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기타공학/비행기

가장 빠른 유인정찰기 SR-71 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란


가스터빈의 한계를 뛰어넘은 렘제트 엔진이란




 인류 역사상 실전 배치된 기체 중에 세계에서 가장 빨랐던 항공기는 록히드마틴의 SR-71 블랙버드입니다. 



최대 속도가 음속의 3배인 마하3로 (3,500km/h) 일본에  배치되었을 당시 한반도 상공을 불과 10분만에 지나가서 UFO로 오인 받기도 했다는 웃지 못할 이야기도 있었습니다.



 상상을 초월한 운용 비용 때문에 현재는 퇴역하여 비축물자로 보관 중임에도, 이후로 어떤 최신예 현역 기체도 기록을 깨지 못하고 있습니다. (실험기, 특수항공기 제외)




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란1www.gamer.ru






 초고도에서 초음속 순항을 위해서는 다양한 기술들이 개발되어야 하겠지만, 아무래도 우선 속도를 내기 위해서 특수한 엔진이 필요하겠죠. 



 블랙버드에는 터보램제트 엔진이 달려 있었는데요, 오늘 이야기는 바로 램제트 이야기입니다.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란2keepcalmandremember.wordpress.com




 렘제트는 마하 3이상의 고속을 내기 위해 고안된 제트 엔진입니다. 마하2 언저리에서 제트엔진의 효율이 급격히 떨어지면서, 이를 극복하기 위해 고안되었지요.



 제트엔진은 원통형 구조물 속에 압축기와 연소실 그리고 터빈이 배치 되어 있어 형상이 복잡합니다. 때문에 항공기가 일정 속도에 도달하면 엔진 자체가 저항으로 작용하게 됩니다. 



 더 빨리 빨아들이기 위해 달린 회전 날개가, 들어오는 공기 속도를 버티지 못하고, 심지어는 부러질 수도 있는 것이지요.





가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란3theflyingengineer.com




 흡사 내리막에서 세발 자전거를 타고 있는 상황과 비슷합니다. 



자전거의 속도가 너무 빨라 페달에서 발을 떼어야 했던 기억이 있으실 겁니다. 만약 떼지 않는다면 다리에 큰 부상을 입을 수도 있습니다. 



 엔진 역시 기체의 속도가 일정 수준을 넘어서면 출력을 만들지 못하고 발을 붙잡는 상황이 됩니다.




 그래서 램제트 엔진은 믿기 힘들 정도로 단순한 구조를 가지고 있습니다. 높은 속도에 걸리적 거리는 녀석을 모두 없애, 흡기부 부터 배기부 까지가 매끈한 형상으로 되어 있습니다.



 저항이 없어지니 흐름이 더 원할해 지고, 더 높은 속도를 낼 수 있습니다. 다만 높은 에너지를 만들기 위해 공기 압축이 필수인데, 이를 인테이크 형상을 조절하여 해결 하였지요.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란4(a) 터보제트 (b) 램제트 (c) 스크램제트 / wnevels.wordpress.com




 엔진 내부로 들어간 공기가 흡기구 형상에 의해 단계별로 압력이 높아지고, 동시에 속도가 낮아져 연료를 분사할 수 있는 환경이 만들어집니다. 



제트엔진의 압축기가 하는 역할을 흡기구 자체가 담당하게 됩니다. 



엔진으로 들어오는 공기의 속도가 워낙 빠르다 보니 가능한 셈입니다. 



이후 연소실에서 혼합기가 연소되고, 



폭발로 인해 큰 에너지를 가진 연소기체가 '기체'를 밀어내는 과정은 일반 제트엔진과 동일합니다. 물론 압축기가 필요 없으니 연소실에 터빈도 필요 없지요.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란5www.okieboat.com




 제트엔진 (가스터빈엔진)의 구조를 더 알고 싶으시면 아래의 블로그를 참고해주세요.






 구조도 단순하니 쉽게 만들 수 있겠네요? 하지만 마하의 세계는 상식을 뛰어넘습니다. (제로의 영역….훗) 



 고온의 마찰열을 견디기 위해 특수소재를 사용해야 하고, 수명을 늘리기 위해 효율 좋은 냉각 시스템을 사용해야 합니다. 



 속도에 따라 공기의 압축량이 달라지므로, 인테이크의 형상이 최적화 되어야 합니다. 혹여 가변 형 인테이크를 사용한다면 개발이 더 어려워 짐은 말할 나위도 없습니다.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란6가변식 인테이크 램프를 가진 F-15 / en.wikipedia.org




 게다가 내부에 들어온 압축공기에 어떻게 연료를 분사해야 하는지도 중요합니다. 



 최적의 효율을 위해서는 연료를 최대한 고르게 퍼트려야 하는데 (combustion liner), 내부 공기의 속도가 이미 초음속에 가까울 정도로 매우 빠릅니다. 



  연소를 시켜야 하니 불도 잘 붙여야 겠군요. (Flame Holder) 이 과정을 태풍에서 담뱃불 붙이기로 비유하는 경우도 있습니다.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란7sourcefed.com




 마지막으로 결정적인 문제점입니다. 램제트 엔진은 일정 속도 이상이 되어야만 작동됩니다. 



 당연히 그렇겠지요. 스스로 압축을 못시키고 들어오는 공기에 의해 저절로 압축이 되는데요. 



만약 시동을 걸려면 엔진 입구에 마하2 이상의 바람을 넣어 주어야 하나요? 만약 아음속으로 비행해야 하면 어떻게 해야 하나요?





 이런 이유로 램제트는 단독으로 사용되지 못합니다. 저속 영역을 담당하는 다른 엔진과 함께 작동되어야 합니다. 




SR-71을 개발했던 스컹크웍스 팀은 이 문제를 터보제트와 램제트를 한 엔진에 꾸겨 넣으면서 해결해야 했습니다. 




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란8lurch2.blogspot.com




 블랙버드의 엔진 앞에 꼬깔콘이 하나씩 달려 있는 모습이 보이시죠? 



 이 녀석이 앞 뒤로 왔다리 갔다리 하면서, 저속에서는 터보제트를 고속에서는 렘제트를 사용하게 '구멍'을 막아주는 역할을 담당합니다.




가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란9www.aviationspectator.com





가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란10en.wikipedia.org




 위의 그림에서 녹색부분이 인테이크부, 회색부분이 제트엔진인데, 



고속이 되게 되면 회색부분으로 흘러들어가는 공기 흐름이 거의 없음을 알 수 있습니다. 



아래 도식도는 조금 더 자세한 내용으로, 터보렘제트가 고속, 저속에서 어떤 메커니즘을 갖는지 쉽게 나타나 있습니다.







가장 빠른 유인정찰기 SR-72 블랙버드에 달려있는 렘제트 엔진이란11maybach300c.blogspot.com






 이런 기술적 난관 덕분에 아직 항공기에 적용된 사례는 거의 없다시피 합니다. 일부 시험기에서 장착이 시도되어 개발 중에 있고, 일부 미사일등의 로켓에 장착되어 사용되었을 뿐입니다. 



  현재는 각국에서 램제트의 발전형인 스크램제트를 연구 중에 있는데요. 



 록히드 마틴에서 초고속 정찰기인 SR-72의 개발을 천명한 만큼, 극초음속 엔진에 대한 연구는 언젠가 빛을 보게 될 것입니다. (아니면 혹시 외계인을 고문해, 개발이 완료 되었을지도 모르고요)






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