프로펠러의 기본 원리 (Basic Propeller Principles)
항공기의 프로펠러는 두 개 또는 그 이상의 날갯짓과 이 날개깃이 붙어 있는 중심 허브(hub)로 구성되어 있다. 항공기 프로펠러의 각각의 날개깃은 기본적으로 회전하는 날개라 할 수 있다. 프로펠러의 날개깃은 에어포일과 같이 생겼고 에어포일이 양력을 발생시키는 것과 같이 생겼고 에어포일이 양력을 발생시키는 것과 같이 프로펠러의 깃은 항공기를 전진시킬 수 있는 힘, 곧 추력을 발생시킨다. 엔진은 프로펠러의 날개깃이 회전할 수 있는 동력을 제공하고 프로펠러 날개깃의 회전하여 발생되는 힘을 추력으로 변환시킨다. 프로펠러의 날개깃은 항공기의 에어포일의 단면도와 비교했을 때 에어포일과 같은 모양이다. 프로펠러 깃의 앞면(항공기 앞쪽에서 보았을 때 보이는 면)은 항공기의 날개 윗면과 비슷하게 굴곡되어 있다. 프로펠러의 시위 선은 프로펠러 깃의 앞전에서 뒷전까지 이은 가상의 선이다. 날개처럼 프로펠러 깃의 앞전도 두껍고, 이 앞전은 프로펠러가 회전할 때 공기와 만나는 부분이다. 각도로 측정되는 프로펠러의 깃 각은 프로펠러 깃의 시위선과 회전면이 이루는 각도로서 프로펠러 깃의 특정 지점에서 측정된다. 피치각은 프로펠러 깃 각이 아니지만 프로펠러 깃의 각에 의해 피치가 결정되기 때문에 이 두 용어는 종종 바꾸어서 사용하기도 한다. 깃 각의 증가와 감소는 보통 다른 요소들의 증가와 감소에 연관이 있다. 프로펠러의 피치는 인치로 측정이 된다. "74-48"로 설계된 프로펠러는 74인치의 길이이고 48인치의 유요한 피치(effective pitch) 성능을 가진다는 의미이다. 피치는 인치로 길이를 나타낸다. 제작사는 고정피치 프로펠러를 제작할 때 보통 지정된 항공기의 순항 속도에서 효과적으로 작용하는 피치를 정한다. 오직 분당 회전율과 속도의 조합에 의해 효율이 결정되기 때문에 모든 고정피치 프로펠러는 그에 따른 타협점이 반드시 존재한다. 조종사들은 비행 중에 이 조합을 변화시킬 수 없다. 프로펠러의 운동에 대한 이해를 하기 위해서는 첫 번째로 프로펠러의 움직임을 고려해야 한다. 프로펠러의 움직임은 회전성과 직진성이다. 프로펠러 깃의 각각의 부분은 아래쪽과 앞쪽으로 이동하며 상대풍과 각도를 이루어 받음각을 형성하고 날개에서 양력을 발생하는 것처럼 항공기를 전진시키는 힘 곧 추력을 발생시킨다. 날개깃의 모양 또는 추력을 생성한다. 왜냐하면 날개의 에어포일 모양처럼 구부려진 모양(캠버) 이기 때문에 프로펠러 뒤쪽으로 공기가 흐르며 프로펠러 앞면은 날개의 윗면처럼 공기흐름의 속도가 빨라 프로펠러의 뒷면보다 낮은 압력을 형성한다. 그리하여 압력이 높은 뒷면에서 앞면으로의 힘이 생기고 프로펠러에 의해 뒤로 흘러가는 공기흐름의 반작용으로 항공기는 앞으로 나가는 힘을 얻게 된다. 추력은 프로펠러에 회전에 의해 움직이는 많은 공기의 움직임에 의해 발생하는 것으로 이를 뉴턴의 제2법칙(F=ma)으로 설명할 수 있다. 즉, 추력은 프로펠러를 통과하는 공기의 질량(m)과 프로펠러를 통과하는 공기속도의 차이(a)를 곱한 양이다. 프로펠러를 회전시키기 위해 엔진에서 발생된 출력이 전부 프로펠러의 회전에 이용되지는 못한다. 평균적으로, 추력은 대략 토크(torque, 프로펠러에 의해 발생되는 총 마력)의 80%로 이루어진다. 나머지 20%는 마찰과 슬립으로 인해 소멸된다. 어떤 프로펠러 회전속도든 간에, 프로펠러에 의해 흡수되는 마력은 엔진에 의해 전달된 마력과 균형을 이룬다. 프로펠러가 취하는 공기의 양은 프로펠러의 깃 각과 회전에 의해 다루어지는 공기의 양이 결정되므로 프로펠러의 깃 각은 엔진의 분당 회전율(RPM)을 조절하기 위해 프로펠러에 가해지는 하중을 조절하는 수단으로써 매우 중요하다. 프로펠러의 깃 각은 또한 프로펠러의 받음각을 조절하는 데 매우 중요한 수단이다. 깃 각은 엔진의 작동범위와 비행속도의 운용법 위 내에서 최상의 효율을, 즉 최상의 받음각을 제공하기 위하여 깃 각이 조절되어야 한다. 프로펠러에 적용되는 양력과 항력 곡선을 살펴보면 가장 효율적인 받음각이 작을 때는 대략 +2 º~+4 º 일 때를 나타낸다. 실제로 깃 각은 항공기의 앞으로 전진하는 속도와 함께 프로펠러의 회전수에 따라 달라지므로 효율적인 받음각을 유지하기 위해 깃 각의 조절이 필요하다(정속프로펠러). 프로펠러의 깃 각을 조절할 수 없고 고정된 고정 피치프로펠러는 특정한 비행조건에서 효율이 최대가 되도록 깃 각이 고정되어 있다. 즉, 프로펠러에 따라 이륙이나 상승 등 저속상태에서 최대 효율이 되도록 하거나, 순항 또는 강하비행과 같은 고속상태에서 최대 효율을 얻도록 제작된다. 최대 효율을 이루는 비행 상태가 변하면 프로펠러의 효율은 떨어진다. 어떤 기계의 효율성은 실제로 투입된 동력에 대한 이용 가능한 동력 생성의 비율이기 때문에, 프로펠러의 효율성은 엔진에서 발생되는 제동마력에 대한 추력마력의 비율이라 할 수 있다. 프로펠러의 효율성은 프로펠러가 얼마나 "슬립"이 되었는지에 따라서 50~87%까지 다양하다. 프로펠러 슬립은 프로펠러의 기하학적 피치와 프로펠러의 유효피치의 차이이다. 기하학적 피치는 프로펠러가 한 번 회전하는 동안 전진하는 이론적 거리이고 유효피치는 실제로 이동한 거리이다. 기하학적 피치는 슬립 되지 않는 상황에 기반을 두지만, 유효피치는 공기 중에서 프로펠러의 슬립이 일어나는 것을 포함한다. 프로펠러가 "뒤틀려"있는 이유는, 모든 것은 중심점을 기준으로 회전하는데, 프로펠러 깃의 바깥 부분이 중심 허브 부분보다 더 빠르게 회전한다. 만약 날개깃의 모든 부분이 동일한 깃 각으로 되어 있다면 프로펠러의 끝부분은 속도가 매우 빨라 실속이 발생되며 Hub 근처 부분은 음성의 받음각을 가질 것이다. 순항비행 시 프로펠러가 안정적인 받음각으로 작동될 수 있도록 프로펠러의 깃은 프로펠러 허브 쪽의 깃 각이 최대가 되고 끝 쪽의 깃 각이 최소가 되도록 비틀려 있다. 프로펠러 깃은 길이에 따른 회전 속도의 차이에 반비례하여 날개깃 각이 뒤틀려져 있게 한 것은 프로펠러 길이를 따라 거의 동일한 추력을 발생하도록 하여 프로펠러에 부담되는 하중이 일정하게 분포되도록 해준다. 보통 프로펠러의 깃 각이 1~4 º에서 가장 효과적인 양향비를 제공하는데, 비행 중에 고정 피치 프로펠러의 받음각은 보통 0~15 º 까지 달라진다. 달라지는 이유는 항공기의 전진 속도의 변화와 프로펠러의 회전수에 따라 상대적인 공기흐름에 의하여 변화(프로펠러에 작용하는 상대풍의 변화)가 이루어지기 때문이다.