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Afterburner
후연소기(後燃燒器)를 뜻하는 단어. 제트 엔진의 추진력 강화 요소이다.
1.1. 역사
최초 도입은 하인켈사의 He 178 다음으로 1940년에 제트 비행에 성공한 카프로니 캄피니 N.1에 이루어졌다. 다만 이 항공기는 전투기가 아닌 시험 항공기였고, 엔진은 6날이 달린 프로펠러 2기가 장착된 2단 압축기를 가지고 있는 제트엔진이 아닌 일종의 펄스제트에 가까웠다. 또 이러한 방식이 정식 채용되진 못했는데, 파일럿이 창문을 열어야 할 정도로 과열문제가 심각했기 때문이다.이후 2차 세계대전 중에 나치 독일이 융커스 유모 004 제트엔진의 고고도 성능을 위해 애프터버너를 장착한 E형 엔진을 연구했지만, 양산은 커녕 테스트했다는 기록조차 없다. 그나마 1944년 후반 영국에서 항공기의 초음속 연구를 위해 롤스로이스의 글로스터 미티어 파워 제트 W.2[1]에다 테일파이프형 버너를 장비한 W.2/700을 지상 테스트 기록이 있지만, 이쪽도 양산되지 못했다고 한다. 그러나 이러한 형태는 현대의 애프터버너와 많이 비슷하다는 점이 있다.
제2차 세계 대전이 끝나고 소련과 미국이 냉전으로 경쟁하기 시작할 무렵, 미 공군에게는 고민거리가 있었는데, 바로 어디선가 핵폭탄을 탑재하고 날아올 소련 폭격기를 요격시켜야만 한다는 것이었다. 물론 제트엔진을 장착한 전투기가 차세대 전투기로서 주목 받았지만, 추력이 상당히 약해서 활주로가 길어야 했다.[2] 또한 그 당시 제트 엔진 특성상 가속이 붙어야 제 성능을 낼수 있었기에 고속에 들어가는 시간이 걸렸다. 이러한 특성은 긴급하게 이륙해 고고도로 빠른 시간 안에 상승해 폭격기를 요격해야 하는 요격기 특성에 맞지 않았고 결국 프로펠러 요격기인 F-82 트윈 머스탱을 배치할 정도였다.
한편 미 해군도 비슷한 고민을 하고 있었다. 그 당시 짧은 항공모함의 갑판에서 제트기를 이륙시키는 것이 상당히 큰 문제였기 때문이다. 물론 캐터펄트가 있었지만, 프로펠러 함재기 보다 덩치가 훨씬 커지고 무거워진 제트 함재기를 날리는데엔 한계가 있었기에 결국 무장이나 연료를 줄여야만 했었던 것이다. 특히 함재기에겐 바다위를 채공하는 시간이 중요했기에 연료를 던다는건 임무에 큰 차질[3]이 생긴다는건 당연하였다. 결국 제트엔진에 물을 분사하여 온도를 낮추어 추력을 올리는 WEP을 이용해 이륙시에 잠시 동안이나마나 출력을 올리는 방식을 사용하였지만, 물 자체의 무게와 매연이 증가하는등 여러 문제점이 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 무장과 연료를 탑재한 한 상태에서도 강한 추력을 내 짧은 갑판에서 이륙을 도와 줄 수 있을 것이라고 생각했기 때문이다.
같은 해에 해군의 F6U 파이렛에 기존에 약한 엔진 추력을 보안하기 위해 J34-WE-22 엔진에 처음 장착되서 시험되었다. 이 엔진의 애프터버너를 사용하려면 30초의 예열시간이 필요했기에 1초가 급박하게 상황이 변하는 공중전에 사실상 효용성이 없어서 이륙/이함 보조용에 가까웠지만, 엔진 추력을 크게 올리는데 성공하여 파이렛 자체가 고속에 불리한 직선익임에도 불구하고 초음속 비행에 성공하게 된다. 그러나 파이렛은 여러 결점과 안 좋은 연비, 무엇보다 일반 WEP을 사용하는 제트기인 그루먼사의 F9F 팬서에 밀리고 심지어 구형 프로펠러 함재기보다 나을게 없다는 결론이 나와서 본격적인 채용에는 실패하게된다.[4] 결국 본격적으로 장착되기 시작한것은 해군 이외에 공군에서 야간/전천후 요격기들에 애프터버너를 장착한것이였다.
1948년에는 F-89 스콜피온이, 1949년에는 F-94 스타파이어와 F-86D 세이버 독 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 시스템과 그 당시 적기를 찾는데 특화된 최첨단 장비인 레이더를 탑재했는데 이것들이 워낙 무거운 물건[5][6]이었고, 특정 기체는 더욱 복잡한 레이더를 다룰 레이더 조작사까지 탑승해야 했기에 큰 중량을 지니고 있었다. 당연히 이러한 기체를 공중에 끌어 올려 빠른 속도로 날아가 고고도로 상승하려면 애프터버너가 필수였었다.
앞서 파이렛 채용을 취소한 해군은 한동안 F2H나 F9F등, WEP이 장착된 함재기를 쓰다가 보우트사의 신예 쌍발 함재기인 F7U 커틀러스에 애프터버너를 도입하려 했지만, 커틀러스 자체가 상당한 결함이 있는 기체라 애프터버너 장비하기도 전에 기체가 퇴역해 버려 사용을 못했으며, 본격적인 사용은 팬서에 후퇴익을 주고 크게 개량하여 프랫 & 휘트니 J48 엔진을 탑재한 F9F-8 쿠거였다고 한다.
한편 소련도 미국과 마찬가지로 어디선가 핵폭탄을 탑재하고 날아올 미국 폭격기의 위협 때문에 1953년 클리모프 VK-1F[7]를 장착한 주간요격기형 MiG-17F[8]부터 처음 도입하였다.
거의 처음 도입을 시도했었던 영국은 외외로 꽤나 늦게, 1959년 아본 301[9] 엔진을 2기 장착한 초음속 요격기 BAC 라이트닝에 처음 도입하였다. 이렇게 늦은 이유는 군축의 이유도 있지만 그 당시 미사일로 모든 것을 해결할 수 있다는 사상까지 겹쳐서 유인기 개발이 불필요하다는 결론이 나와 군용기 개발이 중단되었기 때문이였고 그나마 라이트닝의 개발이 진행되었기에 빛을 볼 수가 있었다.
한편 그 사이에 다른 서독 공군과 대한민국 공군 같은 여러 서방 우방국들은 F-86D 세이버 독이나 화기관제시스템을 제거하고 일반 기관포를 탑재한 파생형 F-86K를 도입하여, 애프터버너가 장착된 항공기를 운용하게 된다.
이후 미국은 센츄리 시리즈의 첫번째이자 초음속 제트전투기/전폭기인 F-100을 부터 시작해서 요격기가 아닌 전투기에도 초음속 비행을 위해 기본적으로 탑재하기 시작한다.
1.2. 원리
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| F-5에 설치되어서 유명해진 제너럴 일렉트릭 J85로 위쪽은 애프터버너가 없는 모델, 아래쪽은 있는 모델. 즉 애프터버너는 엔진 뒷부분에 연결된 가느다란 원통 모양의 부분이다. 이 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 가동되면 배기 가스에다 연료를 추가로 분사해서 다시금 연소시킨다. 표면에 구멍들이 무수히 뚫려있어서 배관에는 화염이 못 닿는다. 엔진 코어 뒤에는 점화기랑 화염 안정기[10], 주입기가 있다. 배기 가스의 온도가 뜨거운데 필요하냐고 묻겠지만 꼭 필요하다. 가솔린 엔진의 점화기랑은 비교도 되지 않는 수준이며 불꽃이 어마어마하다. 배관 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.[11] 다만 그만큼 사용하는 연료의 양도 엄청나서 연비를 따져보면 일반적인 상태보다 심하게 떨어지며, 추력 대비 연비로 따져도 연비가 절반 이하로 뚝 떨어진다.[12] 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 터보라이터의 그것과도 같은 화염을 볼 수 있다.[13] 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[14] 장기적으로는 엔진 수명을 깎아 먹는다.[15]
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.
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.[16]
1.3. 기타
- 애프터버너 없이 낼 수 있는 최대추력은 따로 밀리터리 파워[17]라고 하며 애프터버너를 켠 상태는 그냥 최대추력(MAX Power)이라고 하기도 한다.
- 애프터버너는 장착시 항공기의 무게에 악영향을 끼친다. 앞서 언급됬듯이 애프터버너 자체라고 할수 있는 테일 파이프는 사용을 안 할시에 그저 짐이 되는 점도 있지만, 버너 사용시 초고열이 발생하기에 항공기의 동체를 태워먹지 않도록 추가 방열판도 사용해야 하기 때문이다. F-4나F-5, F-15등 항공기 끝에 도색이 안된 금속 부분을 볼수가 있는데, 이 부분이 티타늄으로 된 방열판으로 된 부분이다. [18]
- 최신 제트엔진들은 추력이 늘어난 만큼 더 큰 열을 낼거 같으나, 오히려 과거 엔진들에 비해 줄은 편이다. 초기형 초음속 항공 전투기 F-100 슈퍼 세이버의 경우 다른 최신 항공기들에 비해 뒷 방열판과 노즐 부분이 열 때문에 아에 변색되다 싶이 타들어가 있는걸 볼수가 있고, F-16의 J79엔진을 장착한 파생형의 경우 본래 F100엔진보다 J79엔진이 더 열을 많이 내어 더 큰 방열판을 사용해야 하여 무게에 악영향이 있었다는 기록도 존재한다. 사실 더 과거로 가면 초창기 애프터버너가 장착된 엔진들은 과열문제로 사용시간도 짧았고 수명도 좋지 않았다. 또 초음속 순항을 위한 특정 항공기 빼곤 연비와 경제적인 정비성 또 하나라도 무게를 줄여 짐과 승객을 태워야 하는 민항기에선 애프터버너를 장착하지 않는 이유이다.[19]
그 만큼 현대 제트엔진 제조사는 온도에 많은 신경을 쓰는데, 방열판 같이 소모품을 교체해 주는것과 더 고열에 노출될수록 엔진 각 부분들 부품이나 수명등 많은 요소와 관련되 있기 때문이다. 제트엔진과 재료 공학의 발전으로 이점들은 꾸준히 개선되어 나갔으며, 일례로 F-5가 장비한 J85 엔진은 이점을 크게 개선했는지, 오죽하면 엔진 광고에다 원하는데로 애프터버너를 쓰라고 하는 멘트를 넣은적이 있다.[20]
- 앞서 미 해군의 제트기가 WEP을 쓰는 부분에서 언급하였듯이 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.[21] 이 방법은 흡입된 물 때문에 불완전연소를 많이 하기 때문에 매연을 만들어 엔진 수명과 항공기 생존성[22]에 문제가 되어 사용을 중지하였다. 이때 사용되었던 용어가 계승되어 현재 기술인 애프터버너에도 그대로 사용되게 된다.
- 자동차에서도 비슷한 요소가 있다. 애프터버너처럼 고열의 배기 가스에 연료를 뿌려 터보를 돌리는 시스템을 미쓰비시 랜서 에볼루션에서 사용한걸로 유명하다.[23] WEP과 비슷한건 인터쿨러를 적용한 터보차저에 물 분사, 메탄올 분사 등의 방법까지 동원하는 경우로는 BMW에서 양산차에 처음으로 적용시켰다. 흡기 매니폴드 안에 물을 분사하는 것으로 워터 인젝션으로도 부른다.[24] 제조사 이외에도 개인이나 튜닝업체가 자동차 튜닝을 하여 적용시킬수도 있다. 그러나 엔진을 손보면 보증과 사후지원은 당연히 날아가 버리고, 장기 내구성은 기대할 수 없다. 출력 약간 올려보려다 더 떨어뜨리거나 심하면 엔진을 고장내 내려야 할 수도 있으니 여러모로 위험 요소가 큰 튜닝이다.
- 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. #
[1] PowerJets W.2[2] 일례로 초기형 제트기중 하나인 F-84 썬더 제트의 경우 무장과 연료를 만재하고 이륙 보조 로켓의 도움을 받아서 3,000m를 활주해야 이륙할수 있었다.[3] 연료를 덜고 공중급유를 통해 보충하는 방법이 있지않냐고 할수 있는데, 이 방법은 현재에도 쓰이는 방법이나 그 당시에 함재 공중급유기는 커녕 공중급유을 연구하고 있을 시기였다. 해군이 제대로 된 함재공유기를 갖춘건 A-4를 이용한 버디 투 버디 급유기를 통해서였다.[4] 파이렛은 착함은 커녕 지상기지에서만 소수 운용되었고 30시간 비행시간도 채우지도 못하고 퇴역하게 된다.[5] 특히 스콜피온의 경우, 레이더와 오토파일럿과 연동되는 지금 기술로도 될까 말까 한 자동 교전 시스템을 갖추었고 이 레이더와 시스템은 트랜지스터가 아닌 진공관과 천공 테이프로 이루어진 엄청나게 크고 무거운 물건들이였다. 게다가 총알보다 더 큰 공대공 로켓 수십발까지 장착하고 요격임무에 나설려고 했으니 무게가 엄청나져서 애프터버너가 장착된 J35 엔진을 2기식이나 장착했다.[6] 스콜피온의 초기형 기수를 보면 로켓처럼 짧고 뾰족한데, 양산형들을 보면 기수가 뭉툭하고 길어져 있다. 이 기수에다 레이더와 화기시스템을 장착하면서 길어진 거라 생각하면 된다.[7] 롤스로이스 넨 엔진의 카피버전이자 MiG-15부터 장착한 VK-1엔진의 애프터버너 버전이다.[8] 후에 세이버 독과 비슷하게 공기흡입쪽에 레이더를 장착한 전천후 요격기형 MiG-17PF형에도 애프터 버너가 장착된다.[9] Avon 301[10] 제트 엔진을 뒤에서 들여다볼 때 하나의 동심원을 이루는 고리들로 연료가 배기 가스랑 혼합되게끔 부분적인 와류를 만든다.[11] 작용 반작용의 법칙에 의해서, 제트 엔진의 추력은 일정 시간 동안 분출되는 배기 가스의 질량과 속도, 즉 질유량에 의해 결정된다.[12] 사실 민항기의 터보팬도 이런 걸 달 수는 있다. 하지만 이러한 이유로 인해 안 쓰는 것이다.[13] 가끔 F-4 팬텀 II의 매연이나 F-111 아드바크의 화염과 오인하는 사람이 있는데, 전자는 매연이 심하다는 제너럴 일렉트릭 J79의 문제 때문이고 후자는 뒤쪽에서 배출한 연료를 태우는 묘기이다.[14] F-16 파이팅 팔콘 기준으로 풀애프터버너(MAX Power)의 연료소모율은 시간당 72,000 lb이다.[15] MiG-25가 이스라엘공군 F-4 팬텀을 따돌리기 위해 애프터버너를 한계까지 끌어쓰다 싶이 해서 마하 3.25에 가까운 속도로 도주하여 서방에는 충격과 공포를 선사했지만, 결국 기체는 고온에 노출되 수리해야만 했고 엔진은 녹다 싶이 개발살난 사례가 있다.[16] 실제로는 이런 식으로 하면 직경이 내부에서 줄어들었다가 빠져나올 때 더 넓어진다. 이것을 de Laval nozzle이라고 한다. 로켓의 배기구와 동일한 형태이다.[17] 줄여서 MIL Power[18] 의외로 도색은 안되어 있는데, 방열판도 교체해야 하는 소모품에다가 도료가 고열에 타 들어가기 때문이다. 물론 초고열에 버티는 도료도 없는건 아니지만, 색이 한정되어 있고, 무겁고 상당히 비싸다.[19] 그러나 초창기 제트 민항기들은 제트엔진 추력 부족으로 물로서 추력을 늘리는 웻 파워를 사용했었다. 그라나 이것도 물의 무게와 엔진 기술의 발전으로 사라지게 된다.[20] 대한민국 공군이 도입한 F-86D의 경우 애프터버너가 달려있음에도 같은 엔진의 F-86F보다 빠른 퇴역을 맞이했는데, 기관포가 달려 있지 않는 복잡한 화기 관제시스템 문제도 있었었지만 엔진 정비성도 이른 퇴역의 원인도 이러한 영향도 있으리라 추정된다. 사실 대한민국 공군 뿐만 아니라 서독공군이나 프랑스 공군등 많은 세이버독들과 그 파생형이 1960년대에 이른 퇴역을 하였다. 그나마 유고슬라비아 공군에서 정찰기로 1974년까지 운용했을 정도.[21] 냉전기 제트기 중 대표적으로 AV-8 해리어가 이 워터 인젝션 부스터를 사용한다.[22] 생각보다 제트기의 매연은 큰 문제다. 매연이 심한 F-4는 베트남 전쟁에서 항로를 추적당하는 일이 잦았다.[23] 다만 이쪽은 터보에 추가 압력을 더하기 위한 시스템은 아니고 터보렉을 줄이기 위한 안티렉 시스템이다.[24] 대표적으로 BMW M4가 해당 방식을 사용한다.