터보제트

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1. 개요
2. 역사
3. 원리 및 구성
- 3.1. 구성 요소
- 3.2. 작동 원리
4. 기술 발전
5. 용도
- 5.1. 한국에서의 활용
6. 한계 및 대체 기술
7. 주요 터보제트 엔진
참조

1. 개요

터보제트는 가스터빈을 사용하여 항공기를 추진하는 제트 엔진의 한 종류이다. 1930년대에 프랭크 휘틀과 한스 폰 오하인에 의해 개발되었으며, 제2차 세계 대전 말기에 실용화되었다. 터보제트는 공기를 흡입, 압축, 연소시켜 고온 고압의 가스를 생성하고, 이 가스가 터빈을 회전시켜 압축기를 구동하며, 최종적으로 추력 노즐을 통해 배출되어 추진력을 얻는다. 초음속 비행에 적합하여 과거 군용 및 민간 항공기에 널리 사용되었으나, 현재는 주로 초음속 전투기 등에 사용되며, 대한민국 공군에서는 F-5A/B 전투기 등에 사용되었다. 터보팬 엔진의 개발로 인해, 터보제트는 효율성 및 소음 문제로 인해 사용이 제한적으로 이루어지고 있다.

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터보제트

2. 역사

Whittle W.2/700 엔진은 영국 최초의 터보제트 엔진을 장착한 항공기인 Gloster E.28/39과 Gloster Meteor에 장착되었다.

세계 최초로 터보제트 엔진(Heinkel HeS 3 엔진 사용)만으로 비행한 항공기인 Heinkel He 178

1930년대 후반, 가스터빈엔진을 항공기용 추력 공급원으로 사용하려는 아이디어에서 터보제트 엔진이 탄생하였다. 터보제트 엔진은 왕복동 엔진에 비해 에너지 밀도가 커서, 터보제트 엔진을 장착한 항공기는 왕복동 엔진을 이용한 프로펠러형 항공기에 비해 빠른 비행 속도를 낼 수 있었다. 이 때문에 각국은 군용 항공기의 추력원으로서 터보제트 엔진의 연구 개발에 박차를 가하였다.^[2]

최초의 항공기 추진용 가스터빈 특허는 1921년 프랑스인 막심 기욤(Maxime Guillaume)이 출원했다. 그의 엔진은 축류 터보제트 엔진이었지만, 당시 기술 수준을 훨씬 뛰어넘는 압축기 기술이 필요했기 때문에 제작되지 않았다.^[3]

1928년, 영국 RAF 크랜웰(RAF College Cranwell) 사관학교^[4] 생도였던 프랭크 휘틀(Frank Whittle)은 터보제트 엔진에 대한 아이디어를 상관에게 공식적으로 제출했고, 1929년 10월에 자신의 아이디어를 더욱 발전시켰다.^[5] 1930년 1월 16일 영국에서 휘틀은 최초의 특허를 출원했으며(1932년 허가됨),^[6] 이 특허는 단면 원심 압축기를 공급하는 2단 축류 압축기를 보여주었다. 실용적인 축류 압축기는 1926년 A.A. 그리피스가 발표한 논문("터빈 설계의 공기역학 이론")에서 제시된 아이디어를 통해 가능해졌다. 휘틀은 여러 가지 실용적인 이유로 나중에 더 간단한 원심 압축기에만 집중했다. 1937년 4월 12일, 휘틀 엔진인 파워 제츠 WU(Power Jets WU)는 최초로 작동하는 터보제트 엔진이 되었다. 이 엔진은 액체 연료를 사용했다.

독일에서는 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)이 1935년 유사한 엔진에 대한 특허를 받았다. 그의 설계는 휘틀의 원심 흐름 엔진과 달리 축류 엔진이었다.^[7]^[8] 1939년 8월 27일, 폰 오하인의 설계로 구동되는 Heinkel He 178은 터보제트 엔진의 추력을 이용하여 비행하는 세계 최초의 항공기가 되었다. 이 비행은 시험 조종사 에리히 바르지츠(Erich Warsitz)가 수행했다.^[9] 1941년에는 Gloster E.28/39가 영국 최초의 제트 엔진 비행을 수행했다. 이 항공기는 비행 중 휘틀 제트 엔진을 시험하기 위해 설계되었으며, Gloster Meteor의 개발로 이어졌다.^[10]

최초의 두 대의 실전 배치 터보제트 항공기인 Messerschmitt Me 262와 Gloster Meteor는 제2차 세계 대전이 끝날 무렵인 1944년에 실전 배치되었다. Me 262는 4월, Gloster Meteor는 7월에 실전 배치되었다. 제2차 세계 대전에서 실전에 투입된 Meteor는 약 15대에 불과했지만, Me 262는 최대 1400대가 생산되었고, 그중 300대가 전투에 참여하여 최초로 제트 전투기의 지상 공격과 공중전 승리를 거두었다.^[11]^[12]

초기 독일 터보제트 엔진은 터빈에 적합한 고온 소재가 부족하여 작동 시간에 심각한 제한이 있었다. 롤스로이스 웰랜드와 같은 영국 엔진은 더 나은 재료를 사용하여 내구성을 향상시켰다. 웰랜드는 초기에는 80시간 동안 형식 인증을 받았고, 이후 시험에서 500시간 연속 작동을 달성함에 따라 정비 간격이 150시간으로 연장되었다.^[20] 1950년대에 들어서야 초합금 기술을 통해 다른 국가에서 경제적으로 실용적인 엔진을 생산할 수 있게 되었다.^[19]

1960년대에 터보팬 엔진이 개발되면서 아음속기부터 순차적으로 터보팬으로 이행해 갔다. 그러나 초음속 비행을 포함한 고속에서는 터보팬보다 터보제트가 적합한 경우도 있어, 초음속기에서는 1970년대까지 터보제트와 터보팬이 병행하여 사용되었다. 예를 들어 초음속 여객기 콩코드에는 애프터버너가 부착된 롤스로이스 올림푸스 엔진이 채용되었다.

2000년대부터 마하 5급 초음속 여객기에 탑재하기 위한 엔진으로, 액체 수소를 연료로 하는 터보제트에 고온이 된 공기를 연료인 액체 수소로 냉각하는 기구를 추가한 『예냉 터보제트 엔진』의 연구가 진행되고 있다.^[34]^[35]

3. 원리 및 구성

터보제트 엔진은 공기 흡입구, 압축기, 연소실, 터빈, 추력 노즐로 구성된다.^[22]^[23]^[24]

터빈은 압축기를 고속으로 회전시켜 공기 흐름에 에너지를 더하는 동시에 공기를 더 작은 공간으로 압축하여 압력과 온도를 증가시킨다. 압축기가 작을수록 회전 속도가 빨라진다. GE90-115B 팬은 약 2,500 RPM으로 회전하는 반면, 소형 헬리콥터 엔진 압축기는 약 50,000 RPM으로 회전한다.

터보제트는 환경 제어 시스템, 방빙, 연료 탱크 가압 등 다양한 항공기 하위 시스템 작동을 위해 압축기에서 블리드 에어를 공급받는다. 엔진 자체도 작동 유지를 위해 다양한 압력과 유량의 공기가 필요하다. 이 공기는 압축기에서 나오며(2차 공기), 터빈 냉각, 베어링 공동 밀봉, 방빙 등에 사용된다. 블리드 에어를 항공기에 공급하면 엔진 효율이 저하된다.

터보제트에 사용되는 압축기 유형은 일반적으로 축류식 또는 원심식이었다. 초기 터보제트 압축기는 약 5:1까지의 낮은 압력비를 가졌지만, 공기역학적 개선으로 후기 터보제트는 15:1 이상의 전반적인 압력비를 갖게 되었다. 압축기를 통과한 후 공기는 연소실로 들어간다.

터보제트는 초기 개발된 제트 엔진 중 하나로, 흡입 공기를 압축기로 압축하여 연소실로 유도하고 연료와 혼합하여 점화시킨다. 그 폭발로 발생한 배기류를 그대로 추진력으로 사용하며, 그 추진력의 일부를 압축기 구동에 되돌리는 방식이다.

초기에는 맥동 제트(パルスジェット)나 램제트(モータージェット) 같은 형식도 있었지만, 전자는 압축기를 사용하지 않아 출력이 낮고, 후자는 압축기를 외부 동력으로 구동하여 효율이 낮아 발전하지 못했다.

하지만 터보제트는 배기류의 속도가 음속을 초과할 정도로 너무 높아 추진 효율이 낮다는 단점이 있었다. 제트 엔진의 배기류는 항공기 속도보다 약간 빠른 정도일 때 가장 효율이 높기 때문에, 아음속기에서는 터보팬 엔진이나 터보프롭 엔진이 주류가 되었고, 그 후 초음속기에서도 터보팬 엔진이 주류가 되었다.

3. 1. 구성 요소

터보제트의 기계적 구성은 크게 공기 흡입구, 압축기, 연소기, 터빈 및 추력 노즐로 나눌 수 있다. 각 구성품의 역할에 관해서는 제트 엔진 문서를 참고할 수 있다.

축류 터보제트 엔진 작동 개략도. 여기서 압축기는 다시 터빈에 의해 구동되지만, 기류는 추력 축과 평행하게 유지된다.

원심류 터보제트 엔진 작동 개략도. 압축기는 터빈 단계에 의해 구동되고 공기를 바깥쪽으로 내던져 추력 축과 평행하게 재배향해야 한다.

노즈 불릿(nose bullet)은 터보제트 엔진의 구성 요소로, 액세서리 드라이브 앞쪽의 흡입구로 공기를 유도하고 시동 모터를 수납하는 역할을 한다. 압축기 앞에는 유입되는 공기를 회전하는 압축기 날개에 매끄럽게 유도하는 데 도움이 되는 흡입구 또는 튜브가 필요하다. 구형 엔진에는 움직이는 날개 앞에 고정된 베인이 있었으며, 이러한 베인은 공기를 날개에 유도하는 데에도 도움이 되었다. 터보제트 엔진으로 유입되는 공기는 항공기 자체의 속도에 관계없이 항상 아음속이다.

흡입구는 허용 가능한 작은 압력 변화(왜곡이라고 함)로 엔진에 공기를 공급하고, 이동 중에 가능한 한 적은 에너지를 손실(압력 회복이라고 함)해야 한다. 흡입구의 램압 상승은 추진 시스템의 전체 압력비와 열효율에 대한 흡입구의 기여이다.

흡입구는 압축기 단계보다 더 많은 압축을 생성하는 고속에서 중요성을 더한다. 잘 알려진 예로는 흡입구와 엔진이 전체 압축에 기여한 비율이 마하 2에서 63%/8%^[22]이고 마하 3 이상에서 54%/17%^[23]였던 콩코드와 록히드 SR-71 블랙버드 추진 시스템이 있다.

흡입구는 록히드 C-141 스타리프터의 프랫앤휘트니 TF33 터보팬 설치 장치의 "제로 길이"^[24]부터 노스아메리칸 XB-70 발키리의 길이가 약 19.81m인 쌍둥이 흡입구(각각 3개의 엔진에 약 800lb/s의 흡입 공기 흐름을 공급)까지 다양하다. 가장 기본적인 제트 엔진의 형식으로, 흡입 공기를 압축기로 압축하여 연소실로 유도하고 연료와 혼합하여 점화시킨다. 그 폭발로 발생한 배기류를 그대로 추진력으로 사용하며, 그 추진력의 일부를 압축기 구동에 되돌린다.

3. 2. 작동 원리

터보제트 엔진은 브레이턴 사이클을 기반으로 작동한다. 가스 터빈의 원리를 바탕으로, 추력 노즐을 통해 분출되는 공기의 반작용으로 항공기에 추력을 전달한다.

터보제트는 공기를 흡입하여 압축하고, 여기에 연료를 분사하여 고온고압의 연소가스를 발생시킨다. 이 연소가스를 분출시켜 그 반작용으로 추진력을 얻는다.^[28]^[29]

압축기 앞에는 흡입구가 있어 유입되는 공기를 회전하는 압축기 날개에 매끄럽게 유도한다. 구형 엔진에는 움직이는 날개 앞에 고정된 베인이 있어 공기를 날개로 유도하는 데 도움을 주었다. 터보제트 엔진으로 유입되는 공기는 항공기 속도에 관계없이 항상 아음속이다.

흡입구는 엔진에 공기를 공급하고, 이동 중에 에너지 손실을 최소화해야 한다. 흡입구의 램압 상승은 추진 시스템의 전체 압력비와 열효율에 기여한다.

흡입구는 고속에서 중요성이 더 커진다. 예를 들어, 콩코드와 록히드 SR-71 블랙버드 추진 시스템은 마하 2에서 흡입구와 엔진이 전체 압축에 기여한 비율이 63%/8%^[22], 마하 3 이상에서 54%/17%^[23]였다. 흡입구 길이는 록히드 C-141 스타리프터의 프랫앤휘트니 TF33 터보팬 설치 장치의 "제로 길이"^[24]부터 노스아메리칸 XB-70 발키리의 길이까지 다양하다.

터빈은 압축기를 고속으로 회전시켜 공기 흐름에 에너지를 더하고, 공기를 압축하여 압력과 온도를 높인다. 압축기가 작을수록 회전 속도가 빨라진다. GE90-115B 팬은 약 2,500 RPM으로 회전하는 반면, 소형 헬리콥터 엔진 압축기는 약 50,000 RPM으로 회전한다.

터보제트는 블리드 에어를 항공기에 공급하여 환경 제어 시스템, 방빙, 연료 탱크 가압 등에 사용한다. 엔진 자체도 작동을 유지하기 위해 다양한 압력과 유량의 공기가 필요하다. 압축기에서 나오는 공기(2차 공기)는 터빈 냉각, 베어링 공동 밀봉, 방빙 등에 사용된다. 블리드 에어를 공급하면 엔진 효율이 저하된다.

터보제트에 사용되는 압축기 유형은 축류식 또는 원심식이었다. 초기 터보제트 압축기는 낮은 압력비를 가졌지만, 공기역학적 개선으로 후기 터보제트는 15:1 이상의 전반적인 압력비를 갖게 되었다. 압축기를 통과한 후 공기는 연소실로 들어간다.

터보제트의 순 추력은 다음과 같이 주어진다.^[28]^[29]

:

F_N =( \dot{m}_{air}  + \dot{m}_f) V_{j} - \dot{m}_{air} V

식	설명
$\dot{m}_{air}$	엔진을 통과하는 공기의 유량
$\dot{m}_f$	엔진으로 유입되는 연료의 유량
$V_j\;$	제트(배기 플룸)의 속도 (음속보다 작다고 가정)
$V\;$	항공기의 대기 속도
$(\dot{m}_{air} + \dot{m}_f) V_j$	노즐 총 추력
$\dot{m}_{air} V$	흡입구의 램 드래그(Ram drag)

제트의 속도가 음속과 같다면 노즐은 "항류" 상태라고 한다. 노즐이 항류 상태라면 노즐 출구면의 압력은 대기압보다 크며, 압력 추력을 고려하기 위해 위 방정식에 추가 항을 더해야 한다.^[30]

엔진으로 유입되는 연료의 유량은 공기의 유량에 비해 매우 작다.^[28] 노즐 총 추력에 대한 연료의 기여를 무시하면 순 추력은 다음과 같다.

: $F_N = \dot{m}_{air} (V_{j} - V)$

기체에 순방향 추력이 작용하려면 제트의 속도 $V_j\;$ 가 항공기의 대기 속도 $V\;$ 를 초과해야 한다. 속도 $V_j\;$ 는 단열 팽창을 기반으로 열역학적으로 계산할 수 있다.^[31]

4. 기술 발전

초기 터보제트 엔진은 원심 압축기(Heinkel HeS 3과 같음) 또는 축류 압축기(Junkers Jumo 004와 같음)를 사용했는데, 축류 압축기는 직경이 작지만 길이가 긴 엔진을 제공했다.^[7]^[8]

1929년 영국의 프랭크 휘틀(Frank Whittle)은 원심 압축기를 갖춘 제트 엔진의 기본적인 특허를 출원했다.^[5] 1937년 3월 한스 폰 오하인(Hans von Ohain) 등에 의해 시제 엔진 하인켈 HeS 1이 시운전되었고, 같은 해 4월 휘틀 팀은 WU의 시운전에 성공했다. 1939년에는 하인켈 HeS 3 엔진이 He 178에 탑재되었다.^[9]

초기 독일 터보제트 엔진은 터빈에 적합한 고온 소재가 부족하여 작동 시간에 심각한 제한이 있었다.^[19] 롤스로이스 웰랜드와 같은 영국 엔진은 더 나은 재료를 사용하여 내구성을 향상시켰다. 웰랜드는 초기에는 80시간 동안 형식 인증을 받았고, 이후 시험에서 500시간 연속 작동을 달성함에 따라 정비 간격이 150시간으로 연장되었다.^[20] 1950년대에 들어서야 초합금 기술을 통해 다른 국가에서 경제적으로 실용적인 엔진을 생산할 수 있게 되었다.

미국의 제너럴 일렉트릭은 제2차 세계 대전 중 터보차저에 사용된 고온 재료에 대한 경험 덕분에 제트 엔진 사업에 진출할 수 있는 유리한 위치에 있었다.^[21]

우수한 합금과 코팅의 도입, 그리고 블레이드 냉각 설계의 도입 및 점진적인 효과를 통해 허용되는 터빈 입구 온도는 시간이 지남에 따라 꾸준히 증가했다. 초기 엔진에서는 조종사가 터빈 온도 한계를 모니터링하고, 특히 시동 시와 최대 추력 설정 시에 이를 피해야 했다. 자동 온도 제한 기능이 도입되어 조종사의 작업 부하를 줄이고 과열로 인한 터빈 손상 가능성을 줄였다.

터보제트 엔진의 추력 증강은 일반적으로 물/메탄올 분사 또는 애프터버닝을 통해 이루어졌다. 일부 엔진은 두 가지 방법을 모두 사용했다. 액체 분사는 1941년 파워 제츠 W.1에서 처음으로 암모니아를 사용하여 실험되었고, 이후 물, 그리고 물-메탄올로 변경되었다.^[26]

애프터버너(afterburner) 또는 재연소 노즐(reheat jetpipe)은 터빈 배기가스를 재연소시키기 위해 추가된 연소실이다. 연료 소비량은 매우 높아 일반적으로 주 엔진의 4배에 달한다.^[27]

5. 용도

터보제트 엔진은 높은 추력을 발생시킬 수 있어 초음속 비행에 적합하다. 과거에는 군용기, 민간 항공기 구분 없이 널리 사용되었으나, 현재는 주로 초음속 전투기, 정찰기, 실험기 등에 사용된다.

1930년대 후반, 가스터빈엔진을 항공기용 추력 공급원으로 사용하고자 하는 아이디어로부터 터보제트 엔진이 탄생하였다. 터보제트 엔진은 왕복동 엔진에 비해 에너지 밀도가 커서, 터보제트 엔진을 장착한 항공기는 왕복동 엔진을 이용한 프로펠러형 항공기에 비해 빠른 비행 속도를 낼 수 있었다. 이 때문에 각국은 군용 항공기의 추력원으로 터보제트 엔진의 연구 개발에 박차를 가하였다.

그러나 이후 동일한 추력에 대하여 소모되는 연료량을 줄일 수 있는 터보팬 엔진이 등장하면서, 현대의 대부분의 전투기, 수송기, 폭격기 등 군용 항공기는 터보팬 엔진을 장착하고 있다. 또한 터보제트 엔진은 터보샤프트 엔진(헬리콥터용), 터보프롭 엔진(프로펠러기용) 등으로도 분화하였다.

5. 1. 한국에서의 활용

과거 한국 공군은 F-5A/B 전투기, T-38 훈련기 등에 터보제트 엔진을 사용했다.^[25] 현재 KAI T-50 계열 항공기는 터보팬 엔진(F404)을 사용하며, KF-21 보라매 역시 터보팬 엔진(F414)을 사용한다.

6. 한계 및 대체 기술

터보제트 엔진은 아음속 영역에서 연료 효율이 낮고 소음이 크다는 단점이 있다.^[32] 제트 엔진의 배기류는 항공기 속도보다 약간 빠른 정도일 때 가장 효율이 높기 때문에, 항공기 속도가 음속보다 명확히 낮은 경우 터보제트의 효율은 매우 나빠진다. 이러한 문제로 인해 현대의 항공기에는 대부분 터보팬 엔진이 사용된다. 초음속기에서도 터보팬 엔진이 주류가 되었다.

7. 주요 터보제트 엔진

국가	주요 터보제트 엔진
나치 독일
일본
미국
영국
소련

참조

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_[4] 웹사이트 Chasing the Sun – Frank Whittle https://www.pbs.org/[...] PBS 2010-03-26
_[5] 웹사이트 History – Frank Whittle (1907–1996) https://www.bbc.co.u[...] BBC 2010-03-26
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_[10] 서적 The Gloster Meteor F.I & F.III https://books.google[...] Philedition 2016-09-06
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