추진력(Propulsion)이란 무엇입니까?

추진력(Propulsion)은 물체가 병진 운동(translational motion)을 변화시키는 방식으로 힘을 가하는 데 사용되는 작용 또는 과정입니다. 라틴어 propellere(pro는 "before"를 의미하고 pellere는 "drive"를 의미함)에서 유래된 단어입니다. 추진력은 방을 가로질러 걷고, 자동차를 구동하고, 비행기를 날리고, 로켓을 우주로 발사하는 데 사용됩니다.

추진력(Propulsion)을 이해하는 좋은 방법은 “모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다”는 뉴턴의 제3운동법칙을 통해 이해하는 것입니다. 즉, 걸을 때, 발은 땅을 밀어내고, 땅은 사람을 밀어냅니다. 뉴턴의 제2법칙에 나와 있듯이, 땅은 사람보다 훨씬 더 많은 질량을 가지고 있기 때문에, 사람이 앞으로 나가는 것입니다. 마찬가지로, 로켓 엔진에서는 연소를 통해 가스가 팽창되고 초음속으로 가속되어 로켓의 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 반작용 일으킵니다. 

추진 시스템의 구성 요소

추진 시스템은 두 부분으로 구성됩니다. 첫 번째는 기계적 동력원이고 두 번째는 그 동력을 추진력으로 변환하는 추진기입니다. 

가스 구동 자동차의 경우 동력원은 가솔린 연소이며 추진 시스템은 엔진, 드라이브 트레인, 바퀴로 구성됩니다. 전기 자동차에서 동력원은 배터리에 저장된 전위이며 추진기는 전기 모터, 드라이브 트레인 및 바퀴입니다. 에너지원을 흔히 연료라고 하며, 에너지를 힘으로 변환하는 추진기를 보통 엔진 또는 모터라고 합니다. 

엔지니어는 추진력에 관한 이러한 기본 원리를 사용하여 지상, 물 위와 물속, 공중, 우주 안팎으로 차량을 이동하는 운송 시스템을 설계합니다. 차량의 크기와 질량, 차량이 이동하는 매개물에 따라 사용되는 추진력 유형이 결정되는 경우가 많습니다. 

추진 시스템에는 기계적 동력을 얻거나 저장하는 하위 시스템, 추진기, 생성된 힘을 조정하는 제어 시스템이 포함됩니다. 과거에는 대부분의 추진 시스템이 단일 동력원과 그 동력을 힘으로 변환하는 방법을 사용했습니다. 그러나 효율성을 높이기 위해 새로운 기술을 통해 화학 연소 및 내연 기관과 배터리 및 전기 모터에 저장된 전위를 결합한 하이브리드 추진 시스템을 사용할 수 있게 되었습니다.

대부분의 추진 시스템은 4가지 추진 장치인 날개, 바퀴, 프로펠러 또는 추력기를 통해 추진력을 생성합니다. 

바퀴

바퀴가 고정된 표면에 닿으면 회전력이 선형력으로 변환되어 바퀴가 있는 물체를 앞으로 밀어냅니다. 토크라고 하는 회전력은 다양한 엔진과 모터에 의해 생성될 수 있습니다.

프로펠러

프로펠러는 회전축에 부착된 장치로, 공기나 물에 힘을 가하는 나선형 나선을 형성하도록 배열된 여러 개의 얇은 블레이드로 구성되어 있습니다. 그 결과 블레이드에 가해지는 힘이 전진 운동을 일으킵니다. 프로펠러는 헬리콥터의 로터만큼 크거나 드론의 블레이드만큼 작을 수 있습니다. 해양 응용 분야에 사용되는 프로펠러는 스크류라고도 합니다. 

추력기

작동 유체(기체 또는 액체)의 운동량이 가속되면 추력이라는 선형력이 작용합니다. 대부분의 응용 분야에서는 연소 시 발생하는 열을 이용해 추력을 생성합니다. 해양 응용 분야에서는 임펠러를 통해 물로 추력을 만들 수 있으며, 임펠러는 토크를 원심 가속으로 변환하여 축류로 전달합니다. 전기장은 이온화된 가스 또는 플라즈마를 사용하여 추력(thrust)을 생성할 수 있습니다. 

가장 일반적인 추진 시스템 유형 목록은 다음과 같습니다.

내연기관 엔진(ICE)

인간이 사용하는 추진력의 주된 형태는 여전히 자동차, 선박, 항공기의 내연 기관 엔진입니다. 동력원은 탄화수소의 연소입니다. 휘발유, 디젤 또는 천연 가스를 연소하면 가압 가스가 생성되어 피스톤을 밀어내어 선형력을 만들어냅니다. 크랭크축은 선형력을 회전력으로 변환하여 바퀴나 프로펠러를 구동합니다. 

파워 터빈 또는 가스 터빈 엔진

가스 터빈이라고도 하는 파워 터빈은 연소 시 팽창하는 가스를 동력원으로 사용하여 하나 이상의 터빈 로터를 구동하여 프로펠러나 바퀴를 구동하는 회전력을 생성합니다. 가스 터빈 엔진은 터보프롭 항공기의 프로펠러, 헬리콥터의 로터, 선박 및 보트의 프로펠러 또는 스크류와 함께 사용됩니다. 가스 터빈 엔진은 기관차나 탱크와 같은 무거운 바퀴가 달린 차량에도 동력을 공급할 수 있습니다. 

전기 모터

전기 모터는 피스톤 및 터빈 기반 엔진에서 생성되는 회전력을 점점 더 많이 대체하고 있습니다. 전기 모터의 에너지원은 일종의 전기 전위입니다. 일반적으로 배터리 팩, 수소 연료 전지 또는 송전선로입니다. 전자석에 전류를 흐르게 하면 다른 전자석이나 영구 자석에 인력을 발생시켜 토크를 생성합니다. 샤프트는 바퀴나 프로펠러에 토크를 전달합니다. 

공기 호흡 제트 엔진

항공기 추진의 가장 효율적이고 일반적인 형태는 제트 추진입니다. 모든 유형의 제트 엔진은 고압 공기를 생성하는 압축기와 연료를 공기와 혼합하여 연소시켜 추력을 생성하는 연소실로 구성됩니다. 대부분의 제트 엔진에는 팽창하는 가스에서 에너지를 추출하여 들어오는 공기를 압축하거나 팬이라고 하는 덕트 프로펠러를 구동하는 데 사용되는 토크를 생성하는 터빈 섹션도 포함되어 있습니다.

공기 호흡 제트 엔진의 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

터보제트: 최초의 제트 추진 방식은 압축기 단계, 연소실, 압축기를 구동하는 터빈으로만 구성되었습니다. 추력을 추진기로 사용합니다. 

터보팬: 제트 엔진의 효율을 높이기 위해 엔진 뒤쪽에 있는 추가 터빈 섹션이 여러 개의 블레이드가 있는 엔진 앞쪽의 프로펠러(바이패스 터보팬이라고 함)를 구동합니다. 대부분의 최신 항공기는 고바이패스 항공기 엔진을 사용하는데, 여기서는 프로펠러 역할을 하는 팬이 대부분의 추진력(연소에 의한 추력이 아님)을 생성합니다. 

램제트: 램제트는 표준 제트 엔진의 회전 압축기를 깔때기처럼 단면을 줄이는 흡입구로 대체하여 엔진 전면으로 공기를 밀어 넣어 압축하는 방식입니다. 램제트의 주요 응용 분야는 초음속이 필요한 항공우주 차량입니다. 표준 램제트를 통과하는 공기는 연소기 앞에서 아음속 속도로 감소합니다. 스크램제트 또는 초음속 연소 램제트에서는 연소기로 초음속 흐름이 유입되어 엔진이 더 빠른 속도로 작동할 수 있습니다. 

애프터버닝 제트 엔진: 애프터버너는 기존 제트 엔진의 터빈 섹션 후면에 추가된 추가 연소실입니다. 연료가 배기 흐름에 분사되고 점화되어 상당한 압력과 부가적인 추력을 생성합니다. 애프터버너를 사용하면 항공기가 초음속 속도를 달성하고, 이륙을 위한 추가 추력을 제공하거나, '전투 중 항공기'의 비상 기동을 위한 비상 추진력을 생성할 수 있습니다. 

로켓 추진

로켓 추진은 화학 반응을 통해 극도로 높은 압력의 가스를 생성한 다음 이를 추진력으로 변환합니다. 로켓 엔진은 연료와 산화제를 제공하는 연료 시스템, 연료와 산화제를 점화하여 빠르게 팽창하는 가스를 생성하는 연소실, 압력을 한 방향으로의 운동량 또는 추력으로 변환하는 노즐로 구성됩니다. 

로켓 엔진은 고체 연료 또는 액체 연료를 사용하는지에 따라 분류할 수 있습니다. 

액체 연료 로켓 엔진: 액체 추진제 로켓 엔진은 액체 산화제(일반적으로 액체 산소)를 액체 수소, 등유 또는 메탄으로 구성된 연료와 함께 연소시킵니다. 연료는 중력, 가속, 압력 또는 터보 펌프를 사용하여 연소실로 공급됩니다. 노즐은 연소실의 개구부에 부착되어 팽창하는 가스를 유도 추력으로 변환합니다. 연료 및 산화제를 제어하면 생성되는 추력의 양을 조절하거나 엔진을 켜거나 끕니다. 생성되는 힘을 미세 조정할 수 있는 기능 덕분에 액체 연료 로켓 엔진은 우주선이나 미사일에 기동성을 제공하는 추진기에 선호되는 엔진입니다. 

고체 연료 로켓 엔진: 고체 추진제 로켓 엔진은 고체 산화제와 고체 연료를 혼합한 연료 입자를 사용합니다. 입자는 연소실이라고 하는 원통형 구멍이 길이를 따라 흐르는 원통형 케이스 내부에 주조됩니다. 최초의 고체 연료 로켓은 화약을 사용했습니다. 현재, 추진제 입자는 매우 다양하고 복잡한 화학 물질을 사용합니다. NASA의 우주 왕복선에 탑재된 두 개의 고체 로켓 부스터는 가장 잘 알려진 고체 로켓 엔진입니다. 많은 무기 시스템은 추진제의 수명이 길기 때문에 고체 연료 로켓 엔진을 사용합니다. 그러나 고체 로켓 엔진은 끄고 재시동하기 어렵고, 생성된 추력을 조정하는 유일한 방법은 노즐 형상을 조정하는 것입니다. 

하이브리드 로켓 엔진: 하이브리드 추진제 로켓 엔진은 고체 연료와 액체 또는 기체 산화제를 사용합니다. 산화제(일반적으로 액체 산소 또는 과산화수소)는 원통형 연소실에 주입되어 원통 길이를 따라 흐릅니다. 작동 중에 산화제의 유량을 시작, 중지 및 변경할 수 있기 때문에 하이브리드 로켓 엔진은 고체 연료 로켓 엔진보다 유연성이 뛰어납니다. 

증기 엔진

인류가 개발한 최초의 기계식 추진 형태는 증기 엔진이었습니다. 연소는 물을 끓이는 열원으로 사용되어 고압 증기를 생성합니다. 가압된 증기는 피스톤 또는 피스톤을 밀어 선형력을 생성합니다. 크랭크는 선형력을 토크라고 하는 회전력으로 변환하여 바퀴나 프로펠러를 추진기로 구동합니다. 

증기 터빈

증기에서 에너지를 추출하는 더 효율적인 방법은 피스톤을 밀어내는 것보다 터빈을 통해 증기를 팽창시키는 것입니다. 가압 터빈은 하나 이상의 로터의 공기 역학적 블레이드를 밀어 압력을 샤프트를 통해 바퀴나 프로펠러에 연결된 회전력으로 변환합니다. 현재 증기 엔진은 열원이 핵분열 원자로인 선박용 응용 분야에서만 사용됩니다. 

SWaP-C

엔지니어는 필요한 양의 전력을 공급하는 동시에 추진 시스템의 크기와 무게를 줄이고자 합니다. 또한 비용을 최소한으로 유지해야 합니다. 종종 상충되는 이러한 목표의 조합을 SWAP-C라고 하며 크기, 무게, 동력 및 비용을 나타냅니다. 

경험, 시뮬레이션 및 테스트는 엔지니어가 이러한 상충 관계를 처리하는 데 사용하는 주요 도구입니다. 특히 시뮬레이션은 다양한 재료를 시험해 보고, 형상을 최적화하고, 시스템에서 생성되는 동력을 예측하고 극대화하는 데 적합합니다. 예를 들어, 터빈 엔진 설계 팀은 Ansys Mechanical™ 소프트웨어와 같은 도구를 사용하여 정적 및 회전 구조의 모양을 최적화합니다. 그런 다음, Ansys Fluent® 소프트웨어를 사용하여 연소로 인해 발생하는 에너지와 입구, 회전 및 정적 블레이드, 노즐의 공기역학적 형상을 최적화합니다. 

비용 요소를 연구에 포함시키는 동시에 이 프로세스를 지원하는 중요한 도구는 Ansys optiSLang® 소프트웨어와 같은 RDO(Robust Design Optimization) 도구입니다. 이 도구는 물리 중립적인 관점에서 시스템 최적화를 검토하고 시뮬레이션을 형상을 매개변수적으로 정의하는 데 사용되는 CAD(Computer-Aided Design) 도구에 연결합니다. 

내구성

엔지니어가 SWAP-C 요구 사항을 충족하면 설계가 응용 분야에 필요한 내구성을 갖췄는지 확인해야 합니다. 추진 시스템 운영자는 유지보수 비용과 가동 중단 시간을 최소화하고자 할 뿐만 아니라 고장을 방지해야 합니다. 오늘날 고속 철도 기관차에 사용되는 전기 모터 추진 시스템을 예로 들어보겠습니다. 열차의 전기 추진 시스템이 고장나면 운영자는 상당한 수익을 잃을 수 있고 통근객은 상당한 지연을 겪을 수 있습니다. 또한 추진 시스템을 자주 수리해야 한다면 가뜩이나 적은 마진이 줄어들게 됩니다. Rolls-Royce가 항공기 고객에게 제공하는 것처럼 공급업체가 추진 시스템에 대한 구독 서비스로 전환함에 따라 내구성이 더욱 중요해질 수 있습니다. 

항공 우주 응용 분야에서 추진 시스템의 고장은 치명적일 수 있으며 심지어 생명을 위협할 수도 있습니다. 그렇기 때문에 시뮬레이션 도구를 가장 많이 사용하는 회사 중 일부는 항공우주 추진 시스템을 설계하고 제조하는 회사입니다. 이들은 진동과 함께 구조적 및 열적 하중을 검토하여 응력이 허용 기준 이하이고 시스템의 구성 요소가 허용 가능한 피로 수명을 갖는지 확인하기 위해 상당한 시간을 할애합니다.

효율 및 배출물

최초의 추진 시스템을 개발할 당시에는 차량에 동력을 공급하고 승객, 화물 또는 하중을 싣고 필요한 목적지까지 이동하는 것이 유일한 목표였습니다. 하지만 이제 운영자는 엔진과 모터의 효율성과 배기가스 배출량에 관심을 갖습니다. 많은 기업이 온실 효과를 유발하는 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위해 net-zero 목표를 채택하고 있습니다. 시간이 지남에 따라 엔진과 터빈의 효율성은 이러한 추세를 보여줍니다. 최초의 가솔린 ICE는 효율이 4% 미만이었으며, 이제 이론적 한계인 약 40%에 근접했습니다. 

대부분의 추진 시스템은 연소를 통해 열을 생성하기 때문에 배기 가스 배출도 문제입니다. 시스템을 보다 효율적으로 만들면 연료가 덜 소모됩니다. 압축비, 연소 온도, 연료 선택도 배출에 영향을 미치며 엔지니어는 탄소 배출과 기타 오염 물질을 줄이기 위해 설계의 모든 측면을 신중하게 최적화해야 합니다. 

추진력은 다양한 유형과 응용 분야에서 여전히 빠르게 진화하고 있습니다. 엔지니어들은 주로 차량의 추진력 생성에 대한 기존의 검증된 접근 방식을 개선하는 데 집중하고 있습니다. 하지만 일부 새로운 추진 기술도 개발 중입니다. 

하이브리드 추진 시스템

하이브리드 추진 시스템이라고 알려진 응용 분야에서 두 개 이상의 추진 시스템을 결합하는 것이 현재 연구의 강력한 초점이며 실제 애플리케이션이 제작되고 있습니다. 플러그인 하이브리드 차량의 확산이 가장 대표적인 예입니다. 상용 항공은 항공기에 하이브리드 전기 및 하이브리드 수소 추진 솔루션을 사용하는 방안을 적극적으로 모색하고 있습니다. 하이브리드 로켓 추진은 발사, 방위 애플리케이션 및 궤도 기동 추진체에서도 인기를 얻고 있습니다.

핵 로켓 추진

핵 로켓 추진은 화학 연소를 통해 작동 유체의 가열을 원자로로 대체합니다. 이 기술은 원래 1960년대에 개발되었으며, 원래 Ansys 유한 요소 프로그램은 이 프로그램에 뿌리를 두고 있습니다. NASA는 지구와 화성 사이의 고추력 임무에 추진력을 제공하기 위해 이 기술을 재평가하고 있습니다. 

로켓 기반 복합 사이클(RBCC) 및 터빈 기반 복합 사이클(TBCC) 추진 시스템

연구원들은 스크램제트와 터빈 엔진 또는 로켓의 조합을 연구하고 있습니다. 로켓 또는 터보제트 엔진은 램제트가 작동하기에 충분한 속도로 차량을 가속합니다. 낮은 초음속에서는 TBCC가 선호되며, 더 높은 성능을 달성하기 위해 RBCC가 연구되고 있습니다. 

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