항공기 엔진

항공기 엔진(航空機, aircraft engine) 또는 에어로 엔진(aero engine)은 항공기를 위한 추진 시스템의 부품이다.

개요

항공기 엔진은 항공기의 추력 발생을 위해 특수 설계된 엔진이다. 일반 엔진에 비해 중량 대비 출력비가 높다. 항공기 엔진은 크게 왕복엔진(reciprocal engine), 터보제트엔진(turbojet engine), 램제트엔진(ramjet engine), 로켓엔진(rocket engine) 등으로 분류할 수 있으며, 그 외에도 두 개 이상의 엔진의 특징을 결합시킨 다양한 형태의 복합엔진(hybrid engine)이 존재한다. 항공기가 강력한 엔진을 갖추게 되면서 이 강력한 엔진을 자동차에 탑재하기 위한 시도는 과거부터 현재까지 꾸준히 이어졌다. 특히, 음속 돌파 등의 속도 기록을 위한 차량들이 이러한 형태를 취하는 것을 자주 볼 수 있다. 이러한 형태의 차량들은 속도와 직진 중의 안정성을 극대화시키기 위해, 대체로 항공기의 동체와 유사한 형태를 갖는다. 엔진으로는 강력한 추진력을 가진 터보제트엔진을 주로 사용한다. 이러한 형태의 차들 중에서는 1997년에 지상에서 처음으로 음속(340m/s, 1,224km/h)을 돌파한 영국의 스러스트 SSC(Thrust Super Sonic Car)가 유명하다. 이와 다소 유사한 형태로는 일반적인 자동차의 후미에 제트엔진을 싣는 경우를 들 수 있다. 이러한 형태는 주로 설계 상의 제약에서 비교적 자유로운 트럭이나 버스 등의 후미에 제트엔진을 싣고 엔터테인먼트를 목적으로 사용된다. 한편, 제너럴모터스(General Motors) 등의 제조사에서는 1950년대부터 꾸준히 제트엔진을 탑재한 자동차를 연구해 왔지만, 실용성과 안전 문제 때문에 대부분 콘셉트카 단계에 머무르는 데 그쳤다.

종류

왕복엔진

왕복엔진은 피스톤엔진이라고도 불리며 피스톤의 왕복운동을 통해 프로펠러를 구동 시켜 항공기 후방으로 공기를 밀어 보내고 그 반작용으로 추럭을 얻는 형태의 엔진이다.

원리

이러한 엔진은 지상에서 자동차 엔진과 유사한 원리로 작동이 되고 구조도 비슷하다. 엔진의 힘으로 프로펠러를 돌리고 비행기가 움직이기 위해서는 4가지 행정이 반복 되어야 한다. 이러한 4개의 행정이 하나의 과정을 이루는 엔진을 4행정 사이클 기관이라고도 한다.

1. 흡입행정 : 피스톤이 아래로 내려오고 흡기밸브가 열리는 시점이다. 피스톤이 아래쪽으로 움직이기 시작하면 열려있는 흡기밸브를 통하여 공기가 실린더 안으로 들어오게 된다.
2. 압축행정 : 피스톤이 아래에서 위로 올라오고 밸브들이 모두 닫혀있는 시점이다. 피스톤이 위쪽으로 움직이기 시작하면 흡기밸브가 닫히게 되고 배기 밸브 역시 닫혀있는 상태이므로 실린더 안은 완전히 밀폐된다. 그 속에 있던 공기는 연소실에 압축되고 압축된 공기는 압축에 의해 온도가 올라간다.
3. 폭발행정 : 피스톤이 다시 위에서 아래로 내려오고 압축행정과 마찬가지고 밸브는 모두 닫혀있는 시점이다. 공기를 압축하기 위해서 피스톤이 최고점에 도달했을 때, 고온의 공기에 연료를 분사시키면 연소실 내부에 분사된 연료가 연소된다. 이때 발생한 연소 가스에 의해 연소실의 압력이 높아지게 되고 그 힘으로 피스톤을 밀어내는 것이다. 이 과정이 실제로 동력을 만들어 내는 과정이다.
4. 배기행정 : 피스톤이 아래에서 위로 올라오고 배기밸브가 열리는 시점이다. 폭발행정에서 팽창하며 일을 한 가스를 [[[실린더]] 밖으로 배출하기 위해서 피스톤이 연소 가스를 밀어주는 역할을 한다.

종류

• 가변피치프로펠러 : 비행기에 필요한 추력은 드래그와 가·감속에 필요한 추가 추력인데 드래그는 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 빠를수록 필요한 추력은 커지게 된다. 고정피치에서는 추력이 커지면 속도도 커지게 되는데, 보통 수평상태에서 일정속도로 비행하는 순항의 경우에는 추력이 드래그만 보상하면 되므로 비행기에 필요한 힘은 상대적으로 적은 추력과 높은 속도를 요구하게 된다. 하지만 고정 피치에서는 추력과 속도는 같이 증감하므로 잉여 추력은 손실로 나타나게 되어 효율이 낮아지게 된다. 하지만 가변 피치에서는 블레이드의 피치를 조절함으로써 일정한 효율을 유지할 수 있다. 즉, 고속 순항의 상태에서는 피치를 높게 함으로써 상대적으로 블레이드에서 발생하는 유속을 고속으로 높이게 되는데 이에 따라 엔진 회전수는 상대적으로 낮아지게 된다. 즉, 블레이드 유속을 고속으로 유지하더라도 엔진은 저속 저출력으로 운전이 가능해진다. 이에따라 필요한 추력만큼만 엔진에서 발생시키므로 높은 효율이 가능해진다.
• 이중반전 프로펠러 : 헬리콥터 본체에 엔진이 고정되어 있고 거대한 프로펠러가 돌아가면서 유동을 아래 방향으로 흐르게 하면 본체가 상승하는 게 헬리콥터의 원리로 움직인다. 그런데 프로펠러가 회전하면 엔진 자체에 반대 방향으로 힘이 돌아가고 이 힘이 본체에도 작용하여 헬리콥터 자체가 프로펠러 회전 반대 방향으로 돌게 되는데 이렇게 되면 제대로 날 수가 없다. 그래서 꼬리에 작은 프로펠러를 달아서 본체회전 방향의 반대 방향으로 힘을 줘서 본체를 한 방향으로 보도록 유지하는 것이다. 그런데 프로펠러 자체를 이중으로 붙여서 다른 하나를 반대 방향으로 돌리면 반작용력을 흡수하므로 꼬리날개 없이도 본체의 방향이 일정하게 유지된다. 그래서 꼬리날개가 필요 없어서 길이가 짧아지게 제작할 수 있고 프로펠러가 두 개인데 반작용력을 흡수하는 프로펠러도 추력을 발생 시켜 같은 사이즈의 헬리콥터보다 훨씬 더 큰 추력을 가져 더욱더 무거운 화물을 실을 수 있다. 그 때문에 이중반전 프로펠러는 두 개의 유동을 발생시키므로 후류를 감쇄할 수 있어서 효율이 매우 좋아진다. 그러나 프로펠러가 이중으로 도니까 기계적인 부분이 복잡해져서 원가가 비싸고 고장 날 우려가 커질 수 있다는 단점도 가지고 있다.
• 시미터 프로펠러 : 프로펠러 모양이 중동에서 쓰던 ‘시미터 칼’ 모양과 닮아 시미터에서 이름을 따 왔다. 프로펠러 모양을 굴곡지게 만들어 공기 저항을 최대한 줄이면서 속도를 끌어올릴 수 있었다고 한다. 이 같은 프로펠러 모양은 A400M을 포함한 최신 프로펠러 항공기에 적용되고 있다.

제트엔진

개념

제트 엔진(jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.

원리

앞쪽 흡입구로 흡입한 공기는 압축기를 이용해 고압으로 압축되어 연소실로 보내지게 된다. 여기서 연료를 분사하여 연소 시 키고 그 연소 가스를 이용해 터빈을 고속으로 회전시킨다. 터빈을 통과한 가스는 배기 노즐을 통해 뒤쪽으로 분사된다. 이때 연소 가스는 흡입구 쪽의 공기보다 압력이 커지게 되는데 그 차이만큼 추력이 생기게 되는 원리다.

종류

• 터보제트엔진 : 터보제트 엔진은 구조가 간단하고 가속도도 좋다. 고속에서의 효율도 좋다. 하지만 성능을 제대로 내려면 더 많은 공기를 압축하여 연료의 연소효율을 높여야 한다. 따라서 고속으로 비행해야만 한다. 따라서 저속 비행 시에는 압축되는 공기의 양이 적어서 연소효율이 떨어진다. 따라서 연료비가 많이 든다. 특히 저속에서 비경제적이고 효율이 매우 낮다. 터보제트엔진은 항공기용으로는 잘 사용되지 않는다. 대신 구조가 간단한 점을 이용해 순항 미사일이나 무인기용으로 많이 사용된다. 터보제트는 피스톤 엔진보다 고고도 고속 순항이 가능하다. 신뢰성도 매우 높다. 하지만 경제성과 소음이 문제다. 또 압축비가 큰 배기가스를 고속으로 분출하므로 기압 차 때문에 폭음이 발생한다. 그래서 실제로는 터보팬과 터보프롭이 실용화되었고, 터보제트는 항공기 엔진에서 급격히 도태되었다.
• 터보팬 엔진 : 터보팬 엔진은 터보제트 엔진의 흡입구 부분에 공기를 유입시키는 커다란 팬을 단 것이다. 팬이 돌아가면서 공기가 압축기를 거쳐 연소부분과 노즐로 나가는 것까지는 터보제트 엔진과 비슷하다. 그러나 팬을 통해 유입되는 공기의 일부가 압축기 바깥을 지나(바이패스 bypass) 연소하지 않고 바로 분출된다. 이렇게 분출되는 공기는 주 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진보다 저공 저속에서의 효율이 높다. 바이패스 되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율이 ‘바이패스비’다. 바이패스비가 12:1이면 팬을 거친 바이패스 유동이 코어 유동의 12배에 달한다. 따라서 ‘바이패스비’가 높은 엔진일수록 효율이 높다. ‘바이패스 비’를 높이려면 팬의 크기를 키워야 한다. 그러나 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없다. 따라서 팬이 큰 하이바이패스 엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기에 쓰인다. 반면 팬이 작은 로우바이패스 엔진은 전투기처럼 고속성능이 중요한 군용기에 사용된다. 이것은 터보제트 엔진보다 소음이 작다. 왜냐하면 평균적인 배기가스 분사 속도가 낮고, 상대적으로 더 저속의 바이패스 공기가 고속의 배기가스 분사를 감싸는 형태로 완충을 시켜주기 때문이다. CFM 인터내셔널 CFM56 엔진의 경우, 프랫&휘트니 J57 엔진보다 소음을 126㏈에서 99㏈로, 96%나 줄였다. 그래서 보잉 707을 선두로 소음과 경제성에 민감한 민항기부터 시작하여 러시아군에서는 Tu-124’Cookpot’과 미 공군의 F-111’ Aardvark’, 그리고 미 해군의 F-14’ Tomcat’으로 확장되었다. 현재 하늘을 나는 제트기는 대부분이 터보팬 엔진을 채용하고 있다.
• 램제트 엔진 : 램제트 엔진은 터보팬 엔진, 터보제트 엔진과는 완전히 다르다. 터보, 즉 터빈이 없다. 일반 제트 엔진은 엔진 배기가스로 터빈을 돌린다. 그리고 그 구동력으로 엔진 앞쪽의 압축기를 돌려서 공기를 빨아들이고, 공기를 압축한다. 그러나 램제트 엔진은 압축기가 있어야 할 곳이 빈 곳이다. 여기에 연료를 뿌리고 태워서 노즐로 내보내 추력을 얻는다. 하지만 일단 압축기가 없어서 공기 압축이 제대로 되지 않는다. 디퓨저(diffuser), 뒤로 갈 수록 점점 넓어지는 형태의 관)를 사용하면 본래 공기의 특성상, 속도는 줄고 압력은 늘어난다. 하지만 일반 제트 엔진에 비해 쉽지 않다. 그리고 느린 속도에서는 역류의 위험이 매우 높다. 즉 앞쪽도 뒤쪽도 뚫려있는 구조이다. 따라서 연소하여 팽창한 배기가스가 뒤가 아니라 앞쪽으로 빠져나와 버린다. 그래서 이 방법은 20세기 초반에 처음 등장한 이래 실제 항공기가 쓴 사례가 거의 없다. 현재 램제트 엔진을 쓰는 항공기는 SR-71’Blackbird’, SR-72’ Son of Blackbird’, X-43, ‘Hyper-X’, ‘X-51’, Waverar’뿐이다.

터보 프롭 엔진

개념

터빈을 통해 에너지를 얻는 구조에서 터보프롭은 발전용 가스 터빈과 비슷하지만, 발전용 가스 터빈은 터빈과 발전기가 한 샤프트에 연결되고 터보프롭의 경우 별도의 샤프트가 있어 프로펠러는 압축기와 터빈의 회전과는 다르게 자유 회전을 하는 엔진을 말한다.

원리

연소에 의한 추진력과 프로펠러(혹은 팬)에서 생산되는 추진력의 비율이 터보팬과 다르다. 일반적으로 민간항공기의 경우 하이바이패스를 이용하는 터보팬은 팬과 엔진 연소 배기가스의 추진력 비율이 70%:30% 정도를 유지한다. 그런데 이 터보프롭은 약 90%:10% 정도이며, 그 10%도 안 되는 터보프롭이 많은 것이 특징이다. 또 구조에서도 터보팬과 차이를 보이는데 터보팬은 과거 원심식 압축기가 달려있었던 것과는 달리 현대로 넘어오면서 원심식 압축기가 그 자취를 감추었다, 터보프롭은 아직도 그 원심식 압축기를 최소한은 쓰고 있다는 것이 차이다. 결국 원심과 축류식 압축기 두 개를 병행함으로써 얇은 모양의 엔진을 포기하는 대신 공정을 더욱더 간단하게 만들고 엔진의 전체적 중량도 줄일 수 있다는 장점을 택한 것이다. 또 한 가지 차이는 감속기어(Reduction Gear)이다. 터보팬에서 볼 수 있는 구조물이긴 하지만 모든 터보팬에 쓰이는 것은 아니다. 터보팬에서는 선택적 요소인데, 감속기어는 샤프트가 지나치게 가속을 하여 고회전을 하게 되면 여러 가지 면에서 안 좋은 현상이 발생하기 때문에 달아주는 장비이다. 그런데 이 감속기어가 터보프롭에서는 필수요소이다. 터보프롭은 프로펠러가 지나치게 고속으로 회전할 경우 날개 끝부분에 생기는 떨림, 충격파 등으로 인해서 효율의 감소가 심각할 정도로 발생하기 때문이다. 그렇기 때문에 터보팬에서는 선택사항이 터보프롭에서는 필수가 되는 것이다. 이런 특징 때문에 터보팬과 터보프롭은 다르다.

장단점

터보프롭은 무게 대비 힘이 좋다는 것이 제일 장점이다. 피스톤 엔진이 출력을 높이는 방법은, 기통 수를 늘리는 방법과 실린더 크기를 늘리는 방법이지요. 이 두 가지로 고출력을 얻어낸다. 그 말이 의미하는 것은, 피스톤 엔진으로 고출력을 얻으려면 엔진의 중량과 부피가 늘어나서 항공기에 장착하기 힘들다는 것이다. 그러나 터보프롭은 출력에 비해서 크기가 크지 않다. 또한 무게도 가볍다. 부품 가격의 숫자가 피스톤 엔진과는 비교 안 될 정도로 적다. 부품 수가 적다는 것은 신뢰성이 높아진다는 것을 의미한다. 게다가 이 프롭은 출력, 최고속에서도 피스톤 방식보다 더 좋은 결과물을 보여준다. 또 비슷한 구조의 터보팬과 비교했을 때도 같은 크기에서 프로펠러가 발생시키는 추진력이 터보팬에 비해 더 크기 때문에 특히 저속에서의 효율이 높다. 마지막으로 STOL 성능이 우수한 것도 빼놓을 수 없는 장점이다. STOL은 Short Take-Off and Land의 줄임말로서, 항공기가 이착륙할 때 필요한 거리가 짧은 것을 의미하는 단어인데 실제로 다른 엔진에 비해 이착륙 거리가 짧다.

참고자료

• 〈항공기 엔진〉, 《위키백과》
• 〈항공기 엔진〉, 《네이버 지식백과》
• 〈항공기 동력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈가볍게 알아보는 항공지식 - 왕복엔진〉, 《네이버 블로그》, 2017-07-20
• 〈비행기의 엔진〉, 《한국항공우주연구원》
• 프로펠러, 〈가변피치 프로펠러에 대해서〉, 《다음카페》, 2005-02-19
• 〈작용 반작용의 원리 - 이중반전 프로펠러〉, 《디시인사이드》, 2016-12-08
• 〈제트엔진〉, 《위키백과》
• 이택우, 〈제트엔진 by 이택우〉, 《과학관과 문화》, 2015-02-25
• 〈터보프롭〉, 《위키백과》
• 폴라리스, 〈터보프롭의 원리〉, 《네이버 포스트》, 2018-11-23
• 폴라리스, 〈터보프롭 장점〉, 《네이버 포스트》, 2018-11-24
• 모토야, 〈비행기의 엔진이 자동차 속으로?〉, 《모토야》, 2020-03-23

같이 보기

• 항공기
• 엔진

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