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[오토저널] 항공용 왕복엔진

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2023-03-13 13:22:46

본문

라이트 형제(Wright brothers)가 1903년 12월 17일 플라이어 I(Flyer I)이라는 최초의 동력비행에 성공하였다. 물론 이전에도 기구나 비행선, 글라이더를 이용해서 날기도 하였으나 체공시간과 장거리 비행을 위해서는 동력이 필요하다는 것을 깨닫은 라이트 형제는 최초의 동력비행에 성공한 것이다. 플라이어 I은 기본적으로 고정익 항공기로 동체가 없고 조종사가 날개 위에 직접 엎드려 조종을 하는 방식이었다. 이때는 마침 자동차의 보급이 시작되던 시기여서 찰리 테일러(Charlie Talyor)라는 기술자가 비행에 필요한 동력 장치로 12마력 자동차용 가솔린엔진(Gasoline engine)을 개조하여 사용하였다. 여기에 2개의 프로펠러는 자전거용 체인(Chain)으로 연결하여 구동하였으며 비행제어(롤링, 피칭, 요잉)를 위한 장치까지도 모두 고려한 비행기였다. 비록 12초, 36.5m의 짧은 비행이었으나 세계 최초로 동력비행에 성공한 역사적인 순간이었다. 이렇듯 라이트 형제의 비행 성공을 시작으로 지금까지 가솔린, 디젤 엔진의 왕복형 엔진들이 항공기 엔진으로 널리 쓰이기 시작하였고 이후 세계대전을 비롯한 각종 전쟁을 거치면서 고고도, 음속 이상의 비행을 가능하게 한 터보팬, 램제트 등의 다양한 항공용 엔진들이 개발되어 왔다.

 

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본 고에서는 다양한 항공엔진 중에서도 왕복엔진(Reciprocating engine)에 대해서만 다루기로 한다. 현재 자동차용으로 전기차나 수소연료전지 자동차 등에 소외되어 가고 있으나 아직 항공분야에서는 왕복형 엔진이 중고도 이하, 저속 항공기에 널리 사용되고 있다. 이는 경제성과 연비, 유지비 면에서 왕복엔진이 유리하기 때문이다. 이러한 왕복엔진은 피스톤 엔진이라고도 불리며 피스톤의 왕복 운동을 통해 프로펠러를 구동시켜 항공기 후방으로 공기를 밀어 보내고 그 반작용으로 추력을 얻는 방식이다.

항공용 엔진의 특징
항공기 엔진의 일반적인 요구조건에는 효율성, 경제성 및 신뢰성 등이 있다. 낮은 연료소모량, 초기 조달비용과 유지비가 저렴해야 하며, 효율성을 고려하여 중량당 마력비(Horsepower-to-weight)가 높아야 한다. 또한 신뢰성이 저하됨이 없이 고출력을 지속적으로 유지하면서 차기 오버홀(Overhaul)시기까지 작동할 수 있는 내구성을 갖추어야 한다. 가능한 진동이 없어야 하고 다양한 속도와 고도에서 광범위한 출력을 낼 수 있어야 하며, 정비를 위한 접근성이 용이해야 한다. 이러한 요구 사항들은 모든 기후조건에서 점화를 가능하게 하는 점화계통과, 엔진이 작동되고 있는 비행 자세, 고도, 또는 다양한 기후 조건에서도 적절한 혼합가스를 공급할 수 있는 연료조절장치, 냉각장치를 필요로 한다. 

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또한 윤활계통과 진동감쇠장치(vibrations damping unit)가 요구된다. 순항 속도가 250mph(≒400km/h)를 초과하지 않는 항공기에서는 통상적으로 왕복엔진이 사용된다. 그 이유는 탁월한 효율과 비교적 저렴한 비용 때문이다. 고고도 성능이 요구되는 경우, 터보 과급기(Turbo-supercharged)를 장착한 왕복엔진이 사용되는데 그 이유는 30,000feet(≒9km) 이상의 고고도에서 정격출력(Rated power)을 유지할 수 있기 때문이다. 터보프롭엔진(Turboprop engine)은 순항속도가 180~350mph(≒290~560km/h)의 범위에서 작동성능이 우수하다. 터보프롭 엔진이 주어진 엔진 출력에서 연료하중(Fuel load)과 임무하중(Payload)을 더 크게 할 수 있는 이유는 왕복엔진에 비해 중량(Pound of weight)당 더 많은 출력을 낼 수 있기 때문이다. 350mph에서 마하(Mach) 0.8~0.9 속도에서는 터보팬 엔진(Turbofan engines)이 일반적으로 사용되며, 마하(Mach) 1 이상의 속도에서는 후기연소기(Afterburner)를 장착한 터보제트 엔진(Turbojet engines) 또는 저바이패스 터보팬엔진(Low bypass turbofan engine)등이 사
용된다.

항공용 왕복 엔진의 분류
자동차와 마찬가지로 열역학적 사이클의 분류에 따라 가솔린기관과 디젤기관으로 분류하고, 행정 수에 따라 2행정기관과 4행정기관, 냉각 방식에 따라 공랭식엔진과 수냉식 엔진으로 분류된다. 터보제트·터보팬 엔진과 왕복엔진의 가장 큰 차이점은 제트엔진은 한 번 시동이 걸리면 더 이상 점화시켜 줄 필요가 없지만, 왕복엔진은 스타트 모터가 회전하여 크랭크축을 돌린 이후에도 점화플러그를 통한 스파크 점화를 지속적으로 해야 한다는 것이 차이점이다.

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왕복엔진에서 연료를 공급하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫번째는 기화기를 통한 방법이고, 다른 하나는 연료분사장치를 통해 직접 연료를 분사해 주는 방식이다. 자동차에서 기화기는 이미 사라진 지 오래지만 항공기 엔진에서는 아직도 사용이 되고 있다. 기화기의 기본적인 원리는 벤츄리 효과로 유체가 지나가는 통로에서 갑자기 통로의 폭이 감소하면 속도가 증가하고 압력이 감소하는 원리를 이용해 연료를 빨아들이며 기화시켜 공기와 연료를 혼합하는 방식이다. 

연료분사장치는 액체 상태의 연료를 인젝터로 분사시켜 공기와 혼합하는 방식으로 지금의 자동차에 대부분 사용하고 있는 방식이다. 이러한 인젝터 방식을 사용하면 연료가 기화하면서 발생할 수 있는 결빙을 제거할 수 있고, 균일한 혼합비를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 실린더 배열에 따라서는 직렬형(In line), V형, 성형(Radial), 대향형(Opposed) 등으로 분류하며, 냉각 방법에 따라서는 수냉식과 공냉식으로 분류한다. 항공용 엔진의 경우 마력/중량당 비를 크게 하기 위해 공냉식을 주로 채용하게 되는데 실린더의 배열은 엔진 냉각과 밀접한 관련이 있어 직렬형의 경우 실린더가 많아지면 냉각이 불리해지기 때문에 V형, 대향형 또는 성형으로 구성하는 경우가 많다. 1열형 성형엔진의 경우 다음 그림과 같이 크랭크축을 중심으로 홀수의 실린더가 방사형으로 배열되어 있어 크랭크축이 짧고 냉각효과가 좋으며 마력/중량비가 가장 우수하다.

공냉식엔진은 공기를 이용하여 엔진을 냉각시키는 방법으로서 실린더와 실린더 헤드에 냉각핀(Cooling fin)을 설치하여 실린더의 표면적을 증가시키고, 이 냉각핀 사이로 공기를 지나가도록 유도하여 냉각시키는 방법이다. 일부 고출력엔진에서 수냉식을 사용하기도 하지만 대부분 항공용 왕복엔진은 공냉식을 사용한다. 항공용 연료 차량용 연료와 다르게 항공용 연료는 고고도 즉 저온, 저기압에서 원활히 공급되고 연소할 수 있는 특성을 지녀야 한다. 항공용 왕복엔진의 연료는 AVGAS(Aviation Gasoline)가, 터빈엔진에서는 Jet-A가 주로 사용되고 있다. 자동차용 가솔린의 옥탄가는 86~, 94~ 정도가 사용되고 있으나, 항공용 휘발유는 자동차용과는 달리 높은 옥탄가 연료가 요구되는데 보통 80~, 91~, 100~, 116~의 네 종류로 규정되어 사용하고 있다.
 
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항공기용 가솔린 엔진은 고도가 높아지면 과급기로 공기를 가압하여 공급하기 때문에 이상연소 방지를 위해 고옥탄가 연료를 사용해야 한다. 항공용은 옥탄가 100 이상의 유연휘발유(4에틸납)도 현재 사용하고 있다. 자동차용 유연휘발유는 대부분의 국가에서 사용이 금지되었지만, AVGAS에서는 상술한 이유들로 인해 여전히 사용되고 있으며 이로 인한 환경과 인체에 유해한 영향을 끼친다. 현재는 납 함유량을 줄인 저연휘발유와 항공용 무연휘발유의 사용이 증가하는 추세이다.

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항공용 디젤엔진 및 디젤유의 경우, 과거에는 그다지 사용되지 않았으나 최근 들어서 많이 사용되기 시작했다. 그 이유는 디젤엔진을 항공기용으로 사용하는데 있어서 무게가 무겁고 저온/저압의 상공에서 연소 안정성과 재시동성이 떨어지는 문제들로 인해서 그 보급이 쉽지 않았으나 최근 AVGAS의 가격상승, 유해한 유연 휘발유 규제 등의 이유로 인해 최근 많이 사용되고 있다. 여기에 자동차용 디젤엔진 기술(커먼레일)의 급속한 발전으로 인해 출력/중량비와 고고도 신뢰성, 효율이 개선되다 보니 디젤 엔진을 탑재한 항공기들이 속속 등장하고 있다. 이러한 디젤엔진에는 부식방지, 방빙(Anti-icing)성이 우수하고 폭발 및 가연위험성이 낮은 대표적으로 JP8연료가 사용되고 있으며 항공용 뿐만 아니라 전차 및 군차량 등 지상용 장비의 연료로도 사용되고 있다. 이로 인해 비상시에는 지상용, 항공용 연료로 겸용할 수 있어 유류 단일화에도 유리한 점을 가지게 되었다. 최근 군용으로 개발되고 있는 중고도 정찰 및 공격형 무인기에 이러한 JP8을 연료로 하는 디젤엔진이 개발되어 적용되고 있는 추세이다.

항공용엔진의 개발동향
1953년 국내 최초의 국산 항공기인 “부활”로 시작하여 1991년 대한항공의 “창공91”, 1997년 한국항공우주연구원의 “쌍발복합재료 항공기” 및 2002년 국내 최초의 선미익형 소형항공기인 “반디호” 개발에 이르기까지 다양한 왕복형 엔진이 장착된 항공기들이 개발되었다. 그러나 이들 항공기들의 엔진들은 모두 국내 자체 개발되거나 시험평가, 인증에 전무한 실정이다. 항공기용 엔진시스템은 항공기 총 원가의 25~30%로, 항공전자시스템에 이어 두번째로 큰 비중을 차지하지만 전량 수입에 의존하고 있기 때문에 항공기 원가 및 유지비 상승과 기술 의존이라는 문제점을 안고 있다.

최근의 우크라이나전에서 알 수 있듯이 전쟁은 무인항공기로 그 패러다임이 변하고 있으며 무인기 개발이 전 세계적으로 더욱 치열해지고 그 역할은 더욱 커질 것으로 기대된다. 이러한 시점에 항공기의 핵심 기술인 엔진 기술의 자립화는 필수불가결한 것이다. 국방과 관련된 이러한 항공기 기술은 자동차와는 다르게 민간 기업이 투자하기가 곤란한 산업이다. 국방기술의 자립을 위해서라도 정부의 적극적인 투자가 필요한 이유이다. 특히나 자동차 강국이면서 엔진의 독자기술을 가졌음에도 전기자동차와 수소연료전지에 밀려 이에 대한 연구개발을 소홀히 한다면 수십년간 쌓아온 엔진 기술들이 사장되고 말 것이다.

반세기 동안 하늘의 강자로 군림했던 왕복엔진은 가스터빈에 그 자리를 내주었지만 항공기의 역사를 간직한 채 여전히 자신의 영역에서 역할을 수행하고 있다. 현재 저자는 고고도 20kfeet고도에서의 군사용 무인기엔진의 국산화 개발을 위해 국내 업체들과 협업하면서 개발에 참여하고 있다. 본 사업이 성공한다면 무인기의 기술자립과 함께 해외 수출에 따른 수요 창출이 상당할 것으로 기대되고 있다. 특히 200마력 급으로 시작하지만 시장성이 높은 100마력, 그리고 그 외에 다양한 파생 엔진이 나온다면 국방자립에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대해 본다.

<참고자료>
1. 한국항공우주연구원, 이정원, https://m.blog.naver.com/karipr/222133455593, 2020, 11. 
3. 항공기엔진, 국토교통부, 김천용 외 9명, 2020, 3.
4. 두산백과, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1161767&cid=40942&categoryId=32400
5. 첨단 항공엔진 국내개발을 위한 제언 Vol. 01 - 국방기술진흥연구소, www.krit.re.kr›common

6. 항공기용 엔진 국산화 기반구축 기획 최종보고서, 한양대학교, 2013, 12

 

 

글 / 이성욱 (국민대학교)

출처 / 오토저널 2023년 2월호 

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