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항공우주산업기술동향 15권 2호 (2017) pp. 3~10

http://library.kari.re.kr

에서 보실 수 있습니다.

산업·정책동향

틸트 항공기 개발의 역사적 교훈 및

고성능 수직이착륙 무인기 개발 방향

김재무*

Lessons Learned from the Past Tilting Aircraft

Development and

Implication to Future VTOL UAV Development

Kim, Jai Moo*

ABSTRACT

Helicopter, firstly flown only several years later than powered airplane early 1900’s, started its

production in 1942. The value of the helicopter appreciated right after they were used for various

missions in Korean war early 1950's. Although the helicopter has unique capability such as vertical

takeoff and landing(VTOL), it has limited performance in speed and range. A number of attempts
have been made to quest for the speed since 1950's. Tilting aircraft utilized the same rotor or

propeller for vertical takeoff and landing as well as high speed flight by tilting them during

transition flight; this type of model can be called 'convertible rotorcraft'. The other method utilizes

additive propellers or wings on the rotor-driven helicopter, called 'compound rotorcraft'. Korea has

been building up the tilt rotor development technology since 2002. Recently programs for high speed

UAV development for production are under way. Past tilting aircraft development and flight test
experiences were surveyed and several lessons could be extracted.

* 김재무, 한국항공우주연구원, 항공연구본부, 비행체계연구팀

jmkim@kari.re.kr

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

초 록

헬리콥터는 고정익기보다 약간 늦게 발명되어 2차 세계대전 중에 군용으로 양산되기 시작하였

고 1950년대 초에는 한국동란에 투입되어 본격적으로 활용되기 시작하였다. 헬리콥터는 활주로

가 없는 곳에서 이륙과 착륙이 가능하고 공중에서 제자리 비행을 할 수 있어 고정익기가 할 수

없는 임무를 수행할 수 있으나 전진 속도가 제한되어 있어서 속도 성능을 높이려는 시도는 1950
년대부터 활발히 진행 되었다. 이러한 시도 중에 로터나 프로펠러를 수직방향에서 수평방향으로

기울이는 변환형 회전익기 방법과 헬리콥터에 추진용 프로펠러나 날개를 추가하여 성능을 향상

시키는 복합형 회전익기가 대표적인 방법이었다. 로터를 기울여서 변환하는 시도는 헬리콥터 제

작사에서 주로 시도했고 앞으로 향해 있던 프로펠러를 위로 향하게 변환하여 수직이착륙을 하려

는 시도는 주로 고정익기 제작사에서 시도 되었다. 우리나라에서는 틸트 로터 무인항공기 독자

개발에 성공하여 이를 실용화 하려는 노력이 진행 중이며 한편으로는 해외에서 도입한 틸트 프
로펠러 무인기 기술로 국내 무인항공기 시장을 개척하려는 시도가 진행 중이다. 수직이착륙 항

공기의 성능을 향상하기 위한 현재까지의 주요 경험과 교훈을 재조명하여 우리나라의 효율적인

고속 수직이착륙 항공기 개발 방안을 제시하려 한다.

Key Words : Tilt wing, Tilt rotor, Tilt prop, Tilt duct, VTOL

1. 틸트 항공기의 탄생 및 종류

헬리콥터는 2차 세계대전 중에 양산용으로 개

발되었으나 본격적으로 군의 임무수행에 투입
된 것은 1950년대 한국전인 것으로 알려져 있

다. 헬리콥터는 로터에 의하여 양력을 얻는 동

시에 로터를 약간 앞으로 기울여 추진력을 얻

어 전진 비행을 한다. 전진비행 속도가 높아지

면 회전하는 로터 블레이드 중 전진하는 위치

의 블레이드 끝단의 속도가 천음속에 근접하고
후퇴하는 블레이드는 실속상태에 진입하게 되

어 진동과 소음을 유발하게 되고 헬리콥터의

최대 속도 성능이 한계에 도달한다. 수직이착

륙 항공기의 활용을 확대하기 위해서는 제한된

전진 속도 성능을 높이거나 항속 시간 및 비행

거리를 연장하여야 하는데 이를 위하여 현재까
지 세계적으로 약 45종류의 시도가 있었던 것

으로 알려져 있다.1) 대체로 항공기의 주 추력

장치와 별도로 보조 추력장치를 추가하여 고정

익 항공기를 수직으로 이착륙 하도록 하는 방

법과, 로터를 가진 회전익 항공기의 속도를 증

가시키기 위하여 프로펠러 등의 별도의 장치를

복합(compound)하도록 하는 방법이 시도 되었

다. 또 다른 방법은 이착륙에 사용하였던 로터
나 프로펠러를 앞으로 기울이며(tilt) 고정익 항

공기의 프로펠러 기능을 하도록 하는 변환형

(convertible) 항공기의 방법이 있다. 변환형의

틸트 항공기에는 프로펠러와 날개를 동시에 기

울이는 틸트 윙 항공기, 비행기의 프로펠러를

기울이는 틸트 프롭 항공기, 프로펠러에 덕트
를 씌워서 기울이는 틸트 덕트 항공기, 날개를

기울이지 않고 로터만을 기울이는 틸트 로터

항공기가 있다.

<로터와 프로펠러의 차이점>

로터는 주로 헬리콥터의 주 로터와 같이 양력

과 추진력을 동시에 발생시키도록 하는 장치인
데 비행체의 자세 조종을 위하여 콜렉티브 피

치(collective pitch) 조종과 사이클릭 피치

(cyclic pitch) 조종을 하도록 설계되어 항공기

의 수직상승, 전후 좌후 자세 조종을 할 수 있

도록 한다. 프로펠러는 주로 비행기에서 추력

을 만들도록 사용하는데 콜렉티브 피치 또는
프로펠러 회전수를 조종하여 한 방향 추진력의

강약을 조종하도록 설계되어 있다. 따라서 로

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

그림 1. 틸트 로터, Transcendental 1-G

그림 2. 틸트 로터, Bell XV-3

그림 3. 틸트 로터, Bell XV-15

터 조종 장치는 프로펠러 조종 장치에 비하여

복잡하나 추진력의 방향을 조종할 수 있도록

설계되어 있어 수직이착륙을 위한 정밀한 비행

조종을 가능하게 한다. 틸트 로터 항공기에는

로터가 사용되며 틸트 윙, 틸트 프롭, 틸트 덕

트 항공기에는 프로펠러가 사용된다.

2. 틸트 로터 항공기

최초의 틸트 로터 항공기로 알려진 미국의 트

랜센델탈(Transcendental) 1-G 항공기는 1954년

개발에 착수하였는데 날개 양 끝에 로터를 달

아 로터 샤프트를 앞으로 기울이며 비행기 모

드로 변환하도록 설계 되었다. 1955년에 로터

를 70도까지 기울이는 비행을 하여 틸트 로터

항공기의 성공 가능성을 보여준 바 있다.2)

미국의 벨(Bell)사는 1951년 공군과 육군과

XV-3 틸트 로터 항공기를 개발하는 계약을 체

결했다. 2.2톤급의 이륙 중량으로 2개의 직경

7.3m 로터를 날개 끝에 달아 고속 비행 시에는
로터을 앞으로 기울여 프로펠러의 역할을 하도

록 설계된 항공기이다. 초도 비행이 1955년에

이루진 것을 보면 개발이 용이하지 않았던 것

으로 보인다. 1호기의 파손 이후 2호기로 천이

비행에 도전하였는데 1958년에 로터를 90도 앞

으로 기울이는 완전한 천이비행에 성공했다.

항공기의 속도를 증가시킬 때 심한 플러터
(flutter) 현상이 발생하여 1호기에 썼던 3개의

로터 블레이드 방식을 2호기에는 2개의 블레이

드 방식으로 변경하여 성공적인 비행을 수행하

였다. 1962년까지 270회의 비행시험에 125시간

의 비행시간을 기록하였다. 1962년에 XV-3는

NASA에 인도된 뒤 대형풍동에 탑재하여 시험
을 하게 된다. 로터 동역학 연구 해석 모델을

개선시키는 데 사용되었고 후속 틸트로터 항공

기 개발에 필요한 중요한 해석 자료를 완성할

수 있었다.

1973년 벨사는 NASA와 육군의 지원으로 틸

트로터 항공기의 개념을 개선하려는 목적으로

XV-15 개발 사업에 착수한다. XV-3의 개발 경

험을 바탕으로 설계된 XV-15은 이륙중량 5.9톤

급의 항공기로 최대속도 550km/h를 내도록 설

계되었다. XV-3 개발 시 플러터 문제로 줄였던

로터 블레이드 개수도 3개로 회복하였으며 많

은 지상시험과 실물 기체의 풍동시험으로 천이

비행 시 문제되었던 공탄성 이슈를 해결할 수

있었다. 제한된 예산으로 인하여 많은 기성품

의 구성품(COTS)을 채택하였다. 틸트로터 항공

기의 비행제어를 위하여 안정성 조종성 증강

시스템(SCAS)은 채택하였으나 플라이 바이 와

이어(fly-by-wire)는 채택하지 않은 것으로 알

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

그림 4. 틸트 윙, Boeing-Vertol VZ-2

그림 5. 틸트 윙, LTV-Hiller-Ryan XC-142

려져 있다. 1호기의 제자리 비행은 1977년에

시작되었으나 나중에 NASA의 풍동에 장착하여

천이비행 조건에서 풍동시험을 수행하는 데 사

용하였다. 비행시험은 2호기로 1979년 4월에

재개되었고 7월에는 천이비행 시험이 성공적으

로 수행되었다. 1호기는 1992년까지 주로 벨사

에서 비행시험을 하여 841시간의 비행시험시간

을 누적하였고, 2호기로는 NASA에서 주로 시

험을 하였는데 나중에는 벨社에 돌아와서 추가

적인 시험을 하여 1998년까지 530시간의 비행

시험이 누적되었다. XV-15은 틸트로터 항공기

의 시연기(demonstrator)로서 개발되었으나 여

러 계층의 조종사에게 조종할 기회를 주어 상

원의원을 포함하는 185명의 조종사가 이 항공

기를 조종하였다 한다. XV-15의 개발 및 시연

의 성공은 후속의 실용화 틸트로터 개발의 중

요한 자원이 되었다.3)

XV-3 및 XV-15의 풍부한 경험을 가진 벨사

는 보잉사와 공동으로 1983년에 V-22 오스프리

(Osprey) 라는 실용화 항공기를 개발하는 사업
을 시작한다. V-22는 이륙중량 27톤급으로서

해병대, 공군 및 해군이 고유 임무를 수행하는

데 사용할 수 있도록 설계되었다. 1989년에 초

도 비행을 시작하였으나 양산이 결정되는 2005

년까지 4번의 추락 사고를 포함하는 비행시험

사고가 있었다. 사고 원인은 모두 파악되었고
재발 방지 방안이 마련되어 미국의 해병대, 공

군 및 해군에 459대의 V-22를 공급하는 사업이

현재도 진행되고 있다.

틸트로터는 민수용 항공기로도 개발되어 2018

년에는 AW609 틸트 로터가 인증을 받아 민수

항공기 시장에 출시 될 것으로 예상되고 있다.

3. 틸트 윙 항공기

보잉-버톨 VZ-2(Boeing-Vertol VZ-2)는 최초

의 틸트윙 항공기로 알려져 있는데 1955년에

기존의 비행기를 개조하는 개발이 시작되었다.
수직이착륙이 가능하도록 비행기 날개와 프로

펠러를 동시에 기울여서 비행기의 외형을 변환

하여 비행하도록 설계 되었다. 항공기의 자세

를 조종하는데 있어서 헬리콥터 모드 비행 시
에는 방향조종을 위하여 고정익 비행에 사용되

는 에일러론과 미익부에 있는 요우 팬(yaw

fan)을 사용하였으며, 피치 조종에는 미익부에

있는 피치용 덕트를 사용하였다. 또한 롤 조종

을 위하여 날개 양쪽에 위치한 프로펠러의 추

력차를 조절하였다. VZ-2는 1958년에 천이비행
을 성공시키며 향후 개발될 틸트 윙 항공기의

타당성을 증명하게 되었다. 이후 틸트윙 항공

기는 Vertol-NASA Tilt-Wing(1959년), Hiller

X-18(1959년), Kaman K-16(1962년) 등의 규모

가 큰 틸트 윙 시연항공기의 개발로 이어져 갔

다.2)

1962년에는 미군의 요청으로 3개 회사가 연합

하여 LTV-Hiller-Ryan XC-142라고 명명된 17

톤급의 대형 틸트 윙 항공기 개발에 착수한다.

1965년에는 천이비행에 성공하였고 1967년 사

업이 중단될 때까지 총 5대의 시험기로 420시

간의 비행시험을 했는데, 조종석의 소음과 진

동이 심하여 39명의 시험 조종사가 번갈아 가
면서 시험을 하였다고 한다. 캐나다에서는

1963년에 CANADAIR CL-84라는 5.7톤급 틸트

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

그림 7. 틸트 덕트, Bell X-22

그림. 6 틸트 덕트, Doak VZ-4

윙 항공기 개발에 착수했다. 1974년까지 4대의

항공기로 비행시험을 수행하며 틸트 윙 항공기

의 타당성을 검증하였다.2)

틸트 윙 항공기는 여러 중량급의 시연기를 개

발하며 주로 군용으로 실용화 하려는 시도를

하였으나 실용화에 실패하였다. 1990년대 초에
일본의 이시다 그룹(Ishida Group)이 미국의 텍

사스 주에서 30인승급 민수용 틸트윙 항공기를

개발하려는 시도를 하였으나 1993년도에 사업

을 중단했다.

틸트 윙 항공기는 저속에서의 조종성이 다른

항공기 기종에 비해 양호하지 않은 것으로 알
려져 있고, 이륙과 착륙시에 수직의 날개가 돌

풍에 노출되어 있을 때에는 조종성이 더욱 악

화되는 것으로 알려져 있다. 틸트윙 항공기는

5종의 다른 형상으로 12대의 시연기를 개발하

여 1000시간이 넘는 비행시험을 하며 개선되어

왔으나 아직까지 실용화에 성공하지 못한 항공
기로 기록되고 있다.6)7)

4. 틸트 덕트 항공기

미 육군의 지원으로 Doak VZ-4라는 틸트 덕

트 항공기 개발은 1956년에 시작되었다. 이 항

공기는 날개의 양쪽 끝에 덕트 팬(ducted fan)

을 설치하여 이착륙을 하도록 설계되어 있으며

이 덕트를 앞으로 기울여 고속비행이 가능하도
록 설계되어 있다. 덕트 안의 팬은 8개의 피치

각이 고정된 블레이드로 구성되어 있다. 덕트

안의 팬 상류에는 14개의 유리섬유로 만든 가

이드 베인(guide vane)이 설치되어 있고 베인

각도를 조절하며 추력 양을 조절하도록 설계되

었다. 9개의 스테인레스 강 재질의 스테이터
(stator) 블레이드를 팬 하류에 설치하여 공기가

정돈되어 덕트 출구로 빠져나가도록 설계되었

다. 미익부에는 엔진 배기 파이프 뒤에 십자가

형의 베인이 설치되어 제자리 비행 시에 항공

기의 피치 및 요우 조종을 하도록 설계되었다.

1958년까지 천이비행을 포함하여 50시간의 비

행시험을 수행하였다. 저속 비행에서는 양력이
주로 덕트 팬에서 생성되는데 이에 따른 항력

이 기대보다 큰 것으로 알려져 있다. 1961년에

Doak사는 폐업하게 되었고 개발 사업도 종료

되었다. 저속 및 수직이착륙 비행조종에 많은

어려움을 겪은 것으로 알려져 있다.4)

1962년에 벨사는 군용으로 활용될 8톤급의 틸

트 덕트 항공기인 Bell X-22를 연구 개발하는

사업을 수주했다. 이 항공기는 VZ-4와 달리 4
개의 덕트를 기울이며 수직이착륙과 고속비행

을 하도록 설계되어 있다. X-22는 제자리 비행

및 천이 시에 넉넉하게 중력 중심점 이동을 가

능하게하고, 정밀한 조종이 가능하도록 조종력

을 증강시키며 공허중량을 줄여서 임무중량을

증가시키려는 목표로 설계의 방점을 두었다.
많은 풍동시험을 거쳐 1965년에 항공기가 완성

되었으며 1호기의 파손을 거쳐 2호기로 1967년

에 천이비행에 성공하였다. X-22는 자동조종

장치가 설치되어 있었는데 273회, 280시간의

비행시험을 성공적으로 수행하여 필요한 비행

시험 요건을 완수하였다. X-22는 525km/h의 최
고속도를 내도록 설계 되었으나 실제 비행시험

에서는 최고속도가 370km/h에 그쳐서 임무비

행에 충분하지 않은 속도 성능을 내서 양산 계

약을 맺지 못한 것으로 알려져 있다.5)

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

그림 8. 틸트 프롭, Curtiss-Wright X-100

그림 9. 틸트 프롭, Curtiss-Wright X-19

5. 틸트 프롭 항공기

프로펠러 주요 제조사였던 Curtiss-Wright사는

1950대 말기 제트엔진 항공기의 실용화로 프로

펠러의 수요가 급감할 것을 우려하여 이에 대

한 타개책으로 프로펠러를 활용하여 수직 이착

륙과 고속 비행이 가능한 틸트 프로펠러 항공
기

개발에

착수했다.

1958년부터

Curtiss-Wright X-100 개발에 착수하여 1960년

에는 제자리 비행에서 천이하는 비행 시험에

성공했다.

X-100 항공기는 개발기간을 단축하기 위하여

M-100이라는 기존의 고정익 항공기 기체를 개

조하여 사용하였는데, 날개 양 끝에 김발이 있

는 나셀 및 프로펠러를 장착하여 프로펠러를
수직방향에서 수평방향으로 기울이도록 설계하

였다. 3m 직경의 프로펠러는 서로 다른 방향으

로 회전하여 요우 모멘트가 발생하지 않도록

설계되었다. 저속에서의 롤 조종을 위하여 날

개 양 끝에 있는 프로펠러의 피치각을 다르게

조절하였으며, 피치 조종과 요우 조종을 위하
여 꼬리날개 뒤에 엔진 배기가스를 이용하는

제티베이터(jetivator)라는 장치를 고안 하여 사

용하였다. 고속비행에서는 고정익과 같은 방식

으로 항공기 자세를 조종하였다. 제티베이터에

의한 저속 비행 조종력은 충분하지 못 하였고

롤 과 요우 운동은 상호 간섭효과가 있어서 저
속에서의 비행 조종성이 좋지 않은 것으로 알

려졌다.

X-100 틸트프롭 항공기의 경험을 바탕으로

Curtiss-Wright사는 미국 육·해·공군의 지원

으로 X-19라고 불리는 새로운 형태의 틸트프

롭 항공기 개발에 착수한다. 이 항공기는 종래

2개의 프로펠러를 가진 틸트 프롭에서의 저속
비행 조종성을 개선하려고 전방 2개 후방 2개

의 프로펠러를 가진 항공기로 형상을 변경하였

다. 제자리 비행에서는 프로펠러의 스로틀

(throttle) 조종으로 고도를 조종하였으며 프로

펠러 피치각을 개별적으로 미세 조종하여 피

치, 롤, 요우의 동작을 조종하도록 설계 되었
다. 항공기 조종의 동안정성을 개선하기 위하

여 안정성증강장치(SCAS)를 채택하였으나 원활

한 비행시험에 돌입하지 못한 것으로 알려져

있다. 2개의 시험기를 개발하였는데 1호기의

50번째 비행에서 추락사고가 있었으며 2호기는

비행시험에 진입하지 못 하고 사업을 종료하였
다고 한다. 지상시험은 130시간 지속한 것으로

기록되었고 4시간 미만의 비행시험 시간을 기

록하였다. 이 항공기는 최대 순항속도 650km/h

로 비행을 하였으나 이 때의 유상하중이 550kg

에 그쳐서 이륙중량 6.6톤 대비 유상하중 비율

이 매우 낮은 것으로 평가되었다.2)

6. 틸트 항공기 개발 사례 요약 및

교훈

1. 헬리콥터와 같이 수직이착륙이 가능하고

비행기와 같이 고속비행을 하려는 시험개발은

1950년대 이후 현재까지고 지속적으로 시도되

고 있다.

2. 수직이착륙을 위한 추력장치를 그대로 사

용하여 수평비행을 위한 추력으로 변환하는 틸

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

그림 10 틸트 항공기의 기종 분석 결과 및 주요 이슈

트 항공기에 여러 가지 다른 방식의 시도가 있

었는데 틸트 윙, 틸트 프롭, 틸트 덕트, 틸트

로터 방식으로 분류할 수 있다.

3. 틸트 윙, 틸트 프롭, 틸트 덕트 방식은 추

력 발생을 위해 프로펠러를 사용하였으며 틸트

로터 방식은 사이클릭 피치 조종이 가능한 로
터를 사용하였다.

4. 틸트 윙 방식은 가장 많은 기종의 개발이

시도되었으나, 이착륙 시의 조종성 불안정과

천이비행시의 날개 실속에 의해 야기되는 동체

진동 및 자세 불안정에 대한 해결이 미진하여

실용기 개발에 실패하였다.

5. 틸트 프롭이나 틸트 덕트 방식은 쌍발 프

롭일 경우에 미익부 보조 장치로 저속 비행을

하나 조종성이 부족한 것으로 판명되어 후속

개발은 4발 기종으로 시도되었다.

6. 4발 틸트 프롭 방식은 저속의 조종안정성

은 확보되었으나 총중량 대비 유상하중의 비율
이 부족하였으며 실용기 개발에 실패하였다.

7. 4발 틸트 덕트 방식도 저속 조종안정성은

확보되었으나 최고속도가 제한적이었으며 실용

화 개발에 실패하였다.

8. 틸트 로터 방식은 헬리콥터와 유사한 로터

조종방식을 채택하여 안정적인 저속 및 천이비
행이 유지되어 효율적인 목표 성능을 만족하였

으며 V-22 오스프리를 통하여 실용화 개발에도

성공하였다.

9. 틸트 로터 방식은 틸트 윙 방식보다 최고

속도 성능이 다소 낮으나 저속, 천이, 고속의

조종안정성이 탁월하여 현재까지 유일하게 실

용화된 고속 수직이착륙 회전익기 기종이다.

10. 향후 진행될 신규 유무인 항공기 개발 사

업은 과거에 비행시험으로 규명된 교훈을 반영

하여야 사업실패 위험도를 저감시킬 수 있다.

11. 틸트 로터 항공기보다 더욱 빠른 기종의

고속 수직이착륙 항공기 연구 개발은 미국 국
방고등기술연구소(DARPA)의 사업으로 현재도

진행되고 있다.8)

김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10

참고문헌

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