 정상추력.
Windmill Brake State Autorotative Region Autorotation State	로터가 상승하는 공기에 의해 회전하며, 공기역학적 에너지를 회전운동으로 변환하는 상태	엔진 동력 없이 회전 유지(Autorotation).
Vortex Ring State	로터가 자신이 만든 와류 속에 들어가 양력 저하와 진동을 일으키는 상태.	하강율 급증, 추력 불안정, 회복은 전진비행.

 
◈ Vortex Ring State(와류 고리 상태)
주로 헬리콥터 main rotor가 난류가 형성된 하강기류(자신이 만든 하강 공기기둥) 속으로 들어갈 때 발생한다.
이는 전진속도가 낮고 하강 중인 상태에서 생기며, 유효 양력(Translational Lift) 이하의
속도 구간에서 발생할 가능성이 높다.
이 현상은 Quick Stop기동이나 자동회전(Autorotation) 회복 중에도 나타날 수 있다.
 
1.  Vortex Ring State가 발생하기 쉬운 조건
    1) 수직 또는 거의 수직 하강률이 300피트/분(fpm) 이상일 때
        → 실제 임계 하강률은 중량, 회전수(RPM), 밀도고도 등 여러 요인에 따라 달라진다.
    2) 로터 디스크가 일정 수준의 엔진출력을 사용하는 상태(약 20~100%)일 때
        → 완전한 무동력(Autorotation) 상태에서는 잘 발생하지 않음.
    3) 수평 속도가 유효 전이양력(ETL, Effective Translational Lift) 이하일 때
 
2. 발생하기 쉬운 상황
    1) OGE Hovering 중 정밀한 고도유지가 안 될 때
    2) 배풍(Tailwind)을 받는 급강하 접근(steep approach) 중
 
3. 요약
    1) 정의 : 로터가 자신이 만든 하강 공기기둥(Downwash)에 다시 들어가 와류를 형성하는 상태
    2) 주요 원인 : 저속·하강·일부 동력 사용 시
    3) 위험 조건 : 하강률 ≥ 300 fpm, ETL 이하 속도, 출력 20~100%
    4) 대표 사례 : Quick Stop, Autorotation 회복, OGE Hover, Tailwind Approach
    5) 회복 방법 : 전진비행으로 진입하여 깨끗한 공기 유입 확보(Translational lift 회복)
 
◈ 추가 VRS 회복방법에 대해 2020년
US Helicopter Safety Team (USHST) SE-70, 2017:“Vuichard Recovery Technique” 내용을 바탕으로
관계기관 헬기 조종사 대상으로 산림청 문영석 기장님의 교육 때 알게 되었던 내용도 아래에 기술해 보겠다.
 
◈ Vuichard Recovery Technique(뷔샤드 회복 기술)
Vortex Ring State(VRS) 에 빠진 헬리콥터를 회복시키는 여러 방법 중 하나로, 전통적인 전진가속 회복법과 달리 측방(사이드)으로 빠져나가는 방식이 특징이다.
 
1. 개념 요약
헬리콥터가 와류 고리(Vortex Ring)에 갇혀 있을 때, 전진보다 측방 이동(roll + cyclic side input)을 통해
(와류의 중심이 파악된다면 그 반대방향으로), 통상
(항공기 전이성향을 고려해서 CW 로터 항공기는 왼쪽으로, CCW 로터 항공기는 오른쪽으로)
로터 디스크 일부가 깨끗한 공기 흐름(clean airflow)에 노출되도록 하는 회복 기동이다.
즉, 헬리콥터 전체가 아래로 가라앉고 있을 때 측면으로 기울이며(보통 20~30° 정도) 사이클릭을
옆으로 밀어 로터 디스크 한쪽을 와류 밖으로 빼내는 방식이다..
이로 인해 비대칭 양력(asymmetric lift)이 생기고, 로터 일부가 안정된 공기에서 양력을
회복하면서 자연스럽게 와류 고리에서 벗어나게 된다.
 
2. 수행 절차
    1) VRS 진입 감지 : 진동 증가, 조종 응답 저하, 속도·하강률 증가 확인
    2) 사이클릭을 좌측 또는 우측으로 밀기
    3) 필요시 약간의 파워 유지 또는 감속(토크 증가를 피하기 위해)
    4) 로터가 깨끗한 공기 영역에 진입하면 강하율이 감소
    5) 안정되면 수평 자세로 복귀 후 정상출력 회복
 
3. 장점
    1) 전진공간이 부족한 상황(예: 협소지, 산악, 함상)에서도 적용 가능
    2) 기체가 큰 전진속도를 내지 않아도 빠르게 와류를 벗어날 수 있음
    3) 일부 조종사는 전진가속(typical recovery) 보다 즉각적인 반응을 보인다고 평가
 
4. 단점 / 위험요소

구 분	내 용
제한된 제어 여유	측방 기울임 시 로터 디스크 하중이 비대칭이 되어 제어 어려움 발생 가능
지면 근접 시 위험	OGE 또는 저고도에서 시행하면 측방 이동 중 로터나 스키드가 접지될 위험
기체별 반응 차이	대형 헬기나 AFCS 제어가 강한 기종에서는 반응이 늦거나 불안정할 수 있음
정확한 방향 판단 필요	와류 중심 반대쪽으로 빠져야 하므로 방향 판단 오류 시 더 깊이 빠질 수 있음

 

◈  관련근거
1. FAA Rotorcraft Flying Handbook (FAA-H-8083-21B, 2019)
2. U.S. Army FM 3-04.203 *Fundamentals of Flight*, Ch.2
3. NASA Technical Note D-8176, Helicopter Aerodynamics Vol.I (1976)
4. EASA CS-29 Appendix B Guidance Material
5. US Helicopter Safety Team (USHST) SE-70, 2017:“Vuichard Recovery Technique”