안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 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.
기계공학
Q. 우리나라 3000톤급 잠수함의 소음감소 기술과 적 탐지 회피 능력은 어느 수준일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기본적으로장보고 3급에 적용된 AIP 체계 연료전기 기법으로조용하다는 장점이 있습니다.하부 6개 수소연료탱크와 그위에 1개 액화산소 탱크가 설치되고그위와 산소탱크 옆에 다른 장치가 설치되는 방식의 연료전지 체계입니다.실질적 소음감소 기술은음향타일에 의한 구조적 방식으로 적용되는데화승 R&A에서 개발한 다층형 구조에 두께는 10cm 정도 됩니다.이전까지는 감수함 배수량이 적어 선체에 붙일 여유가 없었으나도산안창호급 부터 3천톤급으로 늘어나면서 배수량에 여유가생겨 적용하게 되었습니다.국방과학연구소 특허자료에 따르면5층구조로 구성되는데바깥쪽은 염분 충격에 강한 합성고무가 장착되고그담부터 물과만나면 팽창해서 균열을 메꾸고 해수유입을 방지,음향흡수,충격흡수하는 아크릴레이트그아래 흡음층보호 탄소섬유/유리섬유음파 흡수 역할의 폴리우레탄 순서로 적층 제작됩니다.효과: 3~12kHz 대역의 액티브 핑을 12 dB 이상 (1/4이상)로 줄이는 효과를 가져오는것으로 나타났습니다.그외 적용되는 내부적 소음 감소기술로는120 N급 3축 능동마운트 : 콘설/캐비넷 아래 설치되어 장치 진동 상쇄MR 댐퍼 : 120 N급 3축 능동마운트 대형버전으로, 디젤엔진 진동흡수PBCF : 프로펠러 구동시 발생하는 케비테이션을 감소시켜 항해성능 개선유체소음기 : 파이프내부 소음 감소기술로 파이프 가운데 설치CO2 미세버블 배출기 : 기존 직접배출 방식에서 미세버블화하여 고압해수라인으로 배출 개선으로 소음감소그 외 통신장비 부분으로는2002 림펙에서 나대용함이 HF 무선무전기로 훈련상황을 미국사령부와 송수신하다가미국 p\P\\P-3 초계기 ESM에 발각되어 가상격침당한 후에한국 잠수함 에 도입된탈레스사제 위성통신 장비 DIVE SATCOM 이 있습니다X / Ku / Ka / EHF 밴드에서 작동합니다.지향성이 높은 X 밴드 이상의 전파를 사용하여초계기가 가까이 있지 않는 이상, 발각될 확률이 아주 낮은것으로 나타났습니다.이상으로 소음감쇠 및 적탐지회피 관련 기술에 관련하여열거해 보았습니다.
기계공학
Q. 도산 안창호급 3000톤급 잠수함이 탑재할 수 있는 탄도미사일의 사거리와 정확도는 어느 정도인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.도산 안창호함은장보고-Ⅲ 배치(Batch)-1(1번함, 1차 생산분) 이라고도 불리는데요수중작전능력과 직결된중형급 잠수함도산 안창호함의 크기와 배수량은길이 83.3미터, 폭 9.6미터, 수중배수량 3,700t이 넘습니다.수중 최대속력은 20노트(시속 37㎞), 탑승 인원은 50여 명 수준인데요탄도 미사일의 경우6개의 수직발사관(VLS)을 장작해사거리 500㎞ 이상의 현무2-B 탄도미사일 탑재하며잠대지 미사일인 국산 '해성-3'와미국제 대함미사일인 '하푼 미사일' 등도 탑재하는 것으로 전해졌습니다.현무 2-B 경우사거리가 500km로 연장 되었고탄두는 1톤으로 기존 500kg에서 늘었으며,사거리 300km 버전은 탄두 2톤까지 증가된다고 합니다. 발사 속도는 러시아 이스칸다르와 동일한 마하 7입니다.해성-2는 현무-3 순항미사일을 기반으로 함정에서 운용할 수 있게 개량한 함대지 순항미사일로사거리는 180km 이상이며, 비행 중에는 최대 8개의 변침점(Waypoint)을 통해아군의 함정과 섬들을 피하도록 설계되었습니다표적 적함에 유도(Homing)할 때 상대편의 요격과정을 피하기 위한 회피기동을 하며,또한 시스키밍 기동(Sea Skimming)과 팝업 기동, 재공격 등의 다양한 공격 모드를 지원하며마이크로파 탐색기, 스트랩다운(strapdown) 관성항법장치(INS),위성항법장치(GPS), 전파고도계 등을 활용하는 정밀유도 알고리즘이 적용되어높은 생존성과 명중률을 보유하고 있는 미사일 입니다.하푼 개량으로 오해하는 경우가 있으나실제 기술협조는 네달란드와 러시아가 출처 인것으로 나타나있습니다.하푼은보잉 IDS에서 생산/제작하고 있는 미국 전천후 /초지평선 레이더 유도식 대함 미사일로액티브 레이다 호밍을 사용하고 저거도, 시스키밍 순항 궤도로 생존성/ 유효성을 증가 시킵니다.능동 레이더 유도 방식으로 목표를 찾아가며, 터보제트 엔진을 장착했고, 길이 4.7m, 지름 0.34m, 날개 0.91m, 속도 864km/h, 사거리 93-315km, 탄두무게는 221kg 입니다.
기계공학
Q. 도산 안창호급 잠수함의 잠항 능력과 수중 작전지속시간은 어느 정도일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.도산 안창호함은장보고 3 Batch -1 (1차생산분) 이라고도 불리는데요장보고는 해군의 잠수함 사업을 일컫는 말로배치 라는 말은 1번째, 두번째 등 생산분을 뜻합니다.도산안창호 함은 중형급 잠수함 3천톤급으로크기와 배수량은길이 83.3미터폭 9.6 미터수중배수량 3,700 t 이 넘는데요1800 톤 급과 마찬가지로공기불요추진( AIP , Air Independent Propulsion) 체계를 탑재하여저속(4~7㎞/h) 기동시장기간 수면 위로 스노클을 꺼내지 않아도 수중작전이 가능합니다.1,800톤급이 2주 정도,도산 안창호함은 20일 이상 잠항이 가능 합니다.수상 최대 항속거리 18500 km잠항 심도 : 400 m 이상 입니다.
기계공학
Q. 오토바이는 어떤 방식으로 해서 구동이 되는지 궁금합니다.
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.오토바이 구동방식은3가지로 나눌 수 있습니다.흔히 알고있는 체인방식그외 샤프트 방식그리고 할리데이비슨 류에 적용되는 벨트 방식 입니다.각각 방식에 대해 열거해 보겠습니다1, 체인방식 체인이 스프라켓에 맞물려 동력전달이 확실히 실행되는 방식으로자유로운 회전에 정비성 및 부품가격 또한 소비자입장에서 만족스럽습닏. 고속회전에 유리한 방식으로스포츠 바이크에 대부분 채택되는 방식이고일반인입장에서 정비가 용이한 명확학 구동방식 입니다.체인 드라이브 방식은 체인으로 연결된 2개의 스프라켓을 이용하며가볍고 정비성이 용이하나 정기적으로 짧은 주기에 교체가 필요하고 점검해야하며샤프트 방식에 비해, 마모/잦은 관리 필요성이 대두 됩니다.주행습관에 따른 체인의 늘어짐 발생 시 교정해야하고 끊어질 우려도 다분합니다.2, 샤프트 드라이브 방식 이 방식은 대부분 고가의 바이크 입니다.유지보수 자체가 크게 필요치 않고, 내구성또한 매우 좋은 편 입니다스윙 압을 강화시켜 안전성을 향상시켜주며잘못된 관리로 손상 및 바이크가 오염될 가능성이 있는 체인방식에 비해 신경쓸 부분이 없습니다.모든 부품이 밀폐식이라 윤활에 관심을 둘 필요도 없습니다.대신타 구동계에 비해 제작비용이 비싸고, 중량이 상당합니다반영구적 사용이 가능하다하지만 한번 손상 시 교체비용이 상당합니다.체인 및 벨트 방식에 비해 동력손실이 큰 편이고, 노면 추종성 또한 저하됩니다.3, 바이크 벨트 구동 방식 특수재질 사용 벨트를 이용한 구동방식으로, 대부분 할리 스타일 입니다.체인에 비해 소음이 거의없고 유연성이 있기에 과한 토크 상태에서도 충격을 흡수하고 체인에 비해 내구성이 높습니다.벨트에 있어서, 정비를 요구하는 부분은 거의 없고 텐션, 균열 정도만 확인하면 됩니다.교체비용은체인보다 비싸고 샤프트 보단 쌉니다.동력손실은 체인에 비해 높고 샤프트 보단 낮습니다.체인에 비해 폭이 넓기에 , 샤프트 보다 가볍지만 체인보다 부피차지를 많이합니다.비포장 도로에서 벨트에 이물질이 끼는 경우는 감안해야 합니다.오토바이의 각 구동방식에 대해 열거해 보았습니다.