2012 INVENTION AWARDS 파퓰러사이언스는 매년 발명 대상 시장 때마다 수백 건의 발명품들을 엄격한 기준에 의거해 심사한다. 진정한 기술혁신을 이뤘는지, 현존하는 중대 문제를 해결했는지, 상용화 가능성은 충분한지 등이 그것이다. 깐깐한 기준에 맞춰 후보자들이 하나 둘 탈락하는 동안 최후까지 살아남은 10개의 발명품들을 소개한다. ILLUSTRATIONS BY Ollie Bland |
마케팅 분야에 근무하다가 퇴직한 제임스 오닐은 10여년 전 헬리콥터용 동력전달장치의 작동메커니즘을 배우자마자 그 개량에 착수했다. 대다수 헬리콥터는 덩치 큰 트랜스미션을 장착, 엔진의 빠른 분당회전수(RPM)를 적절히 제어해 메인로터와 꼬리날개(tail rotor)를 구동한다. 여기서 꼬리날개는 동체의 제자리 회전을 막는 역할을 하는데 공학자들은 수년전 꼬리날개를 제거할 방법을 찾아냈다. 두 개의 메인로터가 서로 반대방향으로 회전, 각각의 토크를 상쇄하는 이른바 동축반전식 헬리콥터가 그것이다.
그러나 최적의 양력과 추력을 내면서 제자리 회전을 막아줄 동축반전식 메인로터의 구조는 매우 복잡하다. 오닐은 기존의 크랭크축 대신 잎사귀 모양의 로브 캠(lobed cam)들을 채용한, 일명 캠 엔진이 해법이 될 수 있음을 깨달았다.
이 엔진은 무겁고, 정비도 어려운 기어박스 없이도 두 개의 로터를 정확한 속도로 회전시킬 수 있다. 즉 동축반전 회전력을 생성시킬 캠 시스템만 설계한다면 한층 구조가 시제품단순하고 가벼운 신개념 헬리콥터 개발이 가능해지는 것이다.
이렇게 탄생한 오닐의 '노리스터'는 8개의 대향(對向) 피스톤이 4개의 로브 캠으로 이뤄진 2개의 시스템을 구동, 4개의 피스톤을 움직인다. 최적 시스템은 2,000회로서 중량 900㎏ 이하 소형 무인 헬리콥터에 이상적인 시스템이다.
현재 완성된 오닐의 시제품은 발전기와 예초기의 부품으로 제작됐지만 추력 대비 중량비 면에서 대다수 기존 헬리콥터의 동력시스템과 어깨를 견줄 만하다. 다만 아직은 중량이 다소 무겁다. 이에 오닐은 상용성 확보를 목표로 경량 상용 부품을 채용, 1마력 대비 1파운드(453g)의 추력대 중량비를 갖춘 버전을 개발할 계획이다.
물론 추력 손실 없는 중량감소는 어려운 과제다. 하지만 오닐은 혼자가 아니다. 미국 우스터 폴리테크닉대학 학생들이 졸업 과제로 노리스터 시스템 개량에 한창이기 때문이다. 오닐은 이르면 내년 중 경량화를 이룬 두 번째 시제품을 시험해볼 수 있을 것으로 기대하고 있다.
캠 엔진 (cam engine) - 캠과 롤러를 이용, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 피스톤 기관 엔진.
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