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| 프랫 & 휘트니 J58 / JT11D-20 |
1. 개요
인류 최초로 실용 속도 마하 3 및 3만 파운드 추력을 달성한 군용 엔진
Pratt & Whitey J58 (Pratt & Whitney JT11D), 1958년 개발되었다.
위 사진은 J58의 터보 컴프레서부터 터보제트 연소실까지만을 전시한 것이다. 쇼크 콘 인테이크 등 J58의 특징적인 부분은 모두 제거되어 있다.[1]
2. 역사
본래 미국 해군의 요청으로 만들어진 것이었고, 1958년 개발된 후 제식명 'J58'을 받았다.제식화 이후 F-106의 개량형에 장착될 예정이었으나 취소되었다.
이후 1965년에는 SR-71에 채용되었고, SR-71은 세계에서 가장 빠른 비행기가 되었다.
3. 동작[2]
엔진에 흡입된 공기는 9단의 압축기를 거쳐 연소실로 공급되며, 이 때 압축기는 터보제트 방식으로 동작한다. 고속 비행시 추기 밸브[3]를 통해 4단계 압축기에서 일부 공기가 유입되며, 바이패스 덕트를 통과해 애프터버너 연소용으로 쓰인다. 왜 추기 밸브를 두는가 하면, 최고속도 비행 시 압축기 후방이 진공 상태가 되어 공기 흐름이 제한되고, 압축기 전방은 그에 따라 공기를 많이 빨아들이지 못하여 비행기가 실속으로 추락할 수 있는, 유량 실속 현상 때문이라고 한다. 여기서 그치지 않고 마하 2.5 이상의 극초음속에 이르면 쇼크 콘 인테이크가 후퇴하면서 터보 컴프레서를 우회해서 애프터버너로 직접 공기를 보내는데, 이 때는 애프터버너가 램제트 연소실 역할을 한다. 마하 3.2에 도달하면 쇼크 콘 인테이크가 최대로 후퇴해 터보 컴프레서를 완전히 닫고 램제트 엔진으로 전환된다. 이런 특이한 구조로 인해 J58은 터보램제트 엔진으로 불리는데, 터보제트와 램제트 두 가지 모드를 전환하며 운용할 수 있는 엔진이기 때문이다.
3.1. 공기 흐름 제어 디자인
그림은 J58 엔진에서 공기의 흐름을 나타낸 것이다.
밑의 설명이 복잡하다고 생각되면 이 영상 하나면 충분하다. 영어를 몰라도 각 단계에서 엔진의 움직임과 공기 흐름을 볼 수 있다.
아무래도 램제트 엔진이 구조로 들어간 만큼, 공기의 흐름을 제어하기 위해 여러가지 요소가 쓰였는데 다음과 같다.
- 쇼크 콘 - 엔진 제일 앞(사진상 왼쪽), 인테이크 중앙에 있는 고깔 모양의 장치. 인테이크에 들어오는 공기의 속도가 초음속에 가까워지면, 더 이상 터보 컴프레서를 통한 공기 압축이 불가능해진다. 쇼크콘 인테이크는 이 때 음속의 벽을 만들어서 공기를 압축한다. 터보컴프레서가 아닌 인테이크에 들어오는 공기 자체의 속도를 이용해 공기를 압축하기 때문에 터보제트가 아닌 램제트 엔진인 것이다. 한편 J58의 쇼크 콘 인테이크는 터보제트 모드를 램제트 모드를 변환하는 역할도 하는데, 초음속에서는 쇼크 콘이 뒤로 후퇴하며 터보 컴프레서의 입구를 막고, 공기가 터보 컴프레서를 우회해서 터보제트의 애프터버너(램제트 모드에서는 연소실 역할을 한다)로 바로 들어가도록 한다. 마하 1.6를 돌파했을 때부터 후퇴하며 최고속도인 마하 3.2에서 가장 멀리 후퇴한다.
- 중앙 몸체 브리드 - 쇼크 콘에서 덕트 외부까지의 공기 흡입구로, 쇼크 콘 표면에서 마찰을 받아 속도 에너지를 잃은 공기가 엔진에 들어오는 것을 막는다.
- 쇼크 트랩 브리드 - 흡기 덕트 내부에서 발생하는 수직/경사 충격파를 흡수한다. 또한 냉각용 공기를 공급한다.
- 전방 바이패스 도어 - 시동 시에 열려 엔진이 흡입하는 공기량을 증가시킨다. 음속 돌파 시에는 닫히나, 초음속 돌파시 다시 열려 배압과 충격파의 위치를 제어한다. 이 때는 공기를 방출한다. 최고속도 도달 시 닫히지만, 필요에 따라 충격파 제어를 다시 할 수도 있다.
- 후방 바이패스 도어 - 흡기 덕트 끝에 위치하며 마하 2.5 돌파시 열려 공기가 과잉 공급되는 것을 막는다.
- 터시어리 도어 - 노즐과 애프터버너 사이에 위치하며 시동과 음속 비행 시 노즐에 공기를 공급한다. 초음속 돌파시 폐쇄된다.
- 이젝터 플랩 - 노즐의 마지막 부분에 있으며, 음속을 넘는 즉시 열리기 시작해 노즐의 팽창비를 속도와 고도에 따라 제어한다. 최고속도 도달시 완전히 전개.
4. 관련 문서
[1] 정확히는 쇼크 콘 인테이크 등은 J58의 특징이 아닌 J58을 탑재한 SR-71의 특징이다. 벤 리치는 회고록에서 대놓고 프랫&휘트니의 기술자들도 우수하고 엔진도 좋았지만 마하 3으로 비행하는데 필요한 추력의 대부분은 록히드의 공학자들이 설계한 에어인테이크 및 구조에 의한 것이라고 썼을 정도. 애초 에어 인테이크 역시 원래는 공기흐름 상태에 따라 압력에 의해 조절되는 형태로 설계했다가 응답속도가 충분치 않아 원래 하청과의 계약을 해지하고 다른 업체와 계약해서 전자식으로 완성하는 등 아래 설명될 SR-71 특유의 속도에 따른 변경 원리는 J58 자체와는 별 관련이 없다.[2] 앞서 언급했듯이 여기서 설명하는 부분은 J58 자체가 아닌 SR-71와의 조합에 대한 설명이다.[3] 일부 공기를 추출해내는 밸브.