1.6 항공 분야 - 추진 요건

2023.03.10 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.5 해양 분야

1.5 해양 분야

 

제트 추진을 위해 가스 터빈을 사용하는 개념은 1921년 프랑스의 Guillame가 처음으로 특허받았습니다. 이에 앞서 Rene Lorin은 1908년에 이미 램제트에 대한 특허를 획득했습니다. 이전 프랑스 특허를 인지하니 못 한 체로, 1930년 1월 Frank Whittle 경은 영국에서 터보제트에 대한 특허를 획득했습니다. Whittle의 첫 번째 엔진, 세계 최초의 엔진은 1937년 4월 테스트 베드에서 실행되었습니다. 세계 최초 터보제트 추진 항공기의 비행은 1939년 8월 27일 Hans von Ohain의 He S-3b 엔진을 장착한 독일의 Heinkel He 178이었습니다. 1939년 초에 벤치 테스트를 거쳤습니다. 1937년 3월의 초기 테스트는 수소 연료를 사용했기 때문에 실용적인 엔진은 아니었습니다. 투자 부족에 시달린 Whittle은 마침내 1941년 5월 15일에 Gloster E28/39를 추진하는 W1A 엔진을 공수했습니다. 터보프롭의 첫 비행은 1945년 9월 20일에 있었고, Rolls-Royce Trent가 변환된 Meteor에 동력을 공급했습니다. Trent는 Rolls-Royce가 항공 서비스의 첫 번째 터보프롭이 된 Dart에 집중하면서 5대가 제작된 후에 단종되었습니다. 롤스로이스는 1990년대에 최신 대형 민간용 터보팬 엔진 시리즈에 다시 'Trent'라는 이름을 사용했다는 점에 주목해야 합니다. 가스 터빈은 대부분의 항공 응용 분야에서 피스톤 엔진을 완전하게 대체했습니다. 이는 앞서 논의한 자동차 시장과 현저한 대조를 이룹니다. 항공기 추진의 차이점은 피스톤 엔진이 할 수 없는 것을 가스 터빈이 제공할 수 있다는 점입니다. 즉, 실질적인 고속 항공기와 훨씬 더 작은 엔진 무게와 크기가 바로 그에 해당합니다. 예를 들어, 현대식 Boeing 747의 터보팬 4개의 추진력에는 약 100개의 2차 세계 대전 Merlin 엔진이 필요하며, 이에 따라 엔진 중량은 너무 무거울 것입니다.

 

1.6.1 항공기 비행 역학

그림 1.12는 항공기에 작용하는 네 가지 힘을 보여줍니다.

 

(1) 양력은 주로 흐름을 가속하면서 정압을 줄이기 위해 휘어진 윗면을 가진 날개에서 발생하는 항공기 주변 정압장으로 인해서 발생합니다. 양력은 압력 중심을 통해 입사 속도에 수직으로 작용합니다. 아래 그림에서 설명된 바와 같이 주어진 항공기에 대해 양력이 증가하면 일반적으로 항력이 증가합니다.

(2) 항공기의 무게는 무게 중심을 통해 수직으로 아래쪽으로 작용합니다. 수평 비행에서 양력은 무게와 같아야 합니다.

(3) 항력은 항력 중심을 통과하는 운동 방향에 반대되는 작용을 합니다. 수평 비행에서는 수평으로 작동합니다.

(4) 엔진 추력은 엔진 중심선을 따라 작용합니다. 수평에서 정상 비행 추력은 수평 전방에 매우 가깝게 작용하며 항력과 같아야 합니다.

 

 

정상 비행(Steady flight)에서 항공기 조종면은 위의 힘으로 생성된 모든 힘의 쌍이 균형을 맞추도록 설정되어야 합니다. 연료 사용은 무게 중심이 이동하게 되므로, 현대의 대형 항공기는 항력을 최소화하기 위해 연료 분포를 제어합니다. 항공기의 수평 또는 수직 가속이 필요한 경우, 위에 설명된 힘의 불균형이 있어야 합니다.

 

양력 및 항력이 입사된 동압(Incident dynamic pressure)과 관련되어 있으므로 양력 계수 및 항력 계수를 사용하여 등가 및 진 대기 속도와 어떻게 관련되어 있는지 나타내 줄 수 있습니다. 양력과 항력은 등가 대기 속도의 제곱에 비례합니다. (특정 고도에서 등가 대기 속도는 진 대기 속도보다 낮으며, 밀도 비율의 제곱근을 곱한 값입니다) 주어진 항공기 설계에서 양력 및 항력 계수는 받음각만의 함수입니다. 그에 해당하는 값은 일반적으로 풍동에서 컴퓨터 시뮬레이션 및 모델 테스트를 사용하여 도출된 후 확인 비행 시험이 이어집니다. 고정된 항공기 중량의 경우, 양력은 모든 정상 비행 조건에서 일정해야 합니다. 받음각을 변경하면 양력 계수와 항력 계수가 모두 변합니다. 따라서 안정적인 비행을 유지하려면 각각의 등가 대기 속도에 대해 하나의 받음각이 있어야 합니다. 따라서 주어진 항공기 설계에 대한 공식에 표시된 것처럼 양력 및 항력 계수는 등가 대기 속도의 함수이며, 그와 관련된 관계식도 그림 1.13에 나와 있습니다. 일반적인 받음각은 실속에서 158도, 최대 등가 속도일 때 08도입니다. 이와 관련된 항력 계수는 다음 두 가지 구성 요소로 구성됩니다.

 

(1) 유도 항력계수(Induced drag coefficient)는 양력 계수의 함수입니다. 이는 높은 양력 계수와 높은 받음각이 요구되는 느린 전진 속도에서 전체 항력의 주요 영향 요소입니다.

(2) 기생 항력계수(Parasitic drag coefficient)는 기체의 형상과 그 부속물 및 표면마찰로 인한 기본항력을 반영합니다. 고속에서 전체 항력의 주요 영향 요소입니다.

 

이러한 두 가지 항력 요소의 상호 작용은 그림 1.13에 표시된 등가 대기 속도에 대한 항력 계수의 특징적인 형상을 보여줍니다. 이와 관련하여, 주어진 등가 대기 속도에 필요한 순 추력이 양력 대 항력 비율에 반비례한다는 것을 공식으로 보여줄 수 있게 됩니다. 등가 대기 속도와의 관계 형태는 그림 1.13에도 나와 있으며 양력 계수와 항력 계수의 비율(양항비)에 따라 결정됩니다. 순항 중인 아음속 수송기의 양력 대 항력비(양항비)는 20에 근접할 수 있지만, 초음속 수송기의 경우 10 미만입니다. 낮은 고도에서 전투 중인 전투기의 경우, 그 값이 낮은 고도에서 전투 중인 전투기의 경우 5 미만으로 떨어지고, 고성능 글라이더의 경우 55까지 올라갈 수 있습니다.

 

 

2023.03.10 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.5 해양 분야