프랫 앤 휘트니 F100

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1. 개요
2. 개발 역사
3. 파생형
4. 적용 기종
5. 제원
참조

1. 개요

프랫 앤 휘트니 F100은 미국 공군과 해군 전투기용으로 개발된 애프터버너 장착 터보팬 엔진이다. 1967년 개발이 시작되어 F-15 이글과 F-16 파이팅 팔콘 등 다양한 기종에 장착되었다. F100은 여러 파생형이 있으며, F100-PW-100, F100-PW-220/220E, F100-PW-229/229A/229EEP 등이 있다. F401은 F100의 해군형으로 개발되었으나, 여러 문제로 인해 개발이 중단되었다.

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프랫 앤 휘트니 F100
개요
F-15 이글용 F100 엔진 시험 중
종류	터보팬 엔진
제작 국가	미국
제작사	프랫 앤 휘트니
첫 가동	1970년대
주요 사용처	F-15 이글 F-15E 스트라이크 이글 F-16 파이팅 팰컨 노스럽 그루먼 X-47B
파생형	프랫 앤 휘트니 F401 프랫 앤 휘트니 PW1120

2. 개발 역사

1967년, 미국 해군과 미국 공군은 F-14 톰캣과 F-15 이글 전투기용 엔진 제안서를 공동으로 공모하였다. 이 프로그램은 "Advanced Turbine Engine Gas Generator (ATEGG)"로 불렸으며, 추력을 높이고 무게를 줄여 추력 대 중량비 9를 달성하는 것이 목표였다. 제안 요구 이후 이 프로그램에서는 프랫 앤 휘트니 사를 선정하여 F100-PW-100 (미국 공군) 및 F401-PW-400 (미국 해군) 생산을 위한 계약을 체결하게 되었다. 그러나 해군은 주문을 중단하고 이후 취소하였으며, 제너럴 다이내믹스 사의 F-111에 사용된 TF30 엔진을 F-14에 사용하였다.^[31]

1970년, 프랫 앤 휘트니는 미국 공군과 F100-PW-100(미국 공군) 및 F401-PW-400(미국 해군) 엔진 개발 및 생산 계약을 체결했다. 해군은 이 엔진을 F-14B와 XFV-12 프로젝트에 사용할 예정이었지만, XFV-12 프로젝트의 실패로 인한 비용 및 신뢰성 문제로 주문을 줄이고 나중에 취소했으며, F-111의 TF30 엔진을 F-14에서 계속 사용하기로 결정했다.^[4]^[5]

3. 파생형

F100 엔진은 여러 파생형으로 개발되어 다양한 항공기에 탑재되었다. 주요 파생형은 다음과 같다:

F100-PW-100: F-15 이글에 장착된 초기형 모델이다. 초기에는 여러 문제점을 겪었으나, F100-PW-220 개발을 통해 대부분 해결되었다. 일본에서는 IHI가 라이센스 생산(F100-IHI-100)하여 F-15J/DJ에 탑재하고 있다.
F100-PW-200: F-16 파이팅 팰콘에 장착된 모델로, F100-PW-100과 유사하지만 단발 엔진의 신뢰성을 높이기 위해 몇 가지 추가적인 안전 장치가 적용되었다.
F100-PW-220/220E: F-15와 F-16에 모두 장착 가능한 모델이다. 디지털 전자 제어 및 향상된 정비 기능을 통해 신뢰성과 내구성을 크게 높였다. F100-PW-220U는 노스롭 그러먼 X-47B UCAV에 사용되는 비애프터버너 변형이다.
F100-PW-229/229A/229EEP: F-22 랩터 및 F-35 라이트닝 II 개발 기술을 활용하여 성능을 향상시킨 모델이다. F-15E, F-16C/D 블록 52, F-16V 블록 72 등에 사용된다. F100-PW-229EEP는 유지보수 비용 절감을 위해 더욱 개선된 모델이다.
F100-PW-232: F100-PW-229의 추력 강화형으로, F-16E/F Block62에 채용될 예정이었으나 해당 기종이 실제로 제작되지 않아 양산되지 않았다.
F401-PW-400: F100의 해군형 개발 엔진으로, F-14B에 탑재될 예정이었으나 개발 문제로 취소되었다.

PW1120 터보팬은 F100의 소형 파생형 엔진으로, 취소된 IAI 라비에 동력을 공급할 예정이었다.

3. 1. F100-PW-100

F100-PW-100은 1972년에 F-15 이글에 장착되어 처음 비행하였으며, 23930lbf의 추력을 냈다. 엔진 및 기체에 첨단 기술을 많이 적용하였는데, 이러한 기술의 운용적 측면의 미숙함으로 인하여 운용 초기에는 마모, 스톨(stall), 후기연소기의 hard start 등 문제가 많았다.^[6]

"하드" 시동은 애프터버너가 켜지지 않거나 시동 후 꺼지는 경우에 발생할 수 있으며, 어느 경우든 대량의 제트 연료가 엔진 배기에 의해 점화되어 고압파를 발생시켜 엔진이 실속하게 했다. 이러한 정체 실속은 일반적으로 높은 마하와 고고도에서 발생했으며, 이 문제를 해결하지 않으면 터빈에 심각한 손상을 줄 수 있었다. 이러한 문제는 이전 전투기 및 엔진보다 훨씬 더 갑작스러운 스로틀 변화를 보이는 조종사들의 행동이 기여했는데, 이는 과도한 추력 때문이었다.^[6]

F100은 당시 기술로는 최첨단에 서 있는 것으로 인정되었으며, RAND Corporation이 연구한 바에 의하면 "당시 기술에서 4년 앞선 엔진"이라고 하였다.^[32]

초기 문제들은 파일럿의 조작에 의한 급작스러운 애프터버너 점화가 이루어지면, 점화 시의 압력파가 바이패스 덕트에서 팬까지 전파되어 압축기를 실속시키는 것으로 인해 발생하였다. 대책으로서 코어 유동과 바이패스 유동을 분기하는 스플리터 베인을 전방으로 연장하는 한편, 해당 조건 하에서의 스로틀 조작에 MIL 위치에서 일단 멈춰 연소를 안정시킨 후 리히트시키는 운용상의 대책도 이루어졌다.

초기의 문제는 1980년대 초 F100-PW-220의 개발을 통해 해결되었으며, -100 엔진도 이 버전으로 업그레이드될 수 있었다.

일본에서는 이시카와지마 하리마 중공업(현 IHI)에서 라이센스 생산이 이루어졌으며, F-15J/DJ에 탑재되어 있다(F100-IHI-100).

3. 2. F100-PW-200

F100-PW-200은 F-16 파이팅 팰콘에 장착되어 배치되었으며, PW-100과 큰 차이가 없었다. 미국 공군은 가격을 절감하고자 1984년에 대체 전투기 엔진 (AFE) 프로그램을 시행하였으며, 이 프로그램에서는 경쟁을 통해 엔진 계약을 하기로 하였다. F-16C/D Block 30/32s는 제너럴 일렉트릭 사의 F110 엔진도 장착 가능하도록 공통 엔진 베이를 적용하여 건조된 첫 번째 기체이다.^[8]

F-16 파이팅 팰컨은 F100-PW-200과 함께 실전에 투입되었다. -200은 -100에 비해 단발 엔진의 신뢰성을 높이기 위한 몇 가지 추가적인 이중 안전 장치가 있으며, 거의 동일한 추력 등급을 가지고 있다. 특히, -200에는 "근접 분할기"가 도입되어 "강한" 애프터버너 시작 시 고압파의 심각성을 줄였다. 이는 정체 실속률을 크게 감소시켰으며, F-16에 장착된 -200은 F-15에 장착된 -100보다 훨씬 더 나은 신뢰성을 보였지만, -100에서 발생했던 일부 문제는 여전히 남아있었다. 마찬가지로, 이러한 문제들은 결국 -200으로 업그레이드될 수 있는 F100-PW-220에 의해 해결되었다.^[7]

F-16은 F100-PW-100과 거의 동일한 사양의 F100-PW-200을 탑재하고 취역했다. 이후 F-16의 증비에 따라 운행 리스크 감소를 위해 공군은 1984년에 엔진을 이중 소스화하는 대체 전투기 엔진(AFE) 계획을 시작하여 경쟁에서 승리한 엔진을 계약하게 되었다.

F100-PW-200 제원^[8]^[7]
종류	애프터버닝 터보팬
길이	약 485.14cm
지름	약 88.39cm (흡입구), 약 118.11cm (최대 외부)
무게	약 1376.65kg
압축기	듀얼 스풀 축류 압축기 (3단 팬, 10단 압축기)
연소기	환형 연소실
터빈	2단 고압, 2단 저압
추력
압축비	24:1
공기흐름	224lb/sec
추력 대비 무게비	7.88:1

3. 3. F100-PW-220/220E

F100-PW-220은 디지털 전자 제어의 정밀 제어 및 진보된 정비 기능, 금속 및 열전달의 진보에 따른 향상된 내구성 및 신뢰성 등 가장 진보된 기술을 도입하였다. 이 모델은 1986년에 도입되었으며, F-15와 F-16 모두에 장착이 가능하였다.^[8]

F100-100/200의 불만족스러운 신뢰성, 유지보수 비용, 수명 문제로 인해 프랫 앤 휘트니는 엔진을 업그레이드해야 했다. 미국 공군은 F101 파생 전투기 엔진(F110)에 대한 자금 지원을 시작했고, 이는 F100의 경쟁 상대가 되었다. F100-PW-220은 -100의 거의 모든 실속-정체 및 애그멘테이터 불안정 문제를 제거하고, 격납고 정비 간격을 두 배로 늘렸다. 신뢰성과 유지보수 비용도 대폭 개선되었으며, 디지털 전자 엔진 제어(DEEC)를 통합했다. -220 엔진은 군용(중간) 출력에서 14590lbf의 정지 추력을, 애프터버닝 시 23770lbf의 정지 추력을 생성하며, -100/200보다 약간 낮지만, -220은 대부분의 범위에서 더 나은 동적 추력을 가지고 있다.

F100-220은 1986년에 도입되어 F-15 및 F-16에 장착되었으며, 점차 -100/200을 대체했다.^[8] 미국 공군(USAF)은 1984년에 대체 전투기 엔진(AFE) 프로그램을 시행했으며, 이 프로그램에 따라 경쟁을 통해 엔진 계약이 수여될 예정이었다. -220은 프랫 앤 휘트니가 AFE 프로그램에 처음으로 제공하는 제품으로, 제너럴 일렉트릭 F110-GE-100과 경쟁했다. F-16C/D 블록 30/32가 기존 F100-200/220 엔진(블록 32) 또는 F110-100(블록 30)을 사용할 수 있도록 공통 엔진 베이를 갖춘 최초의 기종이었다. 비애프터버닝 변형인 F100-PW-220U는 노스롭 그러먼 X-47B UCAV에 동력을 공급한다. -100 및 -200 시리즈 엔진은 -220 사양과 동등하도록 업그레이드할 수 있었으며, "E"는 "동등(equivalent)"을 의미하며, 업그레이드된 엔진에 부여되었다.

F100-PW-220/220E에는 정밀 관리와 디지털 전자 엔진 제어(DEEC)를 통한 높은 정비성, 내구성의 향상, 신뢰성 높은 야금 기술, 열전도성 등, 이용 가능한 최첨단 기술이 도입되어 미국 공군 역사상 가장 높은 안전성과 임무 달성률을 확립했다.

이 모델은 1986년부터 도입되었으며, F-15와 F-16 양쪽에 탑재가 가능하다. 이 엔진은 노즐이 가변할 때 독특한 소리를 낸다. 추력은 드라이 상태에서 64.9kN이며, 최대 105.7kN이다.

일본에서는 IHI(구 이시카와지마-하리마 중공업)가 F100-IHI-220E를 라이선스 생산하고 있다. 2017년 12월 18일에는 미국 내 공급 부족으로 인해, 일본에서 라이선스 생산한 부품을 라이선스 원천으로 이전하는 것을 국가안전보장회의(NSC)에서 결정했다^[22]^[23].

3. 4. F100-PW-220U

F100-PW-220U는 F100-PW-220의 비애프터버닝 변형으로, 노스롭 그러먼 X-47B UCAV에 동력을 공급한다.^[8] F100-PW-220U는 F100-PW-220E의 파생형으로 X-47B에 탑재되며, 71.2kN의 추력을 가진다.^[24]

3. 5. F100-PW-229/229A/229EEP

F100-PW-229는 F-22 랩터 및 F-35 라이트닝 II를 위한 F119 및 F135 프로그램에서 개발한 기술을 사용하여 첨단 터빈 소재, 냉각 기술, 압축기 공기역학, 전자 제어 등의 기술이 도입되었다. 1989년에 최초로 비행하였으며, 의 추력을 낸다.^[11]

F100-PW-229와 경쟁 엔진인 제너럴 일렉트릭 F110-GE-129는 1980년대 미 공군이 향상된 성능 엔진(IPE) 프로그램을 통해 전술 항공기에 더 강력한 출력을 요구한 결과였다. 이 엔진은 회사 내부 명칭인 PW1128로 개발되었으며, 더 큰 추력 외에도 -229는 -220의 신뢰성과 내구성 향상, 그리고 향상된 DEEC를 통합했다. 초기 모델에 비해 -229는 터빈 입구 온도가 더 높고, 공기 흐름이 248lb/sec이며, 바이패스비가 더 낮다.^[11] -229는 F-16C/D 블록 52, F-16V 블록 72 및 F-15E의 최신 모델에 사용된다.

F100-PW-229 엔진에 3차원 축대칭 추력 벡터링 노즐을 장착한 F-15 ACTIVE

프랫 & 휘트니가 피치/요 밸런스 빔 노즐(P/YBBN)이라고 부르는 3차원 축대칭 추력 벡터링 노즐이 장착된 -229의 변형 모델은 1990년대 F-15 ACTIVE (통합 차량을 위한 첨단 제어 기술)에서 시험되었다.^[12]

2007년에 F100-PW-229EEP(엔진 향상 패키지)는 신뢰성을 높이고 격납고 정비 사이클 수를 늘리기 위해 개발을 시작했다. -229EEP는 업데이트된 터빈 재료, 냉각 관리 기술, 압축기 공기역학, 분할 케이스(상단 및 하단) 및 업데이트된 DEEC 소프트웨어를 통합했다.^[13] -229EEP의 인도는 2009년에 시작되었으며 기존 -229는 정기적인 격납고 유지 보수 중에 이 구성으로 업그레이드할 수 있다.

F100-PW-229는 220E를 기반으로 FADEC 탑재, 팬 및 압축기 단 개선, 구성 부품 수명 연장 등을 통해 유지보수가 간소화되었다. 229는 1989년에 비행했으며, 드라이 상태에서 의 추력을, 최대 의 추력을 낸다.

F100-PW-229A^[25]는 F-22용 F119 및 F-35용 F135 개발을 통해 얻은 기술이 투입되었으며, 최신 소재의 터빈이 장착되고 온도 관리 기술, 컴프레서 공기역학 설계, 전자 제어 등이 개선되었다. 추력은 이다.^[26]

F100-PW-229EEP^[27]는 실시간 감시 시스템 장착, 디지털 전자 엔진 제어(DEEC) 시스템 업그레이드 등을 통해 기존 4,300 유지보수 사이클에서 6,000 유지보수 사이클로 개선되어 유지보수 비용 절감을 이루었다^[28]。

229는 주로 F-15E 및 그 파생형에 탑재된다. 229 계열 중 F-15 ACTIVE에 탑재된 것에는 3차원 추력 편향 노즐이 장착되어 있다.

3. 6. F100-PW-232

F100-PW-229EEP(엔진 향상 패키지)는 신뢰성을 높이고 격납고 정비 주기 간격을 늘리기 위해 2007년에 개발이 시작되었다. 이는 F-22용 F119 프로그램과 F-35용 F135 프로그램의 기술과 발전을 통합한 것으로, 업데이트된 터빈 재료, 냉각 관리 기술, 압축기 공기역학, 분할 케이스(상단 및 하단) 및 업데이트된 DEEC 소프트웨어를 통합했다.^[13] -229EEP의 인도는 2009년에 시작되었으며, 기존 -229는 정기적인 격납고 유지 보수 중에 이 구성으로 업그레이드할 수 있다.

F100-PW-232는 F100-PW-229의 추력 강화형이지만, 현재까지 양산되지 않았다. F-16E/F Block62에 채용될 예정이었지만, 해당 기종이 실제로 제작되지 않았기 때문이다. 추력은 으로 알려져 있다.^[29]

3. 7. F401-PW-400

F401은 F100의 해군형 개발 엔진으로, F-14B에 탑재하기 위해 JTF22를 기반으로 설계되었다. F100과의 차이점은 팬과 애프터버너부가 F100보다 작고, 팬 후방에 여분의 압축기 단이 있으며, 방염 대책 등이 적용되었다는 점이다.

1973년 9월 9일에 F401 엔진을 탑재한 최초 비행이 실시되었다. 그러나 개발 중 기술적인 문제에 직면했고, F401 엔진을 탑재한 F-14의 테스트 결과도 만족스럽지 못해 개발 지연과 비용 증가를 야기했다. 또한 F-14 기체 자체의 높은 가격으로 인해 생산 자체에 대한 문제가 제기되어 예산 확보가 어려워졌고, 결국 F401 개발 계획은 중단되었다.^[17]

F401은 F-14B 톰캣과 록웰 XFV-12에 장착될 예정이었으나, 비용 및 개발 문제로 취소되었다. F100의 소형 파생형 엔진인 PW1120 터보팬은 단일 F-4E 전투기에 개조 장착되었으며, 취소된 IAI 라비에 동력을 공급했다.

4. 적용 기종

F-16 파이팅 팰컨 (-200, -220, -229)
F-15 이글 (-100, -220)
F-15E 스트라이크 이글 (-220, -229)
노스롭 그러먼 X-47B (-220U)
보우트 YA-7F (-220)

5. 제원

F100 엔진 제원^[30]
	F100-PW-100	F100-PW-220/220E/220U/229
형식	후기연소기 장착 터보팬	후기연소기 장착 터보팬
길이	4851mm	4851mm
직경	1181mm	흡입구: 884mm 최대: 1181mm
건조 중량	1696kg	1696kg
압축기	3단 팬, 10단 축류 압축기	3단 팬, 10단 축류 압축기
바이패스 비	0.36:1	0.36:1
터빈	2단 저압 터빈, 2단 고압 터빈	2단 저압 터빈, 2단 고압 터빈
추력		\|
압축비	32:1	32:1
비연료소모율		\|
추력 대 무게 비	7.8:1 (76.0 N/kg)	6.357-7.799:1 (62.34-76.48 N/kg)

참조

_[1] 웹사이트 Designations Of U.S. Military Aero Engines http://www.designati[...] 2018-04-17
_[2] 서적 Connors
_[3] 서적 Connors
_[4] 서적 Combat Legend, F-15 Eagle and Strike Eagle Airlife Publishing, Ltd. 2002
_[5] 서적 McDermott 1972
_[6] 논문 1983
_[7] 웹사이트 Pratt & Whitney F100-PW-100 https://airandspace.[...] Smithsonian
_[8] 웹사이트 The Development of the F100-PW-220 and F110-GE-100 Engines: A Case Study of Risk Assessment and Risk Management http://apps.dtic.mil[...] 2018-04-17
_[9] 웹사이트 Pratt & Whitney Engines, F100-PW-220/F100-PW-220E http://www.allstar.f[...]
_[10] 웹사이트 Pratt & Whitney F100-PW-220 http://www.nationalm[...] National Museum of the United States Air Force 2015-05-28
_[11] 기술보고서 An Overview of Integrated Flight-Propulsion Controls Flight Research on the NASA F-15 Research Airplane https://ntrs.nasa.go[...] NASA Dryden Flight Research Center
_[12] 기술보고서 F-15 ACTIVE Flight Research Program https://www.nasa.gov[...] NASA Dryden Flight Research Center
_[13] 웹사이트 F100-PW-229 Engine Enhancement Package brochure http://www.pw.utc.co[...] 2014-01-12
_[14] 웹사이트 P&W F100 product page https://www.pw.utc.c[...]
_[15] 웹사이트 P&W F100-PW-229 Product Card https://prd-sc101-cd[...]
_[16] 서적 Fighter Wing: A Guided Tour of an Air Force Combat Wing https://books.google[...] Penguin
_[17] 웹사이트 Aerodynamics Mostly Settled On P&W's Newest F100 https://aviationweek[...] 1998-02-13
_[18] 웹사이트 P&W starts F100-299A fan blade tests https://www.flightgl[...] 1999-01-26
_[19] 웹사이트 Fighter engine boasts P&W engineering https://www.flightgl[...] 2000-02-24
_[20] 웹사이트 P&W completes series of tests on fifth-generation F100 engine https://aviationweek[...] 2000-04-21
_[21] 서적 Combat Legend, F-15 Eagle and Strike Eagle Airlife Publishing, Ltd. 2002
_[22] 웹사이트 防衛装備の海外移転を認め得ることを確認しました～F100エンジン部品の米国への移転について～ http://www.meti.go.j[...]
_[23] 웹사이트 F100エンジン部品の米国への移転 https://www.mofa.go.[...]
_[24] 웹사이트 F100-PW-220U Powered X-47B https://www.pw.utc.c[...]
_[25] 문서 F100-229-IPE 설명
_[26] 웹사이트 Dubai 2007: Temporary problems leave Eagle’s bright prospects undimmed http://www.flightglo[...]
_[27] 문서 EEP 설명
_[28] 웹사이트 F100-PW-229 Engine Enhancement Package http://www.pw.utc.co[...] 2014-07-04
_[29] 웹사이트 Fighter engine boasts P&W engineering http://www.flightglo[...] Flightglobal 2000-02-25
_[30] 웹사이트 F100 ENGINE https://www.pw.utc.c[...] Pratt & Whitney
_[31] 서적 Combat Legend, F-15 Eagle and Strike Eagle Airlife Publishing, Ltd. 2002
_[32] 논문 Development of Cost Estimating Relationships for Aircraft Turbine Engines http://www.rand.org/[...] RAND 1982

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