비행기는 발전소를 이용해 전진 동력을 발생시키고, 고정익을 이용해 양력을 발생시키며, 대기권을 비행하는 공기보다 무거운 항공기이다. 공기보다 무거워서 새처럼 날개를 퍼덕일 수는 없지만 비행기는 공중으로 떠오를 수 있습니다. 비행기의 날개는 편평하게 펴지지 않고 위로 볼록하게 솟아오르는 것으로 밝혀졌습니다. 이런 식으로 비행기가 수평으로 전진하면 다가오는 공기 흐름이 날개에 위쪽으로 양력을 발생시켜 비행기가 공중으로 떠오르게 됩니다. 항공기는 더 빠르게 비행하고 날개 면적이 클수록 생성되는 양력이 커집니다. 따라서 항공기는 이륙하기 전에 공항 활주로에서 일정 거리를 이동해야 하며 공기가 없는 곳으로 비행할 수 없습니다.
초기 항공기는 기체 앞쪽에 있는 프로펠러의 회전에 의존하여 견인력을 만들어 앞으로 나아갔습니다. 프로펠러는 견인력을 많이 발휘하지 못하고 비행기는 매우 빠르게 날지 않습니다. 1939년 8월 27일, 최초의 제트기가 성공적으로 비행하여 항공기 속도가 크게 향상되었습니다. 제트엔진은 흡입된 공기를 압축해 연료와 혼합한 뒤 연소해 고온·고압의 가스를 만들어 후방으로 분출해 강력한 추진력을 만들어 항공기가 고속으로 비행할 수 있게 하는 장치다.
요즘 비행기의 비행 속도는 공기 중에 전파되는 소리 속도(초속 340미터)의 몇 배에 달합니다. 그런 비행기가 지구 적도를 한 바퀴 도는 데는 12시간밖에 걸리지 않습니다. 항공기를 초음속 항공기라고 합니다. 초음속 항공기를 제조하려면 첨단 제트 엔진이 필요할 뿐만 아니라 항공기 제조 재료 및 항공기 외관 설계 측면에서 매우 높은 요구 사항을 충족해야 합니다. 이는 매우 복잡한 기술입니다. 이제 첨단 전투기와 정찰기 외에도 일부 대형 여객기도 초음속 항공기입니다. 그러나 프로펠러 항공기는 여전히 고속 비행이 필요하지 않은 많은 작업(살충제 살포, 산불 예방 등)에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 제트 엔진의 원리 및 일부 작동 방법
제트 추진의 원리
공압 추진은 아이작 뉴턴 경의 운동 제3법칙을 실제로 응용한 것입니다. 이 법칙에 따르면 "물체에 작용하는 모든 힘은 반대 방향으로 동일하고 반대되는 반응을 보입니다." 항공기 추진의 경우 "물체"는 엔진을 통과할 때 가속되는 공기입니다. 이 가속도를 생성하는 데 필요한 힘은 이 가속도를 생성하는 장치에 작용하는 동일하고 반대되는 반력을 갖습니다. 제트 엔진은 엔진/프로펠러 조합과 유사한 방식으로 추력을 생성합니다. 두 가지 모두 다량의 가스를 뒤쪽으로 밀어 항공기를 추진하는데, 하나는 상대적으로 낮은 속도의 공기 후류 형태이고 다른 하나는 초고속 가스 제트 형태입니다.
이와 동일한 반응 원리는 모든 형태의 모션에서 발생하며 다양한 방식으로 적용되는 경우가 많습니다. 제트 반응의 가장 유명한 사례는 기원전 120년에 장난감으로 생산된 영웅의 엔진입니다. 이 장난감은 노즐에서 배출되는 수증기의 에너지가 노즐 자체에 동일하고 반대되는 반력을 전달하여 엔진을 회전시킬 수 있음을 보여줍니다. 유사한 회전식 정원 스프링클러가 이 원리의 보다 실용적인 예입니다. 이 유형의 스프링클러는 스프링클러 노즐에 작용하는 반력의 도움으로 회전합니다. 현대 소화 장비의 고압 노즐은 "제트 반응"의 예입니다. 소방관은 워터 제트의 반력으로 인해 호스를 잡거나 제어할 수 없게 되는 경우가 많습니다. 아마도 이 원리를 가장 간단하게 보여주는 것은 공기나 가스를 방출할 때 제트기의 반대 방향으로 로켓을 발사하는 카니발 풍선의 경우일 것입니다.
제트 반응은 확실히 내부 현상입니다. 흔히 생각하는 것처럼 대기에 가해지는 제트기류의 압력으로 인해 발생하는 것은 아닙니다. 실제로 로켓, 램제트, 터보제트 등 제트 추진 엔진은 공기나 가스의 흐름을 가속시켜 고속으로 배출하도록 설계된 장치이다. 물론 이를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그러나 모든 경우에 엔진에 대한 최종 반력인 추력은 엔진에서 배출되는 공기 흐름의 질량과 공기 흐름 속도에 비례합니다. 즉, 많은 양의 공기에 작은 속도를 더하거나, 적은 양의 공기에 큰 속도를 더하면 동일한 추력을 얻을 수 있습니다.
실제로 사람들은 제트 속도를 낮추면 추진 효율이 높아지기 때문에 전자를 선호합니다.
제트 추진의 여러 모드
램제트, 펄스 제트, 가스 터빈, 터빈/램제트 또는 터보 로켓 등 다양한 유형의 제트 엔진 간의 유일한 차이점은 "추력"입니다. "공급자"는 엔진이 에너지를 공급하고 에너지를 비행 동력으로 변환하는 방식입니다.
램제트 엔진은 실제로 일종의 공기 역학적 열 덕트입니다. 여기에는 주요 회전 부품이 없으며 분기형 공기 흡입 덕트와 수렴 또는 수렴-발산 배출구만 포함되어 있습니다. 공기는 외부 에너지원에 의해 공기가 앞으로 밀릴 때 흡입 덕트로 강제로 유입됩니다. 이 확산 덕트를 통해 흐를 때 속도나 운동 에너지는 감소하는 반면 압력 에너지는 증가합니다. 이후, 연료의 연소로 전체 에너지가 증가하고, 팽창된 가스는 배출덕트를 통해 고속으로 대기 중으로 배출됩니다. 램제트 엔진은 미사일과 표적 항공기의 동력 장치로 자주 사용되지만 단순한 램제트 엔진은 추력을 생성하기 전에 전진 운동이 필요하기 때문에 일반 항공기의 동력 장치로는 적합하지 않습니다.
펄스제트엔진은 간헐연소의 원리를 이용한다. 램제트와는 달리 정지상태에서도 운용이 가능하다. 이 엔진은 램제트 엔진과 유사한 공기 역학적 덕트로 구성됩니다. 압력이 더 높고 구조가 비교적 견고합니다. 흡입 덕트에는 스프링 장력의 작용으로 열린 위치에 있는 많은 흡입 "밸브"가 있습니다. 공기는 열린 밸브를 통해 연소실로 들어가고 연소실에 분사된 연료를 연소시켜 가열됩니다. 압력이 상승하여 밸브가 강제로 닫히고 팽창 가스가 뒤로 배출되어 배기로 인해 압력 강하가 발생하여 밸브가 다시 열립니다. 이 과정은 계속해서 반복됩니다. 펄스 제트 엔진은 한때 헬리콥터 로터의 추진 장치로 설계되었으며 일부는 1차 진동 주기의 압력 변화를 제어하기 위해 덕트를 세심하게 설계하여 흡기 밸브가 필요하지 않게 되었습니다. 그러나 펄스제트 엔진은 연료 소모가 많고 현대식 가스터빈 엔진의 성능을 달성할 수 없기 때문에 항공기 발전소로 적합하지 않습니다.
로켓 엔진도 제트 엔진이지만 큰 차이점이 있습니다. 즉, 로켓엔진은 대기를 추진유체로 사용하지 않고, 자신이 운반하는 액체연료나 화학적 분해로 형성된 연료와 산소제의 연소를 이용하여 자체 추진유체를 생성함으로써 외부에서 작동할 수 있다. 작업 시간이 매우 짧습니다.
터보제트 엔진을 제트 추진에 적용하면 터빈 구동 방식을 사용하기 때문에 로켓 및 램제트 엔진의 고유한 약점을 피할 수 있습니다. 압축기, 엔진은 저속에서 강력한 추력을 생성하기에 충분한 출력을 갖습니다. 터보제트 엔진은 "듀티 사이클"에 따라 작동합니다. 대기에서 공기를 빨아들여 압축하고 가열하면 공기는 에너지와 추진력을 얻어 초당 최대 2,000피트(초당 610미터) 또는 시속 약 1,400마일(시속 2,253킬로미터)의 속도로 이동합니다. ) 노즐에 밀어 넣어 배출합니다. 고속 제트가 엔진 밖으로 흘러나오면 압축기와 터빈을 구동하여 "작동 주기"를 유지하면서 계속 회전합니다. 터빈 엔진의 기계적 배치는 압축기와 터빈이라는 두 개의 주요 회전 부품과 하나 또는 여러 개의 연소실만 포함하기 때문에 상대적으로 간단합니다. 그러나 열 및 공기역학적 문제가 더 복잡하기 때문에 이 엔진의 모든 측면이 이렇게 단순하지는 않습니다. 이러한 문제는 연소실과 터빈의 높은 작동 온도, 압축기와 터빈 블레이드를 통과하는 공기 흐름의 변화, 가스를 제거하고 추진 제트를 생성하는 배기 시스템의 설계로 인해 발생합니다.
약 724km/h(450mph) 미만의 항공기 속도에서 순수 제트 엔진은 추진 효율이 비행 속도에 크게 좌우되므로 순수 터보제트 엔진보다 효율성이 떨어집니다. 더 높은 비행 속도에 가장 적합합니다. 그러나 프로펠러 효율은 프로펠러의 높은 팁 속도로 인한 공기 흐름 방해로 인해 563km/h(350mph) 이상에서 급격히 감소합니다. 이러한 특성을 통해 일부 중속 항공기는 순수한 터보제트(터보프롭 엔진) 대신 프로펠러와 가스 터빈 엔진의 조합을 사용할 수 있습니다.
프로펠러/터빈 조합의 우수성은 내부 및 외부 덕트 팬, 덕트 팬 엔진 및 프로펠러 팬 엔진의 도입으로 어느 정도 대체되었습니다. 이러한 엔진은 순수 제트 엔진보다 더 큰 유량과 더 낮은 제트 속도를 가지므로 추진 효율은 터보프롭 엔진과 비슷하고 순수 제트 엔진의 효율을 능가합니다.
터보/램제트 엔진은 마하수 3 이하의 다양한 속도에서 흔히 사용되는 터보제트 엔진과 높은 마하수에서 좋은 성능을 발휘하는 램제트 엔진을 결합한 엔진이다. 이 엔진은 전면에 조절 가능한 흡입구가 있는 덕트와 후면에 조절 가능한 노즐이 있는 애프터버너 노즐로 둘러싸여 있습니다. 이륙 및 가속 중, 그리고 마하 3 이하의 비행 조건에서 엔진은 기존 터보제트 엔진과 동일한 방식으로 작동합니다. 항공기가 마하 3 이상으로 가속되면 터보제트 메커니즘이 닫히고 기도 공기가 가이드를 통과합니다. 베인 압축기를 우회하여 애프터버너 노즐로 직접 흘러 들어가고, 이 노즐은 램제트 엔진의 연소실이 됩니다. 이 엔진은 고속 비행이 필요하고 높은 마하수 순항 조건을 유지하는 항공기에 적합합니다. 이러한 조건에서 엔진은 램제트 엔진으로 작동합니다.
터빈/로켓 엔진의 구조는 터빈/램제트 엔진과 유사하며 중요한 차이점은 연소를 위해 자체 산소를 제공한다는 것입니다. 이 엔진에는 다단식 터빈 구동 저압 압축기가 장착되어 있으며, 로켓형 연소실에서 연료와 액체 산소를 연소시켜 터빈을 구동하는 동력을 생성합니다. 가스 온도는 3500도까지 높을 수 있으므로 가스가 터빈에 들어가기 전에 냉각을 위해 추가 연료를 연소실에 주입해야 합니다. 이 풍부한 혼합물(가스)은 압축기의 공기로 희석되고 나머지 연료는 기존 애프터버너 시스템에서 연소됩니다. 이 엔진은 터보/램제트 엔진에 비해 작고 가볍지만 연료 소모량이 더 많다. 이러한 추세로 인해 요격체나 우주선 발사체에 더 적합해졌습니다. 이러한 항공기는 고고도 및 고속 성능을 요구하며, 긴 체공 시간 없이 높은 가속 성능을 요구하는 경우가 많습니다.