제트 엔진
제트 엔진()은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트, 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.
제트 엔진의 역사는 기원전 1세기 아에올리스의 공이라 불리는 이알러파일(aeolipile)로 거슬러 올라간다. 증기력으로 구동되던 이 기관은 아쉽게도 자료가 미미하다. 오늘날의 제트 추진에 의한 기관이 구체화된 것은 로켓에 의해서였다. 연료를 빠르게 연소시켜 추력을 얻는 방식으로 불꽃놀이에 사용되었고 후에는 무기로 발전한다.
20세기에 들어서면서 제트 엔진의 개발이 두드러지게 되는데 이는 항공기의 동력 기관으로 피스톤 엔진과 프로펠러에 의한 추진이 한계를 보였기 때문이다. 피스톤을 사용하는 엔진은 추력에 비하여 무거웠고 무엇보다도 프로펠러에 의한 추진은 프로펠러의 날개 끝이 초음속으로 회전할때에는 당시의 재료가 이를 견디기 힘들었다. 이렇게 하여 등장한 것이 가스 터빈 엔진, 즉 제트 엔진이다.
가스 터빈의 발상은 사실 영국인 존 바버(John Barber)에 의해서였다. 그는 1791년 기본적인 개념의 가스 터빈 설계로 특허를 획득하였지만 실용화하지 못했다. 이후 20세기 에 들어서면서 본격적인 개발이 진행되는데 초기의 제트 엔진 기관은 지금과는 다르게 압축공기를 피스톤 엔진으로 압축하여 연료와 함께 연소시켜 추력을 얻는 방식이었다. 이러한 방식으로 Secondo Campini가 Caproni Campini N.1를, 일본은 Tsu-11를 개발하려 하였으나 실용화에는 실패하였다. 일본의 Tsu-11은 카미카제 비행기에 사용할 계획이었다.
제트 엔진이 실제적으로 사용할 수 있게 된 것은 압축기를 엔진 자체의 동력으로 구동하면서이다. 노르웨이 공학자 Ægidius Elling이 1903년에 이를 실현하였고 몇몇 기관이 선보였지만 안정성과 지속적인 구동이 어려워 크게 성공하지 못했다. 그러던 중 영국의 프랭크 휘틀이 터보제트에 대한 연구를 진행하였고 비슷한 시기에 독일의 한스 폰 오하인 또한 항공기용 가스 터빈 엔진의 개발을 시작하였다. 1937년에 휘틀은 세계 최초의 제트엔진인 파워 제트 WU(Power jets WU)를 완성시켰으며 곧이어 오하인 또한 에른스트 하인켈(Ernst Heinkel)사와 협력하여 1937년 HeS-1엔진 개발에 성공한다. HeS-1은 수소를 연료로 사용하였지만 이후 개발을 지속하여 가솔린을 연료로 하는 출력 5kN의 HeS-3을 개발하였고 하인켈사의 He178에 탑재되어 1939년 8월 27일 세계 최초로 제트 엔진에 의한 비행에 성공한다.
최초의 제트 비행임에도 여기에는 문제가 있었다. 압축기가 너무 커 엔진 단면이 커져버렸고 여기에 따르는 문제로 효율이 좋지 못했다. 이 문제를 해결한 것은 오스트리아의 Junkers' engine division(혹은 Jumo라고도 함)으로 원심력으로 공기를 압축하는 대신 마치 터빈을 거꾸로 설치하듯 팬을 다단으로 설치하여 공기를 압축하였다. 기관은 더욱 복잡해졌지만 결과적으로 엔진은 작아졌고 이 엔진은 Jumo004로 명명되었다. 이 엔진은 1944년 세계 최초의 제트 전투기인 메서슈미트(Messerschumitt) Me 262에 탑재된다. 그리고 그 얼마 뒤 연합군도 그동안 독자적으로 개발해온 제트 전투기를 실전 배치하게 된다.
일반적으로 사용되는 좁은 의미의 제트 엔진이 터보제트이다. 간단히 말한다면 가스 터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용할 때 터보젯이 된다. 여기에 바이패스비(by-pass ratio)를 높이기 위해 압축기의 1단 팬을 확대한 것이 터보팬으로 대부분의 항공기들이 이 터보팬 엔진이다. 또 다른 방식으로 터빈에서 얻은 동력을 압축기뿐 아니라 따로 축을 연결하여 프로펠러 등을 구동하는 것이 터보프롭, 터보샤프트이다.
터보젯 엔진에 의한 추진을 프로펠러에 의한 추진과 비교할 때 상대적으로 적은 공기를 흡입하여 분출한다. 반면에 프로펠러는 많은 공기를 취하지만 상대적으로 느리게 공기를 밀어낸다. 이러한 이유로 비행체가 고속으로 기동할 때나 높은 고도에서(공기가 희박) 제트 엔진의 효율이 더 좋아진다. 다시 말하면 저속에서는 프로펠러에 의한 추진이 유리하다. 이러한 이유로 가스터빈에 프로펠러를 연결한 터보프롭기가 단거리나 저속 비행에 이용되고 있다.
현대의 항공기 엔진은 대부분 터보팬이다. 제트 엔진, 즉 터보젯 엔진에 대형 팬을 더한 것으로 이 팬을 통해 압축기로 공기를 보낼 뿐 아니라 엔진 본체를 둘러싼 바이패스 덕트로도 보낸다. 덕트로 보내진 공기는 배기구를 빠져나가기 전 연소된 공기와 혼합되어 분출된다. 이렇게 함으로써 터보팬 엔진은 효율이 좋아지고 터보젯 엔진보다 소음이 덜하다.
제트 엔진이 항공기 엔진으로 사용되던 초창기엔 군사용과 일반 항공기용이 크게 다르지 않았다. 오늘날 대부분의 터보팬 엔진은 연료 효율을 높이고 소음을 줄이기 위해 낮은 추력비를 갖는데 이것은 상대적으로 바이패스비가 높음(4-8:1)을 의미한다. 하지만 군사용으로 사용되는 터보팬 엔진은 소음이나 연료 효율보다는 높은 추력을 요구함으로 바이패스비가 낮다(보통 2.0이하).
엔진 종류에 따라 상이한 구성 요소들을 갖지만 제트 엔진은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소를 갖는다.
제트 엔진으로 공기가 유입되는 통로이다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 형상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의하여야 한다. 또한 초음속으로 인한 충격파에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치한다.
유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트 엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.
압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳이다. 이때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻는다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있다.
연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달한다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운(상대적으로 차가운) 공기로 터빈 날을 식힌다.
터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.
주로 전투기에 추가로 추력을 얻기 위해 사용된다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창 가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있어 여기에 연료를 분사하면 추가 설비 없이 연소시켜 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 효율이 나빠 이륙할 때나 고기동을 요구할 때에만 사용된다.
연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다.