항공기 엔진

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

항공기 엔진은 작동 유체, 압축 방식, 추진력을 발생시키는 유체에 따라 다양하게 분류되며, 항공기의 동력을 제공하는 장치이다. 엔진의 종류에는 피스톤 엔진, 터보제트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보샤프트 엔진, 램제트 엔진, 로켓 엔진 등이 있다. 피스톤 엔진은 실린더 내에서 연료와 공기 혼합 가스를 폭발시켜 프로펠러를 회전시키는 방식이며, 제트 엔진은 공기압축기, 연소기, 터빈으로 구성되어 연소 가스의 반동으로 추진력을 얻는다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진과 유사하지만, 팬을 통해 연료 효율을 높인다. 로켓 엔진은 연료와 산화제를 혼합하여 연소, 추력을 얻으며, 우주 공간에서 사용하기에 적합하다. 항공기 엔진은 안전성과 직결되어 엔진의 수에 따라 단발기, 쌍발기, 3발기, 4발기 등으로 분류된다. 또한, 상업용 항공 분야에서는 프랫 앤 휘트니, 제너럴 일렉트릭, 롤스로이스, CFM 인터내셔널 등이 주요 제조사로 활동하고 있다. 항공기 엔진은 비행기와 함께 발전해 왔으며, 다양한 연소 사이클과 연료를 사용한다.

더 읽어볼만한 페이지

항공기 엔진 - 성형 엔진
성형 엔진은 실린더가 크랭크축을 중심으로 방사형으로 배치된 내연 기관으로, 4행정 사이클 기반 작동, 짧은 크랭크축, 공랭식 냉각, 다기통화 등의 특징을 가지며, 과거 항공기 및 전차 엔진으로 널리 사용되었다.
항공기 엔진 - 터보팬
터보팬은 바이패스비를 활용해 연료 효율을 높인 항공기 엔진으로, 바이패스비에 따라 민간 여객기에 쓰이는 고바이패스 터보팬과 전투기에 쓰이는 저바이패스 터보팬으로 나뉘며, 터보제트 엔진의 단점을 개선하여 제트 엔진 기술 발전에 기여했다.

항공기 엔진
지도 정보
기본 정보
종류	엔진
용도	동력 항공기
적용 분야	프로펠러 구동 로터 구동 덕트 팬 구동 프롭팬 구동
작동 방식
축 엔진	내연 기관 왕복 엔진: 디젤 엔진 반켈 엔진 가스 터빈: 터보프롭 터보샤프트 외연 기관: 증기 동력 전기 모터: 전기 항공기 시계 태엽 구동: 인력 항공기
반작용 엔진	가스 터빈: 터보제트 터보팬 프롭팬 로켓 추진: 에어 터보로켓 공기 증강 로켓 모터제트 펄스제트: 밸브리스 펄스제트 글루하레프 압력 제트 에어로스파이크 엔진 펄스 연소 엔진 회전 연소 엔진 램제트: 스크램제트 쉬크램제트
추가 정보
영국 공군의 수송기 "아브로 요크(1942년 첫 비행)"에 탑재된 엔진 "롤스로이스 멀린", 및 그 앞의 프로펠러.
롤스로이스 멀린 V형 12기통. 호주 피어스 공군 기지 전시물.

2. 엔진의 종류

항공기 엔진은 작동 유체, 압축 방식, 추진력을 발생시키는 유체에 따라 다양하게 분류된다.

'''항공용 엔진의 분류'''
엔진의 종류	엔진 작동 유체	압축 방법	추진력을 발생시키는 유체
피스톤 엔진	연료·공기혼합기	피스톤의 왕복 운동	공기
터보제트 엔진		터빈으로 구동하는 압축기의 회전	연소가스
터보팬 엔진			공기/연소가스
터보프롭 엔진			공기 + 터빈 후 배기가스
터보샤프트 엔진			공기
램제트 엔진		비행에 의해 발생하는 동압	연소가스
펄스제트 엔진		연소로 발생하는 압력과 밸브의 개폐
로켓 엔진	산화제·연료 혼합기	연소로 발생하는 압력

배기 터빈 과급식 피스톤 엔진을 제외하고, 터빈으로 구동하는 압축기로 혼합기를 압축하는 방식의 엔진을 가스터빈 엔진이라고 통칭하기도 한다.

자동차나 선박에 사용되는 엔진과 기본 구조는 같지만, 항공기 엔진은 정지하면 추락으로 이어지기 때문에 혁신적인 첨단 기술보다 신뢰성이 최우선시된다. 또한 무게가 성능에 큰 영향을 미치므로 출력중량비, 추력중량비, 연비가 중요하게 고려된다.

초기에는 개인이나 소규모 공방에서 항공기 엔진을 제작하기도 했지만, 안전성이 중요해지면서 기술력을 갖춘 대기업이 유리해졌다. 현대에는 제트 엔진 시장은 GE 항공(GE Aviation), 롤스로이스(Rolls-Royce), 프랫앤휘트니(Pratt & Whitney)의 3대 제조사가 시장 점유율을 독점하고 있다.^[37] 피스톤 엔진은 라이커밍 엔진(Lycoming Engines)과 콘티넨탈 모터스(Continental Motors)의 시장 점유율이 크다.

2. 1. 피스톤 엔진

피스톤 엔진은 실린더 내에서 연료와 공기 혼합기를 폭발시켜 피스톤을 움직이고, 이 힘으로 프로펠러를 회전시키는 방식이다.^[38] 기본적으로 자동차 엔진과 원리가 같아^[41] 동력 비행기가 탄생한 시점부터 사용되어 왔다.

대부분 회전축에 프로펠러가 부착되지만, O-300처럼 감속 기어박스를 거치는 엔진도 있다.

제2차 세계 대전 중에는 군용기용으로 개발되어 2,000마력을 넘는 엔진이 실용화되었고, 3,500마력을 발휘하는 엔진까지 등장하였다.^[38] 항공기에 탑재할 수 있는 소형·경량의 과급기, 인터쿨러 및 수메탄올 분사 장치 등의 보조 장비도 다수 개발되었다.

제2차 세계 대전 종전 후에는 제트 엔진의 발달과 터보프롭 엔진의 소형화, 그리고 프로펠러기는 시속 750km 정도가 한계^[39]라는 점 때문에, 20세기 후반 이후로는 150~300마력의 경비행기용이 중심이 되었다. 이 때문에 다수 존재했던 레시프로 엔진 제조업체들은 폐업이나 통합이 잇따랐다. 전후 신규 진출로서 1980년대에 포르쉐가 911 엔진을 베이스로 한 PFM3200을 판매했지만, 소형기 시장의 침체기에 겹쳐 80기 정도만 제조하고 1991년에 철수하였다. 이후로는 라이커밍 엔진스와 컨티넨탈 모터스가 시장 점유율을 양분하고 있다.

경량 스포츠 항공기 등 경량기용으로 로탁스가 80~100마력의 경량 엔진을 생산하고 있다. 초경량 동력기나 모터 글라이더는 100마력 미만으로 충분하기 때문에, 로탁스 외에 SOLO사나 프레시 브리즈사 등의 전문 제조업체가 10~50마력의 소형 엔진을 제조하고 있다. 무인 항공기용으로는 사이토 제작소 등 모형 항공기용 엔진 제조업체의 제품이 이용되고 있다.

미국에서는 익스페리멘탈 카테고리로 등록하면 형식 인증을 받지 않은 엔진도 사용할 수 있기 때문에, 홈빌트기 애호가들은 신뢰성과 성능이 높고 저렴하며 부품 유통량도 많은 일본차 엔진을 이용하고 있으며, 트랜스미션이나 FADEC 등 항공기에 탑재하기 위한 부품을 판매하는 회사나, 자사에서 개조한 엔진을 완성품으로 판매하는 제조업체도 존재한다.^[40]

초기에는 회전식 성형이 사용되었지만, 점차 공랭식에서는 성형, 수랭식에서는 V형이 주류가 되었다. 현대에는 경량이며 진동이 적은 공랭식 수평 대향이 주류이다. 역V형 등 특정 기종(전투기)에 있어 이점이 큰 형식도 존재한다. 소수이지만, 반켈 회전식 엔진을 탑재한 모터 글라이더도 존재한다.

점화 장치는 신뢰성이 높고, 배터리가 불필요한 마그네토식이 주류이다. 엔진 오일의 순환 방식은, 극히 일부를 제외하고, 중력 가속도의 영향이 적은 드라이 섬프를 사용한다.

연료는 항공용 가솔린을 사용하는 가솔린 엔진이 주류이지만, 더 저렴한 제트 연료(JET-A1)를 사용하는 엔진도 존재한다.^[41] 또한, 대체 연료의 연구도 진행되고 있다. 자동차 엔진에서는 일반 가솔린을 이용할 수 있기 때문에 유지비도 저렴해진다.^[40]

과급기(터보차저나 슈퍼차저)의 유무, 가솔린인지 디젤인지에 관계없이 조종사나 정비사의 자격은 "'''피스톤'''"으로 분류된다. 참고로 피스톤이라고 되어 있지만, 반켈 회전식 엔진도 포함된다.

2. 2. 제트 엔진

1개의 통 속에 공기압축기·연소기·터빈이 배치되어 있다. 앞쪽에서 빨아들인 공기를 먼저 공기압축기로 압축하여 연소기(燃燒器)로 보낸다. 여기서 연료(주로 kerosine)를 섞어서 점화·폭발시키면 혼합가스를 힘차게 뒤쪽으로 뿜어낸다. 이 반동으로 앞을 향하는 추력이 얻어진다. 분출되는 가스는 도중에서 터빈의 깃에 부딪혀 터빈을 돌린다. 이 터빈의 회전을 이용하여 공기압축기를 돌리게 되는 것이다.^[37]

2. 3. 로켓 엔진

로켓은 연료와 과산화수소 등의 산화제를 혼합해서 연소시켜 가스를 뿜어내어 추력을 얻는다. 제트 엔진이 공기를 빨아들여 산소로 연료를 연소시키는 것과 달리, 로켓은 공기를 사용하지 않는다.^[1] 따라서 기계적인 부분이 간단하고 공기가 없는 우주 공간에서 사용하기에 편리하다.^[1] 그러나 제트 엔진에 비해 연료 소모량이 매우 커서, 로켓을 장치한 비행기는 항속 시간이 매우 짧아 실용에는 적합하지 않다.^[1]

몇몇 항공기는 주 추력이나 자세 제어를 위해 로켓 엔진을 사용했는데, 특히 벨 X-1과 노스아메리칸 X-15가 대표적이다. 하지만 에너지와 추진제 효율이 매우 낮아 대부분의 항공기에는 사용되지 않고, 단시간의 속도 향상과 이륙을 위해 사용되기도 했다. 연료/추진제 효율이 덜 중요한 경우, 로켓 엔진은 매우 큰 추력을 생성하고 무게가 매우 가볍기 때문에 유용할 수 있다.

로켓 엔진을 이용하는 비행기인 “로켓 비행기”는 항공기의 초기 단계에 존재했지만, 제트 엔진으로 대체되었다. 이륙 시 보조로 사용하는 JATO용으로 일부 사용되었다.

3. 엔진의 수

비행기는 엔진 수에 따라 단발기(1개), 쌍발기(2개), 3발기, 4발기 등으로 나뉜다. 현대의 엔진은 신뢰도가 매우 높지만, 고장 가능성은 여전히 존재한다. 엔진이 하나뿐인 단발기는 고장 시 불시착해야 하므로, 주로 소형 연습기나 자가용으로 사용된다.^[37]

엔진이 2개 이상이면 하나의 엔진이 고장 나더라도 나머지 엔진으로 수평비행, 이륙, 상승이 가능하여 안전성이 높아진다. 특히 4발기는 안전성이 매우 높아 태평양, 대서양, 북극 상공 비행에 적합하다.^[37]

과거에는 쌍발기의 경우 엔진 고장을 대비하여 가장 가까운 공항에서 120분 이상 떨어진 곳을 비행할 수 없었다(ETOPS 120). 그러나 3발기는 쌍발기보다 장거리 비행이 가능하고 4발기보다 운영 비용이 저렴하여 대형 여객기 시장에서 인기를 얻었다. 하지만, 3발기는 DC-10처럼 엔진 배치에 따라 정비가 어렵거나 L-1011처럼 흡기 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이후 엔진 기술 발전으로 쌍발기의 비행 가능 거리가 늘어나면서(ETOPS 180, ETOPS 207) 3발기는 여객기 시장에서 감소하였다.^[37]

4. 제조 산업

프랫 앤 휘트니(레이시온 테크놀로지스 자회사), 제너럴 일렉트릭(GE), 롤스로이스, CFM 인터내셔널(사프란 항공 엔진과 제너럴 일렉트릭의 합작 투자 회사)은 상업용 항공 분야의 주요 터보팬 엔진 제조사이다. 러시아에는 유나이티드 엔진 코퍼레이션, 아비아드비가텔, 클리모프 등이 있다. 중국은 2016년 여러 소규모 회사를 합병하여 중국 항공기관 제조공사를 설립했다.

5. 개발 역사

항공기 엔진은 비행기와 함께 발전해왔다.

1848년: 존 스트링펠로우는 10피트 날개폭의 모형 항공기에 사용할 증기 엔진을 제작하여, 미미한 탑재량이었지만 최초의 동력 비행을 달성했다.
1903년: 찰리 테일러는 라이트 플라이어를 위해 대부분 알루미늄으로 제작된 직렬 엔진(12마력)을 만들었다.
1903년: 맨리-발저 엔진이 이후의 성형 엔진의 표준을 설정한다.^[3]
1906년: 레옹 르바바서가 항공기용으로 성공적인 수냉식 V8 엔진을 생산한다.
1908년: 르네 로랭이 램제트 엔진 설계에 대한 특허를 취득한다.
1908년: 루이 세갱이 세계 최초로 대량 생산된 회전식 엔진인 놈 오메가를 설계했다. 1909년 놈 엔진을 장착한 파르망 III 항공기가 랭스 ''그랑드 세메네 다비아시옹''에서 최장 무정차 비행 거리 상을 수상했다.
1910년: 파리 에어로 살롱에서 전시된, 피스톤 엔진으로 구동되는 실패작인 덕티드 팬 항공기 코안다-1910. 이 항공기는 결코 비행하지 못했지만, 추력을 증가시키기 위해 배기 가스를 덕트로 유도하는 특허가 출원되었다.^[4]^[5]^[6]^[7]
1914년: 오귀스트 라토가 고고도 성능을 향상시키기 위해 배기 가스로 구동되는 압축기 – 터보차저 – 를 사용하는 것을 제안했다.^[3] 시험 후 채택되지 않았다.^[8]
1915년: 18기통 수냉식 W-18형 항공기 엔진인 메르세데스 D.VI(517마력/380kW)는 제1차 세계 대전 당시 가장 강력한 엔진이었다.
1917년~1918년: 독일 제국 ''루프트슈트라이크크래프테''의 체펠린-슈타켄 R.VI 중폭격기의 Idflieg 번호 R.30/16 예시는 중앙 동체에 있는 메르세데스 D.II 직렬 6기통 엔진이 R.30/16의 4개의 메르세데스 D.IVa 엔진을 위한 브라운-보베리 기계식 슈퍼차저를 구동하는, 최초로 알려진 슈퍼차저 장착 항공기가 되었다.
1918년: 샌포드 알렉산더 모스가 라토의 아이디어를 발전시켜 최초의 성공적인 터보차저를 만들었다.^[3]^[9]
1926년: 항공기용으로 최초로 양산된 슈퍼차저 엔진인 암스트롱 시들리 재규어 IV (S);^[10]^[11] 기어 구동식 원심 슈퍼차저를 갖춘 2열 성형 엔진.
1930년: 프랭크 휘틀이 터보제트 엔진에 대한 최초의 특허를 출원했다.
1939년 6월: 하인켈 He 176이 최초로 액체 연료 로켓 엔진으로만 비행한 성공적인 항공기가 되었다.
1939년 8월: 하인켈 HeS 3 터보제트가 선구적인 독일 하인켈 He 178 항공기를 추진했다.
1940년: 세계 최초의 터보프롭 엔진인 젠드라식 Cs-1이 가동되었지만, 실전 배치되지는 않았다.
1943년: 다임러-벤츠 DB 670, 최초의 터보팬 가동.
1944년: 세계 최초로 배치된 로켓 추진 전투기 메서슈미트 Me 163B ''코멧''.
1945년: 최초의 터보프롭 추진 항공기가 비행했다. 두 개의 롤스로이스 트렌트 엔진을 장착한 개조된 글로스터 미티어였다.
1947년: 벨 X-1 로켓 추진 항공기가 음속을 돌파했다.
1948년: 100 shp 782, 항공기용으로 적용된 최초의 터보샤프트 엔진; 1950년 더 큰 투르보메카 아르투스트를 개발하는 데 사용되었다.
1949년: 세계 최초의 램제트 추진 항공기 비행인 르뒤크 010.
1950년: 세계 최초의 양산형 터보팬인 롤스로이스 콩웨이가 운용에 들어갔다.
1968년: 더 큰 추력과 훨씬 더 나은 효율을 제공하는 제너럴 일렉트릭 TF39 고 바이패스 터보팬이 운용에 들어갔다.
2002년: 하이샷 스크램제트가 급강하 비행을 했다.
2004년: 고도를 유지한 최초의 스크램제트인 NASA X-43.
2020년: EASA가 최초로 형식 증명을 받은 전기 항공기 엔진인 피피스트렐 E-811. 피피스트렐 벨리스 일렉트로를 구동하며, 이는 최초로 EASA 형식 증명을 받은 완전 전기 항공기이다.^[20]

6. 연소 사이클

항공기 엔진의 가장 일반적인 연소 사이클은 점화식 4행정 사이클이다. 소형 엔진에는 2행정 점화식 사이클도 사용되었지만, 압축착화식 디젤 엔진은 거의 사용되지 않았다.

1930년대부터 실용적인 항공용 디젤 엔진을 개발하려는 시도가 있었다. 일반적으로 디젤 엔진은 더욱 신뢰할 수 있으며 중간 출력 설정에서 장시간 작동하는 데 훨씬 더 적합하다. 1930년대의 경량 합금은 디젤 엔진의 훨씬 높은 압축비를 처리할 수 없었기 때문에 일반적으로 중량 대비 출력 비율이 낮아 그 이유로 인해 드물게 사용되었지만, 클레르제 14F 디젤 복렬 엔진(1939년)은 가솔린 복렬 엔진과 동일한 중량 대비 출력 비율을 가졌다. 자동차의 디젤 기술 향상(훨씬 더 나은 중량 대비 출력 비율로 이어짐), 디젤의 훨씬 더 나은 연료 효율, 유럽에서의 AVGAS에 비해 Jet A1에 대한 상대적으로 높은 세금 등으로 인해 항공기용 디젤 사용에 대한 관심이 다시 높아졌다. 틸러트 항공기 엔진은 메르세데스 디젤 자동차 엔진을 개조하여 항공기용으로 인증을 받았고, 다이아몬드 항공의 경량 트윈 엔진에 대한 OEM 공급업체가 되었다. 틸러트가 재정적 어려움을 겪었기 때문에 다이아몬드의 계열사인 오스트로 엔진은 메르세데스 엔진을 기반으로 새로운 AE300 터보디젤을 개발했다.^[15] 경쟁적인 새로운 디젤 엔진은 연료 효율과 무연 배출을 소형 항공기에 제공하여 수십 년 만에 경항공기 엔진에 가장 큰 변화를 가져올 수 있다.

7. 터빈 엔진

군용 전투기는 매우 높은 속도를 필요로 하지만, 많은 민간 항공기는 그렇지 않다. 그러나 민간 항공기 설계자들은 가스터빈 엔진이 제공하는 높은 출력과 낮은 유지보수의 이점을 얻고자 했다. 그리하여 터빈 엔진을 기존 프로펠러에 결합하려는 아이디어가 탄생했다. 가스터빈은 최적으로 고속으로 회전하기 때문에 터보프롭은 프로펠러 날개 끝이 초음속에 도달하지 않도록 속도를 낮추는 기어박스를 갖추고 있다. 종종 프로펠러를 구동하는 터빈은 나머지 회전 부품과 분리되어 자체 최적 속도로 회전할 수 있다(프리 터빈 엔진이라고 함). 터보프롭은 설계된 순항 속도 범위(일반적으로 200mph에서 400mph) 내에서 작동할 때 매우 효율적이다.^[37]

프로펠러 터보팬 엔진(Garrett TPE-331)의 단면도. 엔진 전면에 기어박스가 보인다.

터보샤프트 엔진은 주로 헬리콥터와 보조동력장치에 사용된다. 터보샤프트 엔진은 원리는 터보프롭과 유사하지만, 터보프롭에서는 프로펠러가 엔진에 의해 지지되고 엔진이 기체에 볼트로 고정되는 반면, 터보샤프트에서는 엔진이 헬리콥터의 로터에 직접적인 물리적 지지를 제공하지 않는다. 로터는 기체에 볼트로 고정된 변속기에 연결되고, 터보샤프트 엔진이 변속기를 구동한다. 어떤 경우에는 항공기 제작사가 동일한 설계를 기반으로 터보프롭 엔진과 터보샤프트 엔진을 모두 제작하기 때문에 이러한 차이는 미미하게 여겨진다.^[37]

조종사나 정비사 자격에서는 압축기에 터빈으로 구동하는 압축기의 회전을 사용하는 것(터보제트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보샤프트 엔진)은 ''''터빈''''으로 분류된다.^[37]

8. 전기 동력

전기 모터로 프로펠러를 회전시키는 전기항공기는 소형 멀티콥터 드론을 중심으로 개발되고 있다.^[1]^[16]^[17] 모터글라이더나 초경량비행장치에도 전동기를 탑재하는 경우가 있으며, 유인 항공기 분야에서도 솔라 챌린저(Solar Challenger), 솔라 임펄스(Solar Impulse), NASA 패스파인더(NASA Pathfinder)와 같이 태양광 전기 추진에 대한 실험이 진행되었다.^[18]

2020년 5월 18일, 피피스트렐 E-811(Pipistrel E-811)이 유럽 항공 안전청(EASA)으로부터 형식 증명을 받은 최초의 전기 항공기 엔진이 되어 일반 항공에 사용되기 시작했다. E-811은 피피스트렐 벨리스 일렉트로(Pipistrel Velis Electro)에 동력을 공급한다.^[19]^[20]

지멘스(Siemens)와 같은 대기업들도 항공기용 고성능 전기 엔진을 개발하고 있으며, SAE는 효율이 더 높은 순수 구리 코어 전기 모터와 같은 새로운 개발을 보여주고 있다. 스페인 마드리드의 액스터 에어로스페이스(Axter Aerospace)는 비상 백업 및 이륙 시 추가 동력을 위한 하이브리드 시스템을 판매하고 있다.^[21]

태양전지를 사용한 전동기는 솔라플레인이라고 불린다.

9. 반응 엔진 (제트 엔진)

반응 엔진은 엔진에서 배기 가스를 고속으로 배출하여 추력을 생성하며, 그 결과 발생하는 작용 반작용으로 항공기가 전진한다. 가장 일반적으로 사용되는 반응 추진 엔진은 터보제트, 터보팬, 로켓이다. 펄스제트, 램제트, 스크램제트 및 펄스 디토네이션 엔진과 같은 다른 유형도 비행에 사용되었다.^[37] 제트 엔진의 경우 연료 연소에 필요한 산소는 공기에서 얻지만, 로켓은 연료와 함께 산화제(일반적으로 산소)를 사용하므로 우주에서 사용할 수 있다.^[37]

제트 엔진은 자동차나 선박 엔진과 기본 구조는 같지만, 비행기는 엔진 정지 시 고도를 유지할 수 없어 추락하므로 첨단 기술보다 신뢰성이 우선시된다. 무게가 성능에 큰 영향을 미치므로 출력중량비, 추력중량비, 연비가 중요하며,^[37] 많은 국가에서 항공법으로 일정 비행 시간마다 정비를 요구하고, 엔진만 신형으로 교체하는 경우도 많아 유지보수성도 고려된다.^[37] 여객기의 경우 공항 주변 소음 피해를 줄이기 위해 소음도 고려된다.^[37]

작동 유체, 압축 방법, 추진력 발생 유체에 따른 항공용 엔진 분류는 다음과 같다.

'''항공용 엔진의 분류'''
엔진 종류	엔진 작동 유체	압축 방법	추진력 발생 유체
터보제트 엔진	연료·공기혼합기	터빈 구동 압축기 회전	연소가스
터보팬 엔진		공기/연소가스
터보프롭 엔진		공기 + 터빈 후 배기가스
터보샤프트 엔진		공기
램제트 엔진	연료·공기혼합기	비행으로 발생하는 동압	연소가스
펄스제트 엔진	연료·공기혼합기	연소로 발생하는 압력과 밸브 개폐
로켓 엔진	산화제·연료 혼합기	연소로 발생하는 압력

9. 1. 터보제트

터보제트는 제2차 세계 대전 중 군용 전투기를 위해 개발된 일종의 가스터빈 엔진으로, 모든 항공기 가스터빈 중 가장 단순한 형태이다. 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 연료가 주입되어 점화되는 연소부, 팽창하는 배기가스로부터 동력을 추출하여 압축기를 구동하는 1개 이상의 터빈, 그리고 배기가스를 엔진 후면으로 가속시켜 추력을 생성하는 배기 노즐로 구성된다. 터보제트 도입 당시, 터보제트를 장착한 전투기의 최고 속도는 경쟁하는 피스톤 구동 항공기보다 최소 시속 100마일 이상 빨랐다.

그러나 전후 수년 동안 터보제트의 단점이 점차 명확해졌다. 마하 2 이하에서는 연료 효율이 매우 낮고 엄청난 소음을 발생시킨다. 초기 설계는 출력 변화에 매우 느리게 반응했는데, 이는 제트기 전환을 시도했던 많은 숙련된 조종사의 목숨을 앗아간 원인이 되었다. 이러한 단점들로 인해 결국 순수 터보제트는 쇠퇴했고, 현재 생산 중인 유형은 소수에 불과하다. 터보제트를 사용한 마지막 여객기는 콩코드였는데, 마하 2의 속도에서 엔진의 고효율을 가능하게 했다.

제너럴 일렉트릭 J85-GE-17A 터보제트 엔진. 이 단면도는 앞쪽(사진의 왼쪽)에 있는 8단계의 축류 압축기, 중앙의 연소실, 그리고 엔진 후면의 2단계 터빈을 명확하게 보여준다.

9. 2. 터보팬

터보팬 엔진은 터보제트 엔진과 매우 유사하지만, 전면에 확장된 팬이 있어 덕트형 프로펠러와 거의 같은 방식으로 추력을 생성하여 연료 효율을 향상시킨다. 팬은 프로펠러처럼 추력을 생성하지만, 주변 덕트는 프로펠러 성능을 제한하는 많은 제약으로부터 팬을 해방시킨다. 이러한 작동 방식은 단순히 제트 노즐만 사용하는 것보다 추력을 제공하는 더 효율적인 방법이며, 터보팬은 천음속 항공기 속도 범위에서 프로펠러보다 효율적이며 초음속 영역에서도 작동할 수 있다. 터보팬은 일반적으로 팬을 회전시키기 위해 추가 터빈 단계를 갖는다. 터보팬은 여러 개의 ''축''(자체 속도로 회전할 수 있는 동심축)을 사용한 최초의 엔진 중 하나였으며, 이를 통해 엔진이 변화하는 출력 요구 사항에 더 빠르게 반응할 수 있었다.

터보팬은 크게 저바이패스와 고바이패스로 나뉜다. 바이패스 공기는 팬을 통해 흐르지만 제트 코어 주위를 흐르며 연료와 혼합되거나 연소되지 않는다. 이 공기의 양과 엔진 코어를 통해 흐르는 공기의 양의 비율이 바이패스 비율이다. 저바이패스 엔진은 높은 추력 중량비 때문에 전투기와 같은 군용 응용 분야에 선호되는 반면, 고바이패스 엔진은 우수한 연료 효율과 저소음으로 민간용으로 선호된다. 고바이패스 터보팬은 대형 여객기의 순항 속도인 500mph에서 550mph로 비행할 때 일반적으로 가장 효율적이다. 저바이패스 터보팬은 초음속에 도달할 수 있지만, 일반적으로 애프터버너가 장착된 경우에만 가능하다.

10. 기타 엔진

펄스제트는 V1 비행폭탄에 사용된 엔진으로, 작동 방식은 단순하지만 소음이 크고 기체 손상을 유발하여 전투기에는 부적합했다. 글루하레프 압력 제트(팁 제트)는 밸브가 없는 펄스제트와 유사하며, 연료 분사 압력과 연소 시 발생하는 음파를 이용하여 작동한다. 주로 경량항공기나 개인용 헬리콥터에 사용된다.

현행 항공법에서는 항공기 엔진으로 레시프로(왕복 엔진)와 터빈만을 규정하고 있으며, 이 외의 동력원에 대한 법적 구분은 명확하지 않다. 따라서 이러한 엔진을 사용하여 비행하려면 시험 비행 등의 허가를 받아 개별 심사를 거쳐야 한다.

10. 1. 펄스제트

펄스제트는 기계적으로 간단한 장치로, 반복되는 연소 사이클을 통해 작동한다. 공기를 엔진 전면의 역류 방지 밸브를 통해 연소실로 흡입하여 점화하고, 연소 가스를 엔진 후면으로 배출하여 추진력을 얻는다. 일정한 출력이 아닌 일련의 펄스(pulse) 형태로 동력을 생성하기 때문에 펄스제트라고 불린다.

이 엔진은 제2차 세계 대전 당시 독일의 무인 V1 비행폭탄에 사용되었다. 같은 엔진을 실험적으로 대형 전투기에 사용하기도 했지만, 엔진이 발생시키는 엄청난 소음으로 인해 항공기 기체에 기계적 손상이 발생하여 실용적이지 않은 것으로 판명되었다.

펄스제트 엔진은 작동 유체의 종류, 압축 방법, 추진력을 발생시키는 유체의 종류로 분류할 수 있다.

항공용 엔진의 분류
엔진의 종류	엔진 작동 유체	압축 방법	추진력을 발생시키는 유체
펄스제트 엔진	연료·공기혼합기	연소로 발생하는 압력과 밸브의 개폐	연소가스

펄스제트는 구조가 단순하여 대량 생산이 쉽지만, 성능이 여러 요인에 크게 영향을 받는 등의 문제로 인해 실험 단계에 머물렀다. 구조가 단순하고 시중에서 구할 수 있는 재료로도 제작이 가능하여, 개인의 취미 활동이나 원리 학습을 위한 교육 자료로 제작되기도 한다.

10. 2. 램제트

램제트 엔진은 터보제트 엔진에 비해 구조가 단순하고 가벼우며 초음속에서 효율이 높다는 장점이 있다. 그러나 정지 상태에서는 시동할 수 없어(단독으로 이륙할 수 없어) 보조용으로 사용되거나 다른 엔진과 결합한 통합형 실험이 진행되고 있다.

10. 3. 왕복 엔진 (로터리 엔진)

회전식 엔진(왕복 엔진의 한 종류)은 소형, 경량이면서 고출력이라는 장점이 있어 모터글라이더 등에 사용되지만, 피스톤 엔진에 비해 가격과 유지보수성이 떨어진다.^[14]

11. 엔진 배치

다중 엔진 항공기는 조종석에서 바라보는 방향을 기준으로 왼쪽에서 오른쪽으로 엔진 번호가 매겨진다. 예를 들어 보잉 747과 같은 4발 엔진 항공기는 1번 엔진이 가장 왼쪽에 있고, 4번 엔진이 가장 오른쪽에 있다.^[28]

3발 엔진 보잉 727의 추력 레버. 각 레버에는 해당 엔진 번호가 표시되어 있다.

잉글리시 일렉트릭 라이트닝과 같이 동체에 두 개의 제트 엔진이 위아래로 배치된 경우에는 1번 엔진이 아래쪽, 2번 엔진이 위쪽에 위치한다.^[29] 세스나 337 스카이마스터처럼 푸시풀 방식의 이중 엔진 항공기는 1번 엔진이 동체 앞쪽에, 2번 엔진이 조종석 뒤쪽에 위치한다.

항공기에 장착된 엔진은 발동기의 ‘발(發)’로 세어, 1기는 단발, 2기는 쌍발, 3기는 삼발, 4기는 사발이라고 하며, 3기 이상은 다발이라고도 한다. 다발 엔진의 경우 짝수는 좌우 대칭으로, 홀수는 좌우 대칭에 더해 동체에 1기를 배치하여 좌우 균형을 맞추도록 배치한다.

프로펠러기의 경우 엔진이 아닌 프로펠러의 위치로 분류하며, 전면에 배치하는 견인식과 후면에 배치하는 추진식으로 나뉜다. 제트 엔진의 경우, 주익, 후부에 장착하는 리어 엔진, 기체 상부(Cirrus Vision SF50 등)에 장착하는 방식이 있다.

모터글라이더는 기체 내부에 엔진을 탑재하고 수납된 프로펠러를 기체 상부에 전개하는 방식 외에도, 비행기처럼 기수에 탑재하거나 후부에 탑재하는 등의 형식이 있다.

12. 연료

항공기 왕복(피스톤) 엔진은 항공 가솔린을 사용하며, 이는 자동차 가솔린보다 옥탄가가 높아 고고도에서 더 높은 성능을 낸다. 현재 가장 많이 쓰이는 항공 가솔린은 100LL로, 옥탄가 100과 낮은 납 함량을 의미한다.^[30]

테트라에틸납(TEL)은 높은 옥탄가를 위해 사용되지만, 환경 문제로 인해 대체 연료를 찾는 것이 중요해졌다.^[30]

터빈 엔진과 항공기 디젤 엔진은 제트 연료를 사용한다. 제트 연료는 등유 기반의 석유 유도체로, 엄격한 항공 표준을 준수하며 추가 첨가제가 들어있다.

모형 항공기는 글로우 엔진을 사용하며, 글로우 연료(메탄올, 니트로메탄, 윤활유 혼합물)로 구동된다. 전기로 작동하는 모형 비행기와 헬리콥터도 판매되고 있다. 소형 멀티콥터 무인 항공기는 대부분 전기로 작동하지만,^[32]^[33] 더 큰 가솔린 엔진도 개발 중이다.^[34]^[35]

항공용 가솔린을 사용하는 가솔린 엔진이 주류이지만, 더 저렴한 제트 연료(JET-A1)를 사용하는 디젤 엔진^[41]도 존재한다. 또한, 대체 연료의 연구도 진행되고 있다. 자동차 엔진에서는 일반 가솔린을 이용할 수 있기 때문에 유지비도 저렴해진다.^[40]

13. 시험 시설

롤스로이스는 2021년에 항공기 엔진 전용 시험 설비(실증 시험 시설)^[43]인 “테스트베드 80(Testbed 80)”^[44]^[45]^[46]^[47]을 개설했다. 이는 세계 최대 규모의 항공기 엔진 시험 시설이며, 영국 중부 도시 더비에 있다. 2021년 1월 14일, 롤스로이스사는 자체 제작 엔진인 “트렌트 XWB-97(Trent XWB-97)”^[44]을 사용하여 시험 운전을 완료했으며, 수개월 내에 공식적으로 개설될 예정이었다.

이 시설은 실내 면적이 약 7500m²이며, 140,000L의 연료 탱크를 갖추고 있다. 최대 추력 155klbf의 엔진을 시험할 수 있으며, 이 추력은 단일 엔진으로 보잉 747을 충분히 비행시킬 수 있는 크기이다. 이 프로젝트는 약 3년간의 공사 기간 동안 약 9000만파운드 (당시 2월 환율 기준 약 130263500000JPY)의 건설 비용이 투자되었다. 롤스로이스사는 이 시설을 이용하여 저탄소 사회에 대응하는 항공기 엔진 개발을 추진할 계획이다.

참조

_[1] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[2] 뉴스 GE Pushes Into Turboprop Engines, Taking on Pratt https://www.wsj.com/[...] 2015-11-16
_[3] 서적 Encyclopedia of the History of Technology https://archive.org/[...] Routledge
_[4] 서적 Aviation: an historical survey from its origins to the end of World War II https://books.google[...] Her Majesty's Stationery Office
_[5] 서적 The Aeroplane: An Historical Survey of Its Origins and Development https://books.google[...] Her Majesty's Stationery Office
_[6] 학술지 Ducted Fan or the World's First Jet Plane? The Coanda claim re-examined https://books.google[...] Royal Aeronautical Society 1980-12
_[7] 서적 Henri Coandă and his technical work during 1906–1918 Editura Anima
_[8] 서적 SPAD XIII vs. Fokker D VII: Western Front 1918 https://books.google[...] Osprey
_[9] 학술지 He Harnessed a Tornado... https://books.google[...] 1941-06
_[10] 서적 The airplane: A history of its technology. https://books.google[...] American Institute of Aeronautics and Astronautics
_[11] 서적 The new encyclopedia of motorcars 1885 to the present https://archive.org/[...] Dutton
_[12] 서적 Aviation NMSO
_[13] 서적 Les hélicoptères français
_[14] 웹사이트 ASH 26 E Information http://www.alexander[...] Alexander Schleicher 2006-11-24
_[15] 웹사이트 Diamond Twins Reborn https://web.archive.[...] Flying Mag 2010-06-14
_[16] 웹사이트 Superconducting Turbojet https://web.archive.[...] Physorg.com
_[17] 웹사이트 Voyeur https://web.archive.[...] Litemachines
_[18] 웹사이트 Worldwide première: first aircraft flight with electrical engine https://web.archive.[...] Association pour la Promotion des Aéronefs à Motorisation Électrique 2007-12-23
_[19] 웹사이트 TCDS for E811 engine, model 268MVLC https://www.easa.eur[...] 2020-08-18
_[20] 뉴스 Pipistrel offers type certified electric motor https://www.flyer.co[...] Seager Publishing 2020-08-18
_[21] 웹사이트 Axter Aerospace http://axteraerospac[...]
_[22] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[23] 학술지 Analysis of the effect of factors on the efficiency of liquid rocket turbine http://adsabs.harvar[...]
_[24] 뉴스 Hybrid geared-fan and piston concept could slash fuel-burn https://www.flightgl[...] 2018-04-24
_[25] 웹사이트 Composite Cycle Engine concept technical data sheet https://www.bauhaus-[...] Bauhaus Luftfahrt
_[26] 웹사이트 The composite cycle engine concept https://www.bauhaus-[...] Bauhaus Luftfahrt
_[27] 학술지 A Composite Cycle Engine Concept with Hecto-Pressure Ratio https://www.research[...] 2015-07
_[28] 서적 Skyways for business https://books.google[...] Henry Publications
_[29] 웹사이트 English Electric Lightning F53 (53-671) – Power Plants https://web.archive.[...] 2018-06-09
_[30] 보도자료 EAA'S Earl Lawrence Elected Secretary of International Aviation Fuel Committee https://web.archive.[...]
_[31] 웹사이트 Electric Airplanes - RTF http://www.nitroplan[...]
_[32] 웹사이트 Amazon.com: Photography Drones Store: Buying Guide: Electronics https://www.amazon.c[...]
_[33] 웹사이트 RC Quadcopters http://www.nitroplan[...]
_[34] 웹사이트 Yeair! hybrid gasoline/electric quadcopter boasts impressive numbers http://www.gizmag.co[...] 2015-05-27
_[35] 웹사이트 Goliath – A Gas Powered Quadcopter https://hackaday.io/[...]
_[36] 웹사이트 Heavy Lifting Quadcopter Lifts 50 Pound Loads. It's a Gas Powered HULK (HLQ) http://www.industryt[...] 2013-03-11
_[37] 웹사이트 飛行機用エンジンの3大メーカー☆ https://ja-jp.facebo[...] Facebook 2021-02-12
_[38] 간행물 航空情報臨時増刊 No.95 (추가 정보 필요) 2021-02-12
_[39] 간행물 (추가 정보 필요) (추가 정보 필요) 2021-02-12
_[40] 웹사이트 「俺の飛行機エンジンは“スズキ”」日本車エンジンの転用が米で大人気になったワケ “参入ぜひ！” https://trafficnews.[...] 2023-05-05
_[41] 웹사이트 セスナ172型ディーゼル・エンジン搭載機耐空検査に合格 https://alphaaviatio[...] 株式会社アルファーアビエィション 2010-02-09
_[42] 웹사이트 プロペラがない！騒音問題を解決する「イオン風で飛ぶドローン」 https://nazology.net[...] kusuguru株式会社 2022-09-24
_[43] 웹사이트 テストベッド https://www.keyence.[...] 株式会社キーエンス 2021-02-12
_[44] 웹사이트 Rolls-Royce unveils the largest aircraft engine testing facility in the world https://thepointsguy[...] 2021-01-15
_[45] 웹사이트 Rolls-Royce Runs First Engine On World’s Largest Testbed https://samchui.com/[...] 2021-01-15
_[46] 웹사이트 Rolls-Royce Turns The World’s Largest Engine Testbed On https://simpleflying[...] Simple Flying 2021-01-15
_[47] 뉴스 世界最大!? の「航空機エンジン試験場」が初稼働ロールス・ロイス「テストべッド80」 https://trafficnews.[...] 株式会社メディア・ヴァーグ 2021-02-12