제트엔진 발명기

2012 포스팅 자료실 2011.12.31 02:41
**프랭크 휘틀의 원심식 제트엔진 발명기**


한평생 비행기의 심장을 연구하셨던 영국의 프랭크 휘틀의 원심식 제트엔진 발명기 입니다.
비록 독일의 축류식 제트엔진에 이기진 못했지만 비행기 역사에 한 획을 그으신 분입니다.

프랭크 휘틀은 영국 왕립 공군 사관학교 생도 시절 가스터빈 엔진을 항공기 추진에 사용할 것을 주장하는 논문을 썼다. 그는 지상 설치형 터빈 엔진의 산업적 이용이 진전되고 있는 것을 알고 엔진의 무게를 충분히 가볍게 할 수 있다면, 비행시 유입공기의 램 효과로 인해 효과적인 항공기 동력 장치가 될 만큼 충분한 동력을 제공할 것이라고 생각했다. 1930년대에 그는 그의 원 논문의 아이디어에 기초하여 최초의 터보 제트 항공기 엔진의 특허를 받았다. 그의 엔진은 터빈 바퀴로 구동하는 Moss 박사의 것과 유사한 압축기 임펠러를 사용하였다.

30년대 초기에 휘틀은 왕립 공군에서 정규 장교로 봉직하면서 왕복엔진 항공기의 설계기술자와 시험조종사를 맡았다. 왕복엔진은 그 당시 급속도로 발전하는 단계였고 휘틀은 "고도와 최고속도의 명백한 한계성" 이라고 언급한 것에 대해 만족하지 못했었다. 1930년과 1935년 사이에 휘틀은 모든 지원 수입이 고갈되어갔다. 그의 터보 제트 엔진 제작에 필요한 정부 또는 개별 지원을 충분히 얻어내지 못하였다. 투자상의 의견으로는 그의 엔진이 비행에는 적합하지만 사업으로서는 비실용적이라는 생각이 만연했었다. 그는 실망하여 그의 특허를 갱신조차 하지 않고 그의 아이디어를 제쳐 놓았다. 그러나 1936년에 유럽의 군사증강과 정치 불안으로 인해 그의 친구들은 개인회사를 설립하여 그에게 시제품 엔진 개발을 시작하도록 독려하였다. 이러한 제안으로 그는 전적으로 개인 자금을 지원받아 Power Jets, Ltd. 를 설립하기에 이르렀다.

Power Jets 사에 의해 개발된 엔진은 순수한 반작용 터보 제트였다. 즉, 엔진의 총추력은 추진 노즐에서 나오는 뜨거운 기체 유출에 대한 반작용으로 부터 나오는 것이었다. 그 엔진은 임펠러 형식 압축기, 다수의 캔 연소실 및 일단 터빈 휠로 되어 있다. 오늘날 가스터빈 엔진은 이 설계로부터 명칭을 따 냈으며, 이 엔진은 가스의 흐름이 압축기 임펠러에 부착되어 있는 터빈 휠을 구동시켜서 압축기 임펠러를 구동시킨다.


1937년에 휘틀의 시제품 엔진은 시험대에서 성공적으로 시운전을 한 최초의 항공용 가스터빈 엔진이었다. 이 엔진은 시험대에서 약 3,000축 마력을 출력하였다. (그 당시에 이와 유사한 엔진을 개발했던 독일인은 휘틀의 발전단계에 미치지 못했다.)

휘틀은 1953년에 그의 저서 '제트 개척자의 이야기'를 출판했는데 그가 극복하기에 가장 커다란 장애요인은 연소실과 터빈 부분에 필요한 고온에 견기는 고강도 금속을 구하는 것이었다. 휘틀은 3년이나 걸려 시험을 되풀이하여 비행을 완전하게 할 수 있는 연소실을 처음으로 제작하였다. 그것은 10개의 분리된 연소실이었다.

1941년 5월, Whittle W-1은 글로스터 항공사에서 새롭게 준비한 Model E 28/39에 장착하였다. 그 항공기는 순조롭게 설계속도 180m/s로 최초의 시험비행을 했다. 이와 유사한 설계이지만 추력이 좀더 나아진 W-2 엔진 개발이 즉시 착수되었다. 이 엔진은 1943년에 Meteor 라고 불리우는 쌍발 항공기에 동력장치로 사용되었다. 나중에 Meteor 항공기는 제2차 세계대전의 유일한 제트 대 제트 대결인 독일의 V1 펄스제트 부즈 폭탄과 성공적으로 교전하였다. 휘틀은 그의 엔진 생산에 종사하면서도 여러 가지 다른 엔진 형식에 대한 실험 연구를 하였다. 1936년에 그는 최초로 터보 팬 엔진의 특허를 냈고 가스터빈을 사용하여 프로펠러를 구동하는 제안을 발표했으며 축류 압축기가 있는 기본적인 초음속 비행엔진을 개발하였다.

1945년에 휘틀은 가스터빈 엔진의 잠재력에 대한 그의 심오한 이해를 나중에 보여주리라고 기록하고 있다. 거기서 그는 다음과 같이 말하고 있다. "항공기의 가스터빈은 의심의 여지없이 정착될 것이다. 나는 수년 내에 그것이 경비행기를 제외한 모든 항공기에서 왕복엔진을 대체하게 되리라고 예상한다. 현재 사용하고 있는 것보다 훨씬 큰 고출력에서 보다는 저출력용의 설계가 더 어렵기 때문에 경항공기에 대해서는 유보하기로 한다. 그러나 가스터빈은 경항공기 분야에도 침투할 가능성은 있다."

"고속에서와 적정 거리에서는 터보 제트가 적합하지만 저속과 원거리에는 프로펠러를 구동하는 가스터빈이 사용될 것이다. 나는 개인적으로 적정 속도에서 덕트가 있는 팬을 구동하는 데 가스터빈을 사용하는 강력한 경우가 있다고 생각한다. 연료 소모면에서 보면 강력한 주장을 할 수는 없지만 터빈 프로펠러 결합(터보 프롭)과 비교해 볼 때 소음이 적고 진동이 없다는 면에서는 중요한 이점이 있다. 더욱이 민간 항공기에 있어서 눈에 보이는 회전을 제거하는 것은 심리적으로 상당한 요소가 될 수 있다."

"가스터빈 고유의 속도 가능성은 세계의 비행속도 기록에 따르면 270m/s 이상으로 명백하게 나와 있다. 그보다 훨씬 더 높은 속도도 가까운 장래에 분명히 달성될 것이다. 동력장치에는 속도 제한은 없다. 사실 속도가 높으면 높을수록 효율성과 출력은 더 커진다. 그러므로 더 높은 속도의 달성여부는 터빈 설계자 보다는 항공기 설계자에게 더욱 달려있다. 나는 항공역학적 발전으로 초음속 달성이 가능하게 되는데는 그리 오래 기다리지 않아도 되리라고 생각한다."

"원거리가 고속도와 조화되려면 높은 고도 비행이 필요하다. 그러므로 객식 여압 개발이 대단히 중요하다. 머지 않아 가스터빈, 항공기, 객실여압의 개발과 더불어 무선 및 레이더 항법 지원을 받아 약 12000m 고도에서 약 220m/s 속도로 장거리 운항하는 여객기를 보게 될 것이다."

"항공기 가스터빈의 발전은 설계자들의 관점에서 상당히 중요한 변화를 필요로 한다. 그래서 엔진과 항공기는 실상 서로 독자적으로

개발해 왔으나 가스터빈 동력 항공기는 이러한 절차로 이루어지지 않는다. 터빈의 성능은 항공기 내의 장착에 매우 의존적이며 장착은 항공기 항력특성에 대단히 영향을 미친다. 동력장치와 항공기 구조는 각각이 서로에 꼭 맞게 만들어져야 한다. 가스터빈에 필요한 개발시기가 짧기 때문에 이 절차는 따르기 쉬워야 하는데 엔진의 성질상 어떠한 성공적인 기본 설계라도 새로운 개발 고충문제를 도입하지 않고도 상하 조정이 가능하기 때문에 특히 더 그렇다. 정말로 이것은 대단히 중요한 특성이다."

"우리는 여전히 이 공학 분야의 초기에 있으며 우리 앞에는 무한한 가능성이 있다. 왕복엔진으로 가능한 변화는 압축, 연소 및 팽창행정이 같은 기관 즉 실린더에서 일어난다는 사실로도 한계가 있다. 우리는 축류 압축기, 원심식 압축기 또는 이들의 결합으로 압축행정을 수행할 수 있다. 연소실은 여러 형태 중에서 한 가지를 취할 수 있고 터빈에서는 많은 변화가 가능하다. 주 구성품 배열, 결합에도 다양한 방법이 있고 또 덕트가 있는 팬, 열교환기, 후기연소 및 다른 개발품을 사용해도 될 가능성이 있다."

"현재까지 항공기 가스터빈 개발에 두 노선이 명백해졌는데 원심식 압축기 이거나 축류식 압축기의 사용으로 특징지을 수 있다. 나는 자주 궁극적으로 어느 것이 우세하게 될지 질문을 받는다. 나의 견해는 둘다 각각의 분야라는 것과 둘이 결합되는 여러 형태가 있을 것이라는 것이다."

"대부분의 사람들은 터보 제트가 연료소모율이 높다고 한다. 터보 제트가 연료를 많이 사용하는 것은 사실이지만 그것은 많은 출력을 내기 때문이다. 사실 약 270m/s 속도에서 추력마력에 대한 연료소모는 같은 속도에서의 피스톤 엔진과 프로펠러 결합형에 대한 연료소모보다는 적다. 그러나 훨씬 낮은 속도에서 터보 제트는 연료소모 면에서는 정통적인 동력장치에 비해 불리하지만 가스터빈/프로펠러 결합형(터보 프롭)은 그렇지 않다. 가스터빈이 사용되는 어떤 형태이든지 간에 동력장치의 중량이 매우 낮다는 것은 중요한 보상요인이 된다. 복합엔진 즉 왕복엔진과 터빈의 결합형에서는 연료소모의 적음이 중량증가, 복잡성, 오랜 개발시간 및 장착의 어려움 등을 충분히 보상하는지 여부는 의문스럽다. "

휘틀은 그의 엔진 만큼 가스터빈 산업에서 개인적인 성공과 인정을 받지 못했다. 전쟁기간(1935~1945) 동안에 정부는 그의 특허권에 대해 더 많은 통제를 가해서 많은 제조업자들에게 나누어 주고 휘틀의 몫을 감소시켰다. 1948년에 공군준장으로 퇴역하기 전에 그는 더이상 가스터빈 엔진 분야에서 일하지 않았다. 그의 퇴역직후 정부의 몇몇 인사들은 그가 전쟁성과와 항공의 미래에 대한 기여도를 깨닫게 되었다. 그래서 그는 기사(Knight) 칭호를 받아 Frank Whittle sir (프랭크 휘틀 경)이 되었고, 수년에 걸쳐 프랭크 경은 사적인 산업고문으로 활발하게 활동해 왔으며 가스터빈 엔진 영역에서 고문이자 저자로 활약했다.


다음은 휘틀에 대한 동영상입니다.




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