추력

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1. 개요
2. 수학적 표현
- 2.1. 일반적인 추력 공식
3. 추력의 발생 원리
4. 추력의 종류 및 비교
5. 추력과 관련된 개념
6. 한국의 추력 기술 개발 현황
참조

1. 개요

추력은 물체를 움직이는 힘으로, 회전하는 프로펠러가 공기를 밀어내거나 제트 엔진이 연소된 공기를 분사할 때 발생한다. 추력은 수학적으로 질량과 속도의 곱으로 표현되며, 추력을 발생시키는 데 필요한 동력과 추력의 크기는 비선형적인 관계를 갖는다. 추력은 항공기, 로켓, 선박 등 다양한 운송 수단에 적용되며, 항공기 엔진, 로켓 엔진, 선박 추진 시스템 등에서 각기 다른 방식으로 구현된다. 추력의 종류와 크기는 운송 수단의 성능에 큰 영향을 미치며, 추력 편향, 역추력, 초과 추력 등의 개념과 밀접하게 관련되어 있다.

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추력
지도
역학
정의	가속에 반대되는 힘
작용 방식	접촉력과 비접촉력 둘 다 가능
뉴턴 제3법칙	작용력에 대한 반작용
힘의 방향	운동 방향의 반대 방향
운동
가속에 대한 역할	가속을 감소 또는 정지시킴
적용 예시	물체가 표면에 가하는 힘의 반작용, 로켓 엔진의 추진, 비행기 엔진의 추진
추진력(추력)과 반작용력
작용/반작용 쌍	추진력과 반작용력은 항상 쌍으로 작용
로켓 엔진	연료 연소로 생성된 가스 분출 (추진력), 가스 분출 방향과 반대 방향으로 로켓 추진 (반작용력)
반작용력 예시
물체 낙하	물체가 지구를 끌어당기는 힘(작용력), 지구가 물체를 끌어당기는 힘에 반발하는 힘(반작용력)
로켓 엔진	로켓 엔진 연소 가스가 분출되는 힘(작용력), 로켓이 반대로 나아가는 힘(반작용력)
비행기 엔진	제트엔진 가스가 분출되는 힘(작용력), 비행기가 나아가는 힘(반작용력)
F-35 수직 이착륙	엔진에서 나오는 추력 약 43,000lbf (190kN)
참고 사항
엔진 추력	엔진이 앞으로 나아가려는 힘 엔진의 출력과 관련됨

2. 수학적 표현

회전하는 프로펠러나 제트 엔진이 공기를 밀어내거나 분사할 때, 비행체는 그 반대 방향으로 추력을 얻는다. 이때 기관이 발생시킨 공기의 운동량은 공기의 질량과 속도의 곱으로 표현되며, 이 힘은 비행체를 움직이는 힘(충격량)과 크기는 같고 방향만 반대이다.^[1]

2. 1. 일반적인 추력 공식

추력은 수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

T =\frac{M}{t} v

여기서

''T''는 추력(thrust)
''M/t''는 연료 연소율 (Mass/time)
''v''는 속도(배기 혹은 분사 물질의 평균 속도)

를 나타낸다.

3. 추력의 발생 원리

추력은 주로 유체(공기 또는 물)를 한 방향으로 밀어내거나, 가스를 고속으로 분사함으로써 발생한다. 회전하는 프로펠러가 공기를 밀어내거나 제트 엔진이 연소된 공기를 분사할 때, 비행체는 이 반대 방향으로 추력을 얻는다. 이때 기관이 발생시킨 공기의 운동량은 공기의 질량과 속도의 곱으로 표현되고, 이 힘은 비행체를 움직이는 힘(충격량)과 같고 방향만 다르다.

추력은 수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $T =\frac{M}{t} v$

여기서:

''T'' = 추력(thrust)
''M/t'' = 연료 연소율 (Mass/time)
''v'' = 속도(배기 혹은 분사 물질의 평균 속도)

추력은 "저항력과 관성력의 합에 해당한다"는 설명도 있다.^[14] 자동차나 궤도전차와 같은 차량은 타이어와 노면 또는 차륜과 레일 사이의 마찰력을 이용한다.^[14] 항공기, 우주선 등은 추진 장치에 의해 유체를 후방으로 가속시킴으로써 그 반작용을 이용한다.^[14] 프로펠러기는 원동기에서 발생시킨 힘을 축을 통해 프로펠러에 전달하여 추력을 발생시키고, 제트엔진이나 로켓엔진은 그 자체가 직접적으로 추력을 발생시킨다.^[14]

3. 1. 항공기 및 로켓

비행 중 항공기에 작용하는 힘. 중력(Weight), 양력(Lift), '''추력(Thrust)''', 항력(Drag)

고정익 항공기는 프로펠러를 회전시켜 공기를 이동시키거나, 제트 엔진(혹은 로켓 엔진)의 배기가스를 비행 방향과 반대로 분사함으로써 전방 추력을 생성한다. 이 전방 추력은 "공기의 질량"에 "기류의 평균 속도"를 곱한 것에 비례한다.^[4] 가변 피치 프로펠러의 블레이드를 역피치로 하거나, 제트 엔진을 역분사시킴으로써 역추력을 발생시켜 착륙 후 브레이크 효과를 좋게 할 수 있다. 회전익 항공기나 추력 편향의 V/STOL기에서는 엔진의 추력으로 기체의 무게를 지탱하고, 그 추력의 일부를 전후로 향하게 하여 전진 속도를 제어한다.

로켓은 연소실에서 로켓 엔진의 노즐을 통해 가속되는 배기 가스의 운동량 변화율과 크기가 같고 방향이 반대인 추력에 의해 앞으로 추진된다. 이는 로켓에 대한 배기 속도에 질량이 배출되는 시간 변화율을 곱한 값이며, 수학적 용어로는 다음과 같다.

:

\mathbf{T}=\mathbf{v}\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t}

여기서 '''T'''는 생성된 추력(힘),

\frac {\mathrm{d}m} {\mathrm{d}t}

는 시간에 대한 질량 변화율(배기 질량 유량), '''v'''는 로켓에 대한 배기 가스의 속도이다.

로켓의 수직 발사의 경우 이륙 시 초기 추력은 무게보다 커야 한다.

우주왕복선에서는 추력 1.8메가뉴턴의 주 엔진 3개, 추력 14.7MN의 고체 로켓 부스터 2개, 총 추력 34.8MN이다. 발사 시 질량 2,040,000kg는 20MN의 무게에 해당한다.^[5]

우주유영 구조용 간이 장비(SAFER)(SAFER)에는 각각 3.56N의 스러스터가 24개 설치되어 있다.^[6]

공기 흡입 분야에서는, 무선 조종기용 제트 엔진 AMT-USA AT-180의 추력은 90 N (20 lbf)이다.^[7] 보잉 777-300ER에 탑재되어 있는 엔진 GE90-115B는 "세계에서 가장 강력한 상업용 제트 엔진"으로 기네스 세계 기록에 등재되어 있으며, 시험 출력은 569 kN (127,900 lbf)이다.

3. 2. 선박

선박은 프로펠러(스크류 프로펠러)를 회전시켜 물을 뒤로 밀어내어 추력을 얻는 방식으로 추진한다.^[16] 동력으로 발생시킨 힘을 샤프트를 통해 프로펠러에 전달하고, 프로펠러가 물을 뒤로 밀면 그 반작용으로 추력이 발생한다. 동력으로 발생시킨 힘이 모두 추력이 되는 것은 아니며, 프로펠러가 발생시키는 수류는 나선형 와류로 비틀림이 발생하여 추력이 되는 것은 동력으로 발생시킨 힘의 일부이다.

물속에서 회전하며 추력을 발생시키는 프로펠러. 캐비테이션이 발생하면 추력이 감소한다.

3. 3. 생물학적 추력 (참고)

동물학자들에 따르면, 물속을 이동하는 동물이 추진력을 얻는 방법은 두 가지가 있다고 한다.^[16]

첫 번째는 제트 분사 추진으로, 뒤쪽의 물을 급격히 밀어내고 그 반동으로 전진하는 방법이다.^[16] 오징어나 문어가 대표적인 예시인데, 다리를 부풀려 망토 모양으로 만들어 물을 가득 채운 후, 그 물을 한꺼번에 짜내어 그 반동으로 전진한다.^[16]

두 번째는 몸통 뒷부분을 굽혔다 펴면서 비스듬한 뒤쪽의 물을 차는 방법이다.^[16] 다르게 표현하면, 몸의 한쪽 측면으로 물을 밀어내어 충돌시킨 쪽의 수압을 높이고 반대쪽의 수압을 낮춤으로써 그 수압 차이를 항력으로 이용하고, 몸의 키 방향으로 힘을 분산시켜 전진하는 방법이다.^[16] 물고기의 배에서 꼬리지느러미까지의 좌우 움직임이나 물고기의 등지느러미의 (물결치는 듯한) 움직임, 그리고 사람이나 다른 동물의 수영 방법이 대표적인 예시이다.^[16] 고래나 돌고래는 꼬리지느러미를 상하로 움직여 추진력을 만들어낸다.^[16]

4. 추력의 종류 및 비교

우주왕복선은 1.8MN의 추력을 내는 주 엔진 3개와 14.7MN의 추력을 내는 고체 로켓 부스터 2개를 합쳐 총 34.8MN의 추력을 낸다. 발사 시 질량은 2,040,000kg으로, 약 20MN의 추력으로 우주로 발사된다.^[5]

로켓은 로켓 엔진 노즐을 통해 가속되는 배기 가스의 운동량 변화율과 크기가 같고 방향이 반대인 추력으로 추진된다. 수직 발사 시 초기 추력은 무게보다 커야 한다.

선박의 추진에는 프로펠러(스크류 프로펠러)가 대표적으로 사용된다. 프로펠러를 회전시켜 물을 뒤로 밀어내 추력을 얻는다.

추력 대 중량비는 항공기나 로켓의 성능 지표 중 하나로, 이 비율이 높을수록 가속과 상승 능력이 우수하다.

4. 1. 항공기 엔진 추력

고정익기는 프로펠러를 회전시켜 공기를 이동시키거나, 제트 엔진(혹은 로켓 엔진)의 배기가스를 비행 방향과 반대로 분사함으로써 전방 추력을 생성한다.^[4] 이 전방 추력은 "공기의 질량"에 "기류의 평균 속도"를 곱한 것에 비례한다. 가변 피치 프로펠러의 블레이드를 역피치로 하거나, 제트 엔진을 역분사시킴으로써 역추력을 발생시켜 착륙 후 제동 효과를 좋게 할 수 있다. 회전익기나 추력 편향을 사용하는 V/STOL기에서는 엔진의 추력으로 기체의 무게를 지탱하고, 그 추력의 일부를 전후로 향하게 하여 전진 속도를 제어한다.

공기 흡입식 제트 엔진 중에서는 무선 조종기용으로 개발된 AMT-USA AT-180 제트 엔진이 90N (20Lb_f)의 추력을 낸다.^[15] 보잉 777-300ER에 탑재된 GE90-115B 엔진은 기네스 세계 기록에 "세계에서 가장 강력한 상업용 제트 엔진"으로 등재되었으며, 시험 출력은 569kN (127,900Lb_f)이다.

4. 2. 로켓 엔진 추력

로켓은 연소실에서 로켓 엔진 노즐을 통해 가속되는 배기 가스의 운동량 변화율과 크기가 같고 방향이 반대인 추력에 의해 앞으로 추진된다. 로켓의 수직 발사의 경우 이륙 시 초기 추력은 무게보다 커야 한다. 우주왕복선의 고체 로켓 부스터는 각각 14.7메가뉴턴의 추력을 생성하여 총 29.4 MN의 추력을 발생시켰다.^[5]

4. 3. 선박 추진 시스템

다양한 선박에서 다양한 추진장치가 사용되지만, 대표적인 것으로 프로펠러(스크류 프로펠러)를 사용하는 프로펠러선이 있다. 이는 프로펠러를 회전시켜 물을 후방으로 가속(밀어서) 추력을 얻는 방식이다. 동력으로 발생시킨 힘을 샤프트를 통해 프로펠러에 전달하고, 프로펠러가 물을 후방으로 밀어 그 반작용을 추력으로 한다. 동력으로 발생시킨 힘이 모두 추력이 되는 것은 아니고, 프로펠러가 발생시키는 수류는 나선형 와류로 비틀림이 발생하며, 추력이 되는 것은 동력으로 발생시킨 힘의 일부이다.

4. 4. 추력 대 중량비

추력 대 중량비는 항공기나 로켓의 성능을 나타내는 중요한 지표 중 하나이다. 이 비율이 높을수록 더 빠르게 가속하고 더 높은 고도에 도달할 수 있다.

고정익기는 프로펠러를 회전시켜 공기를 이동시키거나, 제트 엔진(혹은 로켓 엔진)의 배기가스를 비행 방향과 반대로 분사함으로써 전방 추력을 생성한다. 회전익기나 추력 편향을 사용하는 V/STOL기에서는 엔진의 추력으로 기체의 무게를 지탱하고, 그 추력의 일부를 전후로 향하게 하여 전진 속도를 제어한다.

로켓은 연소실에서 로켓 엔진의 노즐을 통해 가속된 배기 질량의 운동량 변화율과 크기가 같고 반대 방향인 추력으로 전진한다. 이는 로켓에 대한 배기 속도와 질량이 방출될 때의 시간율을 곱한 값으로, 다음과 같이 표현할 수 있다.

:

T=v\frac{dm}{dt}

여기서,

''T''는 생성된 추력(힘)
$\frac {dm} {dt}$ 는 시간에 대한 질량 변화율(연료 연소율)
''v''는 배기 속도

스페이스 셔틀은 추력 1.8MN의 주 엔진 3개와 추력 14.7MN의 고체 로켓 부스터 2개를 합쳐 총 34.8MN의 추력을 낸다. 발사 시 질량 2,040,000kg는 20MN의 무게에 해당한다.

자력 구조용 추진 장치(SAFER)에는 각각 3.56N의 스러스터가 24개 설치되어 있다.

공기 흡입 분야에서, 무선 조종기용 제트 엔진 AMT-USA AT-180의 추력은 90N (20Lb_f)이다.^[15] 보잉 777-300ER에 탑재된 엔진 GE90-115B는 "세계에서 가장 강력한 상업용 제트 엔진"으로 기네스 세계 기록에 등재되었으며, 시험 출력은 569kN (127,900Lb_f)이다.

5. 추력과 관련된 개념

추력을 이해하기 위해서는 관련된 몇 가지 개념을 함께 알아야 한다.

'''초과 추력'''(Excess Thrust): 비행기가 하늘을 날 때, 추력(T)에서 항력(D)을 뺀 값을 초과 추력(T - D)이라고 한다. 쉽게 말해, 비행기를 앞으로 밀어내는 힘에서 뒤로 끌어당기는 힘을 뺀 나머지 힘이다. 이 힘이 클수록 비행기는 더 빨리 속도를 높이거나 위로 올라갈 수 있다.^[15] 초과 추력은 벡터로 나타내며, 추력 벡터와 항력 벡터의 차이로 계산한다.

'''추력축'''(Thrust Axis): 비행기의 추력축은 엔진에서 나오는 힘이 작용하는 가상의 선이다. 이 선은 제트 엔진이나 프로펠러가 어디에 달려 있는지, 몇 개가 달려 있는지에 따라 달라진다. 보통 추력축은 비행기가 받는 공기 저항의 중심선(항력축)과 일치하지 않는다. 이 때문에 추력축과 항력축 사이의 거리가 모멘트라는 회전력을 만들게 된다. 이 회전력은 수평 꼬리날개에 작용하는 공기의 힘으로 상쇄시켜야 한다.^[11]

보잉 737 MAX 여객기는 이전 모델보다 더 크고 아래쪽에 엔진이 달려 있어서 추력축과 항력축 사이의 거리가 더 멀었다. 이 때문에 특정 상황에서 비행기 앞부분이 위로 들리는 현상이 발생했다. 이를 막기 위해 조종 특성 증강 시스템(MCAS)이라는 자동 조종 장치를 사용했는데, 초기 버전의 MCAS가 오작동을 일으켜 2018년과 2019년에 큰 사고가 발생했다. 이 사고로 보잉 737 MAX 운항 중단 사태가 발생했고, 300명이 넘는 사람들이 목숨을 잃었다.^[12]^[13]

5. 1. 역추력 (Thrust Reversal)

역추력은 주로 제트 엔진 항공기에서 사용되는 기술로, 착륙 거리를 줄이기 위해 추력의 방향을 반대로 바꾸는 것을 말한다. 가변 피치 프로펠러의 날개 피치를 반전시키거나, 제트 엔진에 역추력 장치를 장착하여 구현할 수 있다.^[4] 이를 통해 착륙 후 제동을 돕는다. 프로펠러 항공기에서도 일부 사용된다.

5. 2. 초과 추력 (Excess Thrust)

동력 비행기에서 추력(T)과 항력(D)의 차이를 초과 추력(T - D)이라고 한다. 항공기의 순간적인 성능은 대부분 초과 추력에 의존한다.^[15] 초과 추력은 항공기가 비행 중 생성하는 추력에서 항력을 뺀 값으로, 이 값이 클수록 항공기는 더 빠르게 가속하거나 상승할 수 있다.

초과 추력은 벡터이며, 추력 벡터와 항력 벡터의 벡터 차이로 결정된다.

5. 3. 추력축 (Thrust Axis)

항공기의 추력축은 특정 순간에 전체 추력이 작용하는 가상의 선이다. 이는 제트 엔진이나 프로펠러의 위치, 개수 및 특성에 따라 달라진다. 일반적으로 추력축은 항력축과 일치하지 않는데, 이 경우 추력축과 항력축 사이의 거리는 모멘트를 발생시킨다. 이 모멘트는 수평 안정판에 작용하는 공기역학적 힘의 변화에 의해 상쇄되어야 한다.^[11]

특히, 보잉 737 MAX는 이전 737 모델보다 더 크고 아래쪽에 장착된 엔진을 가지고 있어 추력축과 항력축 사이의 거리가 더 컸다. 이로 인해 특정 비행 조건에서 기수가 상승하는 현상이 발생했고, 이를 보정하기 위해 조종 특성 증강 시스템(MCAS)이라는 피치 제어 시스템이 필요하게 되었다. 그러나 MCAS의 초기 버전은 비행 중 오작동하여 2018년과 2019년에 보잉 737 MAX 운항 중단 사태를 초래했고, 300명 이상의 사망자가 발생했다.^[12]^[13]

6. 한국의 추력 기술 개발 현황

한국은 항공우주 및 해양 분야에서 추력 기술 개발에 지속적으로 투자하고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Lockheed Martin F-35 Joint Strike Fighter Succeeds in First Vertical Landing https://news.lockhee[...] 2024-04-04
_[2] 웹사이트 What is Thrust? https://www.grc.nasa[...] 2020-04-02
_[3] 웹사이트 Force and Motion: Definition, Laws & Formula https://www.studysma[...] 2022-10-12
_[4] 웹사이트 Newton's Third Law of Motion https://www.grc.nasa[...] 2020-04-02
_[5] 웹사이트 Space Launchers - Space Shuttle http://www.braeunig.[...] 2018-02-16
_[6] 논문 Descriptive Pilot Model for the NASA Simplified Aid for Extravehicular Activity Rescue https://arc.aiaa.org[...] 2018-02-01
_[7] 웹사이트 AMT-USA jet engine product information http://usamt.com/Mel[...] 2006-12-13
_[8] 웹사이트 Convert Thrust to Horsepower http://www.aerospace[...] 2009-05-01
_[9] 서적 Introduction to Aircraft Flight Mechanics
_[10] 서적 Understanding Flight McGraw-Hill 2001
_[11] 서적 Mechanics of Flight Pitman Publishing 1972
_[12] 웹사이트 Control system under scrutiny after Ethiopian Airlines crash https://www.aljazeer[...] 2019-04-07
_[13] 웹사이트 What is the Boeing 737 Max Maneuvering Characteristics Augmentation System? https://theaircurren[...] 2019-04-07
_[14] 백과사전 推力平凡社
_[15] 웹사이트 AMT-USA jet engine product information http://usamt.com/Mel[...] 2006-12-13
_[16] 서적 スポーツ動作学入門市村出版 2002

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