WEP, War(time) Emergency Power
1. 개요
제2차 세계 대전 당시 존재한 개념으로, 전투기의 엔진에 과부하를 줘서 단시간 기존의 최대치를 상회하는 출력을 내는 기술. 미 육군 항공대에서 가장 널리 사용되었으나 독일 공군이나 영연방 공군은 물론 당시 대부분의 열강 국가들이 활용하였다.2. 원리
기본적으로 엔진의 출력을 결정하는 쓰로틀 레버는 플라스틱 판으로 막혀 있거나 일정 구간만을 움직일 수 있게 설계되어 있으나, WEP가 장착된 미군 기체의 경우 잠금을 풀면 기존보다 레버를 더 멀리 밀 수 있게 설계되었다. 이 결과 흡기구를 통해 엔진에 들어오는 공기가 늘어나 상대적으로 출력이 증가하게 된다. 대신 엔진에 과부하가 걸려 위험이 높아진다. 흡기구 근처에 물을 분사해서 물의 기화열로 공기밀도와 혼합비를 높이는 방식[1], 혹은 엔진에 따라서는 밑의 독일 공군처럼 메탄올과 물 혼합물을 엔진에 분사해서[2] 출력을 향상시키는 방법을 사용하기도 했다.영연방 공군의 경우 옥탄가가 높은 항공유를 일시적으로 사용해 슈퍼차저에 과부하를 걸어 같은 효과를 달성했다. 이런 방법은 주로 요격을 맡는 슈퍼마린 스핏파이어와 같은 기종에 사용되었다.[3]
독일 공군의 경우 메탄올과 물 혼합물을 엔진에 분사함으로써 연료의 연소율을 강제로 향상시키는 MW-50(Methanol-Wasser)과 MW-30이 있고(각각 뒤의 숫자가 메탄올의 비율) 아산화 질소를 주입해서 고고도에서 부족한 산소를 연료혼합물에 보충해 주는 GM-1(Göring Mischung 1)이라는 독자적인 체계를 사용했다. 둘 다 별도의 분출 장치를 달아야 했으며 MW-50은 저고도에서 큰 효과를 발휘했고, GM-1은 고고도에서 효율적이었다. MW-50은 Bf 109G-6부터 장착되었으며, 주로 장착된 기종은 Bf 109와 Fw 190이었다. GM-1은 산소가 부족한 고고도에서 산소가 적어 연소 효율이 떨어지는 것을 막기 위해 개발되었지만 MW-50과 다르게 고고도에서만 유용한 특징[4] 때문에 사용된 사례가 적다. 여담으로 MW-50과 GM-1을 둘 다 장착한 기종은 오직 Ta152 H형 하나뿐이다.
제트기 시대에 와선 초창기 때는 물 분사장치라고 WEP와 비슷한 개념이 사용된 적은 있다. 물을 뿌려 엔진 온도를 낮춰 엔진 효율을 조금이나마 높이는 형식이었다. 검은 배기가스를 줄줄 뿜으면서 이륙하는 B707이 이 방식을 사용하고, 드라이 파워, 웻 파워라는 단어도 그에 대한 잔재이다. 하지만 비상수단 보다는 초창기 제트기 추력은 워낙 약했기에 이륙 보조로 사용되는 성격이 강했다. 주로 항공모함에서 이륙하는 F9F 같은 제트기의 이함용 추력 증가 수단이었다., 물론 추후에 애프터버너 출현으로 웻 파워는 사라졌지만, 현재에도 AV-8 해리어의 경우 제트기임에도 물을 분사하는 WEP를 사용했다.[5]
웻 파워 이후엔 애프터 버너라는 수단의 출현이 있었고, 이 시기로 WEP는 사라지기 시작했다. 사실 당시 애프터버너라는 것 자체가 제트엔진에 연료를 들이 부어 엄청난 열과 부담을 주는 거라, 아직 재료공학이나 냉각이 부족한 초창기 제트엔진에 큰 부담을 주고 한계까지 올리는 기능[6]이라 수명과 신뢰성 문제 있었기에 지금처럼 스로틀 당기듯이 막 사용할 수 없었던 기능이었고, 일정 상황시에만 사용할 수 있었다고 한다. 애프터 버너 자체가 WEP이었던 샘.
이후 1970~80년대 와서 제트 엔진의 수명과 신뢰성이 향상되자, 일부 전투기에 한에 WEP를 다시 탑재하기 시작했다. 예를 들어서 사브 37 비겐은 "전시 추가 동력 모드"가 있어서 볼보 RM8 엔진 연료 조절기의 특정 수동 조작 기능, 즉 "크리크스드리프트"(전시 모드)를 통하여 수동 제어를 통해 출력을 늘릴 수가 있었다. 파나비아 토네이도나 MiG-29의 경우에도 비슷한 기능이 있었다고 하며, 또 J79 엔진도 Combat+ 라는 기능이 있었다고 한다. 대표적인 건 F-15의 VMAX 기능인데, 캐노피 아래에 구리실과 보호캡으로 되어 있는 스위치를 누르게 된다면, F100 엔진의 제한을 해제하여 추력을 늘려주었다고 한다.
현대에 와선 제네럴 일렉트릭사의 F404, F414같은 최신형 엔진의 경우, FADEC (Full Authority Digital Engine Control) 이라고 하여 컴퓨터가 엔진을 관리해 주는데, 평시에는 터빈 온도와 연료 흐름을 엄격하게 제어하여 엔진 수명을 연장하는 형식으로 관리하다가, 전시 상황에선 특정한 작전 비행 프로그램을 업로드하여 필요에 따라 엔진이 구조적 한계에 더 가깝게 작동할 수 있도록 허용해 주는 기능이 있다고 한다.
하지만 이 기능들은, 현대에 수명이 늘은 제트엔진이라도 사용하게 된다면 정비사들이 엔진을 꺼내서 하나하나 점검해야 했기에 정비 문제로 이런 기능을 막아두거나 아에 없는 항공기들도 존재했다고 한다. 일종의 옵션인샘.[7]
3. 효과
P-51H 머스탱의 경우 지상 실험 결과 기존의 1380마력 엔진 출력을 최대(물 메탄올 주입까지 동원한) 2218마력까지 끌어올릴 수 있었고,[8][9] P-51D 머스탱의 경우 기존의 1490마력 출력을 교전 시에 평균 1720마력까지 끌어올려서 교전할 수 있었다.[10]미 해군 항공대에서 쓰던 F4U 콜세어의 경우 후기형에 WEP가 탑재되어 약 17%에 해당하는 420마력 출력 상승 효과가 있었다.[11]
영연방군이 운용하던 호커 허리케인 Mk1에 WEP를 탑재한 결과 1060마력에서 1310마력으로 약 250마력 출력 향상이 있었다.
독일 공군의 Bf109 K-4는 MW50 사용 시 1370마력에서 1973마력으로 약 600마력이 향상되었다.[12]
미국 공군의 F-15의 VMAX 기능은 F100 엔진의 터빈 온도 제한을 22도 올리고, RPM도 2%가 높아지며 연료 유량도 4%를 늘려서, 약 4% 추력을 추가해 주었다고 한다.
4. 한계
정상적인 방법으로는 엔진의 출력을 높일 수 없어 제시된 타개책인 만큼, 한계가 명확했다.우선, 엔진에 부하가 심하게 걸려 수명이 극도로 단축된다. 영연방 공군 규정에 따르면 최대 5분 이상, 독일 공군 규정에 따르면 최대 3분 이상 WEP를 지속적으로 사용하지 말 것을 권고하고 있고, 해당 비행 시에 총 WEP를 몇 분이나 사용했는지 기록해야 한다. 또한 정비병들에겐 WEP 사용 누적 시간이 길 경우 우선 엔진을 기체에서 들어내 새 걸로 교체하고 기존의 엔진은 후방으로 보내 검사를 받게 하도록 매뉴얼이 구성되었다.
또한, 일종의 오버클럭인 만큼 엔진의 신뢰성이 떨어진다. 당시 파일럿의 보고를 보면 규정 시간 이상 WEP를 사용하고도 멀쩡하다는 보고도 있는 반면 WEP를 사용하고 얼마 지나지 않아 엔진이 말을 안 듣는다든가, 극단적으로는 잠시 엔진이 꺼져버리는 경우도 있었다.
F-15의 경우 앞서 언급되었다 싶이 VMAX 기능을 사용하면 정비사들이 엔진을 빼서 하나하나 점검[13]을 해야 했었다. 또 VMAX 스위치 자체가 얇은 구리선으로 되어 있었는데, 문제는 이게 조종사 옷깃에 스치거나 팔로 건들기만해도 끊어져서 실제로 사용하지 않아도 끊어져 있었다면 무조건 정비를 해야 했기 때문에 정비사들에게 온갖 욕이란 욕은 먹었다.[14] 결국 골칫덩어리로 전략하고, F100 엔진 자체도 F100-PW-220 형식에서 와서 신뢰성과 성능이 향상되었기에 이 기능은 비활성화되거나 스위치를 때 놓았다고 한다.[15]
5. 여담
사실 현대 제트 전투기에 와선 전시 긴급 출력기능이 애프터버너에 가려 잘 알려지지 않거나 이러한 기능이 있다정도로만 소개된다. 엄연히 최대 엔진 추력은 전투기의 실제 최대 항속거리처럼 군사 기밀 요소 중 하나라 잘 안 알려진 것도 있을 것이다.일부 튜닝카들의 엔진에도 이와 비슷한 시스템이 있다. 보통 사제 브랜드의 메탄킷 시스템이나 자작 키트를 이용한 방식인데, BMW M4 등에는 기본으로 장착돼 있기도 한 워터/메탄올 인젝션 키트(일명 메탄킷)이다. 단 아무 물만을 이용한 워터 인젝션 키트는 엔진 시스템 내부 부식유발의 위험이 있어 인증된 등급의 깨끗한 증류수를 써야 한다. 맹물 외에도 냉각성능을 강화시키고, 연소 효과도 높이는 동시에 어는점을 낮추기 위해 메탄올을 일부 혼합한 프리믹스를 쓰는 경우도 있다.[16]
이 시스템은 인터쿨러를 거친 스로틀바디 전단에 설치된, 전용 인젝터를 통해 메탄올 프리믹스를 분사한다. 이로 인해 추가적인 열 교환을 통한 엔진 시스템 자체의 열 부하를 줄이고, 연료의 완전 연소를 유도해 열효율의 증강 효과를 낸다. 부가적으로 연소실내 카본 찌꺼기의 완전 연소 유도를 이끌어 엔진 컨디션 유지에 도움을 주기도 한다. 이로 인해 휘발유, 또는 디젤 엔진에 사용하는 경우가 많았다.
번외로 아산화질소 기체, 흔히 말하는 니트로 분사 시스템을 탱크와 연결해 분사하기도 했다. 이러한 시스템으로 인해 올바르게 맵핑을 하여 비중을 맞춘 차량은 출력이 약 5~10% 증가하는 효과를 보인다. 단 흡기 내부에 분사하는 시스템은 세팅과정에서 워터/메탄올 분사 비중이 과도하게 높을 경우 연소실 내 잔여 워터/메탄올 성분이 완전히 기화되지 못하고 남아 컨로드에 부하를 주어, 이때 연료와의 비중 차이가 심각한 경우 압축압력을 버티지 못하고 블럭에 치명적인 파손을 유발한다.
[1] 그래서 현대의 애프터버너도 Wet Power라고 부르는 경우가 있다.[2] 이쪽을 많이 사용한 편이다. 가장 큰 이유는 물만 쓰면 높은 고도에서 얼어버리는 경우도 생기기 때문으로, 따라서 부동액으로 메탄올을 섞어 주었다. 물의 비율을 높이고 메탄올의 비율을 낮추면 그만큼 출력이 더욱 향상되지만, 그 대신 부동액 역할을 하는 메탄올의 비율이 줄어 들었기 때문에 고도가 올라갈수록 사용이 힘들어졌다.[3] 호커 타이푼이나 호커 템페스트와 같이 네이피어 세이버 엔진을 장착한 기종은 저고도에서 강력한 출력을 발휘하는 특성 때문에 그다지 긴급 출력이 필요한 경우가 많지 않았다고 한다.[4] 체계 자체의 무게라던지 강화하는 부분의 차이가 있다. 아산화질소는 산소를 더 공급해 주고(현대 자동차 튜닝에서 비슷한 원리를 쓰는 게 NOS) 물/메탄올 혼합액은 흡입하는 공기의 온도를 낮추어서 슈퍼차저의 압축비를 올리는 데 도움이 된다.[5] 사실 함재기나 해리어의 웻 파워는 거의 이륙용 수단이라 비상용으로 사용하는 경우는 적었다. 이함하고 나면 물을 다 비워야 했기 때문이다. 그나마 지상기지에서 이륙하여 나중에 쓰는 정도.[6] 미공군에서 운용했던 초기형 F-86D의 경우 애프터버너 사용하다가 잘못하면 엔진이 폭발하는 문제가 있어서 조심조심 운용하다가 결국 나중에 개량시켰다고[7] 물론 엔진이 망가지는 거보다는 조종사 하나라도 살리는 게 중요하긴 하다. 2퍼센트의 추력이 늘어도 공중전에선 승패를 가르는 요소가 될 수 있기 때문이다. 따라서 조종사가 선택하기보다는 아까 언급했듯이 비행 컴퓨터 프로그램에 업로드하여 정말 전시 상황에만 쓸 수 있게 하는 형식으로 전환한 샘이다.[8] United States Military Aircraft since 1909, Gordon Swanborough and Peter M. Bowers, Smithsonian, 1989.[9] Classic Warplanes: North American P-51 Mustang, Bill Gunston, Gallery Books, 1990.[10] Fighting Mustang: The Chronicle of the P-51, William N. Hess, Doubleday, 1970.[11] American Combat Planes, Ray Wagner, Third Enlarged Edition, Doubleday, 1982[12] Prien and Rodeike 1996, pp. 56–165[13] 다른 경우는 전투기가 12G의 이상의 기동을 했을 경우[14] 이렇게 만들 수밖에 없는 게, 전투 중에 고기동을 한다면, 조종사도 온갖 중력을 받게 되고 체력적으로도 지쳐 힘이 약해지는 경우도 있고, 이걸 누른 상황이라면 정말 비상시라는 거라서 잘 끊어지게 만들 수밖에 었었다.[15] 사실 PW-220와서 유압 케이블이 아닌 FADEC 이라고 전자식 제어가 도입되었기에 컴퓨터에 전시용 프로그램을 업로드해 이를 해제해 주는 형식으로 바뀌었기 때문일 수도 있다,[16] 메탄올 수용액을 쓰면 어느 정도의 세정효과도 있다.