제트 엔진

위키백과 ― 우리 모두의 백과사전.

프랫 앤 휘트니사의F-15 Eagle용 터보팬 엔진

제트 엔진(Jet engine)은 제트 기류를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보젯, 터보팬, 스크램젯, 로켓 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어 지기 때문이다.

[편집] 역사

제트 엔진의 역사는 기원전 1세기 아에올리스의 공이라 불리는 이알러파일(aeolipile)로 거슬러 올라간다. 증기력으로 구동되던 이 기관은 아쉽게도 자료가 미미하다. 오늘날의 제트 추진에 의한 기관이 구체화된 것은 로켓에 의해서였다. 연료를 빠르게 연소시켜 추력을 얻는 방식으로 불꽃놀이에 사용되었고 후에는 무기로 발전한다. 20C에 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 회전하기 때문에 당시에는 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 20C에 들어서면서 본격적인 개발이 진행되는데 초기의 제트 엔진 기관은 지금과는 다르게 압축공기를 피스톤 엔진으로 압축하여 연료와 함께 연소시켜 추력을 얻는 방식이었다. 이러한 방식으로 Campini Caproni가 CC.2를, 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 1935년 한스 폰 오하인이 항공기용 가스 터빈 엔진의 개발을 시작했고 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 꺼꾸로 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. 너무 늦게 전쟁에 투입되어 메서슈미트의 역할은 크지 않았지만 종전 후 승전국들은 이 기체의 연구를 바탕으로 자국의 제트 전투기를 개발하게 된다.

[편집] 엔진의 종류

종류	특징	장점	단점
써모젯	가장 원시적 형태의 제트 엔진. 피스톤 엔진으로 공기를 압축한다		무겁고 비효율적며 힘도 약하다
터보젯	일반적이고 기초적인 가스터빈 제트 엔진	설계가 쉽다	기초적인 구성이므로 효율과 성능을 향상하는 기술이 없다
터보팬	팬을 확대 장착하여 높은 바이패스비를 얻는다	소음이 덜하고 아음속에서 효율적이다	설계와 구성이 복잡해진다(바이패스 덕트, 샤프트 수의 증가 등), 엔진이 커지고 무거워진다. 다양한 바이패스비에 대응할 수 있다, FOD(외부 물질에 유입되어 입는 손상)와 동결에 따른 손상(ice damage)에 취약하다.
로켓	연소에 필요한 모든 것을 탑재한다(공기 필요 없음)	구동 부분이 적다, 마하 0 ~마하 25+에서 유효하고 마하 10 이상일 때 효율이 우수하다), 중량 대비 추력비가 100이상, 구조가 단순하고, 속도가 매우 빠르다, 추력 대비 비용이 저렴하다, 외기권에서 유효한 방식이다.	많은 양의 추진제를 필요로 한다. 재사용이 어렵다. 산화제를 탑재하며 이 물질은 대개 위험하다.비추력이 매우 낮다 (약 100-450 sec)
램젯	연소에 필요한 공기를 비행체가 고속으로 날면서 기압으로 압축한다.	구동 부분이 적다, 마하 0.8 to 마하 5+에서 유효하고, 마하 2 이상일 때 효율이 좋다), 중량 대비 추력비가 30이상으로 가볍다	가속하기 위해 다른 추진체에 의존해야 한다, 음속 이하의 저속에서 압축비가 낮아 효율이 매우 나쁘다. 다양한 속도에 대응이 어렵다.
스크램젯	공기가 음속이하로 떨어지지 않는다, 흡입, 연소, 배기 과정이 모두 한 동체 내에서 초음속 상태로 일어난다.	높은 마하 수에서 운전될 수 있다(마하 8 ~ 15)[1]	아직 개발단계의 기술, 자력으로 작동하기 위해 초기 가속을 해주어야 한다. 기체 냉각과 공기 유입에 기술적 어려움이 있다. 중량 대비 추력비가 낮다(~2),
워터젯	배의 후면으로 물을 내뿜는다.	얕은 수심에서 운항할 수 있고 부유물의 영향을 받지 않는다.	프로펠러보다 효율이 낮고 파편에 취약하다
펄스젯	분산형 덕트로 공기를 유입하고 연료를 공기에 분사하여 점화한다. 공기 유입과 점화가 순차적으로 일어난다.	구조가 매우 간단하다. 모형 항공기 엔진으로 사용된다.	소음이 크고 저 압축비로 효율이 낮다. 소형 항공용으로만 유용하다. 밸브를 자주 교체한다.
실험 개발 단계의 제트 엔진
터보로켓	고고도에서 비행하기 위해 산소 등 산화제를 유입공기에 혼합한다.	제트 엔진과 비슷하면서도 고도와 속도에 제한을 덜 받고 비행할 수 있다	공기 유속 한계가 터보젯과 비슷하다. 산화제인 LOX의 경우 위험하다
로켓탑재 램젯	램젯의 일종으로 유입 공기를 로켓의 배기가스로 압축하고 연소시킨다.	마하 0 ~마하 4.5+에서 유호하고 외기권에서도 작동한다.	저속 비행이나 외기권 비행에서 로켓과 비슷한 효율을 보인다. 아직 개발 수준이 낮고 흡입과 냉각에 기술적 어려움이 있다
펄스 폭발 엔진	펄스 엔진과 비슷하지만, 점화 방식이 detonation이다.	이론적인 최대 엔진 효율	소음이 매우 크고, 피로 하중에 대한 재료의 문제와 점화가 어렵다.
Precooled jets / LACE	램젯이나 터보젯 엔진에 유입되는 공기 온도를 매우 낮게 하여 효율을 높인다.	지상 실험이 가능하고 높은 중량 대비 추력이 높다(~14) 속도 변화에 고효율로 대응할 수 있다.	아직 연구 단계의 기술. RB545, SABRE, ATREX등
제트엔진은 아니나 제트 엔진을 응용한 형태의 추진 기관
터보프롭 (터보샤프트도 이와 유사)	제트 엔진은 아니다- 프로펠러를 구동하기 위해 가스터빈 엔진이 사용된다.	저속에서 효율이 매우 높다(시속 500 - 700Km)	속도에 한계가 있고 가스 터빈 사용으로 소음이 많고 구동계가 복잡하다
프롭팬	터보프롭 엔진이 하나 이상의 프로펠러를 구동하는 마치 덕트를 뺀 터보팬과 유사한 형식이다	연료 효율이 매우 높다. 1980년대에 고유가로 유행했었다.	터보팬보다 복잡하고 소음이 많아 개발에 한계가 있다

[편집] 터보젯 엔진

일반적으로 사용되는 좁은 의미의 제트 엔진이 터보젯이다. 간단히 말한다면 가스 터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용할 때 터보젯이 된다. 여기에 바이패스비(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.

[편집] 터보팬 엔진

터보팬 엔진의 공기흐름을 나타낸 그림

현대의 항공기 엔진은 대부분 터보팬이다. 제트 엔진, 즉 터보젯 엔진에 대형 팬을 더한 것으로 이 팬을 통해 압축기로 공기를 보낼 뿐 아니라 엔진 본체를 둘러싼 바이패스 덕트로도 보낸다. 덕트로 보내진 공기는 배기구를 빠져나가기 전 연소된 공기와 혼합되어 분출된다. 이렇게 함으로써 터보팬 엔진은 효율이 좋아지고 터보젯 엔진보다 소음이 덜하다.

제트 엔진이 항공기 엔진으로 사용되던 초창기엔 군사용과 일반 항공기용이 크게 다르지 않았다. 오늘날 대부분의 터보팬 엔진은 연료 효율을 높이고 소음을 줄이기 위해 낮은 추력비를 갖는데 이것은 상대적으로 바이패스비가 높음(4-8:1)을 의미한다. 하지만 군사용으로 사용되는 터보팬 엔진은 소음이나 연료 효율보다는 높은 추력을 요구함으로 바이패스비가 낮다(보통 2.0이하).

[편집] 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 형상이 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 있어 여기에 연료를 분사하면 추가 설비 없이 연소시켜 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 효율이 나빠 이륙할 때나 고기동을 요구할 때에만 사용된다.