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민간 항공기와 군용 전투기의 엔진 성능의 차이는 어느정도 인가요?

안녕하세요. 김상규 전문가입니다.항공기 엔진의 종류1. 피스톤 엔진 : 피스톤 운동을 회전 운동으로 전환, 프로펠러를 구동해 추력 생성2. 가스 터빈 엔진 : 연소 가스를 통해 터빈을 회전시켜 다양한 방법으로 추력 생성 1) 제트 엔진 : 공기를 흡입해 압축하고 연소시킨 뒤, 터빈을 통해 고온·고압으로 팽창시켜 후방으로 분사해 추력을 얻는 엔진 (터보젯, 터보팬, GTF 등) 2) 터보프롭 : 터빈을 통해 프로펠러를 회전시켜 추력 생성 3) 터보샤프트 : 터보프롭과 비슷하나 프로펠러 대신 회전익의 로터를 구동하며, 터보프롭과 달리 엔진이 로터를 직접 돌리는 것이 아닌 변속기를 구동이는 일반적 항공기 엔진 종류 분류이고현재 본격적 제트엔진 종류 원리를 나열하면1) 터보젯(Turbojet) 엔진초창기의 제트 엔진입니다. '터보젯'이라는 이름 자체가 '터빈(turbine)을 사용한 제트 추진 엔진'이라는 뜻을 지니고 있어요. 공기 흡입구, 압축기, 연소실, 터빈의 4단계 구조로 이루어졌는데요. 공기를 빨아들여 압축한 뒤, 연소시켜 발생하는 고온·고압의 가스를 뿜어 추력을 만듭니다.공기 흡입구를 통해 들어온 공기는 가장 먼저 압축기를 지나게 됩니다. 압축기는 일종의 선풍기 같은 블레이드가 여러 겹 겹쳐진 형태로 되어있어요. 회전하는 블레이드와 고정 블레이드가 번갈아 배치되어 있죠. 회전 블레이드는 공기에 토크(회전력)을 가해 에너지를 높여주고, 고정 블레이드는 공기 흐름을 느리게 해 압력으로 변환합니다.이 과정을 반복해 고압으로 압축된 공기는 연소실에 도착합니다. 여기서 압축 공기에 연료를 분사해 연소가 이루어지는데요. 이렇게 공기와 연료가 혼합되어 연소된 상태의 기체(가스)가 터빈을 지나면 고온·고압으로 팽창합니다. 팽창된 공기는 터빈을 회전시켜 압축기 및 엔진 부품에 동력을 공급하고, 분사 노즐을 통과하면서 강하게 내뿜어지죠. 분사되는 가스에 의한 반작용으로 비행기가 앞으로 나아갑니다.터보젯 엔진은 구조가 심플하고, 상대적으로 적은 양의 공기로 높은 속도의 추력을 생성할 수 있습니다. 하지만 소음이 크고 연료 소모가 많으면서 속도가 낮을 때에는 효율이 떨어지는 것이 단점이었어요. 그래서 터보젯을 개량한 터보팬이 등장합니다. 현재 대부분의 항공기는 터보팬 엔진을 사용하며, 터보젯 엔진은 초음속 비행이 필요한 일부 항공기나 중거리 순항 미사일에 주로 사용된다고 해요.2) 터보팬(Turbofan) 엔진전면에 덕트 팬이 추가된 형태의 제트 엔진입니다. 위 이미지를 보면 커다란 팬이 눈에 확 들어오죠? 이 팬을 통해 다량의 공기를 빨아들여, 터보젯에 비해 고효율 저소음으로 비행할 수 있어요. 그 비결은 엔진 코어를 우회하는 '바이패스 공기' 덕분입니다.터보팬의 팬 직경은 엔진 코어보다 넓게 제작됩니다. 그래서 엔진 코어와 외벽 사이에 공간이 생기는데요. 팬을 통해 흡입된 공기 중 일부는 엔진 코어 내부로 흐르고, 나머지는 외부를 우회하며(bypass) 흐르게 됩니다.엔진 코어 내부에서는 터보젯과 비슷하게 공기 압축·연소·분사가 일어납니다. 그렇다면 외부로 흐르는 공기는 어떤 역할을 할까요? 엔진 코어 외부의 바이패스 공기는 추가적인 추력을 만들고, 엔진이 과열되지 않도록 냉각시키면서, 엔진 코어 배기 가스의 난류를 완화해 소음을 낮춥니다.바이패스 비율이 높아질수록 최대 속력은 줄어들지만, 연료 효율이 높아지고 소음이 낮아져요. 그래서 오늘날 하이 바이패스 유형은 상업용 항공기에, 로우 바이패스 유형은 군용 전투기에 주로 사용된다고 해요. 위에서 살펴본 GE90과 Trent 1000도 모두 하이 바이패스 터보팬이랍니다3) GTF(Geared turbofan) 엔진최근에는 터보팬에서 한 단계 더 진보한 GTF(Geared turbofan) 엔진도 활발하게 개발되고 있습니다. GTF는 팬의 회전축에 감속 기어가 추가된 터보팬 엔진인데요. '팬이 빨리 돌아갈수록 좋은 거 아닌가?' 하고 생각하기 쉽지만, 사실은 그렇지 않습니다. 팬의 회전 속도가 너무 빨라져 팬 블레이드 끝이 음속에 도달하게 되면 충격파가 발생하기 때문이에요. 이 충격파로 인한 저항력(조파항력)이 생기면서 에너지 효율에 큰 손실이 생깁니다그렇다고 팬 속도를 줄이면 같은 축으로 연결된 압축기와 터빈의 속도도 함께 줄어들게 되는데요. 압축기와 터빈은 빠르게 회전할수록 효율이 높아지기 때문에, 팬과 터빈 사이에서 한 쪽의 효율을 포기해야 하는 딜레마가 생깁니다. 그래서 중간에 감속 기어를 추가해 양쪽 모두 최적 회전 속도를 낼 수 있도록 개선한 것이죠. 이를 통해 팬 속도는 음속을 넘어가지 않도록 제한하면서, 압축기와 터빈 회전 속도는 최대한으로 낼 수 있게 되었습니다번외로 항공기와 로켓엔진을 비교해보면로켓 엔진도 연료를 연소시켜 발생시킨 고온·고압의 가스로 추력을 얻는 원리는 동일합니다. 하지만 공기를 흡입해 연소에 활용하는 제트 엔진과 달리, 로켓 엔진은 연소를 위해 별도의 산화제가 필요합니다. 우주 공간에는 공기가 없기 때문이에요. 그래서 로켓에는 연료와 산화제를 함께 탑재됩니다.참고로, 하늘과 우주의 경계인 '카르만 라인'도 공기가 희박해 항공기가 비행할 수 없는 고도를 기준으로 삼은 것이랍니다. '항공기(제트 추진)로는 닿을 수 없고 우주선(로켓 추진)으로만 갈 수 있는 영역'을 우주로 정의한 것이죠.또한 항공기는 활주로를 수평으로 달리며 날개와 공기의 양력을 이용해 떠오르지만, 로켓은 오로지 분사 가스의 추력만으로 수직 상승해야 합니다. 그래서 항공기보다 훨씬 더 강력한 에너지가 필요해요.실제로 로켓 엔진은 항공기 제트 엔진보다 추력 대비 중량 비율(추력을 중량으로 나눈 값)이 훨씬 높습니다. 쉽게 말해 더 가벼우면서 강력한 힘을 낸다는 뜻이에요. 예를 들어 프랫 앤 휘트니의 군용 전투기 엔진인 F119는 추력 대비 중량 비율이 7.9인 반면, 스페이스X의 멀린 1D 로켓 엔진은 180.1에 달한다고 하네요.

학문 / 기계공학

24.08.29

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