이 때 풍선은 입구 방향으로 힘을 주게 되는데, 이것이 작용이다. 풍선 입구에서는 반대 방향의 힘이 반작용을 하면서 풍선은 공기가 나오는 입구 반대 방향으로 나아갈 수 있는 힘을 받는다.
제트기 역시 마찬가지 원리로 날게 된다. 자료제공: 한국항공우주연구원 카리스쿨
제트기는 제트엔진을 사용해 하늘을 나는 비행기를 말한다. 또 제트엔진이란 기체나 액체 등의 유체를 매우 빠르게 뒤로 뿜어냄으로써 이때 발생하는 반작용의 힘으로 나아가는 기관을 말한다.
제트기는 프로펠러가 달려있지도 않고 헬리콥터처럼 커다란 로터가 돌아가지도 않는다. 하지만 제트기는 아주 빠른 속도로 날아간다. 제트기는 어떻게 빠르게 날 수 있을까.
작용과 반작용의 법칙
이 같은 제트기의 비밀은 물리학에서 찾을 수 있다. 뉴턴은 물리학을 모르는 사람에게도 익숙한 과학자다. 사과나무의 사과가 떨어지는 것을 보면서 뉴턴이 만유인력의 원리를 알았다는 이야기는 아주 유명하다.
그런데 사과가 바닥으로 떨어지는 과정에는 만유인력 외에도 사과와 지구 사이에 ‘작용과 반작용’이란 뉴턴의 제3법칙이 숨어 있다.
뉴턴이 명명한 3가지 법칙은 물리학에서 가장 유명하다. 움직이는 물체가 계속 움직이려고 하고, 서있는 물체는 계속 서 있으려고 한다는 관성의 법칙이 뉴턴의 제1법칙이다.
물체에 작용하는 힘은 물체의 질량과 속도가 빨라지는 것(가속도)을 곱한 값이라는 가속도의 법칙은 제2법칙. 그리고 어떤 물체에 힘이 작용하면 힘을 주고 있는 물체는 그것과 같은 크기의 힘을 반대 방향으로 받게 된다는 작용과 반작용의 법칙이 제3법칙이다.
사과가 떨어지는 현상은 지구가 사과를 잡아당기기 때문인데, 이때 사과도 같은 크기의 힘으로 지구를 잡아당긴다. 다만 지구의 질량이 사과의 질량에 비해 너무 커 사과가 움직이는 모습만 관찰할 수 있다. 이 때문에 우리는 사과가 떨어진다고 말한다.
제트기를 움직이는 원리는 사과와 지구가 서로 당기는 현상을 설명하는 작용과 반작용의 법칙에서 찾을 수 있다. 사과가 떨어지는 것을 보며 만유인력을 발견한 뉴턴의 세 가지 물리법칙 중 바로 제3법칙인 작용과 반작용의 법칙이다.
공기가 가득 든 풍선 입구를 막고 있다가 놓으면 풍선은 속에 들어 있는 공기를 밖으로 내뿜는다. 이때 풍선은 입구 방향으로 힘을 주게 되는데, 이것이 작용이다.
풍선 입구에서는 반대 방향의 힘이 반작용을 하면서 풍선은 공기가 나오는 입구 반대 방향으로 나아갈 수 있는 힘을 받는다.
제트기도 마찬가지다. 제트기가 움직일 때 뒤쪽을 향해 뜨거운 기체를 내뿜는다. 제트기는 기체를 내뿜는 반대 방향, 즉 앞쪽으로 나아가는 힘을 받는다.
제트엔진의 구조
그렇다면 제트기는 앞으로 나가기 위해 어떻게 기체를 뒤로 뿜는 것일까. 제트기를 움직이는 제트엔진의 구조를 살펴보자.
제트엔진은 제트기를 빠른 속도로 움직일 수 있도록 해주는 강력한 힘을 발생하는 장치다. 제트엔진은 4행정 기관으로 에너지를 발생하는 방법은 흡입, 압축, 폭발, 배기로 이루어져 있다.
제트엔진의 앞부분에 있는 팬은 공기를 빨아들이고, 압축기는 빨아들인 공기를 모아 압력을 높인다. 압축기는 날개가 많이 달린 여러 개의 팬으로 이루어져 있으며, 이 날개가 돌아가면서 공기를 계속 빨아들여 공기를 압축한다.
엔진은 압축으로 인해 온도와 에너지가 높아진 공기를 연료와 함께 연소기 쪽으로 뿜어낸다. 그러면 연소기에서 연료에 불이 붙으면서 강한 힘으로 폭발하게 되고, 폭발에 의해 연소기 내 기체는 노즐을 통해 엔진의 뒷부분으로 빠져 나간다.
노즐은 제트엔진의 배기구로 여기서 기체가 고속으로 빠져 나가면서 제트기의 추력을 발생시킨다. 즉 폭발로 인해 강한 힘을 가지게 된 기체가 뒤로 내뿜어 지면서 제트기는 그 반작용을 추진력으로 앞으로 나간다.
요즘 비행기에서 주로 사용하는 터보팬엔진의 경우 뒤로 뿜어내는 기체가 연소기 뒤쪽에 설치된 터빈을 통과하도록 설계돼 있다. 터빈은 주로 회전운동을 하면서 유체가 가지는 에너지를 움직임으로 변환하는 기계를 말한다.
연소기를 통과한 뜨거운 기체가 터빈을 통과하면서 터빈의 축을 돌리면 압축기의 축과 터빈의 축이 연결돼 있어 압축기도 함께 돌릴 수 있다. 이렇게 하면 보다 적은 연료로 압축기를 작동할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
제트엔진은 피스톤엔진에 비해 더 가볍고 간단한 구조로 설계돼 있으며, 엔진이 더 효율적이고 강한 힘을 발생시킬 수 있다.
헬기와 제트기, 그리고 로켓의 차이
장착된 엔진이 피스톤엔진인지, 또는 제트엔진 인지에 관계없이 장착된 엔진에 의해 프로펠러를 회전시켜 추력을 얻는 비행기를 프로펠러기라고 부른다. 따라서 앞쪽의 공기를 뒤로 뿜어내 비행한다는 측면에서는 프로펠러기와 제트기의 작동원리는 거의 차이가 없다고 보면 된다.
하지만 헬기와 제트기는 비행 방식이 근본적으로 다르다. 헬기는 회전하는 프로펠러인 로터를 주요 동력으로 양력을 발생시킨다.
헬기의 로터는 유선형으로 만들어져 있다. 공기가 로터 부근을 지날 때 공기 간에 속도 차이가 생긴다. 공기의 속도 차이는 압력의 차이를 만든다. 헬리콥터는 로터 위쪽의 압력이 낮아지고, 아래쪽의 압력이 높아져 위로 떠오른다.
헬기를 포함해 프로펠러를 사용하는 비행기는 저속, 저고도에서 성능이 뛰어나다는 장점이 있지만 비행 속도가 음속에 도달하면 프로펠러에 충격파가 발생해 효율이 급격하게 떨어지는 단점이 있다.
터보팬 엔진의 경우 뒤로 뿜어내는 기체가 연소기 뒤쪽의 터빈을 통과하도록 설계돼 있다. 터빈은 회전운동을 하면서 유체 에너지를 움직임으로 변환시킨다.
이것은 회전하고 있는 물체의 회전 속도의 경우 축으로부터 회전 점까지의 거리에 비례한다는 원리를 알면 쉽게 이해할 수 있다.
헬기 역시 회전체의 바깥쪽으로 갈수록 해당 부분의 회전 속도는 점점 빨라진다. 로터의 중심 부분에서는 회전 속도가 비행 속도보다 느린 지역이 생겨나 역류현상이 발생된다.
반대로 로터의 끝부분은 음속보다 더 빠른 부분이 생겨나 충격파가 발생하기도 한다. 결국 로터의 회전 속도가 증가할수록 더 큰 저항력이 발생돼 비행 속도를 높이는 데 제한 요소가 된다.
헬리콥터와 제트기의 차이점은 위에서 설명했다. 그렇다면 제트기와 로켓의 차이는 무엇일까.
제트기와 로켓의 차이점은 외부의 공기사용 유무에 있다. 연료를 연소시킬 때 제트엔진은 외부의 공기와 함께 폭발을 시키기 때문에 외부의 공기를 빨아들일 필요가 있다.
하지만 로켓엔진은 자체적으로 가지고 있는 액체 산소와 연료를 사용해 폭발을 일으키기 때문에 우주와 같이 공기가 없는 곳에서도 사용이 가능하다.
제트엔진의 종류
제트엔진의 종류는 터보제트(turbojet)엔진, 터보프롭(turboprop)엔진, 터보팬(turbofan)엔진, 램제트(Ramjet)엔진이 있다.
터보제트엔진은 엔진 앞부분에서 빨아들인 공기를 처음 압력에 비해 압축기에서 3배에서 12배 정도 압축하고, 압축된 공기는 연료와 섞여 연소실에서 연소된다.
연소돼 뜨거워진 기체는 터빈을 통과하면서 다시 터빈과 축으로 연결돼 있는 압축기를 돌리게 된다. 연소된 기체는 노즐(배기구)을 통과하면서 높은 속도의 가스 압력을 만들어내고 이때 생긴 반작용으로 추력을 발생시킨다. 통상 터보제트엔진은 고속에서 훨씬 높은 효율을 발생한다.
제트엔진의 앞쪽에 프로펠러를 달아놓은 것을 터보프롭엔진이라고 부른다. 터보프롭엔진은 작동원리 측면에서 터보제트엔진과 같다.
연소실에 공기가 들어오면 연료와 섞여 연소되고 그 공기가 뒤로 빠져나가면서 터빈을 돌린다. 이때 뜨거운 공기가 터빈과 압축기뿐만 아니라 함께 연결된 앞쪽의 프로펠러도 돌린다.
시속 800km 이하로 비행하는 소형 비행기나 수송기는 터보프롭엔진을 사용하며, 터보제트 엔진보다 더 높은 효율의 추진력을 발생시킨다.
터보팬엔진은 앞부분에 커다란 팬을 가지고 있어 이 팬이 다량의 공기를 빨아들인다. 터보제트엔진은 빨아들인 모든 공기가 엔진의 연소실을 통과하는 반면 터보팬엔진에서는 들어온 공기의 일부분만 연소실로 들어가고 나머지는 엔진을 그대로 통과한다.
이런 특징을 바이패스라고 부르며, 고속이지만 차가운 상태의 공기 그대로 엔진의 뒷부분으로 배출된다. 이렇게 하면 연소실로 들어온 적은 양의 공기만을 연소시키면 되기 때문에 연료를 절약할 수 있다.
대부분의 공기가 엔진 바깥으로 흐르기 때문에 상대적으로 조용하고 낮은 속도에서 더 큰 추력을 얻을 수 있다. 요즘 사용하는 대부분의 제트기는 터보팬엔진을 사용한다.
제트기가 빠른 속도로 움직이면 공기가 엔진에 들어오는 속도 역시 빨라지면서 압축기가 없어도 엔진의 공기 압력이 높아진다. 이 원리를 이용해 터보엔진에 있는 압축기와 터빈을 없애고 가장 간단하면서도 가벼운 엔진으로 만든 것이 램제트엔진이다.
간단한 구조와 가벼운 무게를 가진 덕에 초음속 비행에 적합하다. 하지만 공기 압축이 필요 없을 정도의 높은 속도에 도달하려면 다른 엔진의 도움이 필요하다는 단점이 있다.
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