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제트엔진 by 이택우
제트엔진의 특징과 종류
 
과학관과 문화 기사입력  2015/02/25 [01:07]
제트엔진
                                 by 이택우

제트엔진은 고온의 가스를 분출시키면서 그 반작용으로 추진력을 얻는다. 또 성능이 우수하고, 경제성도 높아서 현재 항공기용 엔진으로 가장 많이 쓰인다.

제트엔진을 가장 먼저 생각했던 사람은 Maxime Guillaume이다. 프랑스의 발명가인 그는 가스터빈을 항공기의 동력원으로 써보자는 생각을 했다. 그래서 1921년 ‘축류식 터보제트의 개념도’를 만들었다. 하지만 당시 기술력으로는 만들 수가 없었다. 그러다가 1926년 A. A. Griffith가 ‘터빈 설계의 공역학적 이론(An Aerodynamic Theory of Turbine Design)’에 관한 논문을 발표했다. 이것이 축류식 압축기를 제작할 수 있는 이론적인 근거가 되었다. 그러나 한동안 그 원리를 이용한 실용적 제품을 만들지 못했다. 그러다 1930년대 후반 영국의 Frank Whittle과 독일의 Hans von Ohain이 독자적으로 시제품을 만들었다. 세계 최초로 터보제트 엔진을 장착한 항공기는 He 178이다. 이 비행기는 1939년 8월 27일 Heinkel에서 초도비행에 성공했다. 그러나 막상 제트엔진의 시대를 연 것은 영국 최초의 제트민항기 CH-178 ‘코멧’이다. 
▲ Concord + DH -178 + DH - 106 Comet     ©과학관과 문화


 제트엔진의 연료는 기본적으로 등유다. 예외도 있다. M1에이브람스에 탑재된 터보 샤프트 엔진은 술이나 향수로도 작동이 가능하다. 하지만 엔진 효율이나 안정성 때문에 등유를 사용한다. 이 때문에 미군은 현재 통용되는 모든 차량의 연료를 JP-8이라는 항공유로 통합했다.



제트엔진에는 터보제트, 터보팬, 터보프롭, 램제트, 터보샤프트, 펄스제트 등의 종류가 있다. 그 차이는 구동방식이다. 제트엔진은 공기를 흡입하여 연료를 연소시켜서 가스를 분출하여 추력을 얻는다. 로켓 엔진도 가스 분출을 이용한다는 점에서는 제트엔진과 마찬가지다. 그러나 제트엔진과 확실히 다른 점이 있다. ‘산화제’다. 로켓엔진은 공기가 없는 진공상태에서도 작동해야 한다. 따라서 산화제를 내장하고 있다.


최초의 제트엔진은 터보제트 엔진이다. 구조가 간단하고 가속도도 좋다. 고속에서의 효율도 좋다. 하지만 성능을 제대로 내려면 더 많은 공기를 압축하여 연료의 연소효율을 높여야 한다. 따라서 고속으로 비행해야만 한다. 따라서 저속 비행 시에는 압축되는 공기의 양이 적어서 연소효율이 떨어진다. 따라서 연료비가 많이 든다. 특히 저속에서 비경제적이고 효율이 매우 낮다.

▲ 터보제트엔진 설명도     ©과학관과 문화

터보팬 엔진이 개발되기 전에는 거의 모든 제트기가 터보제트 엔진을 사용했다. 그러나 터보팬과 터보프롭 엔진이 등장하면서 상황이 바뀌었다. 이제 터보제트엔진은 항공기용으로는 잘 사용되지 않는다. 대신 구조가 간단한 점을 이용해 순항 미사일이나 무인기용으로 많이 사용된다. 터보제트는 피스톤 엔진에 비해 고고도 고속순항이 가능하다. 신뢰성도 매우 높다. 하지만 경제성과 소음이 문제다. 또 압축비가 큰 배기가스를 고속으로 분출하므로 기압차 때문에 폭음이 발생한다. 그래서 실제로는 터보팬과 터보프롭이 실용화되었고, 터보제트는 항공기 엔진에서 급격히 도태되었다.


터보팬 엔진은 터보제트 엔진의 흡입구 부분에 공기를 유입시키는 커다란 팬을 단 것이다. 팬이 돌아가면서 공기가 압축기를 거쳐 연소부분과 노즐로 나가는 것까지는 터보제트 엔진과 비슷하다. 그러나 팬을 통해 유입되는 공기의 일부가 압축기 바깥을 지나(바이패스 bypass) 연소되지 않고 바로 분출된다. 이렇게 분출되는 공기는 주 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진에 비해 저공 저속에서의 효율이 높다. 바이패스 되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율이 ‘바이패스비’이다.

▲ 터보팬엔진     ©과학관과 문화

바이패스비가 12:1 이면 팬을 거친 바이패스 유동이 코어유동의 12배에 달한다. 따라서 ‘바이패스비’가 높은 엔진일수록 효율이 좋다. ‘바이패스 비’를 높이려면 팬의 크기를 키워야한다. 그러나 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없다. 따라서 팬이 큰 하이바이패스 엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기에 쓰인다. 반면 팬이 작은 로우바이패스 엔진은 전투기처럼 고속성능이 중요한 군용기에 사용된다. 이것은 터보제트 엔진에 비해 소음이 작다. 왜냐하면 평균적인 배기가스 분사속도가 낮고, 상대적으로 더 저속의 바이패스 공기가 고속의 배기가스 분사를 감싸는 형태로 완충을 시켜주기 때문이다. CFM 인터내셔널 CFM56 엔진의 경우, 프랫&휘트니 J57 엔진에 비해 소음을 126데시벨에서 99데시벨로, 96%나 줄였다.
▲ 램제트엔진     ©과학관과 문화
그래서 보잉707을 선두로 소음과 경제성에 민감한 민항기부터 시작하여 러시아군에서는 Tu-124’Cookpot’과 미공군의 F-111’Aardvark’, 그리고 미해군의 F-14’Tomcat’으로 확장되었다. 현재 하늘을 나는 제트기는 대부분이 터보팬 엔진을 채용하고 있다.   
▲ Tu-124 Cookpot + F111 Ardvark(USAF) + F-14 Tomcat(USNAF)     ©과학관과 문화


 램제트 엔진은 터보팬 엔진, 터보제트 엔진과는 완전히 다르다. 터보, 즉 터빈이 없다. 일반 제트 엔진은 엔진 배기가스로 터빈을 돌린다. 그리고 그 구동력으로 엔진 앞쪽의 압축기를 돌려서 공기를 빨아들이고, 공기를 압축한다. 그러나 램제트 엔진은 압축기가 있어야 할 곳이 빈 공간이다. 여기에 연료를 뿌리고 태워서 노즐로 내보내 추력을 얻는다. 하지만 일단 압축기가 없기 때문에 공기 압축이 제대로 되지 않는다. 디퓨저(diffuser, 뒤로갈 수록 점점 넓어지는 형태의 관)를 사용하면 본래 공기의 특성상, 속도는 줄고 압력은 늘어난다. 하지만 일반 제트 엔진에 비해 쉽지 않다. 그리고 느린 속도에서는 역류의 위험이 매우 높다. 즉 앞쪽도 뒤쪽도 뚫려있는 구조이다. 따라서 연소되어 팽창한 배기가스가 뒤가 아니라 앞쪽으로 빠져 나와 버린다. 그래서 이 방법은 20세기 초반에 처음 등장한 이래 실제 항공기가 쓴 사례가 거의 없다. 현재 램제트 엔진을 쓰는 항공기는 SR-71’Blackbird’, SR-72’ Son of Blackbird’, X-43, ‘Hyper-X’, ‘X-51’, Waverar’뿐이다.
▲ X-43 Hyper-X + X-51 Waverider + SR-72 Son of Blackbird     ©과학관과 문화




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기사입력: 2015/02/25 [01:07]  최종편집: ⓒ sciencecc.com
 
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