1. Afterburner
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후연소기(後燃燒器)를 뜻하는 영어. 제트 엔진의 추진력 강화 요소이다.
최초 도입은 카프로니 캄피니 N.1에 이루어졌다. 다만 엔진이 펄스제트에 가까웠고, 2차 세계대전에선 나치 독일이 고고도 성능을 위해 융커스 유모 004에 애프터버너를 장착한 E형 엔진을 연구했지만, 그 당시 나치 독일의 무기들이 다 그렇듯이 전황이 크게 기운 상태라 양산은 커녕 테스트했다는 기록조차 없다. 그나마 1944년 후반 영국에서 롤스로이스가 글로스터 미티어에 파워 제트 W2/700 엔진을 지상 테스트했다는 기록이 있지만, 이쪽도 양산되지 못했다고 한다.
이후 제2차 세계 대전이 끝나고 소련과 미국이 새로운 세력으로 성장하게 될 무렵, 미 공군에선 큰 고민거리가 하나 있었는데, 어디선가 날아올 소련 폭격기를 요격시켜야만 한다는 것이었다. 물론 제트기가 차세대 전투기로서 뜨고 있었지만 초창기 제트기는 추력이 상당히 약해서 활주로가 길어야 했고, 그 당시 제트 엔진 특성상 가속이 붙어야 제성능을 내어 고속에 들어가는 시간이 걸렸다. 이러한 특성은 긴급하게 이륙해 고고도로 빠른 시간 안에 상승해 폭격기를 요격해야 하는 요격기 특성에 맞지 않았고 결국 프롭기인 F-82 트윈 머스탱을 배치할 정도였다.
한편 미 해군에서도 제트함재기 운용에 고민거리가 있었는데, 그 당시 짧은 항공모함의 갑판에서 제트기를 이륙시키는 것이 상당히 큰 문제였기 때문이다. 물론 캐터펄트가 있었지만, 바다 위에 장시간 채공해야 하는 함재기라는 특성에다가 초창기 제트 엔진의 시궁창 같은 연비 때문에 연료도 많이 실어야 해서 무겁고 덩치도 컸던데다가 가뜩이나 짧은 갑판에서 캐터펄트의 도움을 받아 이륙하려면 함재기의 최대 허용 중량보다 연료나 무장을 줄여야만 했다.
당연히 이러면 임무에 차질[1]이 생기는 건 당연하였다. 결국 WEP을 사용해 제트 엔진에 물을 분사해 이륙시에 잠시 동안이나마나 출력을 올리는 방식을 사용했었지만 물 자체의 무게가 있었고 이 방식에도 어느정도 한계가 있었다.
1947년에 NASA의 전신 NACA에서 테일 파이프 연소를 통한 터보제트의 추력 증가에 대한 이론적 조사라는 논문이 출판되었고 미 공군과 해군은 이 논문에 관심을 크게 갖는다. 제트 엔진에 애프터버너를 장착하면 비록 연료 소모량이 많다는 단점이 있지만, 공군 입장에선 빠르게 이륙하고 가속할 수 있어서, 제트 엔진의 약한 가속력을 해결하고 해군 입장에선 무장을 한 상태에서도 강한 추력을 내 짧은 갑판에서 이륙을 도와 줄 수 있을 것이라고 생각했기 때문이다.
1947년 해군의 F6U 파이렛에 기존에 약한 엔진 추력을 보안하기 위해 J34-WE-22엔진에 처음 장착되서 시험되었지만, 파이렛 자체가 똥망이라 버려졌었고 결국 해군 이외에 공군에서 야간/전천후 요격기들에 애프터버너가 본격적으로 장착되었다.
1948년에는 F-89 스콜피온이, 1949년에는 F-94 스타파이어와 F-86D 세이버 도그 같은 레이더를 장착한 요격기들이 애프터버너를 장비하고 성공적으로 초도 비행을 하였다. 애프터버너가 기존 제트 엔진의 문제점들을 해결하면서 요격에 필요한 빠른 가속력과 상승력에 도움이 되었지만 특히 이 요격기들은 복잡한 화기 관제 시스템에 그 당시 적기를 찾는데 특화된 최첨단 장비인 레이더를 탑재했는데 이것들이 워낙 무거운 물건[2][3]이었고, 특정 기체는 복잡한 레이더를 다룰 조작사까지 탐승해야 했기에 이런 무거운 것들을 장착하고 빠른 속도로 날아가 고고도로 상승하려면 애프터버너가 필수였었다.
앞서 파이렛 채용을 취소한 해군은 한동안 물분사를 이용한 WEP이 장착된 함재기를 쓰다가 애프터버너가 장착된 F7U 커틀러스를 채용하려고 했지만 이쪽도 기체가 워낙 결함이 많아서 주문이 취소되었고, 본격적인 사용은 1951년에 처음 비행한 애프터버너가 장착된 J48 엔진을 달은 F9F-6이였다고 한다.
한편 소련도 어디선가 날아올 미국 폭격기의 위협 때문에 1953년 MiG-17에 처음 도입했고, 영국은 1960년 BAC 라이트닝에 처음 도입하였다.
F-5에 설치되어서 유명해진 제너럴 일렉트릭 J85로 위쪽은 애프터버너가 없는 모델, 아래쪽은 있는 모델. 즉 애프터버너는 실제 엔진의 뒤쪽에 연결된 긴 파이프 같은 부분이다. 이 긴 부분은 애프터버너를 가동하지 않는 동안은 그냥 잉여... 무게도 무게지만 사실 애프터버너를 쓰지 않을 때는 이 부분에서 생기는 마찰저항 때문에 배기 가스의 속도가 줄어들다 보니 약간의 추력 손실도 있다. 대체로 전투기용 엔진이 가늘고 길어 보이는 것은 이 애프터버너 탓이다.
애프터버너는 엔진의 배기 가스에다 연료를 추가로 분사해서 한번 더 연소시킨다. 표면에 구멍들이 무수히 뚫려있어서 화염이 직접적으로 덕트에 닿지 않게 흐름을 만들도록 설계되어 있다. 그리고 엔진 코어 바로 뒤에는 플레임 홀더[4]와 인젝터, 이그나이터가 있다. 배기 가스가 뜨거우니 이그나이터가 필요 없다고 생각할 수 있지만 절대 그렇지 않다. 애프터버너 이그나이터는 가솔린 엔진의 이그나이터랑 비교도 못할 수준으로 스파크가 어마어마하게 크다. 덕트 내부가 환해질 정도.
이렇게 추가로 연소 과정을 거친 배기 가스는 연료가 더해졌기에 그 자체의 질량도 늘어났으며, 더 많은 연료를 태워서 온도와 압력도 늘어나 평소보다 훨씬 빠른 속도와 무거운 질량을 가지고 배기구를 나오게 된다.[5] 다만 그만큼 사용하는 연료의 양도 엄청나서 연비를 따져보면 일반적인 상태보다 심하게 떨어지며, 추력 대비 연비로 따져도 연비가 절반 이하로 뚝 떨어진다.[6] 기체에 따라 다르지만 최대 추력이 1.3~1.5배 수준으로 증가하는 대신 연료 소모 속도가 기본 100% 출력 상태 대비 2~5배 수준으로 크게 증가하게 된다. 애프터버너를 쓸 때 배기구 바깥까지 화염이 분사된다는 것부터가 열손실이 매우 크다는 것을 보여준다.
그러나 어차피 애프터버너를 쓰는 목적은 순간적으로 출력을 높이는 데 있기 때문에 가동 시의 연비는 중요한 문제가 아니다. 후술하겠지만 애프터버너는 항상 켜는 게 아니라 꼭 필요할 때만 잠깐잠깐 켜는 것이기 때문이다. 참고로 F-15 이글에 쓰이는 프랫 & 휘트니 F100의 경우 최대추력이 애프터버너 미 사용시에는 14,000~21,000파운드힘, 사용시에는 23,000~33,000파운드힘이다.
이것을 쓰면 배기구에서 마치 터보라이터 같은 화염이 뿜어져 나오는 것을 볼 수 있다.[7] 불꽃 속에서 단층이 여러 개 생기기도 하는데, 이 층은 마하 다이아몬드라고 부른다. 애프터버너를 켜지 않으면 제트 엔진을 뒤에서 봐도 그냥 시커멓게 보이는데, 1차 연소기가 배기구 너머 엔진 내부에 있기 때문이다.
애프터버너는 순간적으로 큰 추력이 필요한 이륙 시, 교전 시의 전투기동과 회피기동, 전투 이탈 등의 목적으로 잠깐씩만 쓰는 장비이다. 오래 쓰면 연료도 순식간에 없어지며[8] 장기적으로는 엔진 수명을 깎아 먹는다.
애프터버너 없이 내는 추력을 드라이 파워(Dry Power)라고 부르며, 애프터버너를 켠 것을 웻 파워(Wet Power)라고 하는데 "마른" 이라는 뜻의 드라이와 "젖은" 이란 뜻의 바로 그 웻이다. 이유는 다음과 같다. 과거 에프터버너 개념이 없을 땐 엔진 흡입구에 물을 뿌려 흡입된 공기의 온도를 낮추고 공기에 수증기를 첨가해 밀도를 올려 더 강한 추력을 내는 방법을 사용했다.[9] 이 방법은 흡입된 물 때문에 불완전연소를 많이 하기 때문에 매연을 만들어 엔진 수명과 항공기 생존성[10]에 문제가 되어 사용을 중지하였다. 이때 사용되었던 용어가 계승되어 현재 기술인 애프터버너에도 그대로 사용되게 된다.
자동차 튜닝에서도 인터쿨러를 적용한 터보차저에 물 분사, 메탄올 분사 등의 방법까지 동원하는 경우가 있다. 물론 메이커 이외의 개인, 튜닝업체 등이 엔진을 손보면 A/S는 당연히 날아가 버리고, 장기 내구성은 기대할 수 없다. 출력 약간 올려보려다 엔진을 내려야 할 수도 있으니 튜닝을 할 때는 신중하게 결정할 것. BMW에서 양산차에 처음으로 적용시켰다. 흡기 매니폴드 안에 물을 분사하는 것으로 워터 인젝션이라 부른다.[11] 애프터버너처럼 고열의 배기 가스에 연료를 뿌려 터보를 돌리는 시스템 또한 있었다.[12]
한편 애프터버너 없이 낼 수 있는 최대추력은 따로 밀리터리 파워(줄여서 MIL Power)라고 하며 애프터버너를 켠 상태는 그냥 최대추력(MAX Power)이라고 하기도 한다.
참고로 압축기 없이 이것만 쓰는 형태의 엔진이 램제트다. 실제로 SR-71 블랙버드의 J58 엔진은 일정 수준 이상의 초음속으로 비행시에는 아예 제트 엔진 쪽의 압축기는 막아버리고 애프터버너 부분만 램제트처럼 작동시킨다. 그래서 분류 명칭이 터보제트가 아니라 터보램제트다.
이 비디오를 보면 애프터버너의 쌈박함과 연료 소모량을 알 수 있다. 참고로 RC 모형용 엔진인데 연료를 담아둔 플라스틱 상자를 보이는 곳에 두어서 연료가 눈에 띄게 없어지는 것을 실시간으로 볼 수 있다. #
전투기의 엔진 배기구는 대부분 추력을 높일수록 그 직경이 줄어드는 가변형인데, 보통 Dry 상태에서 출력을 올릴수록 직경이 감소하다가 애프터버너를 켜면 다시 늘어난다. 이는 애프터버너를 켜면 배기구에서 나오는 가스의 유동 흐름이 초음속이 되어버리기 때문이다. 아음속일 때는 직경이 줄어들수록 빨라지지만, 초음속일 때는 직경이 늘어날수록 더 빨라진다.[13]
2. 건슈팅 게임
3. BMS OF FIGHTERS의 참가곡
[1]
연료 부족은 이륙시키고서 공중급유로 해결하면 된다고 할 수도 있는데, 그때까지만 해도 공중급유기는 걸음마 분야였었다.
[2]
특히 스콜피온의 경우 레이더와 오토파일럿과 연동되는, 지금 기술로도 될까 말까 한 자동 교전 시스템을 갖추었고 이게 트랜지스터가 아닌 진공관과 천공테이프로 이루어진 엄청나게 크고 무거운 컴퓨터로 가동되었던지라 레이더와 이 화기시스템에 공대공 로켓까지 장착하고 요격임무에 나설려고 했으니 애프터버너가 장착된 J35 엔진을 2기식이나 장착했다.
[3]
스콜피온의 초기형 기수를 보면 로켓처럼 짧고 뾰족한데, 양산기들을 보면 기수가 뭉툭하고 길어져 있다. 이 기수에다 레이더와 화기시스템을 몰빵(...)해서 길어진 거라 생각하면 된다.
[4]
제트 엔진을 뒤에서 들여다볼 때 하나의 동심원을 이루는 고리들로 연료가 배기 가스랑 혼합되게끔 부분적인 와류를 만든다.
[5]
작용 반작용의 법칙에 의해서, 제트 엔진의 추력은 일정 시간 동안 분출되는 배기 가스의 질량과 속도, 즉 질유량에 의해 결정된다.
[6]
사실 민항기의
터보팬도 이런 걸 달 수는 있다. 하지만 이러한 이유로 인해 안 쓰는 것이다.
[7]
가끔
F-4 팬텀 II의 시꺼먼 매연이나
F-111 아드바크의
똥꼬쇼와 착각하는 경우가 있는데, 전자는 그냥 매연이 많다는
제너럴 일렉트릭 J79의 단점 탓이고 후자는 남은 연료를 태워버리는 것이다.
[8]
F-16 파이팅 팔콘 기준으로 풀애프터버너(MAX Power)의 연료소모율은 시간당 72,000 lb이다.
[9]
냉전기 제트기 중 대표적으로
AV-8 해리어가 이 워터 인젝션 부스터를 사용한다.
[10]
생각보다 제트기의 매연은 큰 문제다. 매연이 심한 F-4는
베트남 전쟁에서 항로를 추적당하는 일이 잦았다.
[11]
대표적으로
BMW M4가 해당 방식을 사용한다.
[12]
다만 이쪽은 터보에 추가 압력을 더하기 위한 시스템은 아니고 터보렉을 줄이기 위한 안티렉 시스템이다.
미쓰비시 랜서 에볼루션에서 썼었다.
[13]
실제로는 이런 식으로 하면 직경이 내부에서 줄어들었다가 빠져나올 때 더 넓어진다. 이것을 de Laval nozzle이라고 한다.
로켓의 배기구와 동일한 형태이다.