보조 동력 장치
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1. 개요
보조 동력 장치(APU)는 주 엔진이 꺼진 상태에서 전력, 압축 공기 또는 유압을 제공하는 장치이다. 제1차 세계 대전 중 비행선과 항공기에 처음 사용되었으며, 제2차 세계 대전 중에는 대형 군용 항공기에 널리 사용되었다. APU는 항공기, 차량, 선박, 우주선 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 제트 여객기에서는 가스 터빈 APU가 사용되어 자체적으로 엔진을 시동하고 지상 지원 없이 운행할 수 있게 한다. 최근에는 환경 문제 해결을 위해 친환경 APU 기술 개발이 진행되고 있으며, 허니웰, 프랫 & 휘트니 등이 주요 제조업체로 시장을 이끌고 있다.
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| 보조 동력 장치 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 차량 보조 동력 장치 |
| 설명 | 다른 기능을 수행하기 위해 주 엔진 외에 차량에 장착된 장치 |
| 항공기 APU | |
| 위치 | 주로 항공기의 화물칸, 꼬리 원뿔 또는 주 착륙 장치 나셀에 위치함 |
| 주요 기능 | 주 엔진 시동을 위한 동력 제공 지상에서 또는 비행 중 비상 시 항공기 시스템 (유압, 전기, 환경 제어)에 전력 공급 |
| 구성 요소 | 소형 가스 터빈 엔진 발전기 (전력 생산) 냉각기 제어 시스템 |
| 작동 방식 | APU는 연료를 연소시켜 터빈을 구동하고, 터빈은 발전기를 회전시켜 전력을 생산함. |
| 장점 | 활주로에서 지상 동력 장비 없이 독립적인 작동 가능 엔진 시동 시간 단축 비상 전원 공급 |
| 단점 | 무게 증가 유지 보수 필요 연료 소비 소음 발생 |
| 주요 제조사 | 허니웰 에어로스페이스 프랫 앤 휘트니 제너럴 일렉트릭 |
| 400 Hz 전기 시스템 | 항공기에서 APU는 일반적으로 400 Hz의 교류 전기를 생산하며, 이는 지상 전원 공급 장치와 호환됨. |
| 기타 차량 APU | |
| 종류 | 트럭 APU 선박 APU 철도 차량 APU |
| 기능 | 차량 정차 중 운전자에게 편안한 환경 제공 (난방, 냉방) 차량 시스템에 전력 공급 연료 효율 향상 |
| 예시 | 트럭 APU는 야간 휴식 중 트럭 운전실에 난방 또는 냉방을 제공하고, 배터리 충전 및 기타 전기 장치에 전력을 공급함. |
2. 역사
제1차 세계 대전 동안 영국의 코스탈급 비행선은 1.75hp의 ABC 보조 엔진을 탑재하여 항공기의 무선 송신기용 발전기에 동력을 공급하고 비상시 보조 공기 송풍기에 동력을 공급했다.[3] APU를 사용한 최초의 군용 고정익 항공기 중 하나는 제1차 세계 대전 당시 영국의 슈퍼마린 나이트호크였다.[4]
제2차 세계 대전 중에는 많은 수의 대형 미국 군용 항공기에 APU가 장착되었으며, 이들은 ''퍼트-퍼트''라고도 불렸다. B-29 슈퍼포트리스 폭격기의 퍼트-퍼트는 항공기 후방에 장착되었고, 다양한 모델의 4행정, 플랫-트윈 또는 V-트윈 엔진이 사용되었다. 7hp 엔진은 28.5 볼트 및 200 암페어 정격의 ''P2'' DC 발전기를 구동했다. B-24 리버레이터와 더글러스 C-47 스카이트레인의 일부 모델에도 퍼트-퍼트가 장착되었다.[5]
제2차 세계 대전 동안 제작된 최초의 독일 제트 엔진은 독일 엔지니어 노르베르트 리델이 설계한 기계식 APU 시동 시스템을 사용했다. 이 시스템은 10hp 2행정 엔진 플랫 엔진으로 구성되었으며, Junkers Jumo 004 설계의 경우 흡입구 분배기에 숨겨져 있었다. BMW 003과 Heinkel HeS 011 엔진의 프로토타입에도 사용되었다.
1963년 보잉 727은 가스 터빈 APU를 탑재한 최초의 제트 여객기로, 지상 설비 없이 작은 공항에서도 운행할 수 있게 되었다.[10] APU는 항공기 꼬리에 있는 배기 파이프로 확인할 수 있다.
왕복 엔진 시대에는 자동차처럼 자체 엔진 시동이 가능했지만, 제트 엔진은 시동을 위해 압축 공기가 필요했다. 항공 전자 장비와 기내 설비 증가로 안정적인 전원 공급이 필요해졌고, 여객기는 규제 강화로 비행 중 재시동이 요구되었으며, 항공사는 공항 대기 중 냉난방 및 조명 유지를 원했다. 이에 따라 추진용 엔진과 별개로 소형 엔진을 탑재하는 여객기가 등장했다. APU는 엔진 시동, 비행 중 재시동, 안전성 증가에 기여했다.
APU가 없거나 사용이 제한되는 경우, 비행장에는 압축 공기를 공급하는 에어 스타트 유닛(ASU)과 전원을 공급하는 지상 동력 장치(GPU)가 설치되었다. ASU는 시동차, GPU는 전원차로 기체 옆으로 이동하여 엔진 시동 후 철수한다. 큰 공항은 주기 공간에 고정 설치하기도 한다.
APU는 내장된 배터리로 시동하는 경우가 많지만, CH-53E 헬리콥터 등은 유압 어큐뮬레이터를 사용한다.[34]
APU는 메인 엔진 불량 시 조작 계통 동력 공급 역할도 하며, ETOPS는 APU를 중시한다. ETOPS 규격에 준거하는 APU는 모든 고도에서 비행 중 시동 가능해야 한다. 현대 제트여객기는 후부에 APU를 탑재하며, 꼬리 부분에 배기관이 있다.
APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시킨다. 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항 등 일본 국내 공항에서는 APU 사용이 제한되거나 지상 동력 장치로 전환되고 있다.
항공기 APU 시장은 유나이티드 테크놀로지스사, 허니웰사, 클리모프 설계국의 점유율이 크다.
2. 1. 제1차 세계 대전 이전
제1차 세계 대전 동안 영국의 코스탈급 비행선은 1.75hp의 ABC 보조 엔진을 탑재했다. 이 엔진은 항공기의 무선 송신기용 발전기에 동력을 공급했고, 비상시에는 보조 공기 송풍기에 동력을 공급할 수 있었다.[3] APU를 사용한 최초의 군용 고정익 항공기 중 하나는 제1차 세계 대전 당시 영국의 슈퍼마린 나이트호크로, 대 체펠린 야간 전투기였다.[4]
2. 2. 제1차 세계 대전과 전간기
제1차 세계 대전 동안 영국 해군이 운용한 코스탈급 비행선에는 1.75hp의 ABC 보조 엔진이 탑재되었다. 이 엔진은 비행선의 무선 송신기용 발전기에 동력을 공급했으며, 비상시에는 보조 공기 송풍기를 작동시켰다.[3] APU가 사용된 최초의 군용 고정익 항공기 중 하나는 제1차 세계 대전 당시 영국의 슈퍼마린 나이트호크로, 체펠린 야간 전투기였다.[4]2. 3. 제2차 세계 대전
제2차 세계 대전 중에는 많은 수의 대형 미국 군용 항공기에 APU가 장착되었다. 이들은 훈련 문서에서 ''퍼트-퍼트''라는 별칭으로 불렸다. B-29 슈퍼포트리스 폭격기의 퍼트-퍼트는 항공기 후방의 비가압 구역에 장착되었으며, 다양한 모델의 4행정, 플랫-트윈 또는 V-트윈 엔진이 사용되었다. 7hp 엔진은 28.5 볼트 및 200 암페어 정격의 ''P2'' DC 발전기를 구동했으며, 이 발전기는 주 엔진 시동에 필요한 전원을 공급하고 이륙 후 약 3048.00m 높이까지 사용되었다. B-29가 착륙을 위해 하강할 때 퍼트-퍼트가 다시 시동되었다.[5]B-24 리버레이터의 일부 모델에는 항공기 전면, 노즈 휠 구획 내부에 퍼트-퍼트가 장착되었고,[6] 더글러스 C-47 스카이트레인 수송기의 일부 모델은 조종석 바닥 아래에 퍼트-퍼트를 탑재했다.[7]
제2차 세계 대전 동안 제작된 최초의 독일 제트 엔진은 독일 엔지니어 노르베르트 리델이 설계한 기계식 APU 시동 시스템을 사용했다. 이 시스템은 10hp 2행정 엔진 플랫 엔진으로 구성되었으며, Junkers Jumo 004 설계의 경우 흡입구 분배기에 숨겨져 있어, 제트 엔진 시동을 위한 보조 동력 장치의 선구적인 예시로 기능했다. 분배기 맨 앞 부분의 구멍에는 수동 풀 핸들이 있어 피스톤 엔진을 시동시켰고, 이 피스톤 엔진이 압축기를 회전시켰다. Jumo 004의 흡입구 분배기에는 유지보수를 위해 리델 장치의 실린더를 현장에서 정비할 수 있도록 두 개의 스파크 플러그 접근 포트가 있었다. 리델의 휘발유/2행정 오일 연료를 위한 두 개의 작은 "혼합" 탱크가 환형 흡입구에 장착되었다. 이 엔진은 극단적인 단행정(보어/스트로크: 70mm / 35mm = 2:1) 설계로 간주되어 Jumo 004와 같은 제트 엔진의 흡입구 분배기 내부에 장착될 수 있었다. 감속을 위해 유성 기어가 통합되었다. 이 엔진은 뉘른베르크의 빅토리아에서 생산되었으며, Junkers Jumo 004, BMW 003 (리델 APU에 전기 시동기를 사용한 것으로 보임),[8] 그리고 Heinkel HeS 011 엔진의 프로토타입(19대 제작)의 기계식 APU 스타일 시동기로 사용되었으며, Heinkel HeS 011 엔진에서는 흡입구 통로 바로 위에 장착되었다.[9]
2. 4. 제트 여객기 시대
1963년 보잉 727에 최초로 가스터빈 엔진 APU가 탑재되면서, 작은 지방 공항에서도 지상 시설 도움 없이 여객기를 운용할 수 있게 되었다.[34] 이전까지는 왕복 엔진을 사용하여 자체 시동이 가능했지만, 제트 엔진은 시동을 위해 압축 공기가 필요했기 때문이다.
APU는 주 엔진이 고장났을 때 조작 계통에 동력을 공급하는 역할도 한다. ETOPS에서는 비상시 정지된 엔진을 대신하여 전력이나 압축 공기를 공급하는 APU를 중요하게 여긴다. ETOPS 기준을 따르는 APU는 모든 고도에서 비행 중 시동이 가능해야 하며, 최근에는 약 13106.40m 고도에서 완전히 차가운 상태에서도 시동 가능해야 한다. APU나 발전기를 사용할 수 없는 경우, 해당 항공기는 ETOPS 비행을 할 수 없고, 공항 근처를 지나는 더 긴 경로를 선택해야 한다.
현대 제트여객기는 대부분 후부에 APU를 탑재하며, 꼬리 부분에 배기관이 있는 경우가 많다.
3. 구조 및 작동 원리
상업용 수송기에 사용되는 일반적인 가스 터빈 APU는 동력부, 부하 압축기, 기어박스의 세 가지 주요 섹션으로 구성된다.[11] 보잉 787과 같이 전기 시스템 의존도가 높은 항공기는 APU가 전력만 공급하도록 설계되어 시스템을 단순화했지만, 전력 수요가 높아 더 무거운 발전기가 필요하다.[13][14] 고체 산화물 연료 전지(SOFC) APU에 대한 연구도 진행 중이다.[15]
왕복 엔진 시대에는 자동차처럼 자체 엔진 시동이 가능했지만, 제트 엔진은 시동을 위해 압축 공기가 필요했다. 항공 전자 장비와 기내 설비 증가로 안정적인 전원 공급의 필요성이 커졌고, 여객기의 경우 비행 중 재시동 요구와 공항 대기 중 냉난방 및 조명 유지를 위해 추진용 엔진과 별도로 소형 엔진을 탑재하는 경우가 많아졌다.
APU를 탑재하면 지상 시설 없이도 엔진 시동이 가능하고, 엔진 정지 시 자체 재시동이 가능해 안전성이 향상된다. APU 미탑재 또는 지상 대기 중 연료 소비 절감을 위해 APU 사용이 제한되는 경우, 별도의 압축 공기원이나 전원이 필요하며, 이를 위해 비행장에는 에어 스타트 유닛(Air Start Unit, ASU)과 지상 동력 장치(Ground Power Unit, GPU)가 설치되어 있다. ASU는 시동차, GPU는 전원차 형태로 기체 옆으로 이동하여 엔진 시동 후 철수하며, 큰 공항에서는 주기 공간에 고정되기도 한다.
APU는 내장된 배터리로 시동하는 경우가 많지만, CH-53E 헬리콥터 등에 탑재되는 보조 동력 장치(Auxiliar uxiliary Power Plant, APP)에서는 유압 어큐뮬레이터가 사용된다.[34] 가솔린 엔진 왕복 엔진 APU는 1916년 Pemberton-Billing의 P.B.31 Night Hawk Scout에서 처음 사용되었고, 가스터빈 엔진 APU를 처음 탑재한 제트 여객기는 1963년 보잉 727이다.
APU는 메인 엔진 불량 시 조작 계통 동력 공급 역할을 하여 ETOPS에서 중요하며, 비상 시 정지된 엔진 대신 전력이나 압축 공기를 공급한다. ETOPS 규격에 준거하는 APU는 모든 고도에서 비행 중 시동 가능해야 하며, 최근에는 43,000ft 고도에서 완전 저온 노출 상태 시동을 요구한다. APU나 발전기를 사용할 수 없으면 ETOPS 비행이 불가하며, 공항 근처를 통과하는 더 긴 경로를 선택해야 한다.
현대 제트여객기에서는 APU가 후부에 탑재되는 것이 일반적이며, 많은 여객기에서 꼬리 부분에 배기관을 볼 수 있다. 대부분 APU는 소형 가스터빈 엔진이며, 내부 압축기로 압축 공기를 공급한다. 최근 로터리 엔진을 사용하는 연구가 시작되었는데, 이는 일반 피스톤 엔진보다 출력 대 중량비가 우수하다.
APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시켜 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항, 주부 국제공항 등에서 사용이 제한되며, 일본 국내 다른 공항에서도 지상 동력 장치 전환이 진행되어 지상 시설이나 전원차로부터 주기 중인 항공기에 전기 및 냉난방을 공급한다. 항공기 APU 시장은 유나이티드 테크놀로지스(해밀턴 선드스트랜드, 프랫 & 휘트니 캐나다), 허니웰, 클리모프 설계국 등이 주도하고 있다.
글래스 콕핏이나 플라이 바이 와이어를 채택한 항공기는 대량의 전력이 필요하며, 보잉 787은 압축 공기를 사용하지 않지만 대전력을 안정적으로 공급하기 위해 대용량 배터리와 고도 제어 시스템을 탑재한다. 파워 바이 와이어의 경우 유압은 착륙 장치 도어 및 캐노피 개방 등에 사용되어 저출력이지만 소형 경량 펌프가 채용된다.
3. 1. 동력부 (Power Section)
엔진의 가스 발생기 부분으로, 보조 동력 장치(APU)에 필요한 모든 축 동력을 생산한다.[11] 엔진의 이 부분에서 공기와 연료가 혼합, 압축, 점화되어 뜨겁고 팽창하는 가스를 생성한다. 이 가스는 매우 강력하며 터빈을 회전시키는 데 사용되며, 터빈은 다시 보조 기어 박스, 펌프, 발전기 및 터보팬 엔진의 경우 주 팬과 같은 엔진의 다른 부분을 구동한다.[12]3. 2. 부하 압축기 (Load Compressor Section)
로드 압축기는 일반적으로 항공기에 공압 동력을 제공하는 샤프트 장착형 압축기이지만, 일부 APU는 동력부 압축기에서 블리드 에어를 추출한다.[11] 공기 흐름을 제어하는 데 도움이 되는 두 가지 작동 장치는 로드 압축기로의 공기 흐름을 조절하는 흡입 가이드 베인과 터보 머신의 안정적이거나 서징 없는 작동을 유지하는 서지 제어 밸브이다.[11]3. 3. 기어박스 (Gearbox Section)
기어박스는 엔진의 주축에서 전력을 전동 오일 냉각식 발전기로 전달하여 전력을 공급한다. 기어박스 내부에서는 연료 제어 장치, 윤활유 모듈, 냉각 팬과 같은 엔진 부속품으로도 전력이 전달된다. 또한 APU의 시동 기능을 수행하기 위해 기어 열을 통해 연결된 시동 모터도 있다.[13][14] 일부 APU 설계는 APU 시동 및 발전을 위해 스타터/발전기 조합을 사용하여 복잡성을 줄인다.4. 항공기에서의 활용
왕복 엔진을 사용하던 시대에는 자동차처럼 자체적으로 엔진 시동이 가능했지만, 제트 엔진은 시동을 위해 압축 공기가 필요하게 되었다. 또한 항공 전자 장비나 기내 설비 증가로 안정적인 전원 공급도 중요해졌다. 특히 여객기는 규제 강화로 비행 중 재시동이 요구되었고, 항공사는 공항 대기 중 엔진 정지 상태에서도 냉난방 및 조명을 유지해야 했다. 이 때문에 추진용 엔진과는 별도로 소형 엔진, 즉 보조 동력 장치(APU)를 탑재하는 여객기가 등장했다.
APU를 탑재하면 지상 시설 없이도 단독으로 엔진 시동이 가능하며, 엔진 고장 시 자체 재시동이 가능하여 안전성이 높아진다. 가솔린 엔진을 사용하는 왕복 엔진 APU는 1916년 Pemberton-Billing의 P.B.31 Night Hawk Scout에서 처음 사용되었다. 가스터빈 엔진을 사용한 APU를 처음 탑재한 제트 여객기는 1963년의 보잉 727로, 작은 지방 공항에서도 지상 시설에 구애받지 않고 운용 가능하게 되었다.[34]
APU는 메인 엔진 불량 시 조작 계통을 위한 동력 공급 역할도 하며, ETOPS에서는 APU의 역할이 매우 중요하다. 비상시 정지된 엔진을 대신하여 전력이나 압축 공기를 공급하기 때문이다. ETOPS 규격에 준거하는 APU는 모든 고도에서 비행 중 시동이 가능해야 한다. 최근 적용되는 ETOPS에서는 43,000ft 고도에서 완전한 저온 노출 상태에서도 시동 가능해야 한다고 요구한다. APU나 발전기를 사용할 수 없는 경우, 해당 항공기는 ETOPS 비행을 할 수 없고, 공항 근처만 통과하는 더 긴 경로를 선택해야 한다.
현대 제트여객기에서는 APU가 후부에 탑재되는 것이 일반적이며, 많은 여객기에서 꼬리 부분에 배기관을 볼 수 있다.
대부분의 경우, APU는 소형 가스터빈 엔진이며, 그 내부의 압축기에 의해 압축 공기가 공급된다. 최근에는 로터리 엔진을 사용하는 연구가 시작되고 있다. 로터리 엔진은 일반적인 피스톤 엔진보다 출력 대 중량비가 우수하다.
APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시킨다. 이 때문에 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항 및 주부 국제공항에서는 APU 사용이 제한되며, 일본 국내의 다른 공항에서도 지상 동력 장치로의 전환이 진행되어 지상 시설이나 전원차로부터 주기 중인 항공기에 전기 및 냉난방을 공급하고 있다.
항공기 APU 시장은 유나이티드 테크놀로지스(자회사인 해밀턴 선드스트랜드사와 프랫 & 휘트니 캐나다사), 허니웰사, 클리모프 설계국의 점유율이 크다.
4. 1. 지상에서의 역할
제트 엔진은 시동을 걸기 위해 압축 공기가 필요하며, 항공 전자 장비와 기내 설비에 안정적인 전원을 공급해야 한다. 여객기의 경우 비행 중 엔진 재시동과 공항 대기 중 냉난방 및 조명 유지를 위해 추진용 엔진 외에 소형 엔진, 즉 보조 동력 장치(APU)를 탑재하게 되었다.APU를 탑재하면 지상 시설 없이도 자체적으로 엔진 시동이 가능하고, 엔진 고장 시에도 재시동이 가능해 안전성이 높아진다. APU를 탑재하지 않았거나, 지상 대기 중 연료 소비를 줄이거나, APU 사용이 제한되는 경우에는 압축 공기나 전원을 외부에서 공급받아야 한다. 이를 위해 비행장에는 압축 공기를 공급하는 에어 스타트 유닛(Air Start Unit, '''ASU''')과 전원을 공급하는 지상 동력 장치(Ground Power Unit, '''GPU''')가 설치되어 있다. ASU는 시동차, GPU는 전원차 형태로 기체 옆으로 이동하여 사용하며, 대규모 공항에는 주기 공간에 고정 설치되기도 한다.
APU는 보통 내장된 배터리로 시동하지만, CH-53E 헬리콥터 등에 탑재되는 보조 동력 장치(Auxiliar uxiliary Power Plant, APP)는 유압 어큐뮬레이터를 사용하기도 한다.[34]
도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항, 주부 국제공항 등에서는 APU 사용이 제한되어, 지상 동력 장치나 전원차를 통해 주기 중인 항공기에 전기와 냉난방을 공급한다.
4. 2. 비행 중 역할
왕복 엔진이 사용되던 시대에는 자동차처럼 자체적으로 엔진 시동이 가능했지만, 제트 엔진은 시동을 위해 압축 공기가 필요하게 되었다. 항공 전자 장비나 기내 설비 증가로 안정적인 전원 공급도 중요해졌다. 특히 여객기는 규제 강화로 비행 중 재시동이 요구되었고, 항공사는 공항 대기 중 엔진 정지 상태에서도 냉난방 및 조명을 유지해야 했다. 이 때문에 추진용 엔진과 별개로 소형 엔진, 즉 보조 동력 장치(APU)를 탑재하는 여객기가 등장했다.APU를 탑재하면 지상 시설 없이도 단독으로 엔진 시동이 가능하며, 엔진 고장 시 자체 재시동이 가능하여 안전성이 높아진다. APU는 메인 엔진 고장 시 조작 계통에 필요한 동력을 공급하며, ETOPS에서는 APU의 역할이 매우 중요하다. 비상시 정지된 엔진을 대신하여 전력이나 압축 공기를 공급하기 때문이다.
ETOPS 규격에 준거하는 APU는 모든 고도에서 비행 중 시동이 가능해야 한다. 최근 적용되는 ETOPS에서는 43,000ft 고도에서 완전한 저온 노출 상태에서도 시동 가능해야 한다고 요구한다. APU나 발전기를 사용할 수 없는 경우, 해당 항공기는 ETOPS 비행을 할 수 없고, 공항 근처만 통과하는 더 긴 경로를 선택해야 한다.
현대 제트여객기에서는 APU가 후부에 탑재되는 것이 일반적이며, 많은 여객기에서 꼬리 부분에 배기관을 볼 수 있다.
4. 3. 군용기에서의 특수 역할
군용기에서는 엔진 시동 및 정지 시의 전원, 공기·유압원을 별도로 탑재하는 경우가 있다. 제트 엔진 시동만을 수행하는 APU는 제트 연료 시동 장치(JFS: Jet fuel starter)라고 불린다.
어큐뮬레이터로 소형 터보샤프트 엔진을 시동시키고, 기어 박스를 통해 추진용 엔진을 시동시킨다. 경량화를 우선하기 때문에 출력은 작으며, 쌍발기인 경우 1기씩 시동시키기 위해 기어 박스로 전환을 수행한다. 항공기 단독으로 엔진을 시동할 수 있기 때문에, 지상 시설이 파괴되어도 스크램블이 필요한 전투기에 채용되었으며, F-15는 설계 단계부터 단독 엔진 시동이 요구되었다. 일부 기종은 고장에 대비하여 인력으로도 시동할 수 있도록 외부에서 크랭크 등을 삽입할 수 있는 기구를 갖추고 있다.
주 엔진 정지 시 전력이나 유압을 얻는 APU는 비상 전원 장치(EPU: Emergency power Unit)라고 불린다. 히드라진 수용액 등을 촉매로 반응시켜 발생한 가스로 터빈 엔진을 시동하여 전력과 유압을 얻는다. 제트 엔진을 시동할 정도의 출력은 얻을 수 없지만, 가스터빈보다 시동이 빠르기 때문에 위험한 비행이 많은 전투기에 탑재가 진행되고 있다. F-16에서는 70%의 히드라진 수용액을 연료로 적재하고 있지만, 취급에 세심한 주의가 필요하기 때문에, F-16을 기반으로 한 F-2에서는 제트 연료를 사용하는 타입이 채용되었다.
F-15는 전원·유압 공급용으로 APU도 갖추고 있으며, 여기에서 엔진을 시동하는 것도 가능하다.
5. 기타 분야에서의 활용
M4 셔먼과 같은 일부 전차에는 전차 배터리 충전을 위한 소형 왕복 엔진 구동 APU가 장착되어 있었으나, 소련의 T-34 전차에는 없었다.[26] 현대 전차는 베트로닉스 소비 전력이 커서 주 엔진은 동력 전용으로, 전자 기기에는 APU로 전력을 공급하기도 한다. M1 에이브람스 전차는 가스터빈 엔진의 연비가 나빠 미국 육군에서 정차 시 APU를 외장형으로 탑재했다. 냉장·냉동 식품 운반용 세미 트레일러나 기차 객차는 외부 전원 없이 운송 중 저온 유지를 위해 독립적인 APU와 연료 탱크를 장착할 수 있다.[27] 일부 구형 디젤 엔진 장비는 전기 모터 대신 소형 가솔린 엔진으로 주 엔진 시동을 걸기도 했는데, 이는 주로 대형 건설 장비에 사용되었다.[28][29]
우주왕복선의 APU는 유압 장치 압력을 제공했으며, 중복 설계를 갖춘 3개의 APU가 히드라진 연료로 발사, 재진입, 착륙 시에만 가동되었다. 발사 중에는 로켓 엔진 짐벌 조정, 대형 밸브 제어, 비행 제어 표면 움직임에, 착륙 중에는 비행 제어 표면, 바퀴, 브레이크, 앞바퀴 조향 장치 작동에 유압 동력을 제공했다. APU 1개만 작동해도 착륙은 가능했다.[21] 초기 우주왕복선 임무 중 3번은 APU 신뢰성 문제가 있었다.
| 임무명 | 발생 날짜 | 문제점 |
|---|---|---|
| STS-2 | 1981년 11월 | 발사대 대기 중 APU 2개에서 높은 오일 압력 발견. 기어 박스 세척 및 필터 교체로 발사 연기.[22] |
| STS-3 | 1982년 3월 | APU 1개가 상승 중 과열되어 종료. 재진입 및 착륙 중에는 정상 작동.[23][24] |
| STS-9 | 1983년 11월~12월 | 착륙 중 APU 2개에서 화재 발생.[25] |
콜롬비아의 APU 2개에서 화재가 발생했지만 착륙에 성공한 사례처럼, 우주왕복선 운항에서 APU는 기능 유지에 중요했다.[35]
5. 1. 차량
M4 셔먼과 같은 일부 전차에는 전차 배터리 충전을 위한 소형 왕복 엔진 구동 APU가 장착되어 있었다. 이는 소련에서 생산된 T-34 전차에는 없는 기능이었다.[26] 제2차 세계 대전에 사용된 독일의 4호 전차는 주 엔진 외에 포탑 선회 모터용 발전을 위한 보조 엔진을 탑재했다. 현대 전차는 베트로닉스의 소비 전력이 크기 때문에, 메인 엔진은 동력 전용으로 하고 전자 기기에 전력을 공급하기 위해 APU를 탑재하기도 한다. 미국의 M1 에이브람스 전차는 가스터빈 엔진의 연비가 매우 나빠 미국 육군에서 정차 시 전력 공급을 목적으로 보조 동력 장치(APU)를 외장형으로 탑재했다.보조 동력 장치(APU)는 주 엔진의 높은 연료 소비와 큰 적외선 신호 없이 전력을 공급하기 위해 일부 전차에 장착된다. 냉장 또는 냉동 식품을 운반하는 세미 트레일러나 기차 객차는 외부 수송 전원 없이 운송 중 낮은 온도를 유지하기 위해 독립적인 APU 및 연료 탱크를 장착할 수 있다.[27]
일부 구형 디젤 엔진 장비의 경우, 주 엔진 시동을 위해 전기 모터 대신 소형 가솔린 엔진(종종 "포니 엔진"이라고 함)을 사용했다. 포니 엔진의 배기 경로는 일반적으로 디젤 엔진의 흡기 매니폴드를 따뜻하게 하여 추운 날씨에 시동을 쉽게 걸 수 있도록 배열되었다. 이는 주로 대형 건설 장비에 사용되었다.[28][29]
5. 2. 우주선
우주왕복선의 보조 동력 장치(APU)는 유압 장치 압력을 제공했다. 중복 설계를 갖춘 3개의 APU가 히드라진 연료로 작동되었으며, 발사, 재진입, 착륙 시에만 가동되었다. 발사 중 APU는 우주왕복선의 3개의 로켓 엔진의 짐벌 조정과 대형 밸브 제어, 그리고 비행 제어 표면의 움직임을 위한 유압 동력을 제공했다. 착륙 중에는 비행 제어 표면을 움직이고, 바퀴를 내리고, 브레이크와 앞바퀴 조향 장치를 작동시켰다. 착륙은 APU 1개만 작동해도 가능했다.[21]우주왕복선 초기에는 APU 신뢰성에 문제가 있었고, 첫 9번의 우주왕복선 임무 중 3번에서 고장이 발생했다.
| 임무명 | 발생 날짜 | 문제점 |
|---|---|---|
| STS-2 | 1981년 11월 | 발사대 대기 중 3개의 APU 중 2개에서 높은 오일 압력이 발견됨. 기어 박스 세척 및 필터 교체로 발사 연기.[22] |
| STS-3 | 1982년 3월 | 1개의 APU가 상승 중 과열되어 종료. 재진입 및 착륙 중에는 정상 작동.[23][24] |
| STS-9 | 1983년 11월~12월 | 착륙 중 3개의 APU 중 2개에서 화재 발생.[25] |
우주왕복선 운항에서 APU는 기능 유지 측면에서 특히 중요했다. 항공기 APU와는 달리, 전력이 아닌 유압을 공급했기 때문이다. 우주왕복선에는 히드라진을 연료로 하는 APU가 3대 이중화되어 탑재되어 있었다. 이들은 이륙 상승 시와 대기권 재진입 후 착륙 시에만 사용되었다. 이륙 상승 시에는 로켓 엔진의 짐벌 제어와 조종익면에 유압을 공급했다. 착륙 시에는 조종익면과 브레이크를 구동했다. APU가 1대라도 작동하면 착륙이 가능했으며, 실제로 STS-9에서는 콜롬비아의 2개의 APU에서 발화했지만 착륙에 성공했다.[35]
6. 환경 문제 및 기술 개발 동향
APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시킨다는 단점이 있어, 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항, 주부 국제공항 등에서는 APU 사용이 제한되고 있다.[34] 인천국제공항, 김포국제공항 등 국내 주요 공항에서도 환경 문제로 인해 APU 사용을 제한하고 지상 동력 장치(GPU)를 활용하는 추세이다. 일본 내 다른 공항에서도 지상 동력 장치로 전환하여 지상 시설이나 전원차로부터 주기 중인 항공기에 전기 및 냉난방을 공급하고 있다.[34]
최근에는 로터리 엔진을 사용하는 APU에 대한 연구도 진행되고 있는데, 이는 일반적인 피스톤 엔진보다 출력 대 중량비가 우수하기 때문이다.
항공기 APU 시장은 유나이티드 테크놀로지스(자회사인 해밀턴 선드스트랜드와 프랫 & 휘트니 캐나다), 허니웰, 클리모프 설계국 등이 주요 업체이다.
6. 1. 소음 및 배기가스 문제
APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시킨다. 이 때문에 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항 및 주부 국제공항에서는 APU 사용이 제한되어 있다.[34] 인천국제공항, 김포국제공항 등 국내 주요 공항에서도 환경 문제로 인해 APU 사용을 제한하고 지상 동력 장치(GPU)를 활용하는 추세가 늘고 있다. 일본 국내의 다른 공항에서도 지상 동력 장치로의 전환이 진행되어 지상 시설이나 전원차로부터 주기 중인 항공기에 전기 및 냉난방을 공급하고 있다.[34]6. 2. 친환경 APU 기술 개발
최근 트럭 제조업체와 연료 전지 제조업체들은 배출 가스를 거의 없애고 디젤 연료를 더 효율적으로 사용하는 연료 전지 APU를 개발, 테스트 및 시연하기 위해 협력하고 있다.[30][31] 2008년, 미국 에너지부(DOE)의 지원을 받은 델파이 전자(Delphi Electronics)와 피터빌트(Peterbilt)의 파트너십을 통해 연료 전지가 시뮬레이션된 "아이들링" 조건에서 피터빌트 모델 386의 전자 장치와 에어컨에 10시간 동안 전력을 공급할 수 있음을 보여주었다.[32] 델파이는 클래스 8 트럭용 5kW 시스템이 2012년에 출시될 예정이며, 가격은 8,000~9,000달러가 될 것이라고 밝혔다.[31]APU는 작동 시 소음과 다량의 배기가스를 발생시킨다는 단점이 있다. 이 때문에 도쿄 국제공항, 나리타 국제공항, 간사이 국제공항, 주부 국제공항 등에서는 APU 사용이 제한되고 있으며, 일본 내 다른 공항에서도 지상 동력 장치로의 전환이 진행되어 지상 시설이나 전원차로부터 주기 중인 항공기에 전기 및 냉난방을 공급하고 있다.
최근에는 로터리 엔진을 사용하는 APU에 대한 연구도 진행되고 있다. 로터리 엔진은 일반적인 피스톤 엔진보다 출력 대 중량비가 우수하다.
항공기 APU 시장은 유나이티드 테크놀로지스(자회사인 해밀턴 선드스트랜드와 프랫 & 휘트니 캐나다), 허니웰, 클리모프 설계국 등이 주요 업체이다.
7. 주요 APU 제조업체
허니웰이 보조 동력 장치(APU) 시장을 주도하고 있으며, 프랫 & 휘트니, 사프란 파워 유닛 등이 그 뒤를 따르고 있다. 한화에어로스페이스는 현지 제조업체 중 하나이다.[34] 2018년 시장 점유율은 다음과 같다.
| 항공기 종류 | 허니웰 | 프랫 & 휘트니 | 기타 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 대형 상업용 항공기 | 70–80% | 20–30% | 0–5% | ||
| 지역 항공기 | 40–50% | 50–60% | 0–5% | ||
| 비즈니스 제트기 | 90–100% | 0–5% | 0–5% | ||
| 항공기 종류 | 프랫 & 휘트니 | 모토르 시치 | 허니웰 | 사프란 파워 유닛 | 기타 |
| 헬리콥터 | 40–50% | 40–50% | 5–10% | 5–10% | 0–5% |
2018년, 보잉과 사프란은 APU 설계, 제작 및 서비스를 위한 50-50 합작 파트너십을 발표했다.[34] 이는 허니웰 등의 기존 APU 제조업체들에게 위협이 될 수 있다.
2017년 APU 생산 시장 규모는 8억 달러(민간 88%, 군사 12%)였으며, 정비, 수리 및 분해(MRO) 시장 규모는 24억 달러였다.[34]
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