본 글에서는 지금의 해외여행을 가능케한 동력 비행부터 항공기까지 100년여의 기간에 걸친 항공의 역사와 비행 원리, 제트엔진 등에 대해 알아보도록 하겠습니다.
해외여행의 출발점 100년 전 첫 동력비행
사람들은 오랜 옛날부터 높고 푸른 하늘을 날고자 하는 욕망이 있었다. 희랍 신화의 다이달로스와 아들 이카로스는 감옥을 탈출하기 위해서 새털을 초로 녹여 붙여 날개를 만들어 하늘로 날아올랐다. 하지만 너무 높이 날아올라 태양열에 초가 녹아 바다에 떨어져 죽었다는 유명한 이야기가 있다. 그 이후에도 레오나르도 다빈치 등 수많은 과학기술자들이 푸른 하늘을 향해 생명을 내건 도전을 하였으며, 이러한 연구정신은 미국의 라이트 형제에까지 이어졌다.
라이트 형제는 원래 자전거를 다루는 기계엔지니어였으나 릴리엔탈의 무동력 글라이더비행에 자극을 받아 항공기에 관심을 갖게 되었다. 그들은 실물 글라이더를 이용한 천여 회의 무동력비행을 통하여 실제 비행 조종기술을 연마함과 동시에, 손수 제작한 실험용 풍동 wind tunnel에서 축소모델을 이용한 실험을 실시하며 항공기 날개의 공기역학적 원리를 연구하였다. 이러한 이론과 실험, 그리고 비행 조종기술을 바탕으로 라이트 형제는 지금으로부터 100년 전인 1903년 12월 17일, 미국의 키티호크 호숫가의 모래벌판에서 마침내 세계 최초의 동력비행을 성공하였다.
제트 엔진 등장으로 더 빨라진 인천-파리 여행
최초의 동력비행에 성공한 라이트 형제의 플라이어 1호는 가솔린엔진 한 대로 두 개의 프로펠러를 돌리는 형식이었다. 이 엔진은 당시 막 꽃피우기 시작한 자동차용 엔진을 개조한 수냉식 피스톤형 내연기관으로 4기통에 12마력의 출력을 가지고 있었다. 무게가 약 90킬로그램으로 오늘날 최신 엔진보다 마력당 무게가 열 배 이상 무거운 저급 엔진이었다.
항공기의 주 임무는 사람이나 화물을 탑재하고 지상으로부터 공중으로 이륙하여 목적지까지 이동하는 것이다. 이러한 관점에서 항공기의 성능은 항공기 총 중량, 엔진단위 출력당 무게 등으로 판단하는 경우가 많다. 따라서 항공기 총 중량의 경량화를 위하여 항공기 동체, 날개 등의 구조물 재료로 알루미늄합금, 복합재료 등 최경량 신소재를 지속적으로 연구, 개발하고 있으며, 동체 구조물의 설계방식도 비행체 내부 골격만이 아니라 표피도 하중을 분담하는 모노코크 (내부 골격과 일체형으로 만든 단일 구조형태) 구조를 개발하여 사용하고 있다.
이러한 관점에서 볼 때 단위 출력당 무게가 가벼운 고성능 엔진은 항공기 성능개선에 있어 핵심기술 중 하나이다. 산업화와 더불어 발달하고 있던 자동차 기술의 발달에 힘입어 피스톤방식의 내연기관은 단위 추력당무게의 경량화, 고성능화되면서 저속 항공용 엔진으로서의 요구성능은 어느 정도 만족시키게 되었다. 그러나 항공기술의 발달과 더불어 사람들은 시속 300킬로미터 정도의 속도에 만족하지 못하고 ‘더 빨리, 더 높이 더’멀리’ 라는 목표를 향하여 끊임없이 돌진하였다.
근본적으로 피스톤방식 내연기관으로 프로펠러를 돌려 항공기의 추진력을 얻는 데는 두 가지 제약이 있다. 첫째는 엔진의 단위 출력당 엔진 자체 무게가 상대적으로 무거워 항공기의 고성능화 및 대형화에 큰 제약이 된다는 것이다. 둘째로, 프로펠러를 이용한 추진방식은 프로펠러의 회전 속도가 공기역학적 이론에 의하여 음속 이하로 제한된다. 이러한 이유로 프로펠러 추진방식으로는 항공기의 속도가 시속 500~600킬로미터 이상으로 올라가는 게 불가능하였다.
그러나 위와 같은 문제를 동시에 해결한 기술이 제트엔진기술이다. 제트엔진기술은 ‘더 빨리, 더 높이, 더 멀리’ 라는 목표를 모두 만족시키는 항공기를 탄생시킴으로써 전세계를 하나의 생활권으로 엮는 데 크게 기여한 인류역사상에 가장 빛나는 위대한 공학기술 중의 하나라고 할 수 있다.
당시 최고 속도 약 240km/h 최고 상승 고도 약 3000미터에 머물고 있는 항공기를 보다 더 빨리, 더 높이 날게 하기 위한 제트엔진의 개발은 1930년 영국의 공군사관생도인 휘틀이 후방 노즐을 통하여 고속으로 연소가스를 분출하는 추진방식을 제안하며 시작되었다. 그러나 제트엔진의 핵심 구성요소인 전방 공기압축기 및 후방 터빈의 기계적 효율이 당시 기술로는 너무 낮고, 개발 자금의 부족으로 지지부진하다가 특허 출원 9년 만인 1939년 6월 30일에 지상에서 16,000rpm의 실험용 제트엔진을 20분간 작동시키는 데 성공하였다. 이후 입증된 제트엔진기술에 대한 다양한 지원에 힘입어 1941년 5월 15일 휘틀엔진을 장착한 영국 최초의 제트추진항공기 ‘글로스터’가 비행을 성공하였다. 그러나 세계 최초의 제트항공기는 영국보다 3년 앞선 1938년 8월 27일 비행에 성공한 독일의 Heinkel He 176기이다. 독일의 괴팅겐 대학 항공공학 박사과정생 오하인Ohain은 피스톤 방식 왕복엔진의 진동문제, 소음문제 등을 해결하기 위한 방편으로 동일한 구동축에 의하여 회전, 작동되는 터보식 공기압축기 및 터빈으로 구성된 제트엔진의 기본 아이디어를 제시하였다. 이후 Ohain은 항공기 제작자인 하인켈Heinkel과 공동으로 연구를 수행하여 1937년 9월 세계 최초의 제트엔진 가동에 성공. 그 이듬해 세계 최초의 제트기 비행에도 성공하였다.
이 두 제트기는 실용화, 대량 생산은 하지 못하였으나, 이들 기술을 발판으로 독일은, 곧이어 일어난 제2차세계대전 중인 1941년 최대 속도가 시속 870 킬로미터에 달하는 고성능 전투기 Me 262 전투기를 최초의 실용화 제트전투기로 개발 · 성공하였고 이에 자극받은 미국, 이탈리아 등 세계열강들이 경쟁적으로 제트전투기를 개발하면서 제트엔진 항공기시대가 본격적으로 개막되었다.
터빈엔진 원리와 고속분출제트 원리를 이용한 제트엔진의 도입은 항공분야에 가히 혁명적인 사건이라 해도 과언이 아닐 것이다. 왕복식 피스톤엔진에 비하여 엔진 무게당 출력이 수십 배에 달하는 터빈엔진은 항공기의 경량화를 통하여 초대형, 고성능 항공기를 가능케 하였으며 또한 고속분출제트에 의한 추진방식은 프로펠러가 가지고 있는 속도제한을 무너트리고 음속의 벽인 시속 1100킬로미터가 넘는 초음속항공기(음속시속 1200킬로미터보다 빠른 속도, 보통 음속에 대한 비로 나타나며 이 비 값을 마하수 Mach number라고 한다. 음속과 같을 때 마하수 1이라고 한다)를 출현시켰다.
오늘날에 제트엔진은 항공기의 용도 및 속도 등에 따라 저속 항공용 터보프롭엔진, 고아음속 대형 여객용 터보팬엔진, 초음속 여객기 및 초음속 전투기 등에 사용되는 터보제트엔진과 극초음속 비행을 위한 램제트엔진 등으로 세분되어 발달되어 왔다.
일반적인 터보제트엔진의 작동 원리는 일렬로 연결된 개방식 원통 통로상에서 회전식 압축기에 의한 공기가 흡입 · 압축된 후 연결된 연소기 내로 유입되어 이곳에서 분사되는 연료와 혼합하여 연소된다. 고온·고압의 연소가스는 후방 배기노즐로 분출하기 직전에 일부 에너지를 사용하여 전방압축기를 돌리기 위한 터빈을 작동시키게 된다. 그러나 대부분의 연소가스 에너지는 노즐을 통한 외부 분출제트 에너지로 사용되며, 이러한 후방 분출제트의 반작용으로 추력을 얻게 된다.
이러한 열역학적 사이클에서 터보제트엔진의 효율을 향상시키기 위해서는 압축기와 터빈의 기계적 효율이 매우 중요하다. 이론적으로 엔진의 열역학적 효율은 연소기 이후에 나타나는 연소가스의 최대 온도에 직접적으로 의존하게 된다. 그러나 연료의 완전 연소에 필요한 이론 공기혼합비로 연소시킬 경우 연소가스온도가 너무 높아서 현재까지는 이 온도에 견딜 엔진용 구조재료가 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 현재는 이론적 필요공기보다 더 많은 공기를 섞어 희석함으로써 엔진 내부 최고 연소가스온도를 의도적으로 내려서 작동시키고 있는 실정이다. 따라서 작동온도를 높이기 위한 고온에 견디는 내열재료기술 및 내열설계기술 등은 엔진의 고효율과 직결된 매우 중요한 핵심기술 중의 하나이다. 또한 800도가 넘는 불꽃 같은 고온 연소가스가 돌리는 터빈 블레이드는 수만 rpm의 고속회전력과 하중 하에서 작동되어야 하는 고난이도의 초정밀 초고속 회전 기계기술이기도 하다. 외부 공기를 흡입하여야 하는 제트엔진은 지상 이륙 시저속에서부터 설계 비행속도인 초음속까지 비행속도에 따라 엔진으로 공기를 잘 흘려보내기 위한 공기흡입구의 공기역학적 설계기술과 분출제트의 속도를 조절하기 위한 후방 분출노즐의 가변 면적 설계기술 등도 필수적인 기술들이다.
전세계의 수만 고아음속 대·중·소형 항공기 엔진시장 전체를 장악하고 있는 터보팬엔진은 엔진코어로 흐르는 일차 가스흐름 주위에 대형 팬으로 대량의 2차 공기를 혼합시킴으로써 추진효율을 높이고 대형 추력을 가능케 하는 고바이패스(팬으로 압축되어 바이패스를 통해서 배출되는 공기와 기관 안에서 연소, 배기되는 가스와의 중량비를 바이패스비라고 하며, 5:1 이상일 경우 고바이패스라고 한다) 기술을 채택하고 있다. 오늘날 보잉사 B747. 에어버스 A300 등 대형 여객기에 장착되고 있는 초대형 터보팬엔진 하나의 추력은 수백 톤에 달한다. 그러나 항공기 외부에 장착된 터보팬엔진은 음속에 가까운 속도로 비행속도가 증가할 때 충격파의 발생과 급격한 공기저항 증가로 초음속 비행에는 부적합하다. 음속의 두 배인 시속 2,000 킬로미터로 나는 콩코드기나 초음속 전투기 등에 널리쓰이는 터보제트엔진은 이러한 현상을 줄이기 위하여몸통에 엔진을 내장하고 후방의 수축-확산노즐을 통하여 제트를 초음속으로 가속 배출함으로써 초음속 비행을 가능케 하고 있다.
제트엔진의 종류
터보프롭엔진
터보제트에 프로펠러를 단 기관으로서, 터빈으로 압축기와 프로펠러를 구동한다. 대부분의 추력은 프로펠러에 의해 발생한다.
터보팬엔진
터보제트에 팬을 단 기관으로서, 터빈으로 압축기와 팬을 구동한다. 팬으로 압축한 공기의 일부를 그대로 바이패스를 통하여 기관 뒤쪽으로 직접 분사시키고, 나머지 일부는 기관 내부로 이끌어 연료와 혼합해서 연소시킨다.
램제트엔진
압축기와 터빈이 없는 제트엔진으로서, 초음속 속도 영역에서 자동적으로 압축된 공기를 받아들여 연소하는 방식이다.
용어 설명
풍동이란
공기의 흐름 현상이나 공기의 흐름이 물체에 미치는 힘을 조사하기 위해 인공적으로 공기가 흐르도록 만든 장치를 풍동이라고 하낟. 풍동은 공기 중을 비행하는 항공기의 공기역학적 특성실험에 빠지지 않고 등장하는 필수 실험 장치 중 하나이다.
수축-확산노즐이란
액체 또는 기체를 고속으로 자유공간에 분출시키기 위해 유로끝에 다는 가는 관을 노즐이라고 하며, 관의 면적을 좁히거나 넓히면서 초음속 영역을 얻을 수 있도록 제작한 노즐을 수축-확산노즐이라고 부른다.