제트엔진 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. 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. 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. 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 제트 엔진(영어: jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트, 램제트 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 거의 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다. 역사[편집]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. 엔진의 종류[편집]
터보 제트 엔진[편집]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 엔진[편집]현대의 항공기 엔진은 거의 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). 구성[편집]엔진 종류에 따라 상이한 구성 요소들을 갖지만 제트 엔진은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소를 갖는다.
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.
유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트 엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.
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.
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.
터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.
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.
연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다. 같이 보기[편집]
외부 링크[편집]
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제트엔진 사용사례 - jeteuenjin sayongsalye
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