오늘은, 2편으로, 2차대전당시 개발된 터보제트엔진의 동작원리와 독일 융커스사의 Jumo004엔진과 영국 롤스로이스의 Nene엔진. 그리고 영국의 Nene엔진을 미국과 소련이 가져다가 각각 어떻게 써먹었는지 간단하게 알아보도록 하겠습니다. 제트엔진의 기초적인이론은 역시 작용과 반작용 이겠죠
자타가 인정하는 동시대 최고의 전투기인 P-51이 자랑하는 최고속이 700km/h 남짓이었음을 감안하면 870km/h의 ME-262는 차원이 다른 무기였습니다.
ME-262가 이토록 차원이 다른 속력이 가능했던것은 바로, 제트엔진 이라는 새로운 추진수단 덕분이었는데요.
융커스 유모 004 터보제트엔진 (Junkers Jumo 004 Turbo Jet)
사진에서 오른쪽이 공기흡입구. 왼쪽이 배출구
앞에서 들어온 공기(1)은 (2)압축기를 거치면서 고압으로 압축됩니다.
유모004 엔진의경우 축류식. 8매의 회전자로 구성되어 있는데, 압축기내의 회전자 사이사이에는 역시 8매의 고정된 고정자가 있지요. 이 고정자와 회전자사이의 날개를 통과하면서 공기가 압축되는 것 입니다.
(4)압축기를 통과한 고압의 공기는 각각의 (5)연소실로 들어가는데요. JUMO004 엔진은 6개의 연소실을 가지고 있으며 이 각각의 연소실은 엔진을 빙둘러 배치되어 있습니다.
연소실에서 연소된 고온고압의 (6)팽창가스는, 배출되면서 마지막 터빈을 돌리고 이 터빈은 엔진샤프트와 연결되어 다시 압축기를 돌려서, 흡입되는 공기를 압축하는 터빈을 회전시키는 것 입니다.
각각의 연소실은. 연소챔버를 통해 압축된 공기가 들어오면 인젝터에서 연료가 분사되고 폭발합니다. 이때 연소챔버는 폭발가스가 역류하지 않도록 닫아버림으로서 배출구쪽으로 고온고압의 팽창가스가 빠져나가게 하죠.
이 팽창가스로부터 추력을 얻습니다.
미그-15에 장착된 영국 롤스로이스의 넨 제트엔진의 카피형인 소련의 VK-1 엔진. 연소실 깡통이 보이죠.
축류식인 BMW003이나 융커스의 JUmo00와는 달리 공기압축방식이 원심식 단일 콤프레서이기때문에 구조가 좀 달라보이는데요. 흡기쪽의 구조가 조금 다르긴하지만, 기본적인 흡입공기의 압축이라는 개념은 같습니다.
F-86에 장착된 제너럴일렉트릭의 J-47엔진을 보면,
역시 연소실 깡통이 잘 보입니다.
절개된것을보면 흡입공기 압축 터빈이 좀더 많아 보이는 것을 제외하면 JUMO 004와 대동소이하죠 ? 요즘의 엔진들은 이러한 깡통식의 연소실을 다수배치하는 방식에서 벗어나, 엔진전체를 링처럼 감싸는 한 개의 연소실로 만듭니다. 이렇게 연소실에서 연소된 고온고압의 팽창가스는,
(10)이 부분은, 네모박스내의 오른쪽 기어부분을 보면 아시겠지만, 둥그런부분의 크기가 변하면서 추력을 제어하도록 되어 있습니다.
독일사람들의 이름짓는 센스는 원래 남달라서, 이부분을 양파라고 지칭하더군요. -_-;;
기본적으로 JUMO004 엔진은 성능이 더 좋다고 알려진 롤스로이스 Nene 엔진보다 좀더 진보된 기술을 사용했던것으로 보입니다.
롤스로이스 Nene 엔진은 원심 압축기 터보 제트엔진으로, 흡입되는 공기를 압축하는 방식이 독일의 엔진들과는 달리 단일 터빈을 통해서 이루어 졌는데요. BMW003이나 Jumo004 엔진은, 다단계압축방식인 측류형 압축을 적용 시켰습니다.
하지만, 영국의 넨 엔진은, 비록 원심압축기방식의 엔진이라고해도, Derwent 엔진의 개량형이었기 때문에, 신뢰성이나, 전반적인 엔진 구성부품들의 내구성이나 재료들이 좋았던 것 입니다.
롤스로이스 Nene의 원조인 Derwent 엔진.
이 엔진. 1단의 원심식압축기, 9개의 연소실, 역시 1단의 배기터빈으로 구성된 동시대 모든 제트엔진의 원조.
Nene 엔진이 각광을 받게된 것은 신뢰성이 좋았기 때문이지 최신기술이나 소형화와 같은 다른 기술적인면 에서의 우수성은 아니었습니다.
독일의 Jumo 004엔진이 15~60시간이라는 극악의 수명을 자랑하게된 가장 큰 원인은 바로 연소실과 배기터빈. 그리고 엔진제어부 였던것으로 알려져 있는데, 전쟁중. 그것도 전황이 불리하게 돌아가면서 연일 계속되는 폭격과 전반적인 자원의 고갈. 특수금속등의 재료의 조달이 어려웠다는점.
특히 플스로틀시 의도했던것보다 훨씬 많은 연료가 공급됨으로서 야기되는 엔진의 트러블은 채 수정하지도 못한태로 실전에 투입되는등,. 불리한 전황속에서 미처 완성되지 못한 엔진을 장착해서 실전에 밀어넣을 수 밖에 없었던 급박함도 한몫했겠죠.
소련판 Nene엔진이 장착된 미그전투기
영국 롤스로이스의 Nene엔진을 라이선스+카피해서 개량한 소련의 VK-1이 25시간마다 오버홀을 해야했다는점. 좋은 여건과 재료를 가지고도 독일의 엔진에 비해 고작 10시간 정도 더 굴릴수 있었다는 점에서 사실상 큰 잇점은 아니었던것.
즉, 독일의 제트엔진 기술이 현저하게 떨어지는건 분명하게 아니었던것이죠.
초기 미국의 엔진들 역시 고만고만한 수명을 가지고 있었다는점. 게다가 미국의 개발여건은 독일과 비교할수 없을정도로 좋았다는점등을 감안해보면 독일 엔진의 성능이 평타 이상은 쳤다고 보는 것이 맞다는 겁니다..
1943년 Jumo 004B의 오버홀주기가 50시간에 전체수명 100시간정도를 가지는데, Nene엔진(미그-15와 F-86의 바로 그엔진 원조)의 오리지널인 Derwent의 수명이 100시간에 도달한게 1949년 이었으니까요.
오히려, 소련에서 개량해서 만든 VK-1보다도 수명은 더 길었던것으로 봄이 타당하고,
만약, 독일 개발자들에게 몰리브덴, 니켈 코발트와 같은 내열합금을 제작하는데 필요한 재료들이 제대로 공급되었다면, 강철(탄소강)에 알미늄 합금을 코팅하는등의 막장삽질 없이도 충분히 신뢰성있는 엔진을 만들어 낼 수 있었을 겁니다.
사실상 Jumo004나 BMW003이 채용한 측류식 압축방식을, 현시대의 제트엔진들도 어김없이 사용하고 있는것을 보면, 영국의 Nene엔진이 신뢰성이나 성능은 좋았어도 기술적인 수준에서는 뒤져있었다고봐도 좋다는 주장도 있습니다.
전쟁말기. 연일 계속되는 연합군의 폭탄세례. 이렇게 막장으로가는 상황에서, 알미늄 코팅도 제대로못한 그냥 강철제 연소실이 달린 Jumo004가 그나마 설계시간기준 절반정도의 수명을 가진건 기적이나 다름없다고 보입니다.
처음에 소련애들이 BMW003 / Jumo004엔진을 가져다가 카피할때 삽질하고 애먹은건, 특수강으로 만들어야할 연소실부터가 그냥 강철(탄소강)인데 그걸 똑같이 만든다고해서 거기서 뭘 배우겠습니까.. ㅎㅎ
기초지식이 없는 상태에서 잘못된(?) 교보재를 가져다놓고 삽질만 반복하던 소련에게, 걸작 Derwent의 개량형인 Nene엔진을 던져준 영국 좌파정부가 얼마나 ㅄ짓을 한것인지는 조금만 상상해봐도 충분한 겁니다.
아무튼';; 영국의 제트엔진은 소련만 좋을일 시킨 것은 아니어서 미국에도 큰 선물이되었는데요.
미국 최초의 제트엔진은 제너럴일렉트릭(GE)의 I-16이라고 할 수 있는데,
(I-16 엔진은, 미군이 제트엔진의 명명법을 표준화하면서 J-31로 바뀝니다)
이 엔진은 영국의 Power Jet W.2의 설계를 얻어와서 자체개발을 시도함으로서 시작었습니다. (또 영국이죠?? ㅎㅎ) Power Jet W.2 기본적으로 원심압축기방식의 터보제트엔진이고, 10개의 연소실 깡통을 가지고 있습니다.
J-31엔진의 원본인 영국의 Power Jet W.2는 W.1을 개량한것인데, 프랭크 휘틀이 개념을잡고 시연하는데 상공한 터보제트엔진의 원조격 이라고 할 수 있을 것 입니다.
1932년 프랭크휘틀의 W.1 엔진
GE의 엔진은 사실상 이렇게 시작 되었고, 플랫앤휘트니는 롤스로이스의 Nene엔진을 받아다 J-42엔진이되고, 엔진을 개량. 에프터버너가 장착된 J-48로 만들어서
GE와 함께 미국 제트엔진의 양대산맥. 세계 제트엔진의 3대장으로 군림하게되지요. 이후 플랫핸휘트니의 발전은 아시는 그대롭니다.
플랫엔휘트니의 J58엔진이 사용된 SR-71
플랫앤휘트니의 F135 엔진이 들어간 F35
역시 플랫앤휘트니의 F119 엔진이 들어간 F35
결국 현재의 세계제트엔진시장을 3등분하고있는 롤스로이스, GE,플랫앤휘트니는 결국 뿌리가 영국 롤스로이스라는 것.
이게 좀 논란이되고 애매한 것이... 영국의 프랭크 휘틀의 제트엔진과 독일의 한스 폰 오하인의 엔진이 비슷한 시기에(1936년경) 개발이 되고 실물로 제작 된 건 독일이 빨랐 습니다.
그래서 2차대전 이 후 영국과 독일이 소위 원조 논쟁이 붙게 되는데... 두 주장이 팽팽하게 맞서다가
최근에는 두 나라 모두 원조로 인정하는 분위기 입니다. 그 원인으로 공기 압축방식이 다르고 구조 또한 완전히 다르다는 이유를 들었습니다. 두 나라가 독자적으로 개발을 완료 했다는 판단인것 같습니다. 작년인가 NGC(National Geographic) 다큐에서도 두 나라를 모두 원조로 인정하더군요.
제가 알기론 제트엔진 개발 자체는 영국이 빨랐고 실제 비행기로 구현한 건 독일이 빨랐던 걸로 알고 있음..뭐 독일은 전쟁 막바지에 뭐라도 해보자는 식이었을테고, 영국은 미국의 참전 이후 (RR 멀린엔진 달고 하늘을 지배하고 다닌 P51 머스탱 덕택에?) 이미 전쟁 다 끝나가는 마당에 굳이 제트기를 만들어 투입할 필요가 없었겠죠. 위에도 나와있지만 휘틀의 엔진은 1932년도이군요.
(방식을 떠난 '최초의 제트엔진'이란 측면에서 보면, 위 사진의 실물 시연을 보인, 영국의 프랭크 휘틀이 독일의 한스 폰 오하인보다 4년이 빠르죠)
영국과 독일이 엔진을 개발에 영향을 준 최초의 제트엔진을 만든 사람이 있었고
독일은 제트엔진을 탑재한 전투기를 1939년인가에 개발에 성공합니다.
히틀러와 괴링은 그 당시 bf109에 대단히 만족을 하고 있었고 영국을 치기위해 전투기 보다 빠른 폭격기의 개발을 지시합니다. 전쟁막바지에 뭐라도 해보자는 식이 아니라 항공기술자들이 꾸준히 개발하였으나 수뇌부의 판단미스와 그당시의 기술로는 제대로 구현 할수없는 축류식엔진에 필요한 합금기술등이 발목을 잡은걸로 알고 있습니다.
작성일 : 18-02-23 09:37
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