제트엔진

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1 개요

영어: Jet Engine
독일어: Jetmotor

고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진. 높은 경제성과 성능, 신뢰성 때문에 현재 항공기용 엔진으로 가장 많이 채택되는 엔진의 형태이다. 연료로는 등유(케로신)를 사용한다.

2 발명

하인켈 시리즈부터 메셔슈미트 시리즈로 이어지는 독일의 초기 제트 전투기가 유명하기 때문에 독일이 제트엔진을 처음 만들었다고 오해하기 쉽지만 제트엔진을 처음 발명한 사람은 영국인 프랭크 휘틀(Frank Whittle)이다.

청년 시절 휘틀은 영국왕립공군사관학교에 입학했지만, 평소 위험한 곡예비행을 즐기는 행동 등으로 좋은 평가를 받지 못했고 최종 조종사 시험에도 불합격했다. 하지만 휘틀의 재능을 눈여겨본 상관은 그를 왕립공군대학에 추천해 입학하게 해줬고, 이때부터 21세의 휘틀은 피스톤을 대신할 터빈엔진용 비행 추진체를 연구하게 됐다. 10여 년의 시간이 지난 1937년, 휘틀은 세계 최초로 원심 압축식 제트엔진이라는 발명품을 내놓아 특허권을 획득한다. 비슷한 시기에 독일에서 제트엔진을 연구하던 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)보다 한발 앞선 성공이었다.

하지만 영국에서는 웬일인지 제트엔진에 크게 주목하지 않았다. 반면 휘틀의 제트엔진보다 조금 늦게 개발된 오하인의 제트엔진은 곧 비행기에 활용되기 시작한다. 결국 제트엔진을 이용한 최초의 비행기, 하인켈 178은 1939년 독일에서 최초로 탄생했다. 영국 공군은 1938년이 돼서야 제트엔진에 관심을 두기 시작했고, 독일보다 3년 늦은 1941년에 영국 최초의 제트기 ‘글로스터 미티어’를 개발했다.

3 종류

구동방식에 따라 크게 터보제트, 램제트, 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트, 펄스제트 등으로 나뉜다. 로켓 엔진은 연료의 연소가스를 분출하여 추력을 얻으나, 제트엔진과는 달리 산화제를 내장하고 있기 때문에 공기를 흡입할 필요가 없어, 둘을 다르게 구분한다.

터보제트 엔진은 가장 처음 출현한 원시적인 제트엔진으로 구조가 간단하고 가속도가 좋고 고속에서의 효율이 좋지만 저공 저속에서의 효율이 매우 낮은 것이 단점이다. 과거 터보팬 엔진이 개발되기 전에는 거의 모든 제트기가 터보제트 엔진을 사용했으나 터보팬과 터보프롭의 등장 이후 항공기용으로는 잘 사용되지 않고 구조가 간단한 점을 이용해 미사일이나 무인기용으로 많이 사용되고 있다. 자세한 내용은 해당항목 참조.

램제트 엔진은 해당 항목 참조.

터보팬 엔진은 터보제트 엔진의 흡입구 부분에 공기를 유입시키는 커다란 팬을 단 것인데 팬이 돌아가면서 공기가 압축기를 거쳐 연소부분과 노즐로 나가는 것까지는 터보제트 엔진과 비슷하지만 팬을 통해 유입되는 공기의 일부가 압축기 바깥을 지나(바이패스 bypass) 연소되지 않고 바로 분출된다. 이렇게 분출되는 공기가 주 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있는데 터보팬 엔진은 터보제트 엔진에 비해 저공 저속에서의 효율이 높다. 한편 바이패스되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율을 바이패스비라고 한다 가령 바이패스비가 12:1 이라면 팬을 거친 바이패스 유동이 코어유동에 비해 12배에 달한다는 의미 또한 바이패스비가 높은 엔진일수록 효율이 좋다. 바이패스비를 높이기 위해서는 팬의 크기를 키우는 것이 답인데 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없기 때문에 한계가 있다[1][2]. 따라서 팬이 큰 하이바이패스 엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기에, 팬이 작은 로우바이패스 엔진은 전투기 등 고속성능을 중요시하는 군용기에 사용되고 있다.

터보프롭 엔진은 터보팬과 비슷하지만 팬 대신에 프로펠러를 달아 추력의 대부분을 프로펠러를 통해 얻고 어느 정도를 제트 분사로 얻는다. 과거부터 프로펠러를 이용했던 왕복엔진에 비하면 구조가 오히려 더 간단하여 중량이 가벼울 뿐 아니라 더 큰 추력을 낼 수 있기 때문에 소형의 경비행기 등을 제외하면 왕복엔진을 거의 대체하여 민항기와 군용기, 소형기와 대형기를 가리지 않고 널리 이용되고 있다.

터보샤프트 엔진은 연료를 연소시켜 터빈을 돌리고 이 터빈이 회전하며 발생하는 힘을 축력으로 전환하여 사용하는 기관으로 터보프롭과 비슷하지만 약간 다르다. 터보샤프트 엔진은 주로 헬리콥터 엔진으로 사용되는데 터보프롭과 왕복엔진과의 관계처럼 터보샤프트도 이전까지 헬리콥터에 사용되던 왕복엔진에 비해 고효율, 고출력에다가 신뢰성이 높아 헬리콥터 성능이 비약적으로 향상되었다.

펄스제트 엔진은 리드밸브, 혹은 밸브리스 펄스제트 엔진은 덕트를 통해 공기를 유입, 연소실에 연료를 분사하고 점화시켜 연료를 연소시키는 방식이다. 쉽게 말해 엔진 앞 공기흡입구에 스프링이 달린 셔터가 있으며, 이 셔터는 평소에는 열리거나 닫히는 방향으로만 작동한다. 엔진에서 연소가 이뤄지면 내부 압력이 높아지므로 셔터가 바깥쪽으로 열리려다가 기구적으로 막혀서 닫히게 되며, 연소된 가스는 엔진 앞으로 역류하지 않고 뒤로 빠져나간다. 이내 연소실 내부는 압력이 낮아지므로 다시 셔터가 열려 새로운 공기가 들어온다. 이처럼 펄스제트 엔진은 '펄스'방식으로 작동하며 다른 제트엔진과는 달리 연소가 연속적으로 일어나지 않고 단속적으로 일어난다. 이때문에 터보방식의 엔진들과는 달리 부르르르하는 소리가 난다. 대표적인 펄스제트 엔진 사용 무기였던 V1도 이 때문에 별명이 Buzz(부르르 거리거나 벌이 붕붕거리는 소리) Bomb이었다. 펄스제트는 소음도 크고 압축비가 낮으므로 효율이 낮지만, 구조가 상당히 단순하기때문에 자작해서 노는 사람들이 많다. 그냥 철판을 둥글게 말아 용접해서 연소실과 배기관, 흡기관(혹은 밸브)을 만들고 거기에 연료분사기, 점화플러그만 달면 완성. 주로 무선모형에 이용되지만 양덕후들은 스쿠터, 자전거 등에 달아서 타고 놀기도 한다. 현실에서는 앞서 언급한 V1에 이용된 아르거스 엔진 등이 대표적이다.

펄스제트 엔진의 발전형으로 펄스 데토네이션 엔진이 있다. 펄스제트 엔진과 비슷하지만 연료가 점화되는 원리가 다르다. 이론적으로는 최고의 효율을 낼 수 있기 때문에 연구가 진행중이다. DARPA에서 2008년, 블랙스위프트에 이용하기 위해 연구했다가 곧 취소되었다. 목표는 최대 마하 6이었다고 한다. 참고로 그 블랙스위프트는 마하 3 이하에서는 터보팬, 이상에서는 스크램제트 엔진을 사용하여 마하 6에 도달한다. 그 외에, 2008년 1월 Mojave Air & Space Port에서 펄스 데토네이션 엔진을 이용한 비행에 성공했다.

4 제트엔진 제작업체

추가바람

5 나무위키에 항목이 등재된 제트엔진

(일반추력/에프터버너 사용 추력)

5.1 제너럴 일렉트릭 (General Electric)

5.2 프랫&휘트니 (Pratt & Whitney)

5.3 롤스로이스 (Rolls-Royce)

5.4 기타

6 제작사별 엔진 특성

미국의 경우, 일반적으로 비슷한 스펙을 가진 F100과 F110 엔진이지만 F110을 더 고급으로 쳐 주는 경향이 있다. 즉 프랫&휘트니가 고성능/고출력에 치중해서 내구성이나 정비성이 약간 떨어진다고 하면, 제너럴 일렉트릭은 보다 내구성이나 신뢰성을 높이는 경향이 있다.

소련제는 거의 소모품 취급. 전투기용 엔진 중에는 십여 시간 비행 후 교환해야 하는 놈들도 있을 정도. 때문에 가격이 싸고 교체도 한두 시간 만에 가능하게 만들어졌다. 이와같은 방식은, 나라가 멀쩡해서 부품공급이 원활히 이루어 진다면 부품의 신뢰성을 높이고[3] 수요가 있든없든 무조건 공장을 돌려야되는 공산주의체제에도 안성맞춤(...)이지만 공장생산에 차질을 빚는다면 90년대 러시아군처럼 엔진이 모두 시망크리를 맞을 수 있다. 따라서 소련 붕괴 후의 후속지원이 잘 안 되자 전투기들이 대부분 줄줄이 떨어지기 시작(...) 지금은 서방제 처럼 수명을 잔뜩 늘려났더니 서방제처럼 비싸졌다. 여담으로, 제3세계에서의 러시아제 무기가 평가절하되는 이유중 하나는, 소모성인 부품들을 주기적으로 갈지 않기때문이다. 싼맛에 쓰는 러시아제 무기에 유지비를 서방무기 못지않게 쓸 수는 없기 않은가.

내구성의 본좌는 롤스로이스였다. 이쪽의 스페이 엔진은 그야말로 전설적인 수준이어서 창정비 없이 1만 시간 사용이 가능해진 최초의 엔진이기도 하다. F-4 팬텀에 이식되어 최고 속도는 떨어졌지만 전반적인 성능은 업그레이드. 글로스터 미티어 같은 박물관급 제트기가 아직도 원판 엔진으로 비행이 가능할 정도이다. 그러다가 파산한 이후로는...더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

참고로 2010년 기준 세계 최대의 제트 엔진 제작사는 GE, 2위는 롤스로이스, 3위는 프랫&휘트니이다.

7 참조항목

8 참고 링크

  1. ↑ 팬 블레이드가 길면 길어질수록 같은 각속도(=팬의 RPM)라도 팬 블레이드 끝단의 선속도는 빨라진다. 그래서 GE90이나 Trent 700같이 팬 블레이드가 무지 긴 엔진들은 팬 블레이드 끝단이 음속을 넘을랑 말랑한 수준까지 가기 때문에 충격파나 저항을 줄이고자 블레이드 모서리가 직선이 아니라 복잡한 곡선으로 설계되어 있다. 프랫 앤 휘트니의 Geared Turbofan은 아예 저압터빈축과 팬 사이에 감속기를 달아 팬 회전속도를 낮춰버리기도 했다.
  2. ↑ 이 팬의 크기를 늘려볼 수 있을만큼 늘려보자 해서 만든 것이 보잉 777에 장착되는 제너럴 일렉트릭 GE90 터보팬이다.
  3. ↑ 계속 신품을 쓰기때문에 오히려 서방엔진보다 신뢰성이 높을수도 있다