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제트기관
제트기관( jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 추력을 얻는 기관이다. 넓은 의미로 제트기관은 터보제트(turbojet), 터보팬(turbofan), 램제트(ramjet), 로켓엔진(rocket engine) 등을 포함한다.
제트기관은 공기를 흡입하여 내부의 연료를 연소시키는 공기 흡입식 엔진이다. 제트기관은 일반적으로 터빈(turbine)에 의해 구동되는 회전식 공기 압축기를 가지고 있으며, 남은 동력은 추진 노즐을 통해 추력을 제공한다. 제트기관이 사용되는 대표적인 예가 제트 항공기이다. 초기의 제트 항공기는 아음속 비행시 비효율적인 터보 제트 엔진을 사용하였다. 현대의 아음속 제트 항공기는 일반적으로 더 복잡한 고우회(high bypass) 터보팬 엔진을 사용하는데, 현대의 터보팬 엔진은 20세기초 비행기의 피스톤 및 프로펠러 엔진보다 연료 효율이 더 높고 속력이 더 빠르다.
20세기 초 비행기의 동력기관이었던 피스톤 엔진과 프로펠러 엔진의 성능은 한계가 있었다. 피스톤 엔진은 추력에 비하여 무거웠다. 프로펠러 엔진은 프로펠러 블레이드 끝단의 속도가 음속에 접근하면서 효율이 급격히 떨어졌고, 그 당시의 재료도 음속을 견디지 못하였다. 항공기 성능을 획기적으로 개선하려면 다른 추진 기구를 찾아야 했고, 이것이 일반적으로 '제트'엔진이라는 가스터빈 엔진 개발의 동기였다.
초기의 공기 흡입식 제트 엔진은 피스톤 엔진이 공기를 압축하고, 이 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시켜 제트 추력을 얻는 혼합형 설계였다. 가스터빈 엔진을 실제적으로 사용할 수 있게 된 것은 압축기를 엔진 자체의 동력으로 구동하면서이다. 1791년 바버(John Barber, 1734–1801)가 가스터빈의 개념을 고안하였고, 1903년 노르웨이 공학자 엘링(Aegidius Elling, 1861–1949)이 실험적으로 실현시켰지만, 처음으로 세계 최초의 가스터빈을 완성한 것은 1937년 영국공군 공학자 위틀(Frank Whittle, 1907–1996)이었다.
목차
개요
기관 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 제트[噴流]로서 제트노즐에서 분출시켜, 그 반동력을 추진력으로 사용하는 열기관.
넓은 의미에서는 연소에 필요한 산소원(酸素源)을 내장하고 있는 로켓엔진도 포함된다. 그러나 일반적으로는 공기 중의 산소를 이용하여 연료를 연소시키는 것을 뜻한다. 따라서 제트 기관은 공기가 있는 대기권 내에서만 기능할 수 있다. 이 엔진은 대부분 항공용 원동기로서 사용되며, 구조와 기능에 따라 4개로 분류한다.
터보제트(turbojet)는 대기에서 흡입한 공기를 압축기(축류형·원심형)로 압축하고 이 압축공기를 연소실로 끌어들여 연료를 분사하여 연소시키고, 고온·고압의 연소가스를 압축기 구동용 터빈에 분출시켜 터빈을 구동한다. 이 엔진은 대부분 항공기에 사용되는데, 음속의 0.7∼2.5배의 군용기와 고속여객기에도 사용된다.
터보프롭(turboprop)은 구조적으로 터보제트에 프로펠러를 장착한 엔진으로 터보제트와 비슷하다. 그 성능은 프로펠러기와 터보제트기의 중간이며, 그다지 고속비행을 필요로 하지 않는 중형 여객기나 수송기 등의 엔진으로 적합하다.
또 터보프롭의 프로펠러 대신에 축류압축기를 장착한 것이 바이패스엔진(bypass jet)이다. 이 엔진은 축류압축기로 압축된 공기의 일부를 연소실의 바깥둘레를 통해서 연소가스와 함께 분출시킨다. 압축한 공기를 압축기에 보내므로 연료소비가 아주 적으며 비교적 고속의 수송기에 적합하다.
램제트(ram jet)는 비행속도가 빨라지면 기관에 흘러들어가는 공기는 공기 자체의 관성으로 압축된다. 이것을 '램효과'라 하며, 이 효과를 이용한 압축공기를 연소실로 유도하여 연료를 분사한다. 여기에서 발생한 연소가스를 제트노즐에서 분출시켜, 그 반동력을 추력으로 사용한다. 이 엔진은 구조가 간단하고 고속일수록 성능이 좋아지기 때문에 음속의 2∼4배인 초음속여객기(SST) 원동기로서 알맞다.
펄스제트(pulse jet)는 공기흡입구 앞 끝에 자동개폐 밸브가 있어 비행속도로 유입되는 공기는 이 밸브를 밀어서 열게 하며, 확산실로 들어가면 속도는 낮아져 압력이 상승하게 된다. 이것에 연료를 분사하여 연소시키는데 연소에 의해 다시 압력이 상승하게 되면 자동개폐 밸브가 닫혀지므로, 연소가스는 제트노즐에서 분출하여 추력이 생긴다. 연소가스가 분출하게 되면 연소실의 압력이 낮아져 다시 공기가 자동개폐 밸브를 통해서 연소실에 흘러들어간다. 이 엔진은 현재 표적기(標的機)와 같은 특수한 목적에만 사용된다.
역사
제트 엔진의 역사는 기원전 1세기 아에올리스의 공이라 불리는 이알러파일(aeolipile)로 거슬러 올라간다. 증기력으로 구동되던 이 기관은 아쉽게도 자료가 극히 미미하다. 오늘날의 제트 추진에 의한 기관이 구체화된 것은 로켓에 의해서였다. 연료를 빠르게 연소시켜 추력을 얻는 방식으로 불꽃놀이에 사용되었고 후에는 무기로 발전한다.
20세기에 들어서면서 제트 엔진의 개발이 두드러지게 되는데 이는 항공기의 동력 기관으로 피스톤 엔진과 프로펠러에 의한 추진이 한계를 보였기 때문이다. 피스톤을 사용하는 엔진은 추력에 비하여 무거웠고 무엇보다도 프로펠러에 의한 추진은 프로펠러의 날개 끝이 초음속으로 회전할때에는 당시의 재료가 이를 견디기 힘들었다. 이렇게 하여 등장한 것이 가스 터빈 엔진, 즉 제트 엔진이다. 가스 터빈의 발상은 사실 영국인 존 바버(John Barber)에 의해서였다. 그는 1791년 기본적인 개념의 가스 터빈 설계로 특허를 획득하였지만 실용화하지 못했다. 이후 20세기 에 들어서면서 본격적인 개발이 진행되는데 초기의 제트 엔진 기관은 지금과는 다르게 압축공기를 피스톤 엔진으로 압축하여 연료와 함께 연소시켜 추력을 얻는 방식이었다. 이러한 방식으로 Secondo Campini가 Caproni Campini N.1를, 일본은 Tsu-11를 개발하려 하였으나 실용화에는 실패하였다. 일본의 Tsu-11은 카미카제 비행기에 사용할 계획이었다.
제트 엔진이 실제적으로 사용할 수 있게 된 것은 압축기를 엔진 자체의 동력으로 구동하면서이다. 노르웨이 공학자 Ægidius Elling이 1903년에 이를 실현하였고 몇몇 기관이 선보였지만 안정성과 지속적인 구동이 어려워 크게 성공하지 못했다. 그러던 중 영국의 프랭크 휘틀이 터보제트에 대한 연구를 진행하였고 비슷한 시기에 독일의 한스 폰 오하인 또한 항공기용 가스 터빈 엔진의 개발을 시작하였다. 1937년에 휘틀은 세계 최초의 제트엔진인 파워 제트 WU(Power jets WU)를 완성시켰으며 곧이어 오하인 또한 에른스트 하인켈(Ernst Heinkel)사와 협력하여 1937년 HeS-1엔진 개발에 성공한다. HeS-1은 수소를 연료로 사용하였지만 이후 개발을 지속하여 가솔린을 연료로 하는 출력 5kN의 HeS-3을 개발하였고 하인켈사의 He178에 탑재되어 1939년 8월 27일 세계 최초로 제트 엔진에 의한 비행에 성공한다. 최초의 제트 비행임에도 여기에는 문제가 있었다. 압축기가 너무 커 엔진 단면이 커져버렸고 여기에 따르는 문제로 효율이 좋지 못했다. 이 문제를 해결한 것은 오스트리아의 Junkers' engine division(혹은 Jumo라고도 함)으로 원심력으로 공기를 압축하는 대신 마치 터빈을 거꾸로 설치하듯 팬을 다단으로 설치하여 공기를 압축하였다. 기관은 더욱 복잡해졌지만 결과적으로 엔진은 작아졌고 이 엔진은 Jumo004로 명명되었다. 이 엔진은 1944년 세계 최초의 제트 전투기인 메서슈미트(Messerschumitt) Me 262에 탑재된다. 그리고 그 얼마 뒤 연합군도 그동안 독자적으로 개발해온 제트 전투기를 실전 배치하게 된다.
터보제트(turbojet) 엔진
가스터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용한 것이 터보제트 엔진이다. 터보제트 엔진의 공기 압축기는 터빈에 의해 구동되며, 터빈을 통과하는 팽창된 기체의 에너지가 터빈을 구동시킨다. 터보제트 엔진은 연료의 내부에너지(internal energy)를 배기 기체의 운동 에너지로 변환하여 추력을 얻는다. 터보제트에 흡입된 기체 전부는 압축기, 연소기 및 터빈을 모두 통과하며, 이는 아래 설명된 터보팬 엔진과 다른점이다.
일반적으로 사용되는 좁은 의미의 제트 엔진이 터보제트이다. 간단히 말한다면 가스 터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용할 때 터보젯이 된다. 여기에 바이패스(by-pass ratio)를 높이기 위해 압축기의 1단 팬을 확대한 것이 터보팬으로 대부분의 항공기들이 이 터보팬 엔진이다. 또 다른 방식으로 터빈에서 얻은 동력을 압축기뿐 아니라 따로 축을 연결하여 프로펠러 등을 구동하는 것이 터보프롭, 터보샤프트이다.
터보젯 엔진에 의한 추진을 프로펠러에 의한 추진과 비교할 때 상대적으로 적은 공기를 흡입하여 분출한다. 반면에 프로펠러는 많은 공기를 취하지만 상대적으로 느리게 공기를 밀어낸다. 이러한 이유로 비행체가 고속으로 기동할 때나 높은 고도에서(공기가 희박) 제트 엔진의 효율이 더 좋아진다. 다시 말하면 저속에서는 프로펠러에 의한 추진이 유리하다. 이러한 이유로 가스터빈에 프로펠러를 연결한 터보프롭기가 단거리나 저속 비행에 이용되고 있다.
터보팬(turbofan) 엔진
터보팬 엔진은 현대 항공기의 주요 엔진 유형이다. 터보팬은 엔진 앞쪽에 있는 팬이 가스터빈 엔진을 우회(bypass)하는 덕트를 통과하는 공기를 가속시킨다. 즉 터보팬에서는 압축기로 유입된 공기의 일부가 연소기나 터빈을 거치지 않고 노즐로 배출된다. 이처럼 연소기 및 터빈을 통과하는 유동을 코어 유동(core flow), 이를 통과하지 않는 유동을 우회 유동(bypass flow)이라고 한다. 코어 유동은 노즐에서 배출될 때 고온, 고압, 고속 상태이며, 우회 유동은 코어 유동에 비해 상대적으로 노즐에서 배출될 때의 온도, 압력, 속도가 낮다. 반면 우회 유동은 연소되지 않고 배출 되므로 동일한 추력의 터보제트와 비교하여 터보팬은 배출하는 공기 유량(flow rate)이 크다.
엔진의 추력은 배출되는 기체의 운동량에 비례하기 때문에 코어 유동의 속도 증가 효과와 우회 유동의 유량 증가 효과는 모두 추력 증가에 기여한다. 일반적인 경우 코어 유동으로 사용하여 속도를 증가시키는 것보다는 같은 에너지를 사용하여 우회 유동의 유량을 증가시키는 것이 추력 증가에 더 효율적이다.
즉 터보팬은 공기 유량이 커서 공기의 대분분이 연소되지 않았음에도 불구하고 훨씬 더 많은 추력이 생기는 것이다. 하지만 터보팬 엔진의 큰 팬은 항력도 많이 발생시킨다. 따라서 절대 성능, 가속도, 무게 등이 연비보다 우선인 전투기 및 초음속(supersonic) 비행기에서는 터보팬 엔진의 팬이 아음속 여객기 등의 팬에 비해 크기가 작다. 작은 팬이 여러 개 있는 경우도 있다. 팬이 작아서 우회하는 공기량이 적은 반면 매우 높은 비율로 공기를 압축시킨다. 전투기 등에 사용하는 이러한 저우회(low-bypass) 터보팬은 아음속에서 효율이 떨어지고 소음이 크지만, 민간 여객기 등의 고바이패스 터보팬에 비해 항력이 적어서 절대성능이 우수하다.
구성
엔진 종류에 따라 상이한 구성 요소들을 갖지만 제트 엔진은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소를 갖는다.
공기 유입구(Air Intake)
제트 엔진으로 공기가 유입되는 통로이다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 현상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의하여야 한다. 또한 초음속으로 인한 충격파에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치한다.
압축기(Compressor)
유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트 엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.
연소실(Combustor or Combustion Chamber)
압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳이다. 이때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻는다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있다.
터빈(Turbine)
연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달한다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운(상대적으로 차가운) 공기로 터빈 날을 식힌다.
샤프트(Shaft)
터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.
후연기(Afterburner)
주로 전투기에 추가로 추력을 얻기 위해 사용된다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창 가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있으나, 그래도 점화장치가 필요하다. 애프터버너로 가열된 공기가 들어오기 전에 바이패스 기류가 연소가스와 잠시 합쳐졌다가 떨어지는데, 이 때 온도가 낮아지는것도 있고, 스크램블시엔 저출력운전(택싱)이나 활주로상에서 공회전을 하다가 갑자기 애프터버너를 작동함과 동시에 최대 출력으로 올리게 되는데, 이로 인해 가스의 온도가 부족할수도 있기 때문으로 보인다. 또한 불꽃안정기라는 추가부품도 필수이다. 그리고 여기에 연료를 분사, 점화하면 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 연비가 지나치게 나빠져서 이륙할 때나 목표지점으로 고속 이동해야 하는 사유가 있을 때(레이더 화면상에 아측 영공내로 침입한 적기 또는 적 폭격 편대가 포착되어 예상경로상에 실제공습경보가 발령되었을 시)나 비무장상태로 적기조우 또는 적 방공망의 미사일 발사 감지로 인해 고속도주할때, 또는 같은 이유로 고속도주하는 적기를 추격해야하는 중요한 이유가 있을 때(미그25나 미그31같은 서방측 전투기가 속도부족으로 따라가지 못함에도 영공 밖으로 이탈시켜 방어목적을 달성하는 것이나 이들이 착륙접근중임을 감지하고 격추및 비행장 보복폭격을 위해 고속추격하는 경우 등) 등 고기동을 요구할 때에만 사용된다.
배기구(Exhaust or Nozzle)
연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다.
참고자료
같이 보기
