제트 추력 엔진

2008.04.29 23:42

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>제항공기에 있어서 엔진의 의미는 사람의 다리와 심장에 해당할 만큼
매우 중요하다.
항공기중에서 특히 전투기의 성능은 결국 무장 발사능력과 기동성능에 의해서
좌우되는데 그 기동성능에 가장 큰 영향을 미치는 것이 엔진인 것이다.
전투기의 엔진의 경우 민간 항공기의 그것과는 외양부터가 다르다.
성능면에서도 민간항공기의 엔진이 트럭엔진에 비유될 수 있다면, 전투기의 엔진은 스포츠카의 엔진에 비유될 수 있는 것이다.
그럼 과연 전투기 엔진을 비롯한 각종 항공기용 엔진은 어떤 구조로 되어 있고 또 어떤 차별적인 특성을 갖고 있는지 알아보자.


1. 왕복엔진

인류 최초 동력비행의 성공은 1903년에 라이트형제에 의해서 이루어졌다. 그 이전에 수없이 인간이 추구해왔던 창공에 대한 도전은 무동력 비행이었던 것이다. 최초의 동력비행을 가능하게 해 준 동력장치는 왕복엔진이었다. 자 그럼 왕복엔진은 어떤 구조로 동력을 발생시키는지 알아보도록 하자.
왕복엔진은 실린더, 피스톤, 점화플러그, 크랭크 등의 요소로 구성되어 있다.
이중에서 왕복엔진은 실린더내에서 피스톤의 왕복운동을 동력으로 활용하는 것이다.
왕복엔진은 그 열역학적 사이클의 분류에 따라 가솔린 기관(Otto cycle)과 디젤기관(Diesel cycle)등으로 분류하고, 또 행정수에 따라 2행정 기관과 4행정 기관, 냉각 방식에 따라 공냉식 엔진과 수냉식 엔진으로 분류하고, 실린더 배열방식에 따라 I열형, 대항형, V형, 성형엔진으로 분류된다.
항공기용 왕복엔진은 무게가 가볍고, 큰 힘을 얻을 수 있는 가솔린 기관(Otto cycle)중에서 4행정 공냉식 엔진이 사용되고 있다.
왕복엔진의 구조 및 작동원리에 대해서 조금 더 자세히 살펴보면, 왕복엔진은 실린더와 피스톤 및 피스톤의 왕복운동을 크랭크에 전달해주는 연결대(Connecting rod)와, 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 크랭크로 구성된다. 또한 실린더 헤드(Cylinder head)에는 실린더내에서 흡입, 압축, 팽창, 배기행정이 일어날 수 있도록 흡입밸브(Intake balve)와 배기 밸브
(Exhaust valve)가 있으며, 밸브 작동기구가 크랭크축과 연결되어 적당한 크랭크 각도에서 열림과 닫힘이 이루어지는 구조로 되어 있다.
즉, 흡입밸브가 열리고 배기 밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 위(상사점)로부터 아래로 내려가면 흡입행정이 이루어지고, 계속 배기 밸브가 닫힌 상태로 아래(하사점) 부근에서 흡입 밸브가 닫히고 다시 피스톤이 올라올 때 압축행정이 이루어진다.
또 피스톤이 위(상사점)에 다 올라왔을 때 점화를 시켜주면 압축된 혼합연로 가스는 연소하여 폭발하면서, 흡입 밸브와 배기 밸브가 닫힌 상태에서 피스톤은 폭발된 연소가스에 밀려 다시 아래로 내려가면서 팽창 행정이 이루어진다. 그리고 이 행정중에서 크랭크축을 회전시키는 동력을 얻게 되는 것이다.
팽창행정이 끝나고 피스톤이 아래로 내려오면 흡입밸브는 닫힌 상태 그대로 있게되고, 배기 밸브가 열리며 피스톤이 다시 위로 올라가면서 실린더내에 있는 연소가스를 배기구로 밀어내어 배기행정이 이루어진다. 그리고 다음 사이클인 흡입행정이 준비되는 것이다.
이와 같이 엔진이 흡입, 압축, 팽창, 배기 행정을 연속적으로 진행시키는 동안 크랭크축에서는 축동력이 만들어진다. 따라서 항공기는 이 축에 추진용 프로펠러가 장착하여 흔히들 말하는 프로펠러 비행기는 추진력을 얻는 것이다.

2. 터보제트 엔진에서 터보팬, 터보샤프트, 터보프롭 엔진으로
현재 개발중이거나 생산중인 제트군용기의 엔진은 모두 터보팬 엔진이다.
1960년대까지는 제트 군용기의 엔진이 터보제트 엔진이 주를 이루었으나, 기술이 진보함에 따라 성능이 더욱 우수한 터보팬 엔진이 주를 차지하게 된 것이다.
그렇다면 터보팬 엔진과 터보제트 엔진은 어떤 차이점을 갖고 있는 것일까?
먼저 간단히 제트엔진의 구조원리에 대해서 부터 알아보자.
제트엔진은 압축기, 연소기, 터빈, 노즐 등의 부위로 크게 나눌 수 있다.
제트엔진에서 앞부분에 있는 압축기(Compressor)는 공기를 흡입하고 압축해서, 압축된 공기를 연소기에 보내는 역할을 한다. 이때 압축기는 그 압축 형식에 따라서 원심식(Centrifugal flow type)과 축류식(Axial flow type) 등으로 분류되기도 한다.
압축기에 의해서 압축된 공기는 연소실로 보내지고, 연소실에서는 제트연료가 압축된 공기와 혼합되어 연소된다. 이때 연소된 제트가스는 고온고압으로 급팽창하게 되는데 그 제트가스가 연소실 뒤에 위치한 터빈을 돌리면서 노즐로 분사된다. 제트엔진은 이 제트 가스의 반작용으로 추진력을 얻는 것이다.
제 2차대전시에 최초로 실용화된 제트전투기 메사슈미트 Me262 기종부터 1960년대에 개발된 전투기에 이르기까지 대부분의 군용기 제트엔진은 위에서 설명한 터보제트 엔진 방식이 었다.
터보팬 엔진은 이 터보제트 엔진을 내부적으로 포함한 형태다.
구조적으로는 압축기 앞에 압축용 팬을 첨가한 형식인데, 흔히 볼 수 있는 예로 대형 점보기들의 엔진에서 이러한 터보팬 엔진을 쉽게 접할 수 있다.
터보팬 엔진은 공기를 앞쪽의 대형 팬이 먼저 압축한 후 압축된 공기를 압축기로 보내게 되는데, 공기를 모두다 보내는 것은 아니고 일정양(by pass ratio)을 터보제트 엔진 주위로 흘려 보낸다. 그래서 터보팬 엔진은 압축, 추력 효율이 터보제트 엔진보다 우수하고 특히 중저속에서 큰 효율성을 보이게 된다.
그리고 터보팬 엔진 주위를 흐른 공기는 연소되지 않은 공기이기 때문에 산소를 많이 포함하고 있다. 따라서 엔진 뒷부분에서 연료를 다시 분사하여 추력을 증가시켜주는 후기연소기(After burner)를 가동시킬 때 큰 추력증가율을 보이는 것이 터보팬 엔진의 특징이다.
터보축엔진(Turbo shaft)은 오늘날의 헬리콥터들이 사용하는 가장 대표적인 엔진으로서 터보제트엔진과 같은 가스터빈기관에서 터빈의 동력을 축(Shaft)에 연결하여 동력을 사용하는 엔진이다. 헬리콥터의 경우 이 축을 감속하여 주회전날개 즉, 로터를 연결하여 회전력을 얻는 것이다.
헬리콥터는 과거 피스톤엔진을 사용할 경우보다 훨씬 가볍고도 큰 출력을 발생시키는 터보축엔진을 탑재하면서 그 성능이 급격히 발달하였다고 할 수 있다.
터보프롭엔진(Turbo prop)은 터보축엔진이 터빈과 연결된 축으로 헬리콥터의 주 회전날개 돌리는데 반하여, 그 축을 감속하여 고정익 비행기의 추진용 프로펠러를 돌리는 구조이다.
그래서 터보프롭엔진을 탑재한 비행기는 얼핏보면 왕복엔진 비행기와 비슷하게 프로펠러를 가지고 있으나 실은 제트엔진(gas tubine engine)인 것이다.
이 터보프롭엔진은 제트엔진의 효율이 떨어지는 중저속에서 그 추진 효율이 매우 높기 때문에 주로 이 속도대역에서 운용하는 군용기의 엔진으로 사용되고 있다.


3. 후기연소기와 연료문제

앞서 터보팬 엔진에서 언급한 후기연소기(A/B : After burner)란 오진 전투기 엔진에서만 볼 수 있는 장치인데, 말 그대로 연소기에서 이미 연소된 제트가스에 연료를 한번 더 분사/연소시켜서 추력을 증가시키는 장치다.
연소기에서 한번 연소될 때 공기가 완전 연소 되는 것은 아니기 때문에 제트 가스에는 아직 더 태울 수 있는 여력은 남아 있다. 게다가 터보팬 엔진의 경우엔 팬에서 압축만 되고 연소되지 않은(by-pass) 신선한 공기가 그대로 남아 있기도 하다. 그래서 이미 고온 고압으로 팽창된 제트 가스에 직접 연료를 분사하고, 자발 점화시켜서 간단히 엔진 추력을 증가시킬수가 있게 된다.
민항기의 같은 터보팬 엔진이더라도 전투기 터보팬 엔진과 다르게 짧고 뭉뚝하게 생긴 이유는 바로 이 후기연소기가 없기 때문에 때문이다.
재연소된 제트가스는 엔진 정상추력(MILitary/DRY power)의 거의 두배 가까운 추력을 제공하기도 한다. 그래서 이륙시나 근접공중전 때와 같이 전투기의 빠른 가속이 필요할 때 사용한다.
후기연소기를 항상 사용한다면 높은 속도와 기동성을 얻을 수 있으므로 좋겠지만 후기연소기는 정상 최대출력 때보다 연료를 거의 4∼5배나 더 소모하기 때문에 연료가 충분하지 않은 이상 장시간 사용할 수는 없다.
게다가 수분만 작동시키면 티타늄으로 제작된 분사구마저도 위험할 정도로 과열되기 때문에 항상 작동시킨다는 것은 실제로 불가능하다. 꼭 필요할 때 잠깐만 사용하는 수단인 것이다.
지금까지의 공중전은 모두 음속이하에서 벌어 졌지만 공중전 사상 처음이자 마지막이었던 초음속 전투가 베트남전에서 벌어진 적이 있었다.
당시 팬텀기는 미그기를 추격하느라 정신없이 후기연소기를 켜고 초음속 상태에 돌입했지만 결국은 연료를 과다하게 소모해서 기지로 귀환할 수 없었다. 공중전에 있어서 연료문제는 또한 심각한 문제인 것이다.
전투기의 후기연소기 가동 여부는 쉽게 알아볼 수 있는데, 전투기를 뒤에서 봤을 때 화염이 보이면 후기연소기를 작동시킨 것이고 화염이 없으면 작동시키지 않은 것이다.
보통 전투기들은 이륙할 때마다 후기연소기를 작동하기 때문에 분사구 뒤로 길게 내뿜어지는 화염을 흔히 볼 수 있다.
전투기는 여유 있게 연료를 사용하기 위해서 보조연료탱크(Drop tank)를 자주 활용한다.
흔히 전투기 동체 아래나 날개아래 장착하는 폭탄 보다 더 길고 큰 물체가 바로 이 보조연료탱크인데, 전투기의 항속거리를 연장하기 위해서 사용되며 공중전 때는 저항과 무게를 줄이기 위해서 투하하는 연료탱크다. 그래서 비행시 전투기는 보조연료탱크의 연료부터 우선 사용한다.
하지만 보조연료탱크를 사용한다 해도 연료탱크의 항력 때문에 연료량 그대로 항속거리가 증가되지는 않는다. 따라서 적기와 교전할 경우나 전투초계비행(CAP) 연장시에 전투기자체에 공중급유능력이 있으면 작전을 보다 유동적으로 수행할 수 있게 된다.
현대 전투기에게 있어서 공중 급유 능력은 이제 필수 조건중에 하나다.


4. 수퍼크루저(Super cruiser)


전투기간의 공중전에서, 특히 근접전에서의 전투기동은 어차피 전투기간의 에너지 싸움이므로 전투기 엔진은 전투기가 근접전에 들어가기 전에 가능한 한 많은 에너지를 비축할 수있도록 가속할 수 있어야 한다.
뿐만아니라 전투기동으로 인해 손실된 속도 또한 빠르게 회복시킬 수 있어야 한다.
에너지 비축을 위한 빠른 가속은 후기연소기를 사용하므로써 가능하지만 후기연소기는 앞서 언급했던 바와 같이 항상 사용할 수 있는 것은 아니다. 다시 말하자면 전투기가 후기연소기를 사용하지 않고서도 얼마나 빠른 가속과 속도유지(순항속도)를 할 수 있는가가 기동성면에서 중요한 것이다.
과거의 전투기들은 음속을 돌파하기 위한 추력은 후기연소기를 통해서만 얻을 수 있었다.
미국의 F-22 전투기부터 기술적으로 가능해진 이 수퍼 크루저(Super Cruiser) 개념은 후기연소기를 사용하지 않고서도 초음속으로 순항비행한다는 개념이다.
이것은 단지 초음속 순항비행을 할 수 있다는 단순의미 뿐만 아니라 전투기의 기동성능이한차원 높아졌다는 점과 이로 인해서 생존성이 급격히 향상되었다는 점에 주목해야 한다.


5. 강한 전투기 엔진이 되기 위한 조건


-작지만 힘센 엔진


강한 엔진이 되기 위해선 일단 추력이 세야 한다. 그렇다고 해서 점보기 엔진처럼 거대하고 세야 한다는 것은 아니다. 작으면서 '힘'이 센 엔진이어야만 한다.
전투기만의 진한 특성은 바로 이런 작고 센 엔진에서 나타난다.
일반적으로 엔진이 크기(무게)에 비해서 얼마만큼 추력을 내는 가를 측정하는 수치로 추력중량비가 사용된다.
추력중량비(T/W비 : Thrust Weight ratio)란 엔진의 추력을 엔진 무게로 나눈 것이다.
즉 추력중량비가 8이라면 그 엔진은 엔진 무게의 8배나 추력을 낸다는 것을 뜻한다. 그래서 이 비율이 높을수록 작고 대출력이기 때문에 전투기는 빠른 가속성능을 지니게 되는데, 특이한 것은 엔진의 크기가 작으면 작을 수록 후기연소기 사용시 추력이 증가하는 비율이 커진다는 것이다.
그래서 전투기의 엔진은 요구성능 내에선 소형이면 소형일수록 좋다.
하지만 추력중량비만 크다고 해서 무조건 좋은 것은 아니다. 제트엔진은 추력중량비를 증가시키면 연료소비율도 함께 증가하는 특성을 갖고 있기 때문이다. 연료소비율은 전투기의 항속능력과 전투 지속능력에 절대적인 영향을 끼치게 된다. 따라서 전투기 엔진으로서는 추력중량비와 연료소비율을 전투기의 요구성능 내에서 최적화한 엔진이 가장 우수한 엔진이 되는 것이다.


-단발인가 쌍발인가

전투기에 경량 대출력 엔진을 탑재한다는 것은 이제 당연시 되었다. 자 그럼 과연 전투기에 엔진은 과연 몇 개인 것이 좋은가?
지금까지 만들어진 전투기는 모두 엔진이 하나(단발) 아니면 둘(쌍발)이었다.(기술적인 불필요로 3개 이상의 경우는 접어둔다)
우선 단발과 쌍발이 어떤 차이점을 갖는지 알아보자.
단발 전투기는 일단 엔진이 하나이므로 그만큼 전투기 생산단가가 낮아지고, 그만큼 기체는 소형 경량화 되어 피탐지성(Stealth)도 좋아진다. 그리고 당연히 연료 값도 반밖에 안들어 가고, 엔진의 고장 정비소요도 쌍발기의 반으로 줄어든다. 그래서 전체적으로 운용경비가 줄어든다.
하지만 문제는 안전성이다. 물론 평시에는 단발 전투기와 쌍발 전투기의 손실율은 거의 비등하다.
공중에서 엔진이 꺼져버릴 때 비상용 보조장치들(EPU,H-70 Hydrazine 등..)을 사용하거나,재점화, 급강하 비행풍압으로 재시동을 시도하는 것도 어느 정도 가능하니까 말이다. 문제는실전상황이다.
적의 방공화기나 적기에 피탄되서 기체에 온통 구멍(?)을 내논채로 기지에 귀환하기가 비일비재한 전시상황에서 외다리로 싸우는 단발기보다 양다리로 싸우는 쌍발기가 안전하고 강한 것은 일단 당연한 문제로 볼 수 있다. 따라서 단순히 전투시 생존측면에서만 보자면 쌍발엔진은 강한 전투기를 위한 필수 조건이다.하지만 단발엔진기와 쌍발엔진기를 전투기 운용의 전체적인 측면에서 본다면 이것은 그리 간단한 문제가 아니다.
쌍발기는 단발기보다 기체 설계상 비싸고, 대형기체가 될 수밖에 없다. 더 많은 기체를 보유하게 되므로써 전체 작전능력은 더 향상된다고 볼 수 있다. 따라서 강한 전투기 엔진의 조건으로서 단일기체만을 보자면 쌍발이 당연히 유리하지만, 공군력 전체적인 측면에서 본다면 단발엔진기가 유리하게 된다.

-깨끗한 엔진

이렇게 막상 엔진을 전투기에 장착했지만, 엔진을 작동 시켰을 때 엔진이 검은 구름을 달고 다닌다면 근접전때 이것은 이만저만한 문제가 아니다.
근접전은 조종사가 레이다에 의존해서 싸우는 것이 아니라 항상 적기를 직접 보고 찾으면서 싸우는 것이기 때문에 엔진 분사구에서 나오는 검은 배기가스는 치명적이기 때문이다.
곡예비행기처럼 시선을 끌 목적이 아니라면 강한 전투기에 있어서 매연이 배출되지 않는엔진은 필수적이다.


-말을 잘 듣는 민감한 엔진

모든 것이 다 마찬가지겠지만 엔진도 역시 말을 잘 들어야 좋은 엔진이다. 여기서 말을 잘 듣는다는 것은 엔진의 민감한 반응성을 뜻한다.
제트엔진의 추력은 조종사가 스로틀레버를 조절한다고 해서 그대로 곧바로 반응하진 않는다. 엔진의 회전수(RPM)가 증가하는데는 시간이 걸리기 때문이다. 보통 전투기 엔진이 공회전(Idle) 상태에서 최대추력(A/B)에 도달하는 데까지 걸리는 시간은 10초 미만이다. 빠른 반응이 필요한 근접 공중전에서 이 더딘 시간은 치명적일 수 있다.
따라서 출력의 급속한 증감이 필요한 전투기에게 공회전상태에서 3∼4초만에 최대추력 까지 도달하는 순발력 있는 강한 엔진은 필수적이다.


-어떠한 상태에서도 작동되는 엔진

영화 탑건에 등장한 유명한 F-14A 전투기는 영화상 엄청난 기동성을 과시했지만 실제로는 기동제약이 많아 조종사가 마음대로 조종할 수 있는 전투기는 아니었다.
TF30엔진이 추력이 약하기도 했지만 기동도중 받음각이 급격히 증가되면 엔진이 정지(Engine Surge/ Engine Stall)되어버렸기 때문이다.
전투기 엔진이라면 적어도 조종사가 의지하는 모든 자세로 전투기를 유지시킬 수 있는 힘과 어떠한 기체 자세, 기류 흐름하에서도 엔진 실속을 일으키지 않는 전천후성을 지니고 있어야만 한다.
현대 전투기 중 Su-35 기종의 경우엔 전투기가 어떤 자세로 비행하더라도, 심지어 기체가뒤집혀진다 하더라도(130°이상의 후크기동) 엔진이 전투기에 안정적인 추력을 공급한다.
이렇게 어떠한 상태에서도 멈추지 않는 강한 엔진, 그것은 강한 전투기를 구성하는 필수요소이다.


-엔진으로 전투기를 조종한다

이제 제트 엔진은 전투기에 단순히 추진력만을 제공하지는 않는다. 엔진의 분사구를 움직여서 전투기의 기동능력을 총체적으로 뒷받침하고 있는 것이다.
이를 위한 기술로 현재 적용되고 있는 것은 추력편향제어(TVC : Thrust Vector Control) 기술이다.
미 공군의 F-22 전투기에 장착된 F119 엔진이 이 기술을 적용한 가장 대표적인 엔진인데, 보통 전투기 엔진의 분사구가 원형인데 반해서 이 엔진의 노즐은 직사각형 모양이다. 이 직사각형의 모양의 분사구를 상하 20°까지 움직여서 전투기의 상하운동(Pitch)을 직접 제어하는 것이다.
승강타(Elevator)가 기수의 상하운동을 제어할 수 있는데도 굳이 추력편향제어를 활용할 필요가 있을까라는 의문이 생길 수 있지만 승강타, 방향타, 에일러론은 모두 전투기가 일정속도 이상 가속되기 전에는 전혀 조종능력을 제공해 주지 못한다.
게다가 각 조종면의 기류마저도 안정적으로 흐르지 못하고, 실속상태에 빠지게 되면 전투기는 조종불능 상태에 돌입하고 만다. 추력편향제어는 바로 이런 때에 진가를 발휘한다.
로케트처럼 분사방향을 조종하는 것이기 때문에 전투기가 아무리 저속 상태에 있다 하더라도 조종할 수 있고 심지어 실속 상태에서도 조종이 가능하기 때문이다.
즉 추력편향제어 기술은 지금까지 기동의 성역이었던 실속과 기동제한 영역을 없애고 있는 것이다.
추력편향제어 기술과 더불어 현재 연구가 진행중인 형상제어비행체(CCV : Control Configured Vehicle)는 기수방향과 실제 기체 진행 방향을 다르게 할 수 있는 고기동 기술이다.
대출력 엔진과 앞서 설명한 두 기술을 결합한 전투기는 그야말로 중력과 대기의 속박을 푼창공의 자유체가 될 것이다.
바로 이 진정한 자유를 가능하게 만드는 힘과 기동성이 전투기를 전투기답게 만든다.


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