제트엔진에대해

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제트엔진(Jet Engine)

현대에 쓰이고 있는 대부분의 비행기들은 제트엔진을 기본적으로 장착하고 있습니다. 민항 항공기에서부터 군용항공기 대부분이(전부라고 해도 될 정도로) 제트엔진을 사용하고 있는데, 자세히 살펴보면 약간씩 엔진이 다르다는 것을 알 수 있습니다.

제트엔진의 기본 원리는 압축된 공기를 연소시켜 그것을 배출하는 힘에서 추력을 얻습니다. 따라서 엔진 연소실 앞에 공기를 압축시켜줄 콤프레서 부분이 있습니다.


Turbojet
초기에 사용된 제트엔진은 Turbojet 엔진입니다. 개발된 것은 영국측에서 먼저 개발한 것으로 흔히 원심식 제트엔진입니다. 일종의 거대한 팬을 설치하고 이것이 회전하며 모여있는 공기를 밖으로 밀어냅니다. 그러면 밀려나간 공기가 외벽과 사이에 밀려 압축되는 방식으로 솔직히 말하자면 '삽질'입니다. 더 많은, 더 고압의 압축 공기를 생성하기 위해서는 팬이 무척이나 커져야 하는 문제점이 있는데 이는 한마디로 엔진 자체가 커져야 한다는 것입니다. 그래서 무척이나 효율이 나빴습니다.

그러나 동시대에 독일이 개발한 축류형 압축기의 경우에는 회전축 하나에 여러개의 팬을 달고 그것이 서로 다른 속도로 회전하며 공기를 압축하여 뒤로 보내게 됩니다. 그래서 2차대전 당시 이러한 제트 엔진을 전투기에 활용, Me262 전투기가 등장합니다.

최초의 제트엔진 전투기 Me 262

그런데 밀리터리에 대해 관심이 있으신 분은 알겠지만 독일의 Me 262는 이륙당시의 속력이 당시 사용되던 프롭기에 비해 무척이나 뒤떨어져 이륙과 동시에 격추되는 일이 잦았다고 합니다. 이는 터보제트 엔진의 어쩔 수 없는 숙명이기도 했습니다.

터보제트 엔진의 경우 유입된 공기를 압축하는 방식이기 때문에 고속 기동시에만 유입된 공기의 양이 많아지고 엔진이 안정적으로 작동합니다. 또한 낮은 속도에서 적절한 추력을 내기 위해서는 낮은 속도에서 좀 더 많은 '질량'을 뒤로 내 보낼 필요가 있었고, 그렇게 하기 위해 나온 것이 터보팬 제트엔진입니다.


터보팬(Turbopan) 엔진
터보팬 엔진이란, 공기 압축기 앞에 팬을 설치하여 강제적으로 엔진 내부로 들어오는 공기의 양을 늘여줍니다. 그렇게 유입된 공기는 일부는 연소실로, 일부는 연소실을 우회하여 밖으로 빠져나갑니다. 우회하여 밖으로 나가는 것은 저속 비행을 할 경우에도 안정적인 추진력을 얻게 합니다. 또한 엔진의 냉각을 도와 엔진 효율을 높이는 역할도 합니다.

연소실로 들어간 공기는 연료와 섞여서 연소하고 그것을 뒤로 배출하는 과정에서 터빈을 돌려, 가장 앞에 있는 팬을 회전시켜줍니다.

이때 우회하는 비율에 따라 Low Bypass Turbo과 High Bypass Turbo으로 나뉘는데, 민항 항공기와 같이 상대적으로 저속 비행에는 High Bypass로 전투기와 같은 고속기동이을 위해서는 Low Bypass가 사용됩니다.

▼High Bypass Turbopan


Rolls-Royce RB211-535 turbofan
전방에 설치된 팬에 비해 실제 제트엔진 연소실은 극히 작은 것을 볼 수 있다.


▼Low-Bypass Turbopan

Rolls-Royce AE3007 turbofan


Pratt & Whitney J57 turbojet

Pratt & Whitney JT8D turbofan

하지만 이런 터보팬 엔진도 고속기동시에 팬자체에서 발생하는 항력으로 인해 초음속 돌파에 어려움이 있습니다. 그래서 대부분의 전투기들은 연소가스에 다시한번 연료를 분사하여 재점화시켜 추력을 높이는 afterbuner가 장착되어 있습니다.


램제트(Ramjets)엔진
램제트 엔진은 제트 엔진 가운데서도 가장 간단한 구조를 가지고 있습니다. 팬도 없고, 공기 압축기도 없습니다. 이는 기체가 초음속을 돌파했을 때 공기가 자연스럽게 압축되기 때문에 적절하게 공기 유입만 조절하면 압축된 공기를 얻을 수 있다는 점에서 만들어진 제트엔진입니다. 하지만 램제트 엔진의 문제라면, 마하 1이 넘지 않으면 사용할 수 없다는 것입니다. 그러나 일단 음속을 돌파하게 되면 일반 제트 엔진에 비해 고속으로 비행이 가능하다는 장점이 있습니다.

단순한 램제트 엔진의 구조

하지만 이런 램제트 엔진에도 한계는 있는데 연소를 위해서 연소실로 들어오는 공기를 아음속(음속보다 느린) 상태로 유지해야 한다는 점이다. 이 때문에 이론상 마하 6을 넘기 힘들다.

램제트 엔진은 마하1 이상으로 비행시에만 작동 가능하다는 점과 구조상 터보제트, 터보팬 엔진에 비해 가볍고 작다는 점에서 미사일 등에 사용되고 있다.




스크램제트(Scramjets)
스크램제트는 연소실에 유입되는 공기가 아음속으로 유지해야하는 램제트와는 달리 초음속상태로 유입된 공기를 그대로 연소시켜, 초음속상태로 배출한다는 점에서 램제트의 보다 훨씬 높은 속도를 얻을 수 있다. 대략 마하 12에서 24사이를 얻을 수 있을 것으로 보인다.

NASA에서 진행하고 있는 Hyper-X 프로젝트.
스크램제트 엔진을 사용한 X-43 기체 내구성 테스트


일정 속도에 도달하기 위해 B-52에 매달려 날아가다 분리된 상태

아직 실험중에 있으나, 극초음속 상태에 기체에 가해지는 압력과 공기마찰로 발생하는 열 등 넘어야할 장애물이 많은 상태이다.

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이온 엔진(ion engine)
터보제트에서 스크램제트까지는 연료를 연소시켜 그것을 분사, 추진력을 얻는 방식이라면 이온엔진은 미래의 엔진이라고 봐야할 것 같다. SF소설, 영화 등에서 등장하는 이온빔을 들어보았을 것 같은데 동일한 이론을 바탕으로 만들어진 상상력의 산물이다.

이온엔진은 실제 사용된 바가 있는데 바로 딥 스페이스호에서 사용되었다. 딥 스페이스호는 NASA에서 이온엔진을 실험하기 위해 발사한 무인 탐사선으로 1998년 발사되었다.

이온엔진은 간단하게 말해 이온분자를 전기장에서 가속시켜 사출, 그것으로 출력을 얻는 방식이다. 이온엔진의 가장 큰 장점은 연료 효율이 가장 좋다는 점이다. 일반 화학 연료와 비교하여 약 10배 가량의 효율을 낼 수 있는데, 실제 딥 스페이스호의 경우 태양에너지를 이용 Xe(크세논)를 이온화시켜 발사하여 678일간 엔진을 작동하였다. 이때 실린 Xe는 72kg이었다고 한다.

딥 스페이스 1

참고로 이온캐논, 이온 빔은 이온화시킨 분자를 고속으로 사출, 적을 강타하는 무기로 아직까지는 상상의 산물에 불과하다. 다른 말로 하전입자포, 대전입자포라고 한다.

자료출처 : http://blog.daum.net/rhdejrwn4101/9413939

[W.I.T.O[병장]]

좋은 자료 감사합니다 ㅎ

[506연대]

이건 밀리터리가 아니라 과학이잖아!!!ㅡ,.ㅡ