[추진] 추진공학에 대한 개요 (2) 분류

이번에는 추진 방법에 대한 분류를 정리하도록 한다.

분류를 할 때는 그 기준이 중요하다. 위의 그림과 같이 크게 Power source, Working fluid를 기준으로 분류를 할 수 있다.

 

어떻게 추진을 만들어내는지에 따라 piston engine, jet engine, rocket engine으로 나눌 수 있고, 추진 과정에서 사용되는 작동유체에 따라, 공기를 사용하는 방식인 airbreathing propulsion과 rocket propulsion으로 나눌 수 있다.

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NOTE :

여기서 제트 엔진, 피스톤 엔진, 그리고 가스 터빈까지 온갖 용어를 혼재해서 사용하는 경향이 있어서 몹시 헷갈린다.

가스 터빈은 열역학에서 배우는 Brayton cycle을 사용하는 회전 동력 기관이다. 입력으로 들어오는 열을 터빈 일로 바꿔주는 장치이기 때문에 gas turbine이라는 이름이 붙었다.

 

그런데 제트엔진은 공기를 압축시킨 다음에 그 압축된 공기에 연료를 분사해 점화시킨다. 이 점화된 공기를 방출시키면서 추진을 하는 원리인데 이 때 높은 압력과 높은 온도로 방출되는 공기를 제트(jet)라고 하여 jet engine이라는 이름이 붙었다.

 

그런데 제트엔진이라고 해서 다 가스터빈을 가지고 있는 것이 아니다. 가스터빈을 포함했다고 말하려면 가스터빈의 이름에 맞게 터빈이 존재해야 한다. 가스터빈이 포함된 터보팬, 터보젯, 터보프롭, 터보샤프트가 제트엔진에 속하지만, 터빈을 가지고 있지 않은 제트엔진도 존재한다. (ex. 램제트, 스크램제트)

 

터보팬, 터보젯은 강한 고온고압 가스로 회전하는 터빈의 힘을 이용해 추진력을 얻는다.

참고로 증기 터빈이라는 이름도 들어봤을텐데, 증기 터빈과 가스 터빈의 차이는 작동 유체의 상이 변하는지 아닌지에 따라 구분할 수 있을 것이다.

또 가스 터빈이 추진에도 많이 쓰이지만 발전소에도 쓰일 수 있기 때문에 열역학을 공부할 때 Rankine cycle과 Brayton cycle을 배우고 그에 대한 효율을 구하는 등의 학습 과정을 거쳤었다.

 

 

터보제트

램제트

 

출처는 모두 위키피디아이다.

두 그림을 비교해보면 아래의 램제트에는 터빈이 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 램제트는 제트 엔진이면서 가스 터빈은 아니다.

다만 보통은 제트 엔진을 좁은 범위에서 가스 터빈 엔진으로 본다고 한다.

 

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이 글에서는 작동유체 기준으로 분류를 하고 각 방식의 장단점 및 특성에 대해 요약한다.

 

 

1. Airbreathing propulsion

 

1-1. Piston engine

 

피스톤 엔진은 말그대로 엔진에 피스톤이 있는 경우인데 압축 및 팽창을 할 때 피스톤이 움직이면서 일을 하게 된다.

일반적으로 디젤, 가솔린을 연료로 사용하고 공기가 흡입 및 방출된다.

 

열역학에서 otto cycle(spark ignition cycle)과 diesel(compression ignition) cycle에 대해서 배웠을 텐데 그 사이클이 이런 피스톤 엔진에 사용되는 열역학 사이클이다.

 

otto cycle

diesel cycle

 

주로 경비행기나 자동차에 사용된다.

장점은 만들기 쉽다는 것이고, 단점은 연료 대비 power가 작다는 점이 있다.

 

 

1-2. Gas Turbine

 

주변 공기를 흡입해서 compressor로 압축한 다음에 연소시키고, turbine을 지나면서 공기가 밖으로 배출된다. 연료로는 jet propellant(JP)를 사용한다.

 

일반적인 항공기나 군용 비행기 및 미사일에 사용된다. 미사일은 로켓 엔진을 쓰는 경우도 있는데 순항미사일의 경우에는 가스 터빈을 사용한다고 한다.

 

장점은 무게 대비 power가 좋고, 마하수 0에서 2까지 넓은 범위의 속도에서도 작동할 수 있다.

하지만 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있다. (비용은 피스톤 엔진과 비교했을 때 비싸다는 뜻)

 

 

1-3. Ramjet & Scramjet

 

이전 글에서 말했듯이 일반 비행기에 쓰이는 터보엔진은 마하수에 제한이 있기 때문에 더 높은 속도를 내기 위한 엔진을 필요로 한다. 높은 마하수에서도 작동할 수 있는 것이 바로 Ramjet, Scramjet이다. Ramjet은 ram jet compressed jet라는 뜻이며 속도는 마하 3 (3,700km/h) 정도로 작동하고 마하 6까지 작동할 수 있다. Scramjet은 supersonic combustion ramjet으로 ramjet 중에서도 supersonic flow에서 combustion이 발생한다. Ramjet의 경우에는 연소 전에 아음속으로 공기 속도를 낮추는데 비해 scramjet은 초음속일 때 연소를 하도록 되어있다는 차이가 있다. scramjet은 매우 빠른 속도에서 효율적으로 작동하도록 되어있다.

 

Scramjet

(a) turbojet (b) ramjet (c) scramjet

Scramjet은 여기까지만 얘기하고 Ramjet을 위주로 설명하겠다.

 

ramjet을 효율적으로 작동하기 위해서는 초음속까지 도달해야하기 때문에 초음속에 도달하기까지는 다른 엔진의 도움을 받아야 한다.

 

연료로는 가스($H_{2},C_{2}H_{4}$), JP, Solid propellant를 사용한다.

공기 압축은 Ram 현상으로 압축한 뒤 아음속에서 연소를 하고 노즐을 통해 분사하는 형태로 되어있다.

 

장점으로는 가볍고 간단하며 높은 속력에서 효율적으로 작동한다는 점이지만, 그 자체로는 추력을 낼 수 없어서 초음속까지 비행체를 끌어올려야 한다는 단점이 있다.

 

 

2. Rocket Propulsion

 

로켓 추진의 경우에는 작동 유체로 공기를 쓰지 않고 산화제를 통해 산소를 공급한다. (연소에는 산소가 필요하므로)

즉 로켓 추진은 우주에서도 그 추력을 만들어낼 수 있다는 뜻이다. 또한 로켓 추진에는 위에서 터보젯, 램젯을 나눈 것처럼 마하 수에 제한이 없다.

로켓 추진에 쓰이는 산화제와 연료에 따라서 고체와 액체로 나눌 수 있다.

 

2-1.  Solid Fuel Rocket

 

산화제와 연료를 섞어서 고체로 만들어 탑재한 것을 고체 연료 로켓이라고 한다. 연료의 모양을 보면 

다음과 같이 구멍이 뚫려있고 이 구멍을 중심으로 연소가 일어나게 된다.

 

고체 로켓은 발사체에서 1단 발사체나 군용 미사일에 쓰인다. (미사일에 액체 연료를 사용하면 연료를 채우는 데 과정이 필요하고 보관 기간이 짧아서 이용하기 어렵다.)

 

고체 로켓의 장점으로는 만들기 간단하고, 저장하기 좋으며, 큰 추력을 얻기 쉽다는 점들이 있다.

단점에는 $I_{sp}$가 작고 한 번 연소 시키면 중간에 멈추고 다시 시작할 수 없다는 점들이 있다.

 

 

2-2. Liquid Fuel Rocket

 

액체 로켓은 산화제(Oxidizer)와 추진제(Propellant)를 분리해놓고 둘을 혼합해서 사용한다.

 

 

Propellant	Oxidizer
Kerosine	LO2
LH2	LO2
UDMH	NTO

 

필요할 때마다 연료를 조절해야 하기 때문에 펌프 등을 이용해서 고압의 연소실에 주입한다.

주로 발사체 메인 엔진, 또는 재사용발사체에서 착륙할 때 자세를 제어하는 용 등으로 쓴다.

 

장점은 높은 $I_{sp}$와 추력을 조절하고 끄고 다시 시작할 수 있다는 점이다. 대신 이렇게 추진을 제어해야 하는 만큼 구조가 복잡하다.

 

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마지막으로 추진의 다른 분류 기준으로 화학적 추진과 비화학적 추진이 있다.

chemical propulsion은 연소가 들어간 것이므로 우리가 앞서 본 추진들은 모두 chemical propulsion에 속한다.

하지만 우주에 발사체를 보낼 때 화학적 추진 방식은 연료가 많이 필요하기 때문에 다른 추진 방식 역시 고민해왔다.

 

이온을 이용한 로켓, 핵 연료를 이용한 로켓, 태양열 에너지를 이용한 로켓 등이 있는데 지금까지 발전되었는지는 잘 모르겠다. 이온을 이용한 로켓은 위성에 활용된다고는 들었다.

 

 

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다음에는 추진 방정식과 $I_{sp}$ 등 구체적인 추진 성능 개념에 대해 다뤄보고자 한다.