항공기 엔진

항공기 엔진(航空機 - , 영어: aircraft engine) 또는 에어로엔진(영어: aero engine)은 항공기를 위한 추진 시스템의 부품이다.

개요

항공기의 엔진으로서는 1903년 라이트 형제의 라이트기(機) 이래 가솔린을 연료로 사용하는 왕복 기관(피스톤 엔진)이 오늘날에도 여전히 쓰이고 있다. 그러나 제2차 세계대전이 끝난 1945년경에서부터 피스톤식과는 전혀 원리가 다른 가스터빈(gas turbine)이 실용화되기 시작하여 피스톤식보다 뛰어난 점이 많기 때문에 널리 사용하게 되었다. 가스터빈은 가스를 뒤로 뿜어내어 그 반동으로 추력(推力)을 얻은 제트엔진(jet engine)과 뿜어내는 가스의 에너지로서 프로펠러를 돌리는 터보프롭(tur prop), 헬리콥터의 회전날개를 돌리기 위한 샤프트터빈(shaft turbine)의 세 종류가 있다. 이 밖에도 로켓엔진이 극히 일부에 사용되고 있다.

개념

피스톤 엔진이라고도 불리는 왕복엔진은 피스톤의 왕복운동을 통해 프로펠러를 구동시켜 항공기 후방으로 공기를 밀어보내고 그 반작용으로 추럭을 얻는 형태의 엔진을 말한다.

원리

이러한 엔진은 지상에서 자동차 엔진과 유사한 원리로 작동이 되고 구조도 비슷하다. 엔진의 힘으로 프로펠러를 돌리고 비행기가 움직이기 위해서는 4가지 행정이 반속되어야 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. 이 때 발생된 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

가변피치 프로펠러 비행기에 필요한 추력은 드래그와 가감속에 필요한 추가 추력인데 드래그는 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 빠를수록 필요한 추력은 커지게 된다.고정피치에서는 추력이 커지면 속도도 커지게 되는데, 보통 수평상태에서 일정속도로 비행하는 순항의경우에는 추력이 드래그만 보상하면 되므로 비행기에 필요한 힘은 상대적으로 적은 추력과 높은 속도를 요구하게 된다. 하지만 고정피치에서는 추력과 속도는 같이 증감하므로 잉여 추력은 손실로 나타나게 되어 효율이 낮아지게 된다. 하지만 가변피치에서는 블레이드의 피치를 조절함으로써 일정한 효율을 유지할 수 있다. 즉, 고속 순항의 상태에서는 피치를 높게함으로써 상대적으로 블레이드에서 발생되는 유속을 고속으로 높이게 되는데 이에따라 엔진 회전수는 상대적으로 낮아지게 된다. 즉, 블레이드 유속을 고속으로 유지하더라도 엔진은 저속 저출력으로 운전이 가능해진다.이에따라 필요한 추력만큼만 엔진에서 발생시키므로 높은 효율이 가능해 진다. 이중반전 프로펠러 헬리콥터 본체에 엔진이 고정되어 있고 거대한 프로펠러가 돌아가면서 유동을 아래방향으로 흐르게 하면 본체가 상승하는게 헬리콥터의 원리로 움직인다. 그런데 프로펠러가 회전하면 엔진자체에 반대방향으로 힘이 돌아가고 이 힘이 본체에도 작용하여 헬리콥터 자체가 프로펠러 회전 반대방향으로 돌게 되는데 이렇게 되면 제대로 날 수가 없다. 그래서 꼬리에 작은 프로펠러를 달아서 본체회전 방향의 반대방향으로 힘을 줘서 본체를 한 방향으로 보도록 유지하는 것이다 그런데 프로펠러 자체를 이중으로 붙여서 다른 하나를 반대방향으로 돌리면 반작용력을 흡수하므로 꼬리날개 없이도 본체의 방향이 일정하게 유지된다. 그래서 꼬리날개가 필요없어서 길이가 작아지게 제작할 수 있고 프로펠러가 두 개인데 반작용력을 흡수하는 프로펠러도 추력을 발생시켜 같은 사이즈의 헬리콥터보다 훨씬 더 큰 추력을 가져 더욱 무거운 화물을 실을 수 있다. 때문에 이중반전 프로펠러는 두개의 유동을 발생시키므로 후류를 감쇄할 수 있어서 효율이 매우 좋아짐.그러나 프로펠러가 이중으로 도니까 기계적인 부분이 복잡해져서 원가가 비싸고 고장날 우려가 커질 수 있다는 단점도 가지고 있다. 시미터 프로펠러 이 프로펠러 모양이 중동에서 쓰던 ‘시미터 칼’ 모양과 닮아 시키터에서 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.

개념

제트 엔진(영어: 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 거의 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.

원리

우선 흡기구를 통해 공기가 엔진 전면으로 유입되고, 공기의 일부 또는 전부가 압축된다. 그 후 연료와 혼합되어 연소되고, 이후 추진력을 제공하기 위해 배출된다. 프로펠러 비행기에 달린 대형 프로펠러가 공기를 휘저어가며 앞으로 나아가는 것과 비슷한 일이 제트엔진에서도 일어나는 것이다.