항공기는 어떻게 나는걸까?(항공기에 작용하는 네가지 힘 - Thrust)(3)

항공기에 작용하는 네가지 힘 - Thrust

1. 목차
   1. Lift - 양력
   2. Weight - 중력
   3. Thrust - 추력
      1. 추력의 개념
      2. 엔진의 종류
      3. 프로펠러를 이용한 추력 원리
      4. 터빈엔진을 이용한 추력 원리
   4. Drag - 항력

      

      출처 : www.nasa.gov Bernoulli’s principle추력 - Thrust

2. 추력 - Thrust
1. 추력의 개념
   1. 양력을 다루면서 언급하였지만 양력을 발생시키기 위해서는 공기가 빠른 속도로 불어오거나 항공기가 빠른 속도로 움직여야 한다. 항공기가 정지해있는 상태에서 자연적인 바람의 속도만으로는 무거운 항공기를 띄울 만한 양력이 발생하지 않는다. 그렇기에 항공기에 엔진을 장착하고 항공기가 빠른 속도로 앞으로 나아갈 수 있게 만든다. 이때 항공기가 앞으로 움직이도록 하는 힘을 추력 - Thrust 라고 한다. 그러면 추력을 발생시키는 엔진에 대해 조금 이해해 보자.
3. 1. 엔진 종류
      1. 엔진은 크게 왕복 엔진과 터보 엔진으로 구분할 수 있다. 두 가지의 엔진의 큰 차이점인 이름에서 알 수 있다. 먼저 왕복 엔진부터 알아보자.
      2. 왕복 엔진은 이름에 포함되어 있듯이 4행정 왕복운동을 통해 프로펠러를 회전시켜 추력을 발생시킨다. 왕복 엔진에 대한 자세한 공부는 엔진에서 더 다루도록 하자.

         

         출처 : 조종사 국토부 표준교재 비행이론

      3. 터보 엔진은 터빈이라는 것이 장착되어 있어 압축기, 연소실을 지나 연소되어 뒤로 뿜어져 나오는 배기가스로 터빈을 회전시키고 터빈과 한 축으로 연결된 압축기가 회전하면서 추력을 계속 발생시키는 구조이다.

         

         출처 : 조종사 국토부 표준교재 비행이론

   2. 프로펠러를 이용한 추력
      1. 프로펠러는 주위에서 쉽게 찾을 수 있다. 대표적으로 선풍기이다. 선풍기에 장착된 모터가 선풍기 날개를 회전시키면서 선풍기 뒤쪽에 바람을 앞쪽으로 흐르게 한다. 이때, 선풍기 뒤쪽 바람이 앞쪽으로 흐르는 과정에 뉴턴의 작용-반작용 적용해 보자. 뒤쪽-> 앞쪽으로 흐르는 작용에 의해 반대 방향으로 반작용의 힘이 발생한다. 너무 작은 힘이라 눈으로 관찰할 수 없지만 선풍기는 뒤쪽으로 밀리는 힘을 계속 버티고 있는 것이다.

         

      2. 만약 선풍기 날개가 엄청 거대하고 엄청 빠른 속도로 회전하게 되면 엄청난 바람을 일으키게 되고 선풍기는 그 반작용의 힘들 버티지 못하고 뒤로 쓰러질 것이다. 이것을 항공기에 적용해 보자.

         

      3. 항공기에 장착된 왕복 엔진은 프로펠러를 엄청난 속도로 빠르게 회전시켜서 항공기 뒤로 공기를 흐르게 하고 그 힘의 반작용을 이용하여 앞으로 나아간다. 프로펠러에 의해 발생되어 학생조종사들을 힘들게 하는 Left Turning Tendency는 따로 포스트로 알아보도록 하자.
   3. 터보엔진을 이용한 추력
      1. 터보 엔진은 엔진 내부 구조에 따라 터보제트, 터보팬, 터보 프롭, 터보 샤프트로 나뉜다. 하지만 오늘은 대표적으로 민항기에서 많이 사용하는 터로 팬만 다루어보고 이후에 다시 다루도록 하자.

         

         출처 : 조종사 국토부 표준교재 비행이론

      2. 터보팬 엔진은 전방에서 순서대로 팬, 압축기, 연소실, 터빈 순으로 간다. 추력에 발생 원리에 초점을 맞추기 위해 자세한 설명보다는 간단하고 후려쳐서 알아보도록 하자. 그림 왼쪽이 전방이다. 먼저 전방에서 들어온 공기는 압축기로 팬을 거쳐 압축기로 들어간다. 압축기의 역할은 말 그대로 공기를 압축하는 역할을 담당한다. 공기를 압축을 하여 연소실로 보내는 이유는 더 많은 질량의 공기를 연소실로 보내기 위해서인데 운동량 공식 = mv(m : 질량, v : 속도)에서 질량을 크게 하여 운동량을 크게 하기 위함입니다.
      3. 다시 돌아와서, 압축된 공기는 연소실로 들어가게 되고 연료와 적절한 혼합비를 유지하며 연소가 되고 연소로 발생된 빠른 속도의 배기가스를 뒤로 뿜어서 그 힘으로 터빈을 돌리고 추력도 발생합니다. 터빈을 돌리는 이유는 터빈과 압축기는 하나 축으로 연결되어 있습니다. 다시 말해, 터빈을 돌리면 압축기도 같이 돌아가게 됩니다. 압축기를 돌려 다시 공기를 압축하며 연소실로 보내고 이 과정을 무한 반복하며 터빈엔진은 추력을 발생시킵니다.

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