얼마전 해외 기사에서 F-35의 성능과 내구성에 대한 문제를 언급한 적이 있었다.
관련해서 념글에도 올라간 적이 있으니 찾아봐라
F-35 Engine Running Too Hot Due To ‘Under-Speccing,’
주요 내용을 살펴보면,
They also highlighted the importance of power and thermal management system (PTMS) improvements for the jets. This is essential for meeting the additional electrical power and cooling needs that the Technology Refresh-3 (TR-3) and Block 4 upgrade programs – both of which continue to suffer delays – will require.
그들은 PTMS 성능 개선의 중요성에 대해 강조했다. 이는 향후 TR-3와 Block4 업그레이드에 필요한 전력과 냉각성능을 만족시키는 데 있어 매우 중요하다.
"We have been eating into the life of this engine since the beginning of the program, because we did under-spec the engine and its requirements," he continued. "We are building costs into this program by eating into the life of this engine with additional overhauls that are expected over the life of the program."
프로그램 초기부터 엔진설계 조건을 뛰어넘는 냉각수요로 인해 수명을 깍아먹고 있으며 유지보수에도 많은 비용을 지불하고 있다.
"The original program engine specification allocated 15 kW [kilowatts] of bleed air extraction to support system cooling requirements, and the F135 engine was designed, tested, and qualified to this specification with a level of margin available for future growth," Schmidt wrote. "During the final stages of initial aircraft development, air vehicle cooling requirements grew to exceed planned bleed air extraction."
"초기 계획은 냉각시스템 수요를 만족시키기 위해 15kW 의 Bleed air 만 추출하면 될 것으로 예측했고, 여기에 미래 확장을 위한 여유분까지 감안하여 엔진을 설계, 시험, 검증하였다. 그러나 개발의 막바지에 이르자 냉각시스템의 수요는 계획된 Bleed air 추출량을 이미 초과해 버렸다."
"To provide the necessary bleed air, the engine is required to run hotter, and the program is realizing the effects of this through an increase in operating temperature, and a decrease in engine life, which is driving earlier depot inductions and an increase in lifecycle cost,"
"필요한 Bleed air 량을 맞추기 위해 엔진이 더 뜨겁게 구동해야 했고(출력을 상승시키기 위해), 이는 수명 감소와 유지비 상승을 유발했다."
"Without upgrades, the addition of Block 4 capabilities will further degrade engine life and increase program lifecycle costs, because while the current TR-2 and TR-3 aircraft have sufficient cooling and power (while impacting the engine life as stated above), capabilities in Block 4 and beyond will increase cooling and power demands beyond current capabilities of the air system,"
엔진과 PTMS의 업그레이드 없이 Block4를 진행한다면 엔진수명을 더욱 단축시키고 유지비는 상승할 것이다. 현재 TR-2와 TR-3는 냉각, 전력성능을 충분히 갖추고 있으나(비록 엔진수명에 영향을 주고 있지만), Block4와 그 이후 개량은 엔진의 Bleed air 용량을 초과하는 수요가 발생할 것이기 때문이다.
Democratic Representative from New Jersey, mentioned a "cutting down to 1,600 hours" with regard to the F135. This would appear to be in reference to the target time between major scheduled maintenance on those engines, which has been said to be approximately 2,000 flight hours in the past. If this is indeed what Norcoss' figure refers to and it is accurate, this would mean that the U.S. military is only getting just over 75 percent of the expected life out of these engines before significant work has to be done.
처음 계획된 F135 엔진의 수명은 2,000시간이었으나 이 같은 문제로 인해 1,600시간으로 감소했으며 이는 기대치의 75%정도만 만족하는 수치이다.
정리하면,
F-35 엔진은 개발초기 15kW 의 Bleed Air 만 추출하면 될 것으로 보고 이에 맞춰 설계되었으나, 개발이 진행되면서 기체의 냉각수요가 점차 상승하였고 결국 더 많은 Bleed air 를 요구받게 되었다. 이를 만족하기 위해 출력을 더 내다 보니 엔진이 필요이상 고온에서 작동하는 일이 많아져 결국 내구성에 문제가 생겼다는 것이다.
기사에서 Bleed Air와 F-35의 'PTMS'라는 용어가 등장하는 데 이를 설명해 보고자 한다.
항공기의 터보팬 엔진은 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기에서 점화하여 발생한 폭발력이 배기구를 빠져나오면서 추력을 내는 구조로 되어 있다. 이 때 압축기에서 압축한 공기의 일부가 추출되어 나온 것이 Bleed Air이다. Bleed Air는 환경제어계통에 공급하는 공기로 사용된다.
환경제어계통(Environmental Control System, ECS)은 엔진, APU, 외부지원 장비로 부터 공급되는 공기(Bleed Air)를 사용하여 항공기 각 장치에 공급하는 시스템으로 주요기능은 다음과 같다.
- 조종실 여압, 온도조절 및 수분제거
- 항공 장비 냉각
- OBOGS, Anti-G Suit 등에 조화공기 공급
- 연료탱크, Canopy Seal 등에 가압공기 공급
- Canopy 안개/서리/빙결 방지
< ECS diagram. Bleed Air가 Primary HX(Heat exchanger)와 Sec HX를 거치면서 Ram Air와의 열교환을 통해 냉각된다 >
엔진에서 생성된 Bleed air는 온도가 높기 때문에 몇 단계를 거치며 냉각된다. 기체 내부 ECS Duct에 외부 공기(Ram air)를 통과시키고 여기에 노출된 열교환기(Heat eXchange)를 통해 Bleed air를 1차 냉각한다. 이 때 ACM(Air Cycle Machine)의 Compressor를 통과하는 과정에서 ACM이 작동하게 된다. ACM은 ECS의 핵심모듈로 공기순환과 냉각효과를 만들어 낸다. Ram air duct의 열교환기를 통과한 공기는 다시 Reheater / Condenser 를 거치면서 2차 냉각되고 이 공기가 Cockpit, Avionics 등에 사용된다.
< ACM(Air Cycle Machine) >
< FA-50 흡입구와 동체사이에 네모난 구멍이 ECS air inlet 이다. 반대쪽까지 2개가 있다 >
< FA-50 ECS exhaust >
< F-16 ECS exhaust >
< FA-18의 ECS inlet과 exhaust. 수직날개 사이에 있다 >
이제 F-35의 PTMS (Power and Thermal Management System)를 알아보자. PTMS는 아래 4가지 기능을 통합한 시스템이다.
< APU는 ATS-AMAD-PTO를 거쳐 엔진시동을 걸거나 ECS에 공기를 공급하는 역할을 한다. AMAD를 통해 Pump와 Generator가 작동한다 >
< KF-21 APU >
PTMS는 APU와 EPU, ECS를 통합한 후 여기에 TMS 기능을 추가시킨 장치이다.
< 맨 앞은 ACM의 Cooling Turbine과 같은 기능을 하고 그 뒤로 PM Starter/Generator 가 동일 축에 연결되어 있어 PTMS를 작동하거나 전력을 생산하는 역할(EPU)을 한다. S/G 뒷부분은 가스터빈 구조로 되어 있으며 연소를 통해 자체 동력을 생성한다 >
< F-35 PTMS >
PTMS는 크게 3가지 모드로 작동한다. 엔진시동모드, 냉각모드, 비상모드
< 엔진시동모드(Main Engine Start mode) >
우선 몇 가지 설명하고 넘어가자. 오른쪽 하단 노란색이 PTMS 이고 하나의 축에 연결되어 같이 회전한다
< F-35 PTMS inlet / exhaust >
터보팬엔진에 시동이 걸리면 PTMS는 냉각모드로 전환된다.
< 냉각모드(Cooling mode) >
냉각모드에서 PTMS는 자체연소를 멈추고 외부 Inlet을 닫는다. 그리고 엔진에서 생성된 고압의 Bleed air가 PT를 통과하며 PTMS를 작동시킨다(빨간색).
PTMS의 Compressor는 CT와 함께 ACM 역할로 바뀐다. Compressor를 빠져나온 공기가 FDHX#2를 거쳐 Reheater(Rhtr) / Condenser(Cond)를 통과한 후 다시 CT를 빠져나오면서(주황색) 냉각되어 Cockpit에 공급된다(파란색).
아까 다른 전투기들은 엔진의 Bleed air가 ECS에 공급되며 Ram air를 통해 냉각된다고 설명했는데, F-35 엔진의 Bleed air가 PTMS를 작동시키는 데 사용된다면 ECS Air는 어디서 공급받을까? 그림에서 엔진의 Compressor로부터 분기된 밝은 초록색라인이 FDHX#1을 거쳐 파란색 라인(Cooled Air)에 합류하는 걸 볼 수 있다. 엔진에서 생성된 또 다른 Bleed air 경로이다.
그럼 이 Bleed air를 냉각시킬 Ram air는 어디에 있을까?
< 실증기인 X-35 개발시절엔 ECS ram air inlet / exhaust가 존재했었다. APU도 있던 것으로 보아 당시엔 PTMS가 적용되기 전임을 알 수 있다 >
F-35는 PTMS 로 ECS를 통합하는 과정에서 Ram air duct를 삭제하고 Fan Duct Heat eXchanger(FDHX)라는 새로운 컨셉을 도입한다.
엔진이 장착되는 Fan Duct 내 Bypass air를 활용해서 냉각시키는 방식이다. PTMS 냉각모드를 보면 연녹색의 Bleed air가 FDHX#1를 통과한 후 PTMS의 Compressor를 거쳐 다시 FDHX#2를 지나가는 걸 볼 수 있다. 기존 ECS Ram air cooling과 비슷한 과정인 것이다.
Ram air duct를 삭제하면 내부공간을 더 확보할 수 있고 Ram air가 유발하는 항력이 줄어들며, Duct inlet / exhaust port가 없어져 스텔스 형상에 도움이 된다고 한다.
< 비상모드(Emergency mode) >
마지막으로 비행 중 엔진시동이 꺼질 때 작동하는 비상모드.
비상모드가 되면 PTMS는 다시 Inlet을 열어 공기를 흡입하고 자체연소를 시작해 출력을 낸다. PTMS에 통합된 Generator가 전력을 생산하고 기체의 각종 전자장비와 함께 엔진 Starter를 작동시켜 재시동을 시도한다.
정리하면,
PTMS는 4가지 기능(APU, EPU, ECS, TMS)을 통합한 장치로 Air cooling과 Liquid cooling을 모두 수행하며, 엔진의 Bleed air를 통해 출력을 낸다.
이제 아까 해외 기사에서 보았던 내용을 다시 살펴보자.
"원래 초기 엔진 스펙은 냉각시스템의 요구를 만족시키기 위해 15kW 의 Bleed air 만 추출하면 되도록 계획되었고, 이에 맞춰 설계, 시험, 검증과정을 거쳤다. 아울러 이는 미래 확장을 위한 여유분까지 감안한 설계였다. 그러나 개발의 막바지에 이르러 항공기 냉각요구도는 이미 계획된 Bleed air 추출량을 초과해 버렸다."
엔진에서 추출한 고압의 Bleed air가 PTMS를 작동시킨다고 설명했는데 여기 언급된 15kW는 PTMS 출력으로 환산한 값이라는 걸 알 수 있다.
"필요한 Bleed air 량을 맞추기 위해 엔진이 더 뜨겁게 작동해야 했고(출력을 상승시키기 위해), 이는 엔진 수명 감소와 유지비 상승을 유발했다."
엔진의 Main Bleed air는 PTMS를 작동시킨 후 Exhaust를 통해 빠져나가고, ECS를 위한 Bleed air가 별도로 추출되는 방식이라 PTMS가 상대적으로 더 많은 Bleed air를 요구하는 구조인 것이다.
게다가 FDHX의 낮은 효율성은 PTMS 작동을 더욱 가중시키는 요인이 된다. Fan Duct 와 뜨거운 엔진사이를 지나는 Bypass air를 냉각용으로 사용하는 것이기 때문에 그 효과가 제한적일 수 밖에 없다.
개발자들도 이 사실을 알고 있던 것 같다
< 엔진흡입구와 동체 양사이에 ECS Ram air inlet이 보인다 >
< ECS Ram air exhaust(빨간원) >
어떤 방식으로 엔진과 PTMS를 개량할 지 모르겠으나 단순히 시스템 성능을 높여서 대응하는 것은 비효율적이라 생각한다.
근본적인 해결책은 Ram air 적용이라 보는 데 이 방식은 기체 설계를 전반적으로 손대야 한다. 기체내에 Duct 설치할 공간을 마련해야 하고, Inlet / Exhaust port를 외부에 추가 장착해야 하며(물론 스텔스형상이 희생된다), 이에 맞춰 비행제어도 재설계해야 할 것이다.
요약:
F-35는 작은 기체에 최신 기술을 우겨넣는 과정에서 PTMS와 FDHX 라는 시스템을 고안해 적용했다
항전장비의 추가로 냉각수요가 늘었고 여기에 PTMS와 FDHX의 낮은 효율이 맞물리면서 엔진 Bleed air를 과도하게 요구하게 되었다
이로 인해 엔진에 과부하가 걸려 성능 및 내구성에 악영향을 주고 있다
개추
보라매 개량 마렵누
고오급 정보글 추! - dc App
F-35 엔진이 너무 뜨거워서 문제라는 소리를 예전에 들은 것 같았는데 저런 사정이 있었군. 늘 그랬긴 하지만 역시 무리한 신기술 적용은 가격상승과 결함을 낳는 것 같다. 그런데 궁금한 게, KF-21은 F-22의 형상을 따라 전통적인 설계를 한 것 같은데 중국의 경우 F-35에 적용된 DSI 인렛을 J-10부터 J-20, J-35까 절찬리에 써먹고 있더라고? 그럼 그것들은 엔진 냉각을 어떻게 하는 거지? 그냥 F-35처럼, 엔진수명 갉아먹는 거 감수하고 쓰는 건가?
내가 글을 어렵게 쓴 모양이네... 엔진에 문제가 있어서 뜨거워진게 아니라 새로 적용한 PTMS의 냉각성능이 시원치 않아서 엔진출력을 더 뽑아쓰게 되다 보니 결과적으로 엔진이 뜨거워 지게 됐다는 내용임 F-35 DSI와 냉각성능은 아무 관련이 없어 냉각용 ECS inlet을 꼭 저 자리에 만들어야 하는 게 아니야
난 그냥 결과적으로 엔진이 뜨거워졌으니 그 얘기를 한 것 뿐이고, 냉갹용 ECS inlet이 꼭 어디에만 있어야 하는 건 아니라는 건 알겠음.
경계층 분리기 사이 공간은 어차피 버리는 공간이나 마찬가지니까, 거기에 RAM Air 공기흡입구를 박으면 외부 돌출부가 없어도 되면서도 정면에서 불어오는 맞바람을 직빵으로 받는 위치라서 흡입에 유리해서 저기 다는 것 뿐....DSI를 적용했다면 그냥 다른데 흡입구 달면 됨. RAM Air Inlet이 사실 별개 아니라 별도의 흡입용 시스템 없이 맞바람을 그대로 받아 들이는 공기흡입구란 뜻임.
저 위에 F-18의 ECS inlet은 등짝에 있잖슴. 그리고 ECS inlet은 엔진냉각용이 아님
예전에 F-35 업글 이야기였나 뭐였나 하면서 링크 기사 이야기 나와서 처음 읽을 때 PTMS 한 번에 이해가 안가서 자료 찾던 생각 남...아니 뭔 시스템 4개를 하나에 우겨 넣은데다가 상황에 따라 작동 모드도 달라진다고...? ㅋ
그 때 아조씨 글 읽고 PTMS 이해가 안 가서 조사하게 된 것임 ㅋ
라뚱이가 또
1600시간이라는 수치가 심각하게 느껴지네 AL-31F률카새턴의 교체주기가 1600시간이라고 해서 그나마 원툴로 남은 재료공학도 중국에 비해서도 병신된 ㅅㄲ들이네 했는데... 취소합니노ㅡㅡ - dc App
기술 급발진이 또...
엔진정보추 - dc App
문외한인데 저 ACM이라는 게 압축된 BA로 돌리는 거면 터빈으로 압축한 힘을 다시 풀어서 쓰는 거라 운동량 손실 아닌가 갸우뚱하네
순수하게 Thrust 를 발생시키는 장치로써의 엔진 기준으로 보면 손실이 맞음. 다만 ACM 자체는 엔진에서 뽑아낸 에너지(BA)를 최대한 회수하도록 설계를 해서 전체 시스템 기준으로는 어느정도 균형이 맞춰지는거
이런 정보글은 정말 개추박는다 - dc App
Fan air HX 는 고바이패스 엔진에서는 효율이 좋은데 전투기급 엔진에서는 냉각효율이 꽤 낮아지나보네
고바이패스는 팬 직경이 코어엔진보다 훨씬 커서 상대적으로 엔진열기에 영향을 덜 받기 때문인듯
최신 기술을 적용하다보니까 오히려 bleed air 유입량을 쉽사리 늘릴 수가 없는거구나 프삼오처럼 한계까지 꽉꽉 눌러담는거보다 설계에 적당한 여유 마진을 두는게 더 나은것 같음... 요즘은 한번 만들면 겨우 십몇년 굴리는게 아니다보니까 추가적인 개량이나 업글 여유를 안두면 힘든듯
초기 기준으로는 여유 마진이 있었는데 이거저거 기능이 추가되가보니 너무 빡빡해진거지
이러면 프삼오 완전 결함덩어리아님?