光雨 A.K.A em2c : 항공기용 추진기관[왕복기관, 가스터빈기관]

2008년 08월 13일

항공기용 추진기관[왕복기관, 가스터빈기관]

항공기용 추진기관의 발전 [왕복기관, 가스터빈기관]

공기역학 과제물로 작성했던 자료입니다. 언젠가 블로그에 올릴것이라 마음먹고 있었는데 차일피일 미루다가 아래의 동영상을 보고 생각나서 올립니다.

제트엔진 전투기 개발사 70년

<자랑스런 우리의 T-50 고등훈련기: 엔진형식은 Turbo Fan>

@ 태초에 왕복기관이 있었노라.

1903년 Wright 형제가 최초의 동력비행을 성공 하였습니다. 약 100년 정도 되었군요. 그때 사용되었던 엔진은 별로 새로울것이 없었습니다. 이미 약 30년 전에 독일에서 개발되었던 Otto 왕복기관에 프로펠러를 달아서 비행기위에 얹은 것이었으니까요. 왕복기관의 원리는 중학교 기술시간에 나왔던것 같은데? (압축-팽창-폭발-배기)

<피스톤 왕복운동을 회전운동으로 전환하여 프로펠러를 구동>

위의 동영상에서도 나온 말이지만 가스터빈기관이 개발된 1930년~1940년(세계2차대전 중) 전 까지만 하더라도 항공기용 추진기관(그냥 비행기 엔진이라고 하겠습니다ㅡㅅㅡ;)이라고 해봤자 자동차 엔진이과 별반 다를바 없었습니다.
그런데 이놈이 어쩔수 없는 한계를 지녔더랬습니다. 바로 출력문제, 고성능 자동차를 예로 들어보면 출력을 높이기 위해 배기량을 키우고, 실린더수도 늘립니다. 하지만 비행기는 무게가 매우매우 중요한 요소로 작용하기 때문에 무조건 실린더의 수를 늘릴 수 가 없습니다. 고출력을 내기위해서, 실린더 수를 늘리고, 그러면 무거워 지고, 그러면 더 큰 출력을 필요로 하게 되고, 따라서 더 큰 엔진이 필요하게 되는(Snowball 효과라고 하더군요) 악순환이 발생하게 되었던 것입니다.
그래도 효율과 가격면에서 비교적 우수하기 때문에 아직도 큰 출력을 필요로 하지 않는 소형 단발/쌍발기에 사용되어 지고있습니다.

<이런 모양>

<또 이런 모양>

<Wright 형제의 4기통 엔진. 20~42마력입니다. 마티즈가 약 60~70마력 정도니까, 마티즈도 100년 전에 태어났으면 날아 다녔을 것이라능..>

@ 본격 항공기용 추진기관 - 가스터빈 기관

가스터빈기관의 원리는 적은량의 공기를 흡입하여 고속으로 분출 한다는 것입니다.이에 대한 기초 이론은 1791년 영국에서 이미 "운동발생의 목적을 위해 가연성 공기를 생성시키는 방법" 이라는 제목으로 특허를 냈다고 합니다. 실제로 비행기 엔진으로 적용시킨 것 역시 1930년 영국, (2차세계대전 중에 연구와 개발이 급속도로 진행됩니다.) 그리고 1939년 최초의 제트엔진이 달린 비행기가 비행에 성공합니다.

<He-178 제트엔진 항공기의 최초 비행은 영국이 아닌 독일>

이제 고출력은 문제없다!
그러나~ 아직 미흡한 점이 많았습니다. 연료효율이 아주아주 나빴으며 특히 아음속비행시나 천음속 이하로 비행 할 때의 연료효율은 극악, 고속의 배기가스를 내뿜다보니 소음문제가 심각했다고 합니다.

그래서 나온 개량형 가스터빈 기관들을 살펴보면

<Turbo Fan - 기본적으로 Turbo Jet 엔진을 안에 품고, 앞쪽에 Fan이 추가 되었습니다. Turbo Jet에서 발생된 모든 에너지를 그대로 뒤로 뿜어내는 것이아니라 에너지의 일부로 Fan을 구동시켜 더 많은량의 공기를 뒤로 뿜을수 있게 합니다. 넓은 속도 영역에서 효율이 좋고 그나마 소음이 적은 편이기 때문에 현재 거의 모든 전투기, 대형 여객기가 이러한 형식의 엔진을 사용합니다. >