[항공기술 시리즈 #03] 제트 엔진의 출력은 어떻게?: 마력(HP)이 아닌 추력(Thrust)인 이유와 추력 생성의 원리 (Feat. 뉴턴의 3운동 법칙)
작성자: Blue Engineer | 카테고리: 항공우주/Gas Turbine Engine | 작성일: 2026. 02. 11.
1. 왜 마력이 아닌 추력인가? (Why Thrust, Not Horsepower?)
터보프롭, 터보샤프트 또는 피스톤 엔진을 설명할 때 일의 능률을 측정하는 데 공인된 단위는 마력(horsepower)입니다.
에너지는 일을 수행할 수 있는 능력이고, 동력(power)은 일의 능률입니다.
동력은 수행된 일의 양이 아니라 시간과 상관관계가 있는 성취 단위로 측정됩니다.
1마력은 1초 동안 수행된 550피트-파운드의 일, 또는 1분 동안 수행된 33,000피트-파운드의 일로 정의되며, 피트-파운드는 1파운드의 무게를 1피트 거리만큼 들어 올리는 데 필요한 에너지입니다. 따라서 마력을 계산하려면 시간과 거리 요인이 모두 필요합니다.
여기서: P = 동력, F = 힘, D = 거리, T = 시간
터보프롭이나 피스톤 엔진이 프로펠러를 돌리는 샤프트를 구동하여 일을 수행할 때, 토크(torque)와 RPM을 사용하여 엔진이 발생시키는 마력을 결정할 수 있습니다.
토크는 프로펠러를 돌리기 위해 엔진이 가하는 비틀림 또는 회전력이며, RPM은 엔진 크랭크샤프트의 분당 회전수입니다.
제트 엔진의 경우 시간과 거리 요소가 항상 수반되는 것은 아니기 때문에 '동력'과 '마력'이라는 용어는 부적절합니다.
터보제트나 터보팬이 전진하지 않을 때 (예: 엔진이 가동 중인 상태로 지상에 정지해 있는 비행기), 시간과 거리 요소는 0입니다.
일정 시간 동안 측정할 수 있는 엔진의 움직임이 일어나지 않기 때문입니다. 비록 엔진 내부 터빈에 의해 토크와 RPM이 생성되지만, 그 마력은 엔진 자체에 의해 전적으로 사용됩니다.
공인된 동력 결정 공식에 따르면 어떤 동력도 발생하지 않는 셈입니다. 그러나 우리는 엔진이 그 마운트를 밀고 있으며, 엔진이 생성하는 추력이 항공기 브레이크가 해제될 때 항공기를 지상 주행하게 만든다는 것을 알고 있습니다.
따라서 터보제트 및 터보팬 엔진에 의해 발생한 추진력의 척도로는 마력이 아닌 파운드 단위의 추력이 사용됩니다.
2. 추력 마력 (Thrust Horsepower)
피스톤 엔진, 터보샤프트 및 터보프롭은 회전축을 통해 동력을 전달하기 때문에 샤프트의 RPM과 토크를 사용하여 엔진에서 생산되는 마력을 측정하는 동력계(dynamometer)가 장착된 테스트 스탠드에 설치될 수 있습니다.
제트 엔진 테스트 스탠드는 마력으로 편리하게 변환할 수 없는 추력(파운드 단위)으로만 엔진 출력을 측정합니다.
일단 제트 항공기가 움직이기 시작하면 시간과 거리가 개입하게 되며, 항공기에 탑재된 엔진에서 생성되는 추진 동력과 피스톤 엔진이 같은 대기 속도에서 생산할 수 있는 마력 사이에 대략적인 비교가 가능해집니다.
분당 33,000 피트-파운드, 즉 1마력에 해당하는 값은 시간당 375 "마일-파운드"입니다.
표준 동력 방정식은 375mph의 대기 속도에서 1파운드의 추력이 1마력과 같음을 보여주기 위해 쓰일 수 있습니다.
이를 추력 마력(THP)이라고 합니다.
여기서:
- THP: 특정 대기 속도로 여행하는 제트 엔진에 의해 생성된 대략적인 추력 마력
- Thrust: 비행 중 제트 엔진에 의해 생성되고 있는 파운드 단위의 추력
- MPH: 시속 마일 단위의 대기 속도
참고:
- 375mph에서, 추력 1lb = 1추력 마력
- 750mph에서, 추력 1lb = 2추력 마력
샤프트를 통해 동력을 전달하여 프로펠러를 구동하는 피스톤 및 터보프롭 엔진은 보통 동력계로 측정된 제동 마력 (brake horsepower)으로 정격이 매겨지므로, 테스트 스탠드에서 생산된 제동 마력에 업계 표준으로 인정된 80%의 프로펠러 효율을 곱해야 합니다.
그 결과물은 같은 속도로 비행하는 항공기 내의 터보제트 또는 터보팬과 추력 마력 기준으로 비교했을 때, 프로펠러가 달린 샤프트 엔진이 특정 대기 속도에서 생성할 추력 마력을 나타낼 수 있습니다.
위 방정식은 제트 엔진에 의해 생성되는 추력 마력을 계산하는 방법을 보여줍니다.
3. 추력의 생성 (Generation of Thrust)
제트 엔진, 로켓 모터, 그리고 피스톤 엔진의 프로펠러는 아이작 뉴턴의 운동 법칙에 따라 추력을 발생시킵니다.
첫 번째 단계는 뉴턴의 법칙을 이해하는 것입니다.
뉴턴의 제1법칙: 정지해 있는 물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 정지 상태를 유지한다.
예: 평평한 테이블 위에 놓인 공은 돌풍이나 사람의 손이 미는 것과 같은 어떤 힘에 의해 움직이기 전까지는 움직이지 않고 그대로 있을 것입니다. 뉴턴 제1법칙의 두 번째 부분은 운동 중인 물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 직선 운동을 계속한다는 것입니다. 제트 엔진 작업에서 이 부분은 고려하지 않습니다.
뉴턴의 제2법칙: 운동의 변화는 가해진 힘에 비례한다. 이는 다른 방식으로도 설명될 수 있습니다.
물체(또는 질량)가 가속될 때마다 속도 변화율에 비례하는 힘이 발생합니다. 수학적으로 뉴턴의 제2법칙은 다음과 같은 방정식으로 표현될 수 있습니다.
여기서(적절한 단위 사용 시): F = 힘, M = 질량(무게), a = 가속도.
예: 사람이 망치로 못을 박을 때, 망치가 못을 치는 힘은 망치 머리의 질량(무게에 비례)에 사람이 망치 머리에 가한 0에서 최종 속도까지의 가속도를 곱한 값에 비례합니다.
예를 들어, 작은 장식용 망치로는 큰 대못을 박기 어려운데, 이는 망치 머리의 질량이 너무 작기 때문입니다. 마찬가지로, 큰 망치를 쓰더라도 가볍게 툭툭 치는 방식으로는 가속도가 너무 작아 대못을 박는 작업이 지루한 일이 될 것입니다.
4. 질량의 정의 (Definition of Mass)
여기서 잠시 '질량'이라는 용어가 무엇을 의미하는지 배우는 것이 좋겠습니다.
질량은 물질의 기본 속성으로, 어떤 물체에 포함된 물질의 양입니다. 물체가 지구와 같은 중력장 안에 있을 때 이를 무게라고 부릅니다.
그러나 감지할 만한 중력장이 존재하지 않는 먼 우주 공간에 있는 물체도 질량의 특성은 그대로 유지합니다. 즉, 그 물체를 가속하거나 감속하는 데는 여전히 동일한 힘이 필요하며, 온도를 특정 도수만큼 높이는 데도 동일한 양의 열이 필요합니다.
제트 엔진의 경우 지구 중력장 내에서 질량을 다루기 때문에 F = Ma 방정식은 제트 엔진에 적용하기 위해 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다.
여기서:
- F: 파운드 단위의 힘
- w: 공기, 가스 또는 연료와 같은 액체의 lbs/sec 단위 유량
- V1: ft/sec 단위의 공기, 가스 또는 액체 질량의 초기 속도
- V2: ft/sec 단위의 공기, 가스 또는 액체 질량의 최종 속도
- g: 중력 가속도, 32.2 ft/sec^2
참고: M = w/g, 여기서 M = 질량
중력 가속도에 대해서도 설명이 필요합니다.
소문자 'g'는 떨어지는 물체의 속도가 매초 증가하는 값을 나타내는 공인된 기호입니다 .
g의 값은 지리적 위치와 해발 고도에 따라 약간씩 다르지만, 지표면 근처에서 적용되는 계산에는 보통 32.2 ft/sec^2 (9.8 m/sec^2 )의 값이 사용됩니다.
위의 방정식과 관련하여 중력 가속도 g에는 실제로 두 가지 용도가 있음을 주목하십시오.
첫 번째는 지구 중력장에 이끌려 지구로 떨어지는 물체의 속도를 구하는 것입니다.
두 번째 용도는 첫 번째와 관련이 있지만, 중력의 영향과 직접적인 관련이 없는 계산에서 질량(또는 물체 내 물질의 양)을 사용해야 할 때 무게를 질량으로 변환하는 계수로 생각해야 합니다. 위의 방정식에는 이 두 번째 용도가 적용됩니다.
뉴턴의 제3법칙: 모든 작용에는 항상 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재한다.
예: 말이 마차를 움직일 때, 말이 마차를 끌기 위해 끈(traces)을 당기는 힘만큼 똑같이 세게 도로 표면을 발로 밀어야 합니다.
단순한 제트 엔진 (A Simple Jet Engine)
로켓 모터, 펄스제트, 램제트 (나중에 자세히)를 포함한 모든 제트 엔진은 반동 엔진 (reaction engines)이라 불리는 동력 장치 클래스에 속합니다.
풍선을 통해 뉴턴의 법칙이 터보제트(또는 다른 유형의 반동 엔진)가 추력을 발생시키는 방식을 어떻게 설명하는지 보여줄 수 있습니다.
풍선에 실온의 공기를 채우고 공기가 빠져나가지 않도록 입구를 꽉 쥐고 있으면, 풍선 내부의 공기압이 모든 방향으로 풍선 표면을 균일하게 누르고 있기 때문에 풍선은 테이블 위에서 움직이지 않고 가만히 있을 것입니다.
풍선을 움직이게 하는 어떤 힘도 가해지지 않고 있습니다. 풍선의 입구를 놓으면 공기를 가두던 표면이 더 이상 없기 때문에 공기는 열린 입구를 통해 빠져나갑니다. 또한, 풍선 표면적의 이 작은 부분을 제거함으로써 입구로 막혀 있던 부분에 가해지던 힘을 없애 풍선 내부에 불균형한 힘을 발생시킵니다.
풍선 피부의 나머지 모든 부분에 가해지는 힘은 이전과 동일하게 유지됩니다. 결과적으로 발생하는 압력 불균형은 풍선을 입구 반대 방향으로 움직이게 만듭니다. 모든 반동 엔진의 이름이 유래된 원인이 바로 풍선(또는 가스 터빈 엔진, 로켓, 펄스제트, 램제트) 내부의 힘의 내부적 불균형입니다.
이것이 또한 반동 엔진이 배기 노즐 밖의 공기를 실제로 밀지 않고도 추력을 생성할 수 있는 이유입니다. 아이작 뉴턴이 설명한 작용력과 반작용력은 모두 엔진, 로켓 모터 또는 기타 반동 추진 장치 내부에서 발생합니다.
장난감 풍선은 방이 거대한 진공 챔버였더라도 방을 가로질러 이동했을 것임을 유념해야 합니다. 예를 들어 로켓은(자체 연료와 산화제를 운반하기 때문에) 공기가 없는 외계 공간에서도 작동할 수 있습니다.
터보제트의 추력 방정식 (The Thrust Equation for a Turbojet)
이제 풍선에서 제트 엔진으로 넘어가 보면, 제트 엔진에 의해 생성되는 추진력은 엔진 내부에서 발생하는 복잡한 일련의 작용과 반작용의 결과입니다.
내부 힘의 목적이 고온 가스 질량을 가속하는 것이므로, 엔진 지상 테스트 스탠드와 같은 추력 측정 장치를 사용할 수 없는 경우 추력을 계산하기 위해 F = Ma 방정식을 사용합니다.
제트 엔진 추력을 계산하는 데 사용되는 방정식은 앞서 질량의 정의를 설명할 때 사용한 것과 동일하며 참고를 위해 아래에 반복합니다.
터보제트가 생산하는 추력을 결정하는 방정식은 실제 연습에서는 엔지니어들만 사용하게 될 것입니다.
그럼에도 불구하고 이 방정식이 무엇이며 어떻게 유도되는지 설명하는 것은 터보제트가 어떻게 추력을 발생시키는지 보여줄 것입니다.
앞서 터보제트는 주로 고속 가스를 생산하는 기계라고 언급되었습니다. 이를 표현하는 또 다른 방법은 터보제트가 본질적으로 엔진을 통과하는 공기와 연료의 운동량(momentum)을 증가시키는 기계라고 말하는 것입니다.
운동량은 엔진을 통과하는 공기, 연료 및 연소 생성물에 가해지는 충격량입니다.
수학적으로 운동량은 운동 중인 물체의 속도에 그 질량을 곱한 값입니다.
질량은 중력장의 무게를 중력 가속도 g로 나눈 것이므로, 터보제트의 경우 운동량은 (w/g) X V 이며, 여기서 w 는 이전과 마찬가지로 엔진을 통과하는 공기와 가스의 초당 파운드 단위 유량입니다.
F = (w/g) X (V2 - V1) 버전의 F = Ma 방정식(터보제트에 적용될 때)은 다음과 같이 이항하여 다시 쓸 수 있습니다.
따라서 이 방정식의 (w/g) X V2 와 (w/g) X V1 부분에 '운동량'이라는 단어를 대입하면, 질량이 제트 엔진을 통해 가속될 때 발생하는 힘은 질량의 최종 운동량과 초기 운동량의 차이가 됩니다.
터보제트로 들어오는 공기의 운동량과 연료의 운동량을 배기 가스의 나가는 운동량에서 빼야 엔진 내부에서 발생하는 힘을 나타내는 전체 운동량 변화에 도달할 수 있습니다.
이 힘에 대한 반작용은 물론 엔진 추력입니다.
터보제트에 의해 생성되는 추력은 엔진 자체 내부에 생성된 불균형한 힘과 운동량의 결과입니다. 노즐 출구의 정압(static pressure)이 주위(외부) 공기의 정압을 초과할 때 노즐에서 추가적인 힘이 발생합니다.
5. Blue Engineer의 요약 및 결론
오늘 내용을 요약하자면 다음과 같습니다.
- 마력은 '일의 효율'이며 반드시 이동 거리가 필요하다.
- 추력은 '순수한 힘'이며 정지 상태에서도 존재한다.
- 제트 엔진은 가스를 뒤로 가속시키는 반동(Reaction) 을 이용해 전진한다.
- 속도가 빨라질수록 제트 엔진의 추력 마력 (THP) 은 비약적으로 상승한다.
항공 기술의 세계에서 단위를 이해하는 것은 그 기계가 세상을 대하는 방식을 이해하는 것과 같습니다. 제트 엔진은 멈춰 있을 때보다 하늘을 가를 때 비로소 그 진정한 '동력'이 증명되는 장치인 셈입니다.
다음편에서는 추력에 대한 본격적인 종류와 계산 방법을 다뤄 보겠습니다.
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[English Version]
[Aviation Tech Series #03] How Jet Engine Output Works: Why We Use Thrust Over Horsepower (feat. Newton’s Laws)
Author: Blue Engineer | Category: Aerospace / Gas Turbine Engines | Date: Feb 11, 2026
1. Why Thrust, Not Horsepower?
When describing turboprops, turboshafts, or piston engines, the standard unit of efficiency is Horsepower (HP). While energy is the capacity to do work, power is the rate at which that work is performed.
Power is measured as a unit of achievement correlated with time, not just the total amount of work done. One horsepower is defined as 550 foot-pounds of work per second (or 33,000 foot-pounds per minute). A foot-pound is the energy required to lift one pound of weight by one foot. Therefore, calculating horsepower requires both time and distance.
- P = Power
- F = Force
- D = Distance
- T = Time
In a piston or turboprop engine, work is performed by driving a shaft that turns a propeller. Output is determined using Torque (rotational force) and RPM (revolutions per minute).
However, for jet engines (turbojets/turbofans), the terms "power" and "horsepower" are often inadequate because the distance factor is not always present. For example, when a jet is stationary on the ground with engines running, the distance factor is zero. Technically, no "work" is being done in a physics sense, yet the engine is generating a massive amount of force—Thrust—pushing against its mounts and ready to move the aircraft once the brakes are released.
2. Understanding Thrust Horsepower (THP)
While jet engines are rated in pounds of thrust on a test stand, we can calculate an equivalent horsepower once the aircraft is in motion. This is known as Thrust Horsepower (THP).
The standard power equation shows that at a flight speed of 375 mph, one pound of thrust is exactly equal to one horsepower.
Key Benchmarks:
- At 375 mph: 1 lb Thrust = 1 THP
- At 750 mph: 1 lb Thrust = 2 THP
This shows that as a jet flies faster, its equivalent power output increases dramatically, even if the thrust remains constant.
3. The Physics of Thrust Generation
Jet engines operate based on Sir Isaac Newton’s Laws of Motion.
- Newton’s 1st Law (Inertia): An object at rest stays at rest unless acted upon by an external force.
- Newton’s 2nd Law (Acceleration): Force is produced whenever a mass is accelerated.
- Newton’s 3rd Law (Action/Reaction): For every action, there is an equal and opposite reaction.
The Balloon Analogy
A balloon filled with air is stationary because internal pressure is equal in all directions. When you release the neck, the "seal" is removed, creating a pressure imbalance. The internal force pushing against the side opposite the opening moves the balloon forward. A jet engine works the same way: it is a reaction engine. It doesn't need to "push" against the outside air; the reaction happens internally.
4. The Jet Engine Thrust Equation
Engineers use a specific version of $F = Ma$ to calculate the thrust of a turbojet by measuring the change in momentum of the air passing through it.
- F: Thrust (lbs)
- w: Mass airflow rate (lbs/sec)
- V1: Initial velocity of air (Inlet)
- V2: Final velocity of gas (Exhaust)
- g: Acceleration due to gravity (32.2 ft/sec^2)
Essentially, a jet engine is a "momentum machine." It takes a large mass of air and accelerates it to a very high velocity. The force required to accelerate that air results in an equal and opposite reaction: Thrust.
5. Summary and Conclusion
- Horsepower measures the rate of work and requires movement/distance.
- Thrust is pure force and exists even at a standstill.
- Jet engines are Reaction Engines that move forward by accelerating gas backward.
- Thrust Horsepower (THP) scales with speed, making jet engines incredibly efficient at high velocities.
Understanding these units is the first step to mastering aerospace engineering. In the next post, we will dive deeper into the different types of thrust and how to calculate them in real-world scenarios.
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