비행기에 대해 알아봅시다! [3탄]

다시 찾아온 비행기를 알아봅시다 입니다!

벌써 3회까지 와서 엔진을 알아볼차례네요.

우선 1회와 2회 본문에서 오류들을 댓글로 수정해주신 감사하다는 말씀드리고요 덕분에 좀더 쉽게 글 수정을 할수있게 되었습니다.

1회 본문 수정.

날개의 앞에서 분리된 바람은 반드시 뒤에서 만나야하는데,날개위로 흐르는 바람이 뱃면에 흐르는 바람을 따라잡지 못하게 되면 날개의 윗면의 바람은 난류성을 띄게되고 양력을 잃게되는것입니다.

수정- 분리된 바람은 날개 뒤에서 만나지 않습니다. 추가설명은 2회 참조.

2회 본문 수정.

이로써 Bernoulli원리는 틀렸다고 증명이 되었네요.

수정/ Bernoulli 원리는 맞습니다, 하지만 Bernoulli를 이용한 긴 경로 이론은 틀렸습니다. 또한, 압력으로 인하여 어느정도의 양력은 발생합니다.

수정해주신분들(닉언죄)

앞으로도 많은 글 수정을 부탁드립니다!

오늘은 엔진에 대해서 알아봅시다.

비행기 엔진을 크게 나누자면, 다들 아시다시피 프로펠러엔진과 제트엔진으로 나눌수있습니다.

(터보프롭엔진 & 터보젯엔진)

프로펠러엔진부터 들여다 봅시다.

프로펠러 엔진 비행기는 프로펠러가 돌아가 공기를 뒤쪽으로 밀어냄으로써 추력을 냅니다. 프로펠러의 블레이드가 비행기 날개의 에어포일의 형태를 갖추고 있어 양력대신 추력을 만들어 내는것이죠. 프로펠러는 2개부터 6개까지의 블레이드를 갖출수있습니다. 현대에 들어서 소음이 비교적 적은 6엽을 가진 프로펠러를 주로 사용하고, 좀 더 과거에는 2엽부터 4엽까지 여러가지 종류의 프로펠러를 사용해습니다. (현대에도 작은 비행기들은 2~3엽을 쓰기도함) 하지만 프로펠러의 블레이드를 높이면 Thrust SpecificFuel Consumption(TSFC)* 이 높아져 엔진 효율이 떨어져 비행기의 용도에 따라서 알맞은 블레이드 갯수를 선택해야합니다.

*TSFC는 1(대게 lbf)의 추력을 내기위해 필요한 연료의 중량을 나타낸 값이다. TSFC 혹은 SFC라 불리는데, 이 수치가 적을수록 효율이 좋은 엔진이라 할수있겠다.

프로펠러의 위치또한 다른 이름을 갖춰 부르고있습니다. 총 3가지의 configuration으로 나눠집니다.

첫번째로는 pusher-configuration, 엔진이 날개나 동체뒤에 달려있어 추력을 발생시켜 비행기를 밀어줍니다. 비행기 엔진이 뒤에 달려있어 보다 낮은 소음을 내고, 엔진으로 발생되는 난류성 바람을 비행기가 비행중에 직접 맞지않아 항력을 보다 줄일수있습니다. 무엇보다 중요한것은 파일럿에게 중요한 이착륙을할때나 택싱할때 프로펠러 블레이드가 장애물이되어 시야를 가리는일이 없습니다.

하지만 이 같은 엔진 위치는 비행기에서 생기는 난류성 유체와 up-wash 또는 down-wash에 영향을받아 구조적으로 블레이드 설계를 신중하게 해야합니다. 또한 프로펠러가 동체뒤에 달려있을경우 이착륙때 그라운드와 블레이드가 충돌할수있는 아주 위험한 상황을 맞을수있다. 개인적으로 비행기의 안정성(stability)을위해 가장중요한 무게중심의 위치가 뒤로 쏠린다는것에 아주 신경이 쓰인다. 무게중심은 비행기 날개보다 앞에 위치해야하므로 무게중심에 관한 특별한 설계가 뒤따라야한고 생각합니다.

두번째로는tractor-configuration, 좀 전과는 다르게 동체나 날개앞의 엔진에서 추력을 발생해 비행기를 앞에서 밀어주는 형태를 갖고있습니다. Pusher-configuration보다 여러모로 안전한 비행을 할수있게 만듭니다. 특히 항공기 엔진이 앞에달려 무게중심이 뒤로 쏠리는것을 방지합니다.

하지만 엔진에서 만들어지는 난류성 기류를 비행기 동체가 그대로 맞아 비행기 전체의 효율성은 떨어지는 편입니다. 여객기인경우 소음문제를 신경쓰지 않을수없죠. 승객이 머무는 자리보다 앞에 엔진이 설치되어있는경우 진동과 소음이 승객들에게 불편을 줄수있습니다.

끝으로, 위 두가지configuration을 섞어놓은 push-pullconfiguration입니다. 개인적으로 앞의 엔진에서 만들어지는 난기류를 그대로 뒤에있는 엔진이 쓸텐데, 고상한 디자인이 아닐수없습니다. 더이상의 설명은 생략할게요.

좀 전에 프로펠러 블레이드는 비행기 날개와 같이 에어포일을 갖고있어 추력을 발생시킨다 했습니다. 여기서 비행기 날개와 프로펠러 블레이드의 다른점은 블레이드의 hub(중심)부터 tip (가장 바깥쪽)까지를 비틀어서 중심축보다 빨리도는 블레이드의 끝쪽의 실속(stall)을 막아준다는 것입니다. 실속이 생길경우 심한 진동과 추력이 균등하지 않게 발생하게됩니다.

또한 프로펠러 끝의 속도가 음속에 가까워지면 블레이드 표면에 충격파가 생기게됩니다. 충격파를 지난 공기는 압력, 온도 그리고 밀도가 순식간에 상승하고 기체는 에너지를 잃어 매우 비효율적이 되죠. 그러므로, 블레이드 끝의 속도를 음속의 90% 이하로 제한을 걸어둡니다. 프로펠러 엔진을단 비행기는 음속 이상을 비행하는것은 아주 드문 이유가 이 때문이죠.

프로펠러 엔진의 효율성은 초기 디자인에서 아주 중요한 쟁점입니다. 최고 효율을 내기위해서는 프로펠러엔진의 블레이드 각도를 알아봐야합니다. 다음 그래프를 보죠.

(참조: Mccormick, B. W., Propeller Dynamic andAeroelastic Effects, NASA, Mar 01, 1980 )

블레이드 각도가 5도 간격으로 나타내어졌고 각각의 각도마다 최고 효율성(그래프에서 0.8~0.85)을 내기위한 V/nD가 다릅니다. 여기서 V/nD는 Advanceratio (J)*라 하는데 프로펠러가 1회전을 하였을때 앞으로 나아간 거리와 프로펠러의 지름의 비율입니다.

쉽게 말해서, 프로펠러 비행기가 속도를 달리할때마다 최고 효율을 낼수있는 블레이드의 각도 혹은 pitch가 달라진다는것입니다. (프로펠러의 pitch는 프로펠러가 1회전을 하였을때 전진한 거리를 표현한것이다.)

*Advance ratio, J=V/nD, V=velocity, n=revolution/sec, D=propeller diameter

현대의 프로펠러 항공기들은 variablepitch를 사용하여 비행기가 속도를 변화할때마다 블레이드의 각도를 최고의 효율을 낼수있게 조정합니다. 이것은 과거에 쓰였던 fixed pitch프로펠러보다 매우 효율이 좋다고 볼수있죠.

Variablepitch propeller 를 잘 표현한 영상입니다.

다들 알다시피 프로펠러 엔진은 피스톤 엔진입니다. 아래 사진과같이 흡입 행정을 통해 공기를 빨아드린후, 압축을해서 연료와 같이 폭발행정을하고 그 기체를 배기해 구동하게되어있습니다.

오유에 프로펠러엔진의 작동원리를 잘 표현해준 gif를 찾았습니다.

http://www.todayhumor.co.kr/board/view.php?table=science&no=42493

이제 비행기의 꽃! 제트엔진을 알아봅시다.

우선 종류부터 알아보죠

제트엔진의 가장 강점은 프로펠러 엔젠이 못했던 음속보다 빨리 비행할수있게 한다는 것입니다. 그만큼 제트엔진은 다양하고 더 진보된 기술들로 발절해왔습니다.

우리가 잘알고있는 기본적인 터보제트,

큰 펜을 앞에달아 바이패스를 만들어 작동하는 터보펜,

기어박스로 구동되는 프로펠러로부터 추력을 얻는 터보프롭,

애프터 버너가 달린 터포제트,

이외에도 램젯 그리고 스크램젯까지 종류가 상당히 많습니다.

개인적으로 엔진을 공부할때, 엔진의 처음은 어디서 시작할까가 궁금했던적이 있었습니다.

자동차처럼 시동을 킬때 베터리가 있어서 초기 피스톤운동을 도와주듯이 비행기도 Auxiliarypower unit(APU) 또는 Ground support equipment(GPU)를 통해 시동을 걸어 주 엔진에 동력을 전달합니다.

자 이제 구체적으로 제트엔진의 기본 구성 및 원리를 파보겠습니다.

제트엔진의 기본구성은, 펜, 컴프레서, 컴버스터, 터빈, 믹서 그리고 노즐이 있겠습니다.

펜에서 공기를 빨아들여 압축한뒤 연료와 함께 폭발과정을 겪은후 공기를 다시 팽창시켜 대부분의 가스를 노즐로 분사시키고 남은 가스를 다시 펜과 컴프레서를 구동시키는것이 기본 원리입니다.

우선 컴프레서의 단면도입니다. 컴프레서안에는 두가지 종류의 안내익인 rotor blade와 stator vane이 반복적으로 있습니다. 이 두가지를 합쳐 1단이라하고 이 조합의 개수에 따라 몇개의 단으로 컴프레서가 구성되어있다고 말합니다.

로터는 공기를 빨아드리는 역할을하고 스테이터는 그 공기를 다음 단의 로터에게 건내주는 역할을 하죠. 로터와 스테이터를 자세히 보시면, 입구는 좁고 출구는 넓을걸 볼수있습니다. 좁은 로터의 통로를들어간 공기는 넓은 출구로 나오면서 소량 팽창이 되고 다시 좁은 스테이터의 입구를 들어가 압축되고 그 공기가 출구로 나오면서 소량팽창하고, 이 과정을 통해서 엄청난 비율로 공기가 압축되고 따라서 속력은 내려가게됩니다. 이과정에서 온도또한 올라가게되죠. (냉장고를 생각하시면, 가스가 압축됨에따라 온도가 올라가 뒷면에 코일이 따듯하듯이 말이죠.)

다음은 컴버스터입니다. 압축기로부터 압축된 공기가 연소실에서 연료와 섞여 폭발하게됩니다. 많게는 20개의 노즐로 연료를 연소실에 뿌려주는데, 이때 온도가 섭씨 2700도 까지 올라가게됩니다.

하지만 압축된 공기에서도 소량의 공기만 연소실에서 연료와 섞여 폭발하게됩니다. Primaryair가 연소실의 첫번째 구멍 열에들어가 연소하게됩니다. 이로써 공기는 엄청난 에너지를 얻게되는거죠. 대부분의 공기는 그 연소된 공기를 쿨링해주거나 고CO와 H2를 희석해주는 역할을 하게되죠.

터빈을 알아보도록합시다.
이렇게 에너지를 갖게된 고온 고압의 가스로부터 터빈을 회전시키고 또 연소된 가스를 팽창시켜 압력은 낮게 속도는 빠르게 만듭니다. 컴프레서의 반대라고 보시면 이해가 쉬울겁니다.

터빈의 블레이드는 고온의 가스를 견뎌야하기 때문에 특별한 구조가 들어가있습니다. 아래 사진에서와 같이 쿨링구멍을 만들어 블레이드 내부에 차가운 공기를 주입시켜 외부로 방출하여서 공기막을 만들어주는 특별한 구조를 하고있습니다.

마지막으로 노즐입니다.

그림과같이 수축형을 하고있어 터비으로부터 나온 가스의 압력을 대기압과 비슷하게 하고 속도는 더욱 빠르게 합니다.

전투기를 좋아하시는 분들이라면 한번쯤은 애프터버너라고 들어보셨고 저또한 속도에 열광하기때문에 흥미롭게 여겼던 적이있습니다.

애프터버너는 바이패스를 타고온 공기를 노즐로 배출되기전에 한번더 연소시켜 이미 연소된 공기와 한번더 섞어줘 더욱 강력학 추력을 얻게하는것입니다. 열역학을 사랑하셨던 분들은 reheat rankine cycle이라고 들어보셨을겁니다. 같은 원리입니다. 한번 가열된 가스를 한번 더 가열시켜 더욱 높은 에너지를 얻게하는것입니다.

바이패스(https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%84%B0%EB%B3%B4%ED%8C%AC#/media/File:Turbofan3_Unlabelled.gif)

제트엔진은 바이패스라는 특수한 시스템을 갖고있습니다. 현대의 항공기들은 심지어 전투기들까지도 높은 바이패스를 겸비한 터보팬을 기본적으로 이용하고있습니다. 터보팬의 바이페스 비율은 엔진안으로(컴프레서부터 시작 노즐전까지)들어가는 공기의 유량과 바이패스를 통과하는 공기의 유량을 비율로 나태냅니다. 예를 들어 바이패스 비가 2:1이라하면 바이패스로 가는 공기는 엔진내부로 들어가는 공기의 두배라는 의미입니다.

그렇다면 왜 현대의 항공기들이 터보팬을 채용하였을까요?

엔진의 추력은 배출되는 기체의 운동량 (P=mv)와 비례합니다. 같은 운동량을 엔진내부를 통과시키지않고 바이패스로통과시켜 효율적으로 운동량을 얻는다에서 터보펜이 현대의 항공기에 채택이 많이 되는편이죠.

말했듯이 높은 바이패스를 통과한 차가운 공기는 노즐에서나오는 고온의 가스와 만나 제트엔진으로 일정의 추력을 내는 데 필요한 연료보다 적은 연료로 동일한 추력을 내는데 포인트를 갖고있습니다.

하지만 바이패스가 커지면 엔진의 사이즈도 같이 커지고 공기저항또한 커지기 때문에 적당한 바이패스를 선택해야합니다. 또한 높은속도를 내야하는 비행기들은 바이패스가 크면 연소실에 들어가야할 공기가 적어져 강력한 추력을 낼수없습니다.

높은 속도가 필요없는 보잉 777같은경우 바이패스비율이 10:1 정도로, 높은 비율을 갖고있어 연료 효율을 높이는 반면, 높은 추력이 필수인 전투기의 터보팬의 바이패스비율은 0.3~0.5정도를 갖고있습니다. (T-50의 F-404는 0.34:1의 바이패스비율을 갖고있습니다.)

아래의 그림에서

왼쪽은 높은 바이패스비율을 가지고있는 여객기의 터보팬

오른쪽은 낮은 바이패스비율을 가지고있는 전투기의 터보팬

번외로,, 개인적으로 주변분들에게 항공기 엔진에대해 많이 들었던 질문

이건 왜생겨요?

비행운이라하는데 고온 고압의 공기안에 있던 수증기가 냉각되면서 생깁니다.

그럼 이건요? 엔진이 없는곳에서도 구름이 생기는데요?

이건 비행운이 아니라 비행기가 여러분이 많이들어보셨을법한 쇼크웨이브(충격파)때문 혹은 급선회로인해 로컬압력이 급 낮아져서입니다. 비슷한 사진으로도 다음과같은게 있는데요

사실 쇼크웨이브는 육안으로 보기가 매우힘듭니다. (가끔 날개 위에서 아지랭이처럼 관찰되기도합니다) 아까 프로펠러를 설명할때 쇼크웨이브를 언급하였죠, 네 쇼크웨이브를 지나가면 기압과 온도가 순식간에 올라가게됩니다. 이 온도가 이슬점까지 내려가면 저렇게 구름을 잠깐동안 형성하게되죠.

*추가적으로 SR-71에 쓰여진 Ramjets에 관한 설명은 (http://todayhumor.com/?science_55441)참고

지난 양력편 이후로 많은 관심갖아주셔서 감사합니다. 긴 글 읽어주셔서 감사하고, 많은 지적 부탁드립니다! 다음편은 비행기 엔진 추력계산을 준비하고있습니다!

콩코드 여객기의 음속을 깨는 소리를 마무리로!

남은 한주 즐겁게 보내세요!

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비행기에 대해 알아봅시다! [1탄]

http://todayhumor.com/?science_56506

비행기에 대해 알아봅시다! [2탄]

http://todayhumor.com/?science_56525