항공 - 비행기의 엔진

항공 - 비행기의 엔진

1903년 라이트형제를 이후 1953년 터보프롭 엔진이 실용화되기 까지의 초기 프로펠러식 비행기에는 피스톤에진이 사용되어졌다고 한다. 피스톤엔진이란 실린더 내의 폭발에 의해서 피스톤이 직선운동을 하면서 다시 크랭크축에 의해서 회전운동으로 바뀌게 되는 그런 원리로 움직이는 것이 바로 피스톤 엔진이라고 부른다. 그 엔진의 힘으로 프로펠러를 돌리며 비행기가 움직이기 위해서는 다음 4가지 행정이 연속적으로 이루어져야 한다.

1. 실린더 내에 공기를 흡입한다.(흡입행정)

2. 흡입된 공기를 피스톤으로 압축한다.(압축행정)

3. 압축된 공기에 연료를 분사하여 연소시킨다.(폴발행정)

4. 연소하면서 일을 한 연소가스를 배출시킨다.(배기행정)

위에 설명한 4개의 동작이 계속 반복되어야 프로펠러가 계속해서 돌아가게 되는 것이다. 이런 4개의 행정이 하나의 과정을 이루어내는 엔진을 4행정 사이클(cycle) 기관이라고 한다.

위에 4개의 동작을 설명해보도록 한다.

1. 흡입행정: 피스톤이 아래로 내려오면서 홉기밸브가 열리는 시점이다. 피스톤이 아래쪽으로 움직여지기 시작하면서 열려있는 홉기밸브를 통하여 공기가 실린더 안으로 들어오게 되는 것이다.

2. 압축행정: 피스톤을 아래에서 위로 올라오고 밸브들이 모두 닫혀있는 시점이다. 피스톤이 위쪽으로 움직이기 시작하면서 흡기밸브가 닫히게 되며 배기 밸브 역시 닫혀있는 상태여서 실린더 안은 완벽하게 밀폐된다. 그 속에 있는 공기는 연소실에 압축이 되고 압축 되어진 공기는 압축에 의해서 온도가 올라가게 된다.

3. 폭발행정: 피스톤이 다시 위에서 아래로 내려오며 압축행정과 마찬가지이며 밸브는 모두 닫혀있는 시점이다. 공기를 압축하기 위해서는 피스통이 최고점에 도달되었을 때, 고온의 공기에 연료를 분사시키면서 연소실 내부에 분사되어진 연료가 높아지게 되면서 그 힘으로 피스톤을 밀어내는 것이며 이 과정이 실제로 동력을 만들어내는 과정이라고 보면 된다.

4. 배기행정: 피스톤이 아래에서 위로 올라오며 배기밸브가 열리는 시점이다. 폭발행정에서 팽창하게 되면서 일을 한 가스를 실린더 밖으로 배출하기 위해서 피스톤이 연소 가스를 밀어내는 역할을 한다.

1930년부터 개발되어지고 사용된 제트엔진은 다량의 가스를 고속으로 분사하면서 추력을 얻는 방식이며, 로켓엔진도 제트 엔진의 범주에 속해 진다고 볼 수 있으나 일반적으로 제트엔진은 공기 중의 산소를 사용하여 연료를 연소시키는 방식이다. 그래서 제트엔진은 공기가 있는 대기 권 내에서만 비행할 수 있는 엔진을 말한다. 그 중에서 터보제트엔진은 가장 많이 사용되는 제트엔진이라고 한다.

먼저 앞쪽 흡입구에서 흡입되어진 공기는 압축기를 사용해서 고압으로 압축되어 연소실로 보내지게 되면서 여기에서 연료를 분사하면서 연소를 시키고 그 연소 가스를 사용해서 터빈을 고속으로 회전시키는 것이다. 그리고 터빈을 통과하게 된 가스는 배기노즐을 통해서 뒤쪽으로 분사하게 된다. 이때 연소 가스는 흡입구 쪽의 공기보다도 압력이 더욱 커지게 되는데 그 차이만큼이나 추력이 생기게 되는 것이다.

최근에는 터보제트엔진 앞에다가 팬을 장치해서 효율과 성능을 향상한 형태인 터보팬제트엔진이 사용되어진다. 팬으로 압축을 한 공기의 일부는 팬노즐을 통하여 그대로 분사되어져 추력을 얻으며, 나머지 공기는 엔진 속으로 들여보내지게 된다. 엔진 속으로 들어간 공기는 터보제트엔진의 원리로 이용하여 높은 압력의 가스를 뒤쪽으로 분사되어지면서 추력을 얻게 된다. 이런 두 힘의 작용때문에 큰 추력이 발생되기 때문에 고속화와 대형화가 된 점보기에 널리 사용되고 있다. 이 것 말고 또 제트추진방식을 이용한 것으로는 스크램제트엔진고 램제트엔진 등도 장차 비행기용으로 사용될 가능성도 있지만 아직까지는 실용단계에 이르지 못하고 있다고 한다.

피스톤엔진(프로펠러기)과 제트엔진(제트기)을 사용한 비행기들을 살펴보자면 프로펠러기는 시속 700~800km의 빠른 속도일 때 추진효율이 떨어지게 되므로 비교적 저속으로 비행하는 곳에서 사용이 되며 그리고 제트기는 제트엔진의 추력으로 비행하게 되므로 속도가 빨라지면 빨라질수록 엔진의 앞쪽에서부터 압축되는 공기의 압축률이 높아지게 되므로 고속운행에 유리하다는 것이다.