운명의 서막(5-2) feat:뇌피셜을 위한 기본(?)상식

하늘을 날 수 있는 항공엔진은 대충 아래와 같이 다양하다.

- 가스터빈엔진인

터보젯(Turbojet),터보팬 (Turbofan),

터보프롭 (Turboprop-프로펠라 비행기),

터보샤프트 (Turboshaft-주로 헬기) 등과
-비가스터빈엔진인

램제트 (Ramjet), 스크램제트(Scramjet),
, 펄스제트(Pulsejet독일V-1 비행폭탄) 등이 있는 데

이들 엔진 중 터보젯과 터보팬 엔진만 언급하겠다.

사실 이것도 저것도 좆도 모른다.

상식이랄까?

일종의 구라를 위한 밑밥이랄까? 암튼!

■피스톤엔진 (piston engine) 또는 왕복엔진
전기차가 나오기 이전 주가 되던(내연기관이라고 부르던),
지금도 굴러다니는 자동차엔진의 작동 개념도이니

굳이 설명할 필요가 없을 듯하다.

흡입 (Intake)->압축 (Compression)->

연소/폭발 (Fuel power)->배기(Fuel Exhaust)의

4행정(cycle) 내연기관(Four-stroke engine)의 이미지이다.

2차대전 대부분 이 엔진 여러개를 원형으로

배열하던지 해서 성능을 개선한 엔진을 항공기에 사용했다.

참고)
https://en.wikipedia.org/wiki/Reciprocating_engine

자동차는 열에너지를, 왕복운동을 거쳐 회전운동으로 변화시키고

구동되는 타이어의 마찰력으로

지면을 긁어서 움직이지만
하늘을 비행하는 (공기역학적인) 장치의 동력이기 때문에
구조와 방식이 다를 뿐이라고 일단 쉽게 생각하자.

즉, 항공기는 새처럼 하늘을 나르며

대기 중의 공기를 흡입하고 압축하는 방식,
열에너지를 운동에너지로 변환시키는 방식과
네 행정(cycle)이 동시에 (빠르게) 계속해서 일어난다는 것이 다르다.

(하늘에서 작동이 멈추는 순간 대부분 추락 뒤진다.
갑자기, 무슨 영화를 보고 폭발해서 뒤질까 무서워
핵발전소 건설을 중단시킨
빨갱이 새끼 문재앙과 쒜쒜 리짜이밍이......
진짜 이 미개한 새끼들이
비행기 타고 돈을 싸질러며
뻘짓만하고 세계를 잘도 싸돌아 다닌 걸 보면 기가찬다.

비행엔진이 고장나거나 멈춰서 뒈질까 무섭진 않았나?

아니 쓰벌! 대가리가 빠가인건가?..
실제 비행기 추락사건과
비행기 추락 영화가 졸라 더 많지.......)

■터보제트와 터보팬 엔진의 싸이클

흡입 (Intake)->압축 (Compression)->연소(combustion)->
배기(exhaust)

보다시피 개념적으로 피스톤기관과 같다.

컴프레셔가 공기를 (개졸라) 압축한다는 것과

연소기 후미 터빈이 회전해

전체 내부장치에 동력을 공급한다는 구조적 차이다.

아래 이미지는 터보젯 엔진의

연소(combustion) 챔버(chamber)내부의 온도와
배기(exhaust)되는 에너지로 동력을 발생시키는

터빈(turbine)의 온도를 보여준다.
군사기밀(즉,미확인정보)인
F-22 랩터의 Pratt & Whitney사(社)의 F-119 엔진의
터빈 입구 온도는 약 1,649°C라는 주장이 있다.
즉, 최첨단 재료공학의 산물인 특수 고온 합금 및
정교한 냉각 시스템 기술이 요구되는 공학적 산물이다.

■■■■터보젯(Turbojet)과 터보팬 (Turbofan)의 차이점

■터보젯 엔진

터보제트엔진은 흡입된 공기가 모두 코어(단일 공간)를 통과한다.

그리고 엔진 개발 초기에는 모두 하나의 축(shaft)으로 연결되어
컴프레셔와 터빈이 1개의 단일 *스풀(spool)로 구성되었다.

즉,배기가스에 터빈(turbine)이 작동하면

축(common shaft)이 회전하고 앞 쪽의 공기를 빨아들이는

컴프레셔(compressor section)가 작동한다.

공기압축 공급장치인 자동차 과급장치(過給裝置),

터보차저(turbocharger)와 비슷한 원리다.

*스풀(spool)이라고 부르는 다양한 사물들

■터보팬 엔진

터보팬은 터보젯과 달리

공기가 우회(바이패스)하는 분리된 공간이 있는 이중격벽 구조이다.
우회하는 공기와 코어 연소기를 통과하는 공기의 비율을
비행기 바이패스비(Bypass Ratio)이라고 한다.
바이패스비가 5:1이라면,
바이패스 통로로 5kg의 공기가 흐르고

코어 통로로 1kg의 공기가 흐르는 것을 의미한다.

바이패스비가 높은 엔진일수록
연료 효율과 정숙성이 뛰어나 상업용 항공기에
낮은 바이패스비 엔진은
높은 속도에 더 유리하며 군용 항공기에 사용된다.

(즉, 군용전투기는 하늘에 돈을 드럼통으로 뿌리고 다닌다.)

터보팬은 주로 하나의 축으로 같이 회전하는 것이 아니라
두 개의 서로 다른 회전축을 가진
2개의 스풀(spool)로 구성되었다.

위의 두 이미지는 두 개의 스풀이 회전 방향이 다르고
회전 속도도 다르다는 것을 보여준다.
(더 자세한 정보는 저 아래 이미지 출처의 동영상을 시청바란다)

■가장 주요한 차이점

이미 설명했듯이
초기에 고안된 터보제트와
이후 개량된 터보팬엔진의 두드러진 차이는
기본적으로 흡입된 공기가 모두 코어를 통과하느냐 아니면
일부가 코어를 통과하지 않고 바이패스(우회)하느냐는 차이다.
이 방식은 초기에 주로 연료효율을 개선하기 위해 고안되었다.
이것은 나중에 다시 언급된다.

■애프터버너(후기연소)와 노즐(TVC)

비행기의 추력을 높이기 위한 초기 시도로
터보젯을 길이를 연장해 후기연소기(afterburner)라는,
더 많은 연료를 쏟아붓기 위한 장치와 함께
연소 공간(jet pipe)을 만들거나

*노즐부분 끝단의 단면적을 조절하는 장치까지
추가하여 성능(추력/속도)을 개선을 시도하였다.

위 이미지캡쳐들의 출처) 시청을 추천함(한글 자동번역제공)
https://youtu.be/5uKmqP3kQ2A?si=Cow0mC5dh8EAIoFJ

TMI 참고) 한글 자동번역제공
https://youtu.be/GrhBrhYIFdo?si=-8YhTJuMyGlQIyE0

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*노즐의 단면적 조절에서 추후
노즐의 방향까지 조절하게 된다.
이를 트라스트 벡터 컨트롤(TVC:Thrust Vector Control)
또는 추력방향조절이라고 한다.

이미지 출처)
https://youtu.be/ByongWw80wA?si=bIftyHS4LOLui6M_

■미국의 5세대 스텔스기 F-22 랩터의 TVC 엔진

이미지 출처)
https://youtube.com/shorts/TJ4LJUCqdYU?si=obDD3FRUj_MDCjBz

■수직이착륙기 F-35B의 (극단적인?) TVC

이미지 출처)
https://youtu.be/WZgAPV5M5Es?si=_8S10FpjGjiKym6q

■중국의 5세대 스텔스(?)기 J-20의 WS-10 TVC 엔진(계획)

이미지 출처) 주하이에어쇼 2020 전시(짙은 구라의 향기가..?)
https://youtu.be/a0e_VZKnA_8?si=pUn-KLq1jLTTUMUz

■적응형 사이클 엔진(Adaptive Cycle Engine) (TMI?)

이 최신 항공엔진 기술은 간단히 말해서

터보팬 엔진 공기의 흐름을 2중구조에서 3중구조(위 이미지)로 만들고
공기의 바이패스 비율을 가변적으로 컨트롤하는 엔진으로

순항(크루즈) 비행속도(마하1.5)와 연료 효율이 크게 향상되었다.

(바이패스비율 조절, 추력과 효율 최적화, 수냉식 열관리 채택)