비행기 엔진 교과서 (나카무리 간지 지음, 신찬 옮김, 김영남 감수, 2017)

 

 

 

터보프롭을 탑재한 프로펠러 여객기가 첫 비행에 성공하고

반년 후엔 1958년에 터보 엔진을 탑재한 제트 여객기 보잉

707이 출현한다. 제트 여객기의 등장으로 비행 속도는

비약적으로 발전했으며 이전보다 두 배 빠른 속도로 비행할

수 있게 되었다.

 

터보 엔진은 터보프롭과 마찬가지로 가스 터빈 엔진에

속한다. 열에너지를 회전 운동뿐만 아니라 속도 에너지로도

바꿔 추력을 발생시키는 엔진이다.

 

공기를 흡입하여 압축하고 그것을 연소시켜 고압, 고온의 

가스를 만든 다음에 그 에너지로 터빈, 즉 압축기를 회전

시킨다. 이뿐만 아니라 여분의 에너지를 속도 에너지르 변환

하는데, 가스를 후방으로 고속 분사해서 생기는 반동으로

추력을 만드는 것이다. 압축기의 회전에만 모든 에너지를

사용하면 분사 가스는 '산들바람' 수준에 그친다. 그래서

효율적인 압축을 위해 압축기는 원심식이 아니라 저압용과

고압용으로 나눈 축류식이다. 저압, 중압, 고압으로 나눈

엔진도 있다.

보잉 707이 첫 비행에 성공한 후 이듬해인 1959년에는

하늘의 귀부인으로 불리던 더글라스 DC-8도 같은 엔진으로

첫 비행에 나선다. 하지만 1960년대에 접어들면서 소음이

크고 비행 속도가 음속의 80퍼센트 수준으로 연비가

나쁘다는 이유로 터보팬에 자리를 내어준다. 다만 터보제트는

비행 속도가 빠를수록 효율이 좋아지는 성질이 있어 

콩코드와 같은 초음속 여객기 (SST. Supersonic Transport)

에는 여전히 유효한 엔진이었다. (46)

 

'꿈의 제트기'라고 불리던 보잉 727의 일본 첫 비행은 1964년이었다.

삿포로, 도쿄, 오사카, 후쿠오카, 나하와 같은 주요 도시는 물론이고

지방 공항에도 취항하여 고도성장의 물결과 함께 '일본의 푸른 하늘'을

누볐다. 그 후 보잉 737-200, 더글라스 DC-9-40등 잇달아 다양한

기종이 취항했지만 엔진은 모두 P&W사의 JT8D였다.

 

JT8D의 팬을 통과하는 공기와 엔진 내부로 흡입하는 공기의 비율인

바이패스비는 1.1이다. 즉, 팬을 통과하는 공기가 엔진 내부로 들어가는

공기보다 1.1배 많아서 팬이 만드는 추력이 더 크다는 특징이 있다.

오늘날 터보팬의 바이패스비는 10.0 정도로 팬이 만드는 추력은

전체의 75퍼센트 이상이다.

 

제1시대 제트 여객기인 보잉 707이나 DC-8 이후 보잉 727,

보잉 737, 더글라스 DC-9등 제 2세대 여객기가 일본에 도입

되면서 항공로, 공항, 항공 보안 시설 (무선 보안 시설 등 비행기

운항을 지원하기 위한 시설), 항공 회사의 운항 태세 등이

일제히 재정비되었다.

 

보잉 727은 일본에서 본격적인 제트 시대를 연 여객기로,

'제트 여객기는 빠르다'라고 홍보하면서 한때 순항속도를

굉장히 빠르게 설정하기도 했다. 예를 들어 지금은 도쿄-오사카

간 비행 소요 시간이 1시간 10분으로 설정되어 있는데 비해

취항 당시는 50분이나 26분 만에 비행했다는 기록도 있다.

그러나 지금은 이 기록을 갱신하기에는 무리라고 생각한다. (50)

 

비행기의 무게는 날개가 지탱한다. 그래서 지탱하는 힘을 만드는

양력과 비행기의 무게가 맞닿아 있는 날개 연결부에는 큰 힘이

작용한다. 그 힘을 완화하는 데 엔진 자체의 무게가 큰 도움이 된다.

다시 말해 엔진이 누름돌의 역할을 하는데, 날개 끝 쪽으로 갈수록

그 역할이 커진다. 하지만 엔진이 동체 중심선에서 많이 떨어질 수록

엔진 고장이 발생했을 때 좌우 엔진의 추력 차이에 따른 영향이

커지는 문제가 있다. 반면 엔진이 날개 연결부에 너무 가까이 위치하면

누름돌의 역할이 줄어들 뿐만 아니라 활주로와의 간격도 좁아져

이륙 시 비행기가 조금만 기울어져도 지면과 접축 사고를 일으킬

위험이 있다. 이렇게 엔진 위치는 여러 가지 이유를 고려하여 결정한다. (60)

 

옛날 사람들은 바다 저편에서 배가 나타날 때 먼저 돛대가

보이기 시작한 뒤 서서히 선체가 보이는 광경을 목격하고는

지구가 둥글다는 사실을 실감했다고 한다. 비행게로도

똑같은 경험을 할 수 있다.

하네다 공항에 활주로가 적었던 시절에는 활주로 앞 상공

에서 착륙을 대기하는 비행기를 많이 볼 수 있었다. 아래

그림처럼 착륙하는 비행기가 연속으로 진입해오면 공항에서

약 18km 떨어진 기사라즈시의 상공을 약 900m 고도로

수평비행을 하는 비행기보다도 강하 중인 고도 900m이하의

비행기가 훨씬 높이 날고 있는 것처럼 보일 때가 있다.

이것이 바로 지구가 둥글다는 증거다. (64)

 

제트 엔진의 구조나 추력을 이해하기 위해서 먼저

풍선이 왜 나는지, 풍선을 날게 하는 힘은 무엇인지를

알아보자.

풍선에 바람을 가득 채운 뒤 입구를 쥐고 있던 손을 높으면

풍선은 공기룰 분사하며 기세 좋게 날아오른다.

풍선이 나는 이유는 풍선 입구에서 분사하는

공기가 주변 공기를 강하게 밀어내기 때문이 아니다.

주변 공기와 무관하게 풍선 안의 공기가 분사하면서

생기는 반작용, 즉 분사하는 공기의 힘과 동일한 크기의

힘이 역방향으로 작용해 풍선은 날아가는 것이다.

따라서 이론상 풍선은 공기가 없는 우주에서도 날 수 있다.

 

분사하는 공기량이 많으면 많을 수록, 또 분사하는 속도가

빠르면 빠를 수록 풍선은 더 큰 힘으로 날아간다. 예를 들어

야구를 할 때 물렁한 공보다는 무겁고 딱딱한 공이 훨씬

위력적이며, 느린 공보다는 빠른 공의 구위가 좋다는 점과

비슷하다. 그래서 다음과 같은 등식이 성립한다.

 

(풍선이 나는 힘) = (분사하는 공기량) X (공기의 분사 속도)

 

풍선이 나는 힘은 시간이 지나면서 변하는데 이는 풍선에

가해지는 힘의 크기가 바뀌기 때문이다. 다시 말해 1초당

분출하는 공기의 힘이 변하는 정도는 풍선의 작용하는 힘과

대응하기 때문에 다음과 같은 등식도 성립한다.

 

(풍선이 나는 힘) = (매초 분사하는 공기량) X (공기의 분사 속도)

 

이 수식에 따르면 풍선이 나는 힘은 공기량과 공기의

속도에 따라 달라진다. (66)

 

풍선이 공기를 분사하는 이유는 고무의 장력에 의하

풍선 내부의 공기가 압축되어 외부 공기보다 기압이

높기 때문이다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로

흐르는 것처럼 공기도 기압이 높은 풍선 내부에서

기압이 낮은 외부츨 향해 분출한다. 다시 말해 풍선을

날게 하는 에너지는 다름 아닌 압축공기라는 의미다.

 

우리가 평소 사는 곳의 기압 상태는 기압인 1,013hPa

(헥토파스칼)이다. 이 떄문에 공기가 있는지 없는지

별로 의식하지 못하지만 강한 비바람을 일으키는

태풍은 항상 두려움의 대상이다. 그런데 1기압에서 겨우

3퍼센트만 떨어져도 무시무시한 태풍을 만들어낸다.

이렇게 작은 기압 차이가 큰 에너지를 만들어낸다는

사실을 알야아 한다. (68)