항공기 엔진

항공기 엔진(航空機, aircraft engine)은 항공기에 설치된 엔진이다. 에어로 엔진(aero engine)이라고도 한다.

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

왕복엔진(reciprocating engine)은 피스톤엔진이라고도 불리며 피스톤의 왕복 운동을 통해 프로펠러를 구동시켜 항공기 후방으로 공기를 밀어 보내고 그 반작용으로 추럭을 얻는 형태의 엔진이다. 라이트 형제(Wright brothers)가 1903년 12월 17일에 최초로 동력비행에 성공할 당시 사용한 플라이어 I(Flyer I) 항공기는 기본적으로 고정익 항공기에 속한다. 플라이어 I 항공기는 동체가 없고 조종사가 날개 위에 직접 걸터앉아서 비행 조종을 한다. 20세기 초에는 자동차의 보급이 시작되던 시기였다. 라이트 형제는 비행에 필요한 동력 장치로 12마력 자동차용 가솔린엔진(gasoline engine)을 개조하여 사용했다. 플라이어 I 항공기에 탑재한 엔진은 찰리 테일러(Charlie Talyor)라는 기술자가 제작했다. 동체가 없는 플라이어 I 항공기는 엔진을 날개 위에 직접 설치하였고, 엔진과 2개의 프로펠러는 자전거용 체인(chain)으로 연결하여 구동하였다. 가솔린엔진은 20세기 초반의 기술력으로도 가볍고 강한 힘을 낼 수 있어서 자연스럽게 항공기 엔진으로 사용되었다. 라이트 형제의 플라이어 I 비행 성공 이후 지금까지도 가솔린엔진은 항공기 엔진으로 널리 쓰이고 있다. 가솔린엔진은 내부의 실린더(cylider)에서 피스톤이라는 장치가 왕복 운동을 하면서 동력이 발생하기 때문에 왕복엔진이라고 불린다.

왕복엔진은 실린더, 피스톤, 점화플러그, 크랭크 등의 요소로 구성되어 있다. 열역학적 사이클의 분류에 따라 가솔린기관과 디젤기관 등으로 분류하고, 행정 수에 따라 2행정기관과 4행정기관, 냉각 방식에 따라 공랭식엔진과 수냉식엔진으로 분류된다. 터보제트·터보팬엔진과 왕복엔진의 가장 큰 차이점은 제트엔진은 한 번 시동이 걸리면 더 이상 점화시켜 줄 필요가 없지만, 왕복엔진은 스타트 모터가 회전하여 크랭크축을 돌려 준 이후에도 점화플러그를 통한 스파크 점화를 계속적으로 해야 한다는 것이다. 왕복엔진에서 연료를 공급하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 기화기를 통한 방법이고, 다른 하나는 연료분사장치를 통해 직접 연료를 분사해 주는 방식이다. 기화기의 기본적인 원리는 벤츄리 효과이다. 유체가 지나가는 통로에서 갑자기 통로의 폭이 감소하면 속도가 증가하고 압력이 감소한다. 이러한 원리를 이용해 연료를 기화시켜 공기와 연료를 혼합한다. 기화기의 종류에는 크게 부자식 기화기와 압력분사식 기화기가 있다. 연료분사장치는 연료를 기화시켜 공기와 혼합시키는 방식이 아닌 액체 상태의 연료를 분사시켜 공기와 혼합하는 방식이다. 이러한 방식을 사용하면 기화시 발생할 수 있는 결빙을 제거할 수 있고, 균일한 혼합비를 낼 수 있는 등의 이점이 있다.

작동 원리

4행정 사이클 기관

왕복엔진은 무게가 가볍고, 큰 힘을 얻을 수 있는 가솔린기관 중에서 4행정 공랭식엔진이 사용되고 있다. 왕복엔진의 작동 원리는 우선 스타트 모터(start motor)가 회전하여 크랭크축을 한번 돌려 주고 나서 흡기밸브가 열리고, 배기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 상사점로부터 하사점으로 내려가면 외부 공기를 실린더 내부로 들여와 연료와 섞는 흡입 행정이 이루어진다. 계속 배기 밸브가 닫힌 상태로 아래 부근에서 흡기밸브가 닫히고 다시 피스톤이 올라올 때 압축 행정이 이루어진다. 다음으로 흡기밸브와 배기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 상사점까지 다 올라왔을 때 점화플러그를 통한 스파크의 점화로, 압축 행정으로 인해 압축된 고온고압의 혼합연료 가스는 연소하여 폭발하면서 피스톤은 폭발된 연소가스에 밀려 다시 아래로 내려가면서 폭발 행정이 이루어진다. 이 폭발력으로 인해 크랭크축을 회전시키는 동력을 얻게 된다. 폭발 행정이 끝나고 피스톤이 아래로 내려오면 흡기밸브는 닫힌 상태 그대로 있고, 배기밸브가 열리며 피스톤이 다시 위로 올라가면서 실린더 내에 있는 연소가스를 배기구로 밀어내어 배기행정이 이루어진다. 이와 같이 엔진이 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 연속적으로 진행시키는 동안 크랭크축에서 축동력이 만들어진다. 라이트 형제가 최초로 발명한 동력비행기 형태의 항공기는 크랭크축에 추진용 프로펠러를 장착하여 왕복운동을 회전운동으로 바꿔 추진력을 얻는 것이다. 현재 왕복기관은 경헬기를 제외하고는 거의 사용되지 않지만 자동차 내연기관에서는 여전히 대중적으로 사용되고 있다.

• 흡입행정 : 피스톤이 아래로 내려오고 흡기밸브가 열리는 시점이다. 피스톤이 아래쪽으로 움직이기 시작하면 열려있는 흡기밸브를 통하여 공기가 실린더 안으로 들어오게 된다.
• 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.
• 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.
• 배기행정 : 피스톤이 아래에서 위로 올라오고 배기밸브가 열리는 시점이다. 폭발행정에서 팽창하며 일을 한 가스를 [[[실린더]] 밖으로 배출하기 위해서 피스톤이 연소 가스를 밀어주는 역할을 한다.

구조

• 실린더 : 피스톤이 왕복운동을 하는 부분이며, 내부에서 공기-연료 혼합가스가 연소되는 부분이다. 이렇게 실린더 내부에는 공기-연료 혼합가스가 연소되기 때문에 높은 열이 발생하고, 이를 냉각시키기 위해 냉각핀과 같은 냉각 장치들이 위치한다. 실린더는 피스톤의 마찰로 인한 손상을 방지하기 위해 실린더 내부는 질화경화법을 이용해 경화시킨다. 또한 연소는 실린더의 상부에서 발생하기 때문에 열팽창을 고려해 실린더 하부보다 상부의 폭이 약간 더 좁다.
• 피스톤 : 상하 왕복운동을 하면서 공기-연료 혼합가스의 압축과 배기 등에 관여한다. 피스톤은 무게를 경감하기 위해 내부가 비어 있는 형태이다. 피스톤의 왕복운동은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축으로 전달된다.
• 피스톤링 : 피스톤에 장착되는 링이다. 피스톤링의 역할은 압축가스가 실린더로부터 빠져나가는 양을 최소화하고 실린더 벽면에 발라지는 윤활유의 양을 조절하고 피스톤의 열을 실린더로 전달하는 것이다. 피스톤링의 종류에는 압축링, 오일조절링, 오일스크리퍼링이 있다. 압축링은 압축가스가 실린더로부터 빠져나가는 것을 최소화하는 것이고, 오일조절링은 실린더 벽면에 윤활유를 발라 주는 역할을 한다. 또, 오일스크리퍼링은 피스톤이 내려갈 때 오일을 긁어내는 역할을 한다.
• 커넥팅로드 : 피스톤의 운동을 크랭크축으로 전달하는 역할을 한다.
• 밸브 : 공기-연료 혼합가스의 흡입과 연소 후 배기가스를 배출하는 역할을 한다. 왕복엔진의 밸브 중 더 큰 열을 받는 배기밸브의 내부에는 냉각을 위해 금속 나트륨에 채워져 있다.
• 푸시로드 : 로커암으로 밸브를 작동시킬 힘을 전달하는 막대이다.
• 로커암 : 밸브를 작동시키는 역할을 한다. 푸시로드로부터 힘을 받으면 밸브를 작동시키게 된다.

직렬엔진

직렬엔진(inline engine)은 가장 기본적인 엔진의 형태로 실린더 수에 따라 4기통, 6기통, 8기통 등으로 불린다. 효율성을 중요시하는 항공기는 가장 작은 공간에서 많은 동력이 발생하도록 해야 한다. 그러나 효율성 측면에서 직렬엔진은 공간을 많이 차지하며, 엔진을 설치하는 공간이 납작해지는 단점이 있어서 공기 저항이 발생하므로 지금은 많이 사용되지 않는다.

수평대향엔진

수평대향엔진(flat engine)은 엔진을 설치하는 공간이 납작해지는 단점을 극복하고 좁은 공간에서 더 많은 동력이 발생하도록 개발된 엔진이다. 수평대향(水平対向)은 실린더가 수평(180 °)으로 마주 보고 있다는 뜻으로, 오늘날 세스나(Cessna) 172 기종과 같은 개인용 경비행기에 많이 사용되고 있다. 수평대향엔진은 1896년에 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)를 창업한 카를 벤츠(Karl Friedrich Benz)가 발명하였다. 수평대향엔진은 특성상 실린더의 수가 짝수로만 제작이 가능하다.

성형엔진

성형엔진(星型 engine)은 회전축을 중심으로 실린더가 방사형(radial type)으로 기존의 직렬엔진의 단점을 보완하기 위해 개발되었다. 스테펜 볼저(Stephen Marius Balzer)라는 사람이 처음 개발하였다. 성형엔진은 항공기의 앞쪽에 설치하면 프로펠러를 직접 구동하기 편리하고 공간을 적게 차지하는 장점이 있다. 성형엔진은 실린더가 외부로 노출되기 때문에 바람으로 엔진을 쉽게 냉각시킬 수 있다. 그리고 하나의 실린더가 고장이 나도 전체적으로 시동이 꺼지는 경우가 드물고, 작전 도중에 피탄이 되더라도 작동하는데 큰 문제점이 없어서 군용기 엔진으로 각광을 받았다. 직렬엔진 이후 항공기에 가장 많이 사용된 엔진이 바로 성형엔진이며, 제2차 세계 대전 당시의 항공기는 대부분 성형엔진을 애용했다. B-17 폭격기, B-29 폭격기, F4F 전투기, F6F 전투기, P-47 전투기와 같이 많은 군용기가 성형엔진을 사용한 이유는 튼튼하고 신뢰성이 높기 때문이었다.

H형엔진

H형엔진(H engine)은 수평대향 엔진을 2단으로 포개어 배치한 엔진이다. 회전축은 위아래에 하나씩 있으며, 2개의 축은 변속기를 거쳐 하나의 회전축을 구동한다. 16기통이나 24기통 엔진과 같이 실린더가 많은 엔진용으로 특별하게 개발된 엔진이다. 출력을 높이려고 실린더의 수를 늘리면 엔진이 점점 길어지면서 항공기도 점차 커지게 된다. 이러한 단점을 해결하기 위해 2대의 엔진을 아래위로 배치한 엔진이 H형엔진이다. 실린더 배치의 특성상 작은 크기에도 불구하고 강력한 힘을 낼 수 있기 때문에 경주용 자동차와 항공기에 사용된다.

U형엔진

U형엔진(U engine)은 직렬엔진을 좌우로 맞대어 배치한 엔진이다. 직렬엔진을 나란히 배치한 것과 같으며 좌우 엔진은 회전축이 따로 있다. 좌우 회전축은 변속기를 거쳐 프로펠러를 구동한다. U형엔진은 이탈리아의 기술자인 에토레 부가티(Ettore Arco Isidoro Bugatti)가 1916년에 항공기에 탑재하기 위해 특별하게 개발한 엔진이다. 이탈리아의 고급 자동차 생산업체인 부가티(Bugatti)를 창업한 에토레 부가티는 고성능 엔진을 작은 크기로 줄이기 위해 U형엔진을 고안하였다. 출현 당시 U-16 엔진은 16기통 고성능 엔진이었지만 세간의 주목을 받지 못하여 많은 수량이 생산되지는 못하였다. 미국과 프랑스에서 특허권을 구입하여 소량이 생산되었지만 일반적인 엔진으로는 주목을 받지 못하였다.

V형엔진

V형엔진(V engine)은 직렬엔진 다음으로 자동차에 가장 많이 사용되는 엔진이다. V형엔진은 2개의 직렬엔진을 V형으로 배치한 것과 엔진이다. 그러나 H형엔진이나 U형엔진과 달리 회전축은 하나이며, 작은 크기로 엔진을 제작할 수 있다. 따라서 H형엔진이나 U형엔진보다 구조가 간단한 장점이 있다. 또한 실린더에서 발생하는 진동을 양쪽에서 서로 상쇄시켜 주는 효과가 있어서 직렬엔진보다 진동이 적다. V형엔진은 자동차와 더불어 항공기에도 많이 사용된다. 성형엔진이 공랭식엔진의 대표적인 엔진이라면, V형엔진은 수랭식엔진을 대표한다고 할 수 있다. V형엔진은 구동축의 위치에 따라 V형엔진과 역V형엔진(inverted V engine)이 있다. 전투기의 경우 V형엔진은 실린더 중간에 기관포를 설치할 수 있는 공간이 있어서 유용하다. 제2차 세계대전 당시에 활약한 대부분의 수랭식 엔진 전투기는 대부분 V형엔진을 사용했다. 대표적인 기종으로 스핏파이어(Spitfire) 전투기, Bf 109 전투기, P-51 전투기 등이 있다. V형엔진은 성형엔진과 달리 냉각수로 엔진을 냉각하기 때문에 엔진의 과열이 적다는 장점이 있다. 그러나 전투 중에 피탄되어 냉각수가 유출되면 계속 비행하기 힘들다는 단점도 있다.

제트엔진

제트엔진

제트엔진(jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스터빈엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트엔진은 가스터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데, 이는 제트엔진 대부분이 가스터빈엔진으로 만들어지기 때문이다. 앞쪽 흡입구로 흡입한 공기는 압축기를 이용해 고압으로 압축되어 연소실로 보내지게 된다. 여기서 연료를 분사하여 연소시키고 그 연소가스를 이용해 터빈을 고속으로 회전시킨다. 터빈을 통과한 가스는 배기 노즐을 통해 뒤쪽으로 분사된다. 이때 연소가스는 흡입구 쪽의 공기보다 압력이 커지게 되는데 그 차이만큼 추력이 생기게 되는 원리다. 제트엔진은 기본적으로 외부의 공기를 내부로 흡입하여 연료와 혼합한 다음 연소하게 하는 동력 장치이다. 기본적으로는 왕복엔진과 비슷하지만 기계적인 왕복운동이 없고 회전하면서 공기를 압축하도록 개발되었다. 따라서 진동이 적고 많은 양의 공기를 한꺼번에 흡입할 수 있어 공기가 희박한 고공에서도 엔진의 성능이 크게 떨어지지 않는 장점이 있다. 다만 강력한 추진력을 발휘하는 대신 많은 연료를 소모하는 단점도 있다.

구조

• 공기 유입구(Air Intake) : 제트엔진으로 공기가 유입되는 통로이다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 형상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속 이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의해야 한다. 또한 초음속으로 인한 충격파에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치한다.
• 압축기(Compressor) : 유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.
• 연소실(Combustor or Combustion Chamber) : 압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳이다. 이때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻는다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있다.
• 터빈(Turbine) : 연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달한다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운 공기로 터빈 날을 식힌다.
• 샤프트(Shaft) : 터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.
• 후연기(Afterburner) : 주로 전투기에 추가로 추력을 얻기 위해 사용된다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창 가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있으나, 그래도 점화장치가 필요하다. 애프터버너로 가열된 공기가 들어오기 전에 바이패스 기류가 연소가스와 잠시 합쳐졌다가 떨어지는데, 이 때 온도가 낮아지는것도 있고, 스크램블시엔 저출력운전이나 활주로상에서 공회전을 하다가 갑자기 애프터버너를 작동함과 동시에 최대 출력으로 올리게 되는데, 이로 인해 가스의 온도가 부족할 수도 있기 때문이다. 또한 불꽃안정기라는 추가 부품도 필수이다. 그리고 여기에 연료를 분사, 점화하면 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 연비가 지나치게 나빠져서 이륙할 때나 목표 지점으로 고속 이동해야 하는 사유가 있을 때나 비무장상태로 적기 조우 또는 적 방공망의 미사일 발사 감지로 인해 고속도주할 때, 또는 같은 이유로 고속도주하는 적기를 추격해야 하는 중요한 이유가 있을 때 등 고기동을 요구할 때에만 사용된다.
• 배기구(Exhaust or Nozzle) : 연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다.

터보제트엔진

터보제트엔진(turbojet engine)은 처음으로 개발된 제트엔진이다. 프랭크 휘틀(Frank Whittle)이나 한스 폰 오하인(Hans Joachim Pabst von Ohain) 박사가 개발한 엔진도 터보제트엔진이다. 터보제트엔진은 기본적으로 공기를 진하게 바꾸는 압축기, 연료와 공기가 혼합되는 연소실, 배기가스의 힘을 동력으로 바꾸는 터빈(turbine)으로 이루어져 있다. 터보제트엔진은 구조가 간단하고 가속도도 좋다. 고속에서의 효율도 좋다. 하지만 성능을 제대로 내려면 더 많은 공기를 압축하여 연료의 연소효율을 높여야 하므로 고속으로 비행해야만 한다. 따라서 저속 비행 시에는 압축되는 공기의 양이 적어서 연소 효율이 떨어져서 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 피스톤엔진보다 고고도 고속 순항이 가능하다. 신뢰성도 매우 높지만 경제성과 소음의 문제가 있다. 또 압축비가 큰 배기가스를 고속으로 분출하므로 기압 차 때문에 폭음이 발생한다. 그래서 실제로는 터보팬과 터보프롭이 실용화되었고, 터보제트는 항공기 엔진에서 급격히 도태되었다.

터보팬엔진

터보팬엔진(turbofan engine)은 터보제트엔진의 흡입구 부분에 공기를 유입시키는 커다란 팬을 단 엔진이다. 팬이 돌아가면서 공기가 압축기를 거쳐 연소부분과 노즐로 나가는 것까지는 터보제트엔진과 비슷하다. 그러나 팬을 통해 유입되는 공기의 일부가 압축기 바깥을 지나 연소하지 않고 바로 분출된다. 이렇게 분출되는 공기는 주 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜 주는 효과도 있다. 터보팬엔진은 터보제트엔진보다 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 바이패스비가 높은 엔진일수록 효율이 높다. 바이패스비를 높이려면 팬의 크기를 키워야 한다. 그러나 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없다. 따라서 팬이 큰 하이바이패스엔진은 여객기를 비롯한 민항기나 수송기에 쓰인다. 반면 팬이 작은 로우바이패스엔진은 전투기처럼 고속 성능이 중요한 군용기에 사용된다. 이것은 터보제트엔진보다 소음이 작다. 왜냐하면 평균적인 배기가스 분사 속도가 낮고, 상대적으로 더 저속의 바이패스 공기가 고속의 배기가스 분사를 감싸는 형태로 완충을 시켜 주기 때문이다. 현재 하늘을 나는 제트기는 대부분이 터보팬엔진을 채용하고 있다.

터보프롭엔진

터보프롭엔진(turboprop engine)은 별도의 샤프트가 있어 프로펠러는 압축기와 터빈의 회전과는 다르게 자유 회전을 하는 엔진이다. 연소에 의한 추진력과 프로펠러 혹은 팬에서 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.

터보프롭은 무게 대비 힘이 좋다는 것이 가장 큰 장점이다. 피스톤엔진이 출력을 높이는 방법은, 기통 수를 늘리는 방법과 실린더 크기를 늘리는 방법이다. 이 두 가지로 고출력을 얻어낸다. 그 말이 의미하는 것은, 피스톤엔진으로 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 보여 준다. 또 비슷한 구조의 터보팬과 비교했을 때도 같은 크기에서 프로펠러가 발생시키는 추진력이 터보팬에 비해 더 크기 때문에 특히 저속에서의 효율이 높다. 마지막으로 다른 엔진에 비해 이착륙 거리가 짧은 것도 빼놓을 수 없는 장점이다.

터보샤프트엔진

터보샤프트엔진(turboshaft engine)은 터보프롭 엔진이 프로펠러 구동에 사용되는데 비해 터보샤프트 엔진은 헬리콥터의 회전 날개(rotor) 구동에 사용되는 엔진이다. 기본적으로 터보프롭 엔진과 구조가 비슷하다. 헬리콥터가 처음 등장했을 때는 왕복엔진을 주로 사용하였다. 그러나 왕복엔진은 무겁고 출력이 낮아 헬리콥터의 성능에 제약이 많았다. 고정익 항공기는 왕복엔진을 사용하여도 날개에서 양력이 발생하기 때문에 큰 문제가 없었다. 그러나 헬리콥터는 회전날개로 양력을 지탱하기 때문에 중량에 민감한 단점이 있다. 그러나 제트엔진을 개조한 터보샤프트엔진이 등장하면서 헬리콥터의 성능이 비약적으로 발전하였다. 터보샤프트엔진은 작고 가벼우면서도 큰 힘을 낼 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 오늘날 대부분의 헬리콥터는 터보샤프트엔진을 주로 사용하고 있다.

램제트엔진

램제트엔진(ramjeth engine)은 터보팬엔진이나 터보제트엔진과는 완전히 다른 엔진으로, 터빈이 없는 엔진이다. 1908년에 르네 로랑(René Lorin)이 개발했다. 1903년에 라이트 형제가 동력비행에 처음 성공하였으니 불과 5년 만에 제트엔진이 처음 고안되었다고 할 수 있다. 그러나 램제트엔진은 동력 장치로 사용하기에는 불완전하였다. 램제트엔진은 공기를 압축하는 장치가 없으며 외부에서 흡입한 공기와 연료를 그대로 혼합하고 연소한다. 따라서 공기 중의 산소가 희박하고 연비가 매우 낮다. 그러나 극초음속 비행과 같이 공기의 속도가 빠를수록 유용하기 때문에 최근 다시 각광을 받고 있다. 일반 제트엔진은 엔진 배기가스로 터빈을 돌린다. 그리고 그 구동력으로 엔진 앞쪽의 압축기를 돌려서 공기를 빨아들이고, 공기를 압축한다. 그러나 램제트엔진은 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 제트엔진에 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.

로켓엔진

로켓엔진(roket engine)은 내부에서 산화제와 연료를 함께 연소시키는 특별한 엔진이다. 따라서 외부의 공기가 없어도 연소가 가능하여 우주선 발사에 많이 사용된다. 그러나 산화제와 연료는 매우 위험한 물질이기 때문에 항공기에 로켓 엔진을 사용하기에는 적합하지 않다. 로켓엔진은 연료와 산화제를 함께 저장하고 있어 공기흡입이 불필요하고, 작동 환경에 관계 없이 추력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 특히 외부의 공기를 흡입하기 어려운 고고도환경이나 우주공간에서 주로 사용한다. 경우에 따라서 대기권에서도 로켓엔진을 사용하는데, 요격용 미사일과 같이 구조가 간단하고 신속하게 사용하며, 재활용이 필요 없는 비행체에서 사용된다. 로켓엔진은 연료의 종류에 따라 고체연료로켓(solid-fuel rocket)과 액체연료로켓(liquid-fuel rocket)으로 나눌 수 있다. 고체연료로켓은 연료를 충진하고 장기간 보관이 용이하고 신속하게 점화할 수 있어 군사용으로 많이 사용되고 있다. 액체연료로켓은 연료를 충진한 후 오래 보관을 하면 연료탱크의 산화, 부식 등의 부작용이 있어 장기간 보관용으로 사용하지 않고 발사하기 수일 이내에 주입을 하여 사용한다. 고체연료로켓보다 비충격량(specific impulse)이 양호하기 때문에 우주발사체에 많이 사용되는 로켓이다.

자동차 적용 사례

콘셉트카

재규어(Jaguar)가 2010년 선보인 콘셉트카인 C-X75는 차체 후방에 2기의 소형 가스 터빈을 장착하고 있다. 이 가스터빈은 추진을 위한 것이 아니라, 총 778마력의 동력 성능을 내는 4개의 전기모터에 필요한 전기를 생산하는 역할이다. 제트엔진이나 터빈엔진 외에도, 레시프로 항공기에 사용했던 거대한 배기량의 왕복엔진을 싣는 경우도 있다. 하지만 이들 역시 일반도로를 주행할 수 있는 차는 극소수에 불과하고, 경주용이나 쇼카 등의 목적으로 사용된다.

경주용차

경주용차로 사용한 사례로는 1935년 이탈리아의 레이서이자 자동차 공학자인 카를로 펠로체 트로시(Carlo Felice Trossi)와 자동차 공학자인 아우구스토 모나코(Augusto Monaco)가 제작한 트로시-모나코(Trossi-Monaco) 경주차가 있다. 이 경주차는 일반적으로 항공기에 주로 사용했던 성형엔진을 전방에 장착한 점이 특징이다. 트로시-모나코의 4.0리터 복열 16기통 성형엔진은 250마력의 최고 출력을 냈다. 하지만 가뜩이나 무거운 성형엔진을 무리하게 차체 앞 끝부분에 실은 탓에, 전후 중량 배분이 75:25로 무너져 버리면서 정작 경주에서는 어떤 유의미한 실적도 거두지 못했다.

승용차

일반도로를 주행할 수 있는 자동차로는 클래식 벤틀리(Bentley) 자동차의 복각판 모델을 주로 제작하는 영국의 코치빌더(Coachbuilder), 밥 피터슨 엔지니어링(Bob Petersen Engineering)에서 제작한 27리터 미티어 스페셜(27-Litre Meteor Special)을 들 수 있다. 롤스로이스 팬텀 II(Rolls-Royce Phantom II)의 섀시를 바탕으로 만들어진 27리터 미티어 스페셜은 클래식 벤틀리의 외양을 거대하게 키운 듯한 차체를 지니고 있다. 이 차의 보닛 아래에는 배기량 27.0리터의 롤스로이스 미티어(Meteor) 엔진이 실려 있다. 그리고 이 엔진은 영국을 수호한 전투기인 수퍼마린 스핏파이어(Supermarine Spitfire)의 엔진인 멀린(Merlin) 엔진의 지상장비용 버전이라고 할 수 있는 엔진이다. 멀린 엔진과의 차이점은 과급기(Supercharger)의 적용 여부 및 출력 정도다. 원본 미티어 엔진의 최고 출력은 600마력이지만, 27리터 미티어의 엔진은 총 850마력의 출력을 발휘한다. 여기에 오늘날 벤틀리의 크루(Crewe) 공장이 과거에는 롤스로이스의 멀린 엔진을 생산하던 곳이었다는 사실과 맞물려, 피터슨의 27리터 미티어는 더욱 특별한 가치를 지니게 된다. 그런데 이 경우는 엄밀히 따지자면 항공기용 엔진이 아닌, 전차용 엔진을 실은 것으로 보는 것이 더 정확하다. 27리터 미티어의 엔진은 차명과 같이, 롤스로이스 미티어 엔진을 싣고 있음을 분명히 하고 있기 때문이다. 하지만, BBC 탑기어를 비롯한 영국의 각종 미디어에서 "스핏파이어의 엔진을 실었다"고 알리는 바람에 항공기용 엔진을 장착한 자동차로 알려진 사례가 되었다.

쇼카

도로 주행용은 아니지만, 진짜로 항공기용 엔진을 장착한 차는 비교적 최근에도 만들어진 바 있다. 독일 진스하임(Sinsheim)에 위치한 진스하임 자동차/기술 박물관(Auto and Technik Museum Sinsheim)이 실험용으로 제작한 프로젝트카 브루투스(Brutus)가 바로 그것이다. 이 차는 미국의 소방차로 유명한 아메리칸 라프랑스(American LaFrance)의 프레임 섀시에 나치 독일의 중형 폭격기인 하인켈(Heinkel) He 111의 초기형에 사용된 비엠더블유(BMW)의 액랭식 46.9리터 V12 엔진을 얹었다. 쇼카 목적으로 만들어진 이 차의 최고 출력은 750마력에 달한다. 하지만 그보다 더 볼만한 것은 46.7리터 엔진이 내뿜어대는 엄청난 소음과 화염이다. 진스하임 박물관에서는 한창 이 프로젝트를 진행 중이었을 때, 이 차가 내뿜는 화염을 이용해 소시지를 구워 주는가 하면, 일부러 구멍을 뚫어 놓은 배기매니폴드를 열어 하나당 3.9리터의 배기량을 가진 12개의 실린더에서 뿜어져 나오는 화염을 뿜는 불쇼 등의 볼거리를 제공했다. 이 차는 BBC 탑기어에서도 27리터 미티어와 함께 소개된 적이 있다.

참고자료

• 〈항공기 엔진〉, 《위키백과》
• 〈제트엔진〉, 《위키백과》
• 〈터보프롭〉, 《위키백과》
• 〈항공기 엔진〉, 《네이버 지식백과》
• 〈항공기 동력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈항공기 엔진〉, 《네이버 지식백과》
• 이택우, 〈제트엔진 by 이택우〉, 《과학관과 문화》, 2015-02-25
• 김승빈 기자, 〈항공기 엔진의 종류에 따른 구동방식〉, 《항공대신문》, 2016-11-06
• 〈가볍게 알아보는 항공지식 - 왕복엔진〉, 《네이버 블로그》, 2017-07-20
• 〈비행기의 엔진〉, 《한국항공우주연구원》
• 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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