제트 엔진은 연료를 한 번 태워서 앞으로 나아갑니다. 그렇다면 이미 탄 뜨거운 배기에 연료를 한 번 더 뿌리면 어떻게 될까요? 그 생각을 장치로 만든 것이 애프터버너(afterburner)입니다.
추력(thrust)은 꽤 늘어납니다. 그 대신 연료가 훨씬 많이 들고 노즐은 무겁고 복잡해집니다. 이 글은 NASA 글렌 연구센터의 교육 자료로 원리와 대가를 풀고, 1945년 미국 풍동에서 시작된 개발 흐름을 따라갑니다.
터빈 뒤에서 한 번 더
가장 단순한 가스 터빈 엔진인 터보제트(turbojet)부터 보겠습니다. 공기는 흡입구로 들어와 압축기에서 압력이 높아지고, 연소기에서 연료와 섞여 탑니다. 보통의 제트 엔진이라면 초당 공기 100 lb에 연료는 2 lb만 섞입니다.
뜨거운 기체는 터빈을 지나며 풍차 날개처럼 터빈을 돌리고, 터빈은 가운데 축으로 압축기를 돌립니다. 터빈이 배기에서 에너지를 조금 가져가도, 남은 에너지로 노즐에서 기체를 빠르게 내보낼 수 있습니다. 추력은 이렇게 기체를 뒤로 가속한 반작용으로 생기는 힘입니다.
애프터버너는 바로 이 터빈 뒤에 붙습니다. 터빈이 가져간 에너지를 일부 되돌리려고, 터빈을 지난 뜨거운 배기에 연료를 직접 뿌려 태웁니다. 기본 터보제트의 노즐을 길게 늘이고, 그 안에 화염 유지기(flame holder) 고리를 둡니다. 애프터버너를 켜면 이 고리 쪽으로 연료가 더 들어갑니다.
애프터버너를 끄면 엔진은 보통의 터보제트처럼 작동합니다. 필요할 때만 불을 붙이는 덧붙은 연소실인 셈입니다. 기계적으로 단순하게 추력을 늘리는 방법이라 터보제트와 터보팬 모두에 쓰입니다.
추력은 늘고 연료는 더 많이
뿌린 연료는 타면서 추력을 더하지만, 엔진 본래의 연소기에서만큼 효율적으로 타지는 않습니다. 추력은 늘어도 연료는 훨씬 많이 탑니다.
얼마나 많이일까요? 엔지니어는 이것을 추력 비연료 소비율(thrust specific fuel consumption, TSFC)로 잽니다. 엔진이 한 시간에 태운 연료의 질량을 그 엔진이 내는 추력으로 나눈 값입니다. 자동차의 연비와 비슷한 구실을 하지만, 실제로는 거리 대신 추력으로 나누고 숫자가 작을수록 연료를 아낀다는 점이 다릅니다.
비행기는 비행 내내 연료를 싣고 다녀야 합니다. 그래서 추력을 내는 데 드는 연료의 양이 추력 자체보다 더 중요할 때도 있습니다. 같은 추력을 내는 두 엔진이라면 TSFC가 낮은 쪽이 연료 효율이 좋습니다.
NASA 교육 자료는 숫자 예를 하나 듭니다. 추력 2,000 lb를 내던 터보제트가 애프터버너를 켜 3,000 lb를 낸다고 합시다. TSFC가 1.0 그대로라면 연료는 시간당 3,000 lb면 됩니다. 그러나 애프터버너를 단 터보제트의 대표 TSFC는 1.5여서 연료가 시간당 4,500 lb 듭니다.
켜기 전의 연료 유량을 같은 식으로 셈하면 시간당 2,000 lb입니다. 추력은 절반 늘었는데 연료는 두 배 넘게 드는 셈입니다. 이 숫자들은 교육용 예입니다. 터보제트 1.0과 터보팬 0.5라는 대표값도 해면에 정지한 상태의 값이고, 같은 엔진이라도 TSFC는 속도와 고도에 따라 달라집니다.
노즐이 넓어져야 하는 까닭
애프터버너를 켜면 배기의 온도가 오릅니다. 그러면 같은 질량의 기체를 내보내는 데 노즐의 흐름 면적이 더 넓어야 합니다.
그래서 애프터버너 노즐은 넓혔다 좁혔다 할 수 있는 가변 형상(variable geometry)으로 만들어야 합니다. 이런 노즐은 단순한 터보제트 노즐보다 무겁고 복잡합니다. 연료를 뿌리는 장치는 단순해도, 그 뒤를 받치는 노즐에는 무게와 복잡함이라는 값이 붙습니다.
누가 애프터버너를 쓰나
음속 가까이에서는 항력(drag)이 가파르게 커집니다. 한때 "소리 장벽"이 있다고 믿었던 까닭인데, 실제로는 공기의 압축성 효과로 음속 근처에서 항력이 오르는 현상이었습니다. 그래서 항공기는 마하수(Mach number) 1 근처에서 순항하지 않습니다. 전투기가 음속을 넘으려면 이 항력을 이겨야 하고, 그 추력을 얻는 단순한 방법이 애프터버너입니다.
여객기와 화물기는 비행 시간 대부분을 순항으로 보냅니다. 이런 비행기에는 엔진 효율과 적은 연료 소비가 더 중요합니다. 전투기나 실험용 고속기는 빨리 가속하고 고속의 큰 항력을 이겨야 해서, 엔진 효율보다 아주 큰 추력이 먼저입니다. 추력과 항력의 차이를 남는 추력(excess thrust)이라 부르는데, 이것이 클수록 빨리 가속합니다.
현대 전투기 대부분은 저바이패스 터보팬(low bypass turbofan)이나 터보제트에 애프터버너를 답니다. 저바이패스 터보팬은 기본 터보제트보다 연료 효율이 좋아서, 평소에는 효율적으로 순항하다가 공중전처럼 큰 추력이 필요할 때 애프터버너의 힘을 빌릴 수 있습니다. 비행기가 음속보다 훨씬 빨리 날아도 엔진에 들어가는 공기는 높은 효율을 위해 음속보다 느려야 합니다. 그래서 흡입구가 초음속의 공기를 늦춥니다.
여객기 쪽에도 예외가 하나 있습니다. NASA는 애프터버너가 전투기와 초음속 여객기 콩코드(Concorde) 같은 초음속 항공기에만 쓰인다고 적었습니다. 콩코드는 순항에 들어가면 애프터버너를 끕니다. 켜 둔 채로는 유럽에 닿기 전에 연료가 떨어지기 때문입니다.
고공 풍동에서 다듬어진 기술
미국에서 애프터버너는 높은 고도를 흉내 내는 풍동에서 다듬어졌습니다. NASA 글렌 연구센터의 역사 자료에 따르면, 1940년대 중반 미국 항공자문위원회(NACA) 연구자들은 제너럴 일렉트릭(GE)의 TG-180(J35) 엔진을 고공 풍동(Altitude Wind Tunnel, AWT)에서 거듭 시험했습니다. 1945년 초의 첫 시험 묶음에서 고공 조건으로는 처음 애프터버너에 불을 붙였습니다. 이 초기형의 성능은 미미했지만 개발은 빠르게 나아갔고, 애프터버너는 곧 대부분의 제트 엔진에서 표준이 됐습니다.
연구자들은 TG-180에 여러 화염 유지기와 연료 체계를 바꿔 달며 높은 고도에서의 연소를 크게 개선했습니다. 그 무렵 문서 목록에는 "꼬리관 연소기(tailpipe burner)"라는 이름도 보입니다. NASA는 이 풍동이 당시 제트 엔진에 남긴 가장 중요한 기여로 고공 재시동, 애프터버너와 가변 면적 노즐 같은 연구를 꼽습니다. 글렌 연구센터는 1950년대의 성과 가운데 하나로 안정된 애프터버닝의 개척을 듭니다.
애프터버너는 터보팬에도 붙었습니다. 스미스소니언 국립항공우주박물관의 기록에서 프랫 앤드 휘트니(Pratt & Whitney)의 TF30은 미국 첫 애프터버너 터보팬으로 소개됩니다. TF30 계열은 1965년 공식 군 인증 시험을 마쳤고 A-7, F-111, F-14A에 쓰였으며, 생산은 1986년에 멈췄습니다. F-15용 엔진 F100-PW-100은 박물관 기록의 형식 칸에 "터보팬, 애프터버너"로 적혀 있고, 1972년 7월 처음 날아 1974년 F-15A·B와 함께 배치됐습니다.
레이저와 맞닿는 점: 효율과 맞바꾼 힘
애프터버너는 효율을 내주고 힘을 얻는 장치입니다. 넣은 것에 견주어 얼마를 얻느냐는 물음은 레이저 무기에서도 그대로 나옵니다. 레이저에서는 넣은 전기 가운데 빛이 되는 몫이 전원과 냉각의 크기를 정하는데, 그 이야기는 전력과 효율 글에서 계산 예로 풀었습니다.
엔진의 TSFC와 레이저의 효율은 다른 숫자입니다. 그래도 큰 힘을 얻는 대가가 연료나 전기, 그리고 그것을 감당할 장비의 무게로 돌아온다는 점은 두 글에서 같이 보입니다.
다음에 읽을 글
- 터보팬 엔진: 전투기 엔진은 공기를 어떻게 밀어낼까: 애프터버너가 붙는 엔진 자체가 공기를 두 갈래로 나누는 방식을 봅니다.
- 램제트와 스크램제트: 팬이 없는 엔진은 어떻게 작동할까: 압축기 없이 비행 속도로 공기를 눌러 쓰는 엔진을 봅니다.
- 추력편향: 엔진이 방향을 바꾸면 무슨 일이 생길까: 엔진 배기를 꺾어 기체를 돌리는 원리를 봅니다.
- 전력과 효율: 전기가 빛이 되는 비율이 체계 크기를 정한다: 레이저 무기에서 효율이 체계 크기를 정하는 까닭을 봅니다.