[슝~~ 비행기 탐구] '엔진'은 비행기의 심장… 공기 압축한 후 터뜨려 推力<추력·앞으로 나아가는 힘> 만들지

비행기가 날기 위해서는 앞으로 나아가는 힘, 즉 추력(推力)이 필요하다. 추력은 엔진을 통해 얻는다. 엔진은 프로펠러를 돌려 만든 빠른 공기 흐름으로 추력을 얻는 '왕복 엔진', 그리고 압축된 공기와 연료를 점화(불을 붙임)시켜 세차게 뿜어내는 바람으로 추력을 얻는 '제트 엔진'으로 구분된다. 왕복 엔진과 제트 엔진의 공통점은 공기를 압축한 후 터뜨리는 과정에서 나오는 강력한 폭발력으로 힘을 얻는다는 것이다. 압축하지 않은 상태에서는 불을 붙여봐야 타기만 할 뿐 강한 폭발력이 발생하지 않는다.

왕복 엔진은 피스톤의 왕복 운동으로 공기를 빨아들인 후 이를 압축·점화해 폭발시킨다. 즉 공기와 연료의 '흡입-압축-폭발-배기' 과정을 거치는 것이다. 오늘날 자동차와 항공기에 쓰이는 왕복 엔진은 1877년 독일의 발명가 니콜라스 오토가 발명했다. 1903년 인류 최초로 동력 비행(엔진을 이용해 나는 것)에 성공한 라이트 형제의 비행기도 왕복 엔진으로 움직였다. 1950년까지 비행기 대부분은 왕복 엔진을 사용한 프로펠러 비행기였다. 프로펠러를 빠르게 회전시켜 공기의 흐름을 뒤로 보내서 그 반동으로 추진력을 얻어 하늘을 날았다.

프로펠러 비행기의 취약점은 공기가 희박한 높은 고도에서는 출력이 급격히 떨어진다는 것이다. 또 시속 700~800㎞ 정도의 빠른 속도에서는 프로펠러가 망가질 수 있어 느린 속도로 비행할 수밖에 없다. 이런 단점을 보완한 것이 바로 제트 엔진이다.

제트 엔진은 영국의 프랭크 휘틀이 발명해 1930년 특허를 얻었다. 이를 실제 적용한 비행기는 제2차 세계대전이 발발한 1939년 독일에서 처음 개발됐다. 제트 엔진은 공기를 압축한 후 연료를 분사해 폭발시킨 힘으로 '터빈(회전식 날개가 부착된 기계 장치로 압축기를 회전시킴)'을 회전시키고 배기가스로 추진력을 일으킨다. 제트 엔진을 장착한 비행기는 대량의 공기를 엔진 입구에서 연속적으로 빨아들여 압축하므로 '왕복 엔진' 비행기보다 훨씬 빠르게 날 수 있다. 또 왕복 운동을 하지 않고 회전 운동만 하므로 진동이 적다.

제트 엔진의 가장 기본적인 형태이자 초기 모델인 '터보제트' 엔진은 그림에서와 같이 흡입구-압축기-연소실-터빈-노즐로 구성돼 있다. 피스톤으로 공기를 압축하는 왕복 엔진과 달리 고속으로 회전하는 압축기로 대량의 공기를 압축한다. 이를 연소시킨 힘으로 터빈을 돌릴 뿐 아니라 배기가스를 고속으로 분출시킴으로써 추력을 얻는다.

제트 엔진으로는 ▲터보제트 ▲터보팬 ▲터보프롭 ▲터보샤프트 엔진 등이 있다. 오늘날 비행기는 대부분 '터보팬 엔진'을 사용한다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진을 개량해 흡입구에 대형 노즐과 팬을 장착한 것이다. 1960년 세계 최초의 터보팬 엔진 여객기인 '투폴레프 Tu-124'가 처음으로 비행에 성공했다. 터보팬 엔진에서 흡입된 공기 일부는 엔진의 중앙 부분에 있는 압축기로 들어간다. 나머지 대부분 공기는 엔진의 외곽에서 대기 중에 그대로 배출되어 추력을 발생시킨다. 배기 소음이 작고 연비가 좋다는 게 이 엔진의 장점이다. 터보팬 엔진이 나온 후 터보제트 엔진은 점점 사라져갔다.

보잉 B747 또는 에어버스 A380 등 대부분 여객기는 엔진 입구가 아주 큰 대형 터보팬 엔진을 장착한다. 엔진 흡입 및 배출 공기량을 늘려 큰 추력을 얻기 위해서다. 다만 대형 엔진은 엔진 입구가 커 공기 저항이 크다는 단점이 있다. F-35, F-15, F-16 등의 고속 전투기는 엔진 입구가 작은 터보팬 엔진을 사용한다.

요컨대 엔진은 동력을 만들어주는 비행기의 '심장'이다. 고속 비행에 유리한 제트 엔진 비행기가 지금은 대세지만, 이대로 계속될지는 아무도 알 수 없다. 여러분이 지금과 차원이 다른 신개념 엔진을 만들어내는 주인공이 된다면 이 글을 쓰는 필자는 정말 기쁠 것이다.

▲한국항공대학교 항공운항학과 교수 ▲공군사관학교 명예교수 ▲저서 ‘하늘에 도전하다’ ‘비행의 시대’ ‘하늘의 과학’ 등