항공기 엔진
최근 한국산 본격 전투기 KF-21 개발 관련 보도도 많이 나오고, 그 엔진까지 자체 개발중이라는 보도도 나온다. 궁금하신 분들을 위해 아는 한 정리했다.
항공기용 엔진의 종류
피스톤 엔진
그림 1 사이클론 엔진
과거 쓰이던 피스톤 엔진이다. 현대에는 자동차 엔진처럼 생긴 엔진을
보통 사용한다. 사진의 엔진은 9개의 실린더가 한 개의 크랭크
축에 연결되어 있다. 크랭크 축이 나타난 사진을 보면 30년대
기술이지만 아주 참신한 아이디어이다. 사진 오른쪽은 프로펠러인데, 피치
조절이 안 되는 것 같다. 현대의 프로펠러는 아래 터보프롭의 경우처럼 프로펠러의 각도를 조절할 수 있다.
이하의 모든 엔진은 터빈 엔진이다. 왕복 운동하는 피스톤과 실린더가
없다. 터빈 엔진은 구성을 아주 간단히 말하면, 공기 압축
– 연소 – 터빈 회전 등
3단계로 크게 나눌 수 있으며, 이는 모든 터빈 엔진에서 같다.
가스 터빈 엔진
가스 터빈 엔진은 항공기용은 아니지만, 가장 간단한 터빈 엔진이라
이하 다른 터빈 엔진과 비교하면 흥미로울 것이다.
그림 2 가스 터빈 M1A1 탱크 (brainstudy.info)
아마도 가스 터빈 엔진을 사용하는 탱크는 미국의 M1A1이 유일할
것이다. 연비는 아주 나쁘지만, 체적대비 출력이 워낙 좋아
채용한 것으로 안다.
그림의 오른쪽이 흡기구이고, 왼쪽이 배기구이다. 배기구쪽 동력축은 바로 변속기와 연결된다. 아래 헬리콥터에서 주로
쓰는 터보샤프트가 연비 면에서는 더 나을 것으로 보지만, 야전에서의 정비성 등을 고려하여 최대한 간단한
구조로 설계한 결과라고 짐작한다.
터보프롭
그림 3 터보프롭 (James Provost)
위 그림은 터빈 엔진의 출력을 프로펠러 가동에 전적으로 사용한다. 터빈
엔진의 구조는 아래 터보팬이나 터보젯 엔진에서 자세히 소개한다.
위 사진에서 프로펠러를 자세히 보면 블레이드가 회전할 수 있도록 되어 있다. 아주
소형 항공기를 제외하고는 대부분의 터보프롭 엔진은 이러한 가변 피치 프로펠러를 사용한다.
터보샤프트
그림 4 터보샤프트 (MechStuff)
주로 헬리콥터에서 사용한다. 위 그림의 “To shaft & rotor blades”라고 되어 있는 부분이 동력축이며 여기에 헬기 블레이드(날개)가 연결된다.
그림의 좌측이 흡입구이고, 바로 뒤에 동력축, 압축기, 연소실, 터빈이
있다. 그림에서 확실하지는 않지만 압축기는 8단에 원심력
방식 압축기가 추가되어 있고, 터빈은 6단 (혹은 7단-5단) 구성으로 보인다. 이는 아래 다른 터빈 엔진과 비교하면 압축기 대비
터빈이 많은 편이다. 그림의 오른쪽 배기구 형상은 직선이 아니기에 추진력을 얻는 구조는 아니며 순수히
연소가스를 배출하는 역할만 한다. 그래서 터빈 단 수가 더 많은 것으로 짐작한다. 터보팬의 경우 팬을 가동하기 위해서 터보샤프트에 비해서는 터빈 팬 단 수가 적고, 전투기용 터보젯의 경우 보다는 더 많다. 이는 추력을 어디에서 얻는가에
따라 달라진다. 즉 추력이 분사에너지(젯)에 의존하는 경우에는 터빈은 엔진 가동에 필요한 정도만 있으면 되고, 팬이나
샤프트 경우처럼 출력이 다른 곳으로 이전되는 경우에는 터빈이 많은 구동력을 만들어야 하기 때문에 터빈 단 수도 많다.
터보팬
그림 5 터보팬 (Rolls-Royce Trent 1000)
대부분의 상용 제트기에서 볼 수 있는 엔진이다. 사진은 B787 등 최신 항공기에 쓰이는 최신 터보팬 엔진이다.
그림의 왼쪽에 팬이 있고, 그 뒤로 터빈 엔진(보통 코어라고 함)이 있다. 사실
위에 보인 터보프롭과 매우 유사하다. 팬이 프로펠러라고 보면 된다. 팬을
통과한 공기 중 코어를 통과하지 않고, 프로펠러처럼 바로 빠져나가는 공기 대비 코어로 들어간 공기의
비율은 (바이패스율, bypass ratio) 10:1 정도이다. 그래서 고바이패스 (hi bypass) 엔진이라 한다. 코어를 통과한 공기는 아래 터보젯에서 설명하겠지만 제트 추력을 만드는데, 추력
기준으로는 팬을 통과한 전체 공기 대비 제트 추력의 비율은 약 10:2 이다. 이는 제트 추력은 연소 가스의 비중과 속도가 바이패스 공기보다 훨씬 크기 때문에 작용-반작용 법칙에 의해 제트 추력이 증가하기 때문에 바이패스는 10:1 이나
추력은 10:2 이다.
터보젯
그림 6 터보젯 F414 (GE)
사진은 미 해군 주력 함재기인 호넷(F-18 Hornet), 한국의 KF-21 등 많은 현용 전투기가 사용하는 엔진이다.
위 터보팬 엔진과 비교하면, 흡기구의 크기가 상당히 작음을 볼 수
있다. 약간의 바이패스는 있으나 흡입한 공기의 대부분은 코어로 들어간다. 그래서 저바이패스 (low-bypass) 엔진이라 한다. 그 말은 대부분의 추력을 제트 분사에서 얻는 다는 뜻이다.
항공기의 전기화 및 그에 따른 엔진 설계의 변화
과거 항공기는 주로 유압장치로 조종했다. 움직이는 거의 모든 부분이
유압(+공기압) 장치로 작동했다고 봐도 무방하다. 주날개에 붙어 있는 플랩과 슬랩, 후방에 있는 스테빌라이저, 엘리베이터, 러더, 등
수많은 장치를 유압으로 작동했지만, 점점 더 많은 장치들을 서보 모터로 작동하여 전기화(fly-by-wire) 되었으며 AESA 레이더 등 많은 장비가 전자화
되면서 전력 소요가 크게 늘었다. 이는 상용기에서 먼저 현실적인 문제가 되었지만, 군용기에 있어서도 같은 소요는 존재한다. 특히 레이저 무기(airborne laser, ABL)는 비록 초창기 B747 기반 YAL-1 ABL 프로그램은 폐기되었지만, 연구는 계속되고 있으며, 어떠한 목적과 형태의 ABL이든 막대한 전력이 필요하기 때문에 군용
항공기에 있어서 엔진에서 전력을 얻는 노력은 계속될 것이다.
엔진 시동
항공기 설계에서 무게를 줄이기 위해 필사적으로 노력한다. 시동 모터는
시동시에만 가동하고, 최초 시동이나, 특수하게 공중에서 재시동하는
경우 외에는 아무 쓸모가 없으며 무게도 상당하다. 상용기의 경우에는 운항을 위한 추력 생성이 아닌 순전히
기체 작동에 필요한 전기를 생산하기 위해 보조엔진(auxiliary power unit, APU)을
갖고 있다. APU는 전기만 생산하는 것이 아니라 압축공기도 만든다.
군용 항공기는 아마도 없을 듯 하고, 특히 전투기는 분명 없을 것이다.
최신이 아닌 경우, 보통의 상용기는
APU에서 만든 압축공기로 엔진을 “불어서” 시동을
건다. 한 엔진이 시동이 되면, 그 엔진에서 만든 압축공기(bleed air)로 다른 엔진을 시동한다. 경우엔 따라서는 지상에
있는 장비가 압축공기를 공급하여 항공기 엔진을 시동한다. 군용 특히 전투기의 경우에는 아마도 모두 지상
장비로 시동할 것으로 짐작한다.
발전기-모터 (variable frequency starter-generator, VFSG)
전투기의 경우 시동 모터는 필요 없다 하더라도, 항전장비 등 전력
수요는 현용 전투기도 상당하기 때문에 발전기는 있다. 최신 상용기 엔진은 모터 겸 발전기(starter-generator)를 사용한다.
그림 7 GEnx VFSG
위 최신 GE 엔진에는 VFSG가
보인다. 컷아웃 뷰가 없지만, 짐작컨데 저속 압축기 축에
기어로 연결되어 있는 것 같다. 이는 전력 소요가 그리 크지 않을 경우에는 무난하나, 훨씬 많은 전력 생산을 위해서는 다른 설계가 필요하고, 최근 연구되고
있는 것이 코어의 구동축에 VFSG를 통합하는 것이다.
아래 F-414 엔진의 컷오프 뷰에
VFSG의 가능한 위치를 예시하였다. 물론 구현에는 많은 어려움이 있겠지만 충분히 가능할
것으로 본다. 필요가 없어서 안 했지, 기술적인 문제로 못 한 것이 아니기 때문이다. 또한 이렇게 할 경우 엔진의 구조가 간단해진다는 또 다른 유인도 있다.
그림 8 F414
KF-21
현재 KF-21은 위 GE의 F-414 엔진을 사용하고 있다. 국산 엔진을 개발할 경우, 동축 VFSG를 적용하고, 그에
맞춰 ABL을 장착해서 미국도 놀랄 전투기를 만들기를 기대한다.
2021.10.30
최원영








