제트 엔진
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영어: Jet engine
독일어: Strahltriebwerk
고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진. 높은 경제성과 성능, 신뢰성 때문에 현재 항공기용으로 가장 많이 채택되는 형태의 엔진이다.[2] 연료로는 등유(Kerosene)가 사용된다.[3]
하인켈 시리즈부터 메서슈미트 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 터빈 엔진용 비행 추진체를 연구하게 됐다. 10여 년의 시간이 지난 1937년, 휘틀은 세계 최초로 원심 압축식 제트 엔진이라는 발명품을 내놓아 특허권을 획득한다. 비슷한 시기에 독일에서 제트 엔진을 연구하던 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)보다 한 발 앞선 성공이었다.
하지만 영국에서는 웬일인지 제트 엔진에 크게 주목하지 않았다. 반면 휘틀의 제트 엔진보다 조금 늦게 개발된 오하인의 제트 엔진은 곧 비행기에 활용되기 시작한다. 결국 제트 엔진을 이용한 최초의 비행기, 하인켈 178은 1939년 독일에서 최초로 탄생했다. 영국 공군은 1938년이 돼서야 제트 엔진에 관심을 두기 시작했고, 독일보다 3년 늦은 1941년에 영국 최초의 제트기 글로스터 E.28/39를 개발했다.
전후인 1950년대가 되자 제트 엔진은 본격적으로 상용화되기 시작했고, MiG-15, F-86과 같은 제트 전투기와 DH-106 코멧 등 제트 여객기가 등장한다. 왕복 엔진을 장착한 기존의 프로펠러 전투기들보다 압도적으로 빠른 속도와 출력, 상승 고도란 이점이 있었다. 프롭 전투기들은 아무리 속도가 빨라도 7~800km/h가 한계였지만, 제트기는 700km/h는 물론 초음속도 가능했다. 인류가 초음속 비행에 성공한 것도 이 제트 엔진 때문에 가능했다. 게다가 비싼 가솔린을 쓰는 왕복 엔진과 달리 제트 엔진은 저렴한 등유를 사용할 수 있다는 장점도 있었다.
제트기는 프롭기를 거의 모든 분야에서 대체했고, 여러 군대에서도 제트기의 가치를 알아보고 빠르게 대체한다. 그중 미군은 기존의 주력 폭격기이던 B-29가 한국전쟁에서 MiG-15에게 우수수 떨어지는 것을 보고 새로운 제트폭격기를 개발한다. 결과물은 B-52 스트라토포트리스.
한편 민간 시장에서도 제트기는 높은 수송량과 빠른 속도로 주목을 받고, DH-106 코멧에 이어 B707, DC-8 등 초기 장거리 협동체 제트여객기들이 등장한다.
구동방식에 따라 크게 터보제트, 렘제트, 펄스제트, 로켓제트 등으로 나뉜다. 로켓 엔진도 다른 제트엔진처럼 연료의 연소가스를 분출하여 추력을 얻으나, 제트엔진들과는 달리 연료의 연소에 필요한 산소 역할을 하는 산화제를 내장하고 있기 때문에 공기를 흡입할 필요가 없어 구분하는것이 좋다.
제트 엔진은 압축기 형태나 추력 생산 방식에 따라 터보제트 부터 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 엔진으로 나뉜다.
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.
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 공기는 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있는데 터보팬 엔진은 터보제트 엔진에 비해 연료의 효율이 높다. 한편 바이패스되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율을 바이패스비라고 하는데, 가령 바이패스비가 12:1 이라면 바이패스의 공기량이 연소실에 들어가는 공기량의 12배에 달한다는 의미이다. 또한 바이패스비가 높은 엔진일수록 연료 효율이 좋다. 바이패스비를 높이기 위해서는 팬의 크기를 키우는 것이 답인데 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없기 때문에 한계가 있다.[4][5] 따라서 팬이 크고 연료효율이 좋은 고바이패스 엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기, 폭격기, 대잠초계기 등 항속거리를 중요시하는 군용기에, 팬이 작은 저바이패스 엔진은 전투기 등 고속성능을 중요시하는 군용기에 사용되고 있다.[6]
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 선박, 주력전차, 헬리콥터, 기차, 발전기 등 제트엔진 중에서는 가장 넓은 분야에서 사용된다. 헬리콥터의 경우 극히 일부의 소형 헬리콥터를 제외한 거의 대부분이 터보샤프트 엔진을 사용하는데 터보프롭과 왕복엔진과의 관계처럼 터보샤프트도 초기의 헬리콥터에 사용되던 왕복엔진에 비해 가볍고 고효율, 고출력에다가 신뢰성이 높아 헬리콥터 성능이 비약적으로 향상되었다. 헬리콥터에 따라서는 터보 샤프트엔진을 2-3개식 장착한 경우도 많다,
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실제로 과거에는 터보제트 엔진의 전면 압축기팬 부분이나 터보팬 엔진의 전면 팬을 "제트엔진의 프로펠러"라고 부르기도 하였다.[7] 터보제트와 터보팬을 비롯한 압축기 팬과 터빈이 있는 제트엔진들의 경우 앞부분의 팬을 "프로펠러"라고 칭하는 사람들도 있다. '''그러나 정확히 말하자면 제트엔진의 팬은 프로펠러까지는 아니다.''' 둘 다 회전체이기에 혼동한 것.
프로펠러와 팬은 같은 바람개비 형태이며 날개깃이 있는 회전체로써의 공통점이 있음은 사실이다. 하지만 구분해야 하는 것은, 애초 프로펠러는 어떤 대상을 가속하는데 쓰는 '추진기' 로써의 역할을 하지만 압축기 팬은 대상을 가속하는 게 아닌지라 '추진기'가 아니다. 바람개비이자 회전체인 점은 프로펠러와 공통요소이지만 팬(터빈) = 프로펠러는 아니다. 엄밀히 말하자면 프로펠러와 터빈은 용도면에서 다르므로 완전히 같은 용어는 아니지만 사촌 또는 친척 관계의 회전체라고도 볼 수 있다. 단, 요즘 엔진의 가장 앞쪽에 유난히 큰 팬만큼은 추진력을 만들어 낸다. 무려 엔진 전체 추력의 80%까지도 만들어 낸다.
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GE가 생산한 탄소섬유 터보팬 블레이드(왼쪽)와 터보프롭 블레이드(오른쪽). 참조 [8]
B777의 GE90 엔진을 제작한 제너럴 일렉트릭에선 다음과 같이 설명한다.
간혹 터보팬과 터보제트 엔진으로 움직이는 제트기들을 겉만 보고 프로펠러가 없는 비행기들이라고 하는 경우가 많은데, 반쯤은 맞는 말이지만 엄밀히는 제트엔진에서 프로펠러는 사라지지 않았다. 그 대신에 엔진 안으로 들어가서 압축기와 팬 블레이드가 된 것이다.
아무튼 팬 블레이드를 일반적인 프로펠러로 생각하는 건 오산이다. 팬 블레이드는 프로펠러같이 바람개비 형태이긴 하지만, 엔진 흡입구 안쪽에 존재하므로 블레이드가 접하는 기류의 속도를 음속 아래로 낮추는 등의 설계를 통해 초음속 상황에서도 효율적으로 사용할 수 있다. 민항기는 아음속 순항이 목표이므로 대체로 팬 블레이드가 그대로 드러나지만, 전투기의 경우는 엔진흡입구에서 들어오는 기류의 속도를 공기흡입구의 형상에서 발생하는 충격파 등을 사용해서 팬 블레이드와 압축기가 효율적으로 동작하는 아음속 대로 감속시킨다. 덤으로 이렇게 팬을 통해 바이패스되어 연소에 활용되지 않은 공기는 애프터버너 사용시 산소공급원으로 유용하게 사용된다.
램제트 엔진은 팬이 없이 연료를 바로 연소하여 앞으로 나가는 엔진이다. 해당 문서 참조.
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.
(일반 추력, 애프터버너 사용 추력)
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. 이와 같은 방식은, 나라가 멀쩡해서 부품공급이 원활히 이루어진다면 부품의 신뢰성을 높이고[11] 수요가 있든 없든 무조건 공장을 돌려야되는 공산주의체제에도 안성맞춤(...)이지만 공장생산에 차질을 빚는다면 90년대 러시아군처럼 엔진이 모두 시망크리를 맞을 수 있다. 따라서 소련 붕괴 후 후속지원이 잘 안 되자 전투기들이 대부분 줄줄이 떨어지기 시작(...) 지금은 서방제처럼 수명을 잔뜩 늘려놨더니 서방제처럼 비싸졌다. 여담으로, 제3세계에서의 러시아제 무기가 평가절하되는 이유 중 하나는, 소모성인 부품들을 주기적으로 갈지 않기 때문이다. 싼맛에 쓰는 러시아제 무기에 유지비를 서방무기 못지않게 쓸 수는 없기 않은가. 사실 제3세계 국가들의 경우에는 나라자체가 가난해서 전투기의 훈련 등 운용시간 자체가 적기 때문에 러시아제 엔진의 수명이 짧아도 큰 문제가 생기지는 않았다.
내구성의 본좌는 롤스로이스'''였다'''. 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.
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1. 개요
영어: Jet engine
독일어: Strahltriebwerk
고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진. 높은 경제성과 성능, 신뢰성 때문에 현재 항공기용으로 가장 많이 채택되는 형태의 엔진이다.[2] 연료로는 등유(Kerosene)가 사용된다.[3]
2. 발명
하인켈 시리즈부터 메서슈미트 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 터빈 엔진용 비행 추진체를 연구하게 됐다. 10여 년의 시간이 지난 1937년, 휘틀은 세계 최초로 원심 압축식 제트 엔진이라는 발명품을 내놓아 특허권을 획득한다. 비슷한 시기에 독일에서 제트 엔진을 연구하던 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)보다 한 발 앞선 성공이었다.
하지만 영국에서는 웬일인지 제트 엔진에 크게 주목하지 않았다. 반면 휘틀의 제트 엔진보다 조금 늦게 개발된 오하인의 제트 엔진은 곧 비행기에 활용되기 시작한다. 결국 제트 엔진을 이용한 최초의 비행기, 하인켈 178은 1939년 독일에서 최초로 탄생했다. 영국 공군은 1938년이 돼서야 제트 엔진에 관심을 두기 시작했고, 독일보다 3년 늦은 1941년에 영국 최초의 제트기 글로스터 E.28/39를 개발했다.
전후인 1950년대가 되자 제트 엔진은 본격적으로 상용화되기 시작했고, MiG-15, F-86과 같은 제트 전투기와 DH-106 코멧 등 제트 여객기가 등장한다. 왕복 엔진을 장착한 기존의 프로펠러 전투기들보다 압도적으로 빠른 속도와 출력, 상승 고도란 이점이 있었다. 프롭 전투기들은 아무리 속도가 빨라도 7~800km/h가 한계였지만, 제트기는 700km/h는 물론 초음속도 가능했다. 인류가 초음속 비행에 성공한 것도 이 제트 엔진 때문에 가능했다. 게다가 비싼 가솔린을 쓰는 왕복 엔진과 달리 제트 엔진은 저렴한 등유를 사용할 수 있다는 장점도 있었다.
제트기는 프롭기를 거의 모든 분야에서 대체했고, 여러 군대에서도 제트기의 가치를 알아보고 빠르게 대체한다. 그중 미군은 기존의 주력 폭격기이던 B-29가 한국전쟁에서 MiG-15에게 우수수 떨어지는 것을 보고 새로운 제트폭격기를 개발한다. 결과물은 B-52 스트라토포트리스.
한편 민간 시장에서도 제트기는 높은 수송량과 빠른 속도로 주목을 받고, DH-106 코멧에 이어 B707, DC-8 등 초기 장거리 협동체 제트여객기들이 등장한다.
3. 종류와 설명
구동방식에 따라 크게 터보제트, 렘제트, 펄스제트, 로켓제트 등으로 나뉜다. 로켓 엔진도 다른 제트엔진처럼 연료의 연소가스를 분출하여 추력을 얻으나, 제트엔진들과는 달리 연료의 연소에 필요한 산소 역할을 하는 산화제를 내장하고 있기 때문에 공기를 흡입할 필요가 없어 구분하는것이 좋다.
제트 엔진은 압축기 형태나 추력 생산 방식에 따라 터보제트 부터 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 엔진으로 나뉜다.
3.1. 제트 엔진 종류
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.
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 공기는 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있는데 터보팬 엔진은 터보제트 엔진에 비해 연료의 효율이 높다. 한편 바이패스되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율을 바이패스비라고 하는데, 가령 바이패스비가 12:1 이라면 바이패스의 공기량이 연소실에 들어가는 공기량의 12배에 달한다는 의미이다. 또한 바이패스비가 높은 엔진일수록 연료 효율이 좋다. 바이패스비를 높이기 위해서는 팬의 크기를 키우는 것이 답인데 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없기 때문에 한계가 있다.[4][5] 따라서 팬이 크고 연료효율이 좋은 고바이패스 엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기, 폭격기, 대잠초계기 등 항속거리를 중요시하는 군용기에, 팬이 작은 저바이패스 엔진은 전투기 등 고속성능을 중요시하는 군용기에 사용되고 있다.[6]
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 선박, 주력전차, 헬리콥터, 기차, 발전기 등 제트엔진 중에서는 가장 넓은 분야에서 사용된다. 헬리콥터의 경우 극히 일부의 소형 헬리콥터를 제외한 거의 대부분이 터보샤프트 엔진을 사용하는데 터보프롭과 왕복엔진과의 관계처럼 터보샤프트도 초기의 헬리콥터에 사용되던 왕복엔진에 비해 가볍고 고효율, 고출력에다가 신뢰성이 높아 헬리콥터 성능이 비약적으로 향상되었다. 헬리콥터에 따라서는 터보 샤프트엔진을 2-3개식 장착한 경우도 많다,
3.1.1. 팬인가? 프로펠러인가?
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실제로 과거에는 터보제트 엔진의 전면 압축기팬 부분이나 터보팬 엔진의 전면 팬을 "제트엔진의 프로펠러"라고 부르기도 하였다.[7] 터보제트와 터보팬을 비롯한 압축기 팬과 터빈이 있는 제트엔진들의 경우 앞부분의 팬을 "프로펠러"라고 칭하는 사람들도 있다. '''그러나 정확히 말하자면 제트엔진의 팬은 프로펠러까지는 아니다.''' 둘 다 회전체이기에 혼동한 것.
프로펠러와 팬은 같은 바람개비 형태이며 날개깃이 있는 회전체로써의 공통점이 있음은 사실이다. 하지만 구분해야 하는 것은, 애초 프로펠러는 어떤 대상을 가속하는데 쓰는 '추진기' 로써의 역할을 하지만 압축기 팬은 대상을 가속하는 게 아닌지라 '추진기'가 아니다. 바람개비이자 회전체인 점은 프로펠러와 공통요소이지만 팬(터빈) = 프로펠러는 아니다. 엄밀히 말하자면 프로펠러와 터빈은 용도면에서 다르므로 완전히 같은 용어는 아니지만 사촌 또는 친척 관계의 회전체라고도 볼 수 있다. 단, 요즘 엔진의 가장 앞쪽에 유난히 큰 팬만큼은 추진력을 만들어 낸다. 무려 엔진 전체 추력의 80%까지도 만들어 낸다.
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GE가 생산한 탄소섬유 터보팬 블레이드(왼쪽)와 터보프롭 블레이드(오른쪽). 참조 [8]
B777의 GE90 엔진을 제작한 제너럴 일렉트릭에선 다음과 같이 설명한다.
제너럴 일렉트릭 엔진부에서는 프로펠러 엔진과 제트엔진을 설명할 때도 프로펠러와 팬의 공통점을 서술하였는데, 위에 전술했듯 프로펠러 비행기나 제트비행기 모두, 커다란 팬이 공기를 뒤쪽으로 밀어낸다는 점에서는 공통점이 있다고 설명하고 있다. 물론 이 설명이 프로펠러와 팬이 동일하다는 것은 아니며 비슷한 역할과 형태라는 점을 말하는 것이다.제트기에 부착된 엔진에도 대형 터빈이 장착되어 있다. 즉 '''프로펠러 비행기나 제트비행기 모두, 커다란 팬이 공기를 뒤쪽으로 밀어낸다는 점에서는 마찬가지'''이다. 프로펠러 비행기에 달린 대형 프로펠러가 공기를 휘저어가며 앞으로 나아가는 것과 비슷한 일이 제트엔진에서도 일어나는 것이다. 다만 제트엔진의 경우에는 그 과정이 엔진 내부에서 일어나게 된다.
- 제너럴 일렉트릭, 제트엔진에 대한 설명
간혹 터보팬과 터보제트 엔진으로 움직이는 제트기들을 겉만 보고 프로펠러가 없는 비행기들이라고 하는 경우가 많은데, 반쯤은 맞는 말이지만 엄밀히는 제트엔진에서 프로펠러는 사라지지 않았다. 그 대신에 엔진 안으로 들어가서 압축기와 팬 블레이드가 된 것이다.
아무튼 팬 블레이드를 일반적인 프로펠러로 생각하는 건 오산이다. 팬 블레이드는 프로펠러같이 바람개비 형태이긴 하지만, 엔진 흡입구 안쪽에 존재하므로 블레이드가 접하는 기류의 속도를 음속 아래로 낮추는 등의 설계를 통해 초음속 상황에서도 효율적으로 사용할 수 있다. 민항기는 아음속 순항이 목표이므로 대체로 팬 블레이드가 그대로 드러나지만, 전투기의 경우는 엔진흡입구에서 들어오는 기류의 속도를 공기흡입구의 형상에서 발생하는 충격파 등을 사용해서 팬 블레이드와 압축기가 효율적으로 동작하는 아음속 대로 감속시킨다. 덤으로 이렇게 팬을 통해 바이패스되어 연소에 활용되지 않은 공기는 애프터버너 사용시 산소공급원으로 유용하게 사용된다.
3.2. 팬이 없는 엔진
램제트 엔진은 팬이 없이 연료를 바로 연소하여 앞으로 나가는 엔진이다. 해당 문서 참조.
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.
3.3. 두 형태의 조합 엔진
- 펄스 데토네이션 엔진
펄스제트 엔진의 발전형으로, 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.
- 프롭팬 엔진
자세한 내용은 해당 문서 참고.
4. 제트 엔진 제작 업체
- 다국적
- 프랑스
- 미국
- 소련-러시아
- 독일
- 영국
5. 나무위키에 문서로 등재된 제트 엔진
(일반 추력, 애프터버너 사용 추력)
5.1. 제너럴 일렉트릭 (General Electric)
- J79 (52.96 kN/79.33 kN) F-4
- F101
- F110 (76.3 kN/127 kN) F-16, F-14, F-15K
- F118
- YF120
- F404 (48.9 kN/78.7 kN) F-18, F-20
- F414 (65.7 kN/97.4 kN) F/A-18E/F, EA-18G
- TF39
- CF6 (F138)
- GE90
- GE9X
- GEnx
- T700
5.2. 프랫&휘트니 (Pratt & Whitney)
- TF30
- F100 (64.9 kN/105.7 kN) F-15, F-16
- F119 (102 kN/156 kN) F-22
- F135 (125 kN/191 kN) F-35
- J52
- J57
- J58
- J75
- JT3D
- JT8D
- JT9D
- PW1000G
- PW2000
- PW4000
- PT6
5.3. 롤스로이스 plc (Rolls-Royce)
5.4. CFM 인터내셔널
5.5. 기타
- 유로제트 EJ200 (EuroJet Turbo GmbH) (60 kN/ 90 kN) 유로파이터 타이푼
- GP7200 - 엔진 얼라이언스 (Engine Alliance)
- T56 - 앨리슨 (Allison)
- 뚤보메카 마보레
- XF9-1 - 일본의 F-3 차기 전투기에 장착할 예정인 일본산 엔진. 애프터버너 작동시 15톤 이상(35,000lbs), 밀리터리 추력은 11톤 이상(26,000lbs)
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. 이와 같은 방식은, 나라가 멀쩡해서 부품공급이 원활히 이루어진다면 부품의 신뢰성을 높이고[11] 수요가 있든 없든 무조건 공장을 돌려야되는 공산주의체제에도 안성맞춤(...)이지만 공장생산에 차질을 빚는다면 90년대 러시아군처럼 엔진이 모두 시망크리를 맞을 수 있다. 따라서 소련 붕괴 후 후속지원이 잘 안 되자 전투기들이 대부분 줄줄이 떨어지기 시작(...) 지금은 서방제처럼 수명을 잔뜩 늘려놨더니 서방제처럼 비싸졌다. 여담으로, 제3세계에서의 러시아제 무기가 평가절하되는 이유 중 하나는, 소모성인 부품들을 주기적으로 갈지 않기 때문이다. 싼맛에 쓰는 러시아제 무기에 유지비를 서방무기 못지않게 쓸 수는 없기 않은가. 사실 제3세계 국가들의 경우에는 나라자체가 가난해서 전투기의 훈련 등 운용시간 자체가 적기 때문에 러시아제 엔진의 수명이 짧아도 큰 문제가 생기지는 않았다.
내구성의 본좌는 롤스로이스'''였다'''. 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. 관련 문서
8. 참고 링크
[1] 위 사진은 여객기고, 아래 사진은 전투기의 엔진이다.[2] 육상용 차량 엔진으로도 못 쓸 것은 없지만, 차량의 크기에 비해 부피를 많이 차지해야 한다는 점은 물론이고, 노면 위를 달려야 하는 자동차의 특성 상 노면의 마찰 등의 문제로 인해 효율적이지 못해서 상용 차량에 사용된 예는 없다. 왜냐하면 제트 엔진의 최초의 발상이 뉴턴의 작용 반작용의 법칙이었는데, 공기 중에서는 반작용에 의한 추력을 내는 데에 적합한 데에 비해 노면 위에서는 마찰로 인해 대부분의 에너지가 손실된다. 제트 엔진의 추력 대신 회전력을 이용하여 자동차의 동력원으로 삼는 방법도 이론적으로는 가능하나, 역시 추력을 바퀴의 동력으로 전환하는 과정에서 여러 가지 비효율이 발생하는 게 당연하기에 일부 군용 및 행사용 차량을 제외하면 잘 사용되지 않는다. 그럼에도 제트엔진을 장착한 민용차량의 예시로는 MTT Y2K 가 있다.[3] 항공유는 순도높은 등유로 만들어진다.[4] 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. [5] 이 팬의 크기를 늘려볼 수 있을 만큼 늘려보자 해서 만든 것이 B777에 장착되는 GE90 터보팬이다.[6] 또한 전투기는 이렇게 바이패스 시킨 공기로 애프터버너 에 추가로 산소를 공급하는 구조 또한 자주 사용한다.[7] 이 참고 그림은 티타늄 문서에서 볼 수 있다.[8] 설명하는 분은 뮌헨 GE글로벌리서치의 카를로스 하르텔 박사.[9] 1950년대에 제트엔진 사업을 완전히 정리하고 이후 전기와 원자력 사업을 주력으로 했다.[10] (Armstrong Siddeley) : 영국의 자동차와 항공기 엔진 제조사. 메트로폴리탄 빅커즈의 엔진을 가져다가 명작 엔진을 만들어내는 등 1950년대까지만 하더라도 롤스로이스 plc의 경쟁자였으나, 합병을 여러 차례 거쳐 1966년에 롤스로이스 plc에 먹혔다. 글로스터 자벨린의 제트엔진이 이 회사에서 만든 사파이어 엔진이다.[11] 계속 신품을 쓰기 때문에 오히려 서방엔진보다 신뢰성이 높을 수도 있다.