초음속 엔진과 전기 추진 엔진

 지난 장까지 우리는 항공기용 왕복 엔진과 가스터빈 엔진에 대해 알아보았습니다. 왕복 엔진과 가스터빈 엔진은 그 구조나 성능 등에 대해서 많은 차이를 보이나 둘 다 일반적으로 승객을 태우는 비행기의 엔진으로써 활용되는 형태의 엔진입니다. 

 이번 장에서는 위 두가지 엔진 외의 용도로 활용되는 여러 가지 엔진에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 초음속 엔진의 종류

 초음속 엔진은 램제트 엔진과 스크램제트 엔진으로 나누어 설명할 수 있습니다. 먼저 램제트 엔진은 초음속으로 흡입되는 공기가 쐐기 모양의 흡입구 물체를 지나갈 때 충격파가 발생하고 이 충격에 의해 초음속의 흡입공기를 아음속까지 감속시켜 압력을 높이는 원리를 이용합니다. 이런 현상을 램 또는 램 효과라고 합니다. 흡입구에서 압축된 공기는 디퓨저를 통해 연소실로 공급되며, 연소실에서 발생된 연소가스가 노즐을 통해 분출되는 제트의 힘으로 추진력을 얻습니다. 램 압축되는 흡입구의 형상은 쐐기 모양으로, 이는 아음속 흡입구처럼 타원 형태로 하면 물체 앞에 수직 충격파가 발생하여 전압력 손실이 크게 증가되어 흡입구의 효율 즉 압력 회복률이 크게 저하되므로, 쐐기 형태로 설계하여 추진효율을 높이기 위함입니다. 

 스크램제트 엔진의 스크램제트는 연소기에서의 유속이 초음속에서 연소됨을 의미하는 것으로, 램 표과를 이용하여 극초음속 공기를 흡입구와 디퓨저에서 낮은 초음속으로 감속 및 압축시키고, 연소실로 유입된 공기는 연료와 혼합되어 초음속에서 연소됩니다. 스크램제트 엔진은 램제트 엔진과 마찬가지로 흡입공기를 압축시키고자 하는 목적은 같으나, 연소기에서의 유동 속도는 램제트와 달리 초음속에서 연소된다는 점이 다릅니다. 즉, 흡입구로 유입되는 초음속 공기가 쐐기 모양의 물체에 부딪혀 압축되고 디퓨저를 거쳐 연소실로 유입되는데, 이때 압축된 흡입공기가 아음속으로 감속된 후 연소기로 들어가서 연소되면 램제트 엔진, 압축된 흡입공기가 초음속으로 들어가 초음속에서 연소되면 스크램제트 엔진인 것입니다. 스크램제트 엔진은 사용연료와 흡입구의 형태로 연구목적과 적용체계를 연관하여 구분될 수 있습니다. 우주 재사용 발사체용으로 적용하기 위해 주로 수소 연료 스크램제트 엔진을 개발하고 있으며, 항공용 적용을 위한 탄화수소계열의 연료 스크램제트 엔진 역시 연구되고 있습니다. 흡입구의 형태가 고정 흡입구인 경우 스크램제트 연소 연구용 프로그램이거나 아음속 연소실과 초음속 연소실을 모두 사용하는 이중 연소 램제트로서 초음속에서 극초음속까지 비행이 가능한 군용 비행체에 적용하기 위한 프로그램입니다. 반면에 가변 흡입구를 사용하는 연구는 한 개의 연소실을 사용하여 초음속에서 극초음속까지 비행이 가능한 이중 모드 램제트 또는 광범위한 마하수의 극초음속 비행이 가능한 복합엔진 개발을 위한 것으로 차세대 항공용 추진기술 개발 프로그램입니다.

 

2. 전기 추진 엔진

 현재 사용되는 항공용 추진기관인 내연기관과 가스터빈 엔진에는 화석연료가 사용되고 있습니다. 최근에는 과도한 화석연료 사용으로 인한 전 세계적인 환경오염 칭 기후변화 문제가 대두되면서 친환경 엔진으로 화석연료 대신 전기를 동력원으로 사용하는 전기추진엔진이 개발되고 있습니다. 일반적인 항공기 전기추진시스템은 이차전지, 태양전지 등의 동력원에서 전력을 공급받아 모터를 구동하는 방식으로, 좀 더 효율을 높이기 위해 연료전지 또는 내연기관을 결합한 하이브리드 방식을 적용할 수 있습니다. 

 항공기에 필요한 전기동력은 기본적으로 이차전지, 연료전지, 태양전지로부터 공급될 수 있으며, 필요에 따라 단일 동력원 또는 두세 가지를 조합한 복수 동력원을 사용합니다. 현재 소형 무인기의 경우 리튬-이차전지를 적용한 단일 동력원 방식이 널리 사용되며 체공시간을 늘리기 위해 연료전지 또는 태양전지를 적용한 무인기도 개발되고 있습니다. 연료전지의 경우 현재는 항공기용으로 사용하지는 않으나 시스템의 안정성과 신뢰성 향상에 따라 점차 적용사례가 증가될 것으로 예상됩니다. 태양전지는 저고도 비행체의 경우 날씨와 일광조건의 영향을 받기 때문에 제한적인 조건에서 사용할 수 있으나, 성층권 고고도에서 운용하는 비행체의 경우 날씨 영향 없이 효과적으로 사용할 수 있습니다. 특히, 최근의 유럽과 미국에서는 성층권 장기체공을 목표로 태양전지 외 이차전지 또는 연료전지를 조합해서 체공시간을 수개월에서 수년까지 늘리기 위한 기술개발이 진행되고 있습니다. 한편, 구동모터와 발전기 분야에서도 새로운 소재와 기술을 적용하여 경량화를 통한 출력밀도 개선이 이루어지고 있으며, 향후 초전도 기술 적용을 통해 에너지 효율의 비약적인 향상이 기대되고 있습니다.