1940년, 두 종류의 제트 엔진
영국의 원심식 엔진과 독일의 축류식 엔진
해당 글은 일부 보완 및 수정을 거쳐 1940년대 항공역사 매거진 글로 대체되었습니다. 감사합니다 :)
앞서 살펴본 것처럼 1930년대 말 영국과 독일에서는 제트 엔진이라는 새로운 동력원이 등장했다. 그리고 그 사이에 잠깐 '로켓 엔진'이라는 조금은 과격한 방법도 연구되고 있었다. 한편, 제트 엔진의 등장 이후 공격적으로 전쟁을 몰아붙였던 독일과 그런 독일을 막아야 했던 영국은 서로 다른 방식으로 제트 엔진을 구현하려고 했다.
왕복엔진과 제트엔진의 원리
왕복엔진(Piston engine)은 레시프로 엔진(reciprocating engine)이라고도 하며 자동차 엔진을 떠올리면 된다. 말 그대로 실린더 내부 피스톤의 직선 운동을 샤프트를 통해 회전 운동으로 바꿔 프로펠러를 돌리는 것이다. 이때 폭발(연소)이 실린더 내부에서 일어나기 때문에 왕복엔진은 '내연기관(Internal Combustion engine)'이라고도 부른다.
이처럼 왕복엔진은 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸기 때문에 동력 손실이 불가피하고 부품 수가 많아 구조도 복잡하다. (하지만, 이 말은 어디까지나 상대적이며 제트 엔진은 구조가 간단하고 매우 손쉽게 만들 수 있다는 뜻은 절대 아니다.)
Reciprocating engine @Google sites반면 제트 엔진은 압축기부터 연소실까지 하나의 축으로 연결되어 있다. 먼저 압축기에서 공기를 압축시킨 다음 압축된 고온 고압의 공기는 연소실에서 연료가 섞여 폭발한다. 연소실에서 일어난 폭발은 작용 반작용 법칙에 따라 항공기를 앞으로 밀어준다. 이때 압축기와 연결되어 있는 터빈이 같이 돌아가면서 다시 압축기로 힘을 전달해주면 한 사이클이 만들어진다. 당연히 연소는 열린 공간에서 일어나기 때문에 제트 엔진은 '외연 기관(External Combustion engine)'이라고도 불린다.
이렇듯 제트 엔진은 하나의 엔진 축을 중심으로 모든 부품이 돌아가기 때문에 훨씬 단순한 구조를 가지게 된다. 하지만, 장점만 있는 것은 아니다. 고온 고압으로 들어오는 공기에 연료를 혼합해 끊김 없이 안정적인 연소를 일으키는 것은 높은 기술력을 필요로 한다. 그리고 고온 고압의 공기와 폭발을 견딜 수 있는 우수한 내열 합금이 반드시 필요로 한다.
효율은 낮지만 안정적인 원심식 제트 엔진
영국은 여기서 하나의 원심식 압축기를 사용해 공기를 압축하는 '원심식(Centrifugal) 제트 엔진' 개발에 집중했다. 원심식 엔진은 엔진의 전면부에 있는 하나의 원심식 압축기가 정면으로 들어오는 공기를 압축해 연소실로 보낸다. 그다음 과정은 앞서 설명한 제트 엔진의 원리를 그대로 따른다. 연소실에서 연료를 분사하고 폭발을 일으켜 추력을 얻는다.
원심식 엔진의 단면도 @L'avionnaire원심식 제트 엔진은 단일 원심식 압축기를 사용하기 때문에 엔진의 길이가 짧다. 그리고 단일 압축기를 사용해 구조가 간단하며 손쉽게 신뢰도 높은 엔진을 만들 수 있다. 특히 엔진의 길이를 짧게 만들 수 있어 아직도 미사일이나 항공기의 APU(Auxilary Power Unit)에는 원심식 엔진이 사용된다. 뿐만 아니라 축류식 제트 엔진에 비해 이물질의 유입에도 강하다는 장점이 있다.
하지만 구조 자체에서 볼 수 있듯이 엔진 축에 나란하게 들어오는 공기를 다시 엔진 축에 수직으로 압축해 연소실로 보내기 때문에 비효율적이다. 또한, 단일 원심식 압축기를 사용하기 때문에 압축률을 높이기 위해서는 압축기의 직경을 늘릴 수밖에 없기 때문에 고속 비행에 불리하며 압축률을 높이는데 한계가 있다.
Metropolitan-Vickers F.2 axial flow engine물론 영국에서도 1941년 Metropolitan -Vickers에서 축류식 제트 엔진을 제작해 성공적으로 시운전을 마쳤고 1943년에는 비행기에 장착되어 비행까지 실시했다. 오히려 원심식 제트 엔진보다 우수한 성능을 보여줬지만, 여러 개의 압축 팬을 사용하는 축류식 제트 엔진은 하나의 압축 팬을 사용하는 원심식 제트 엔진에 비해 불안정했기 때문에 영국에서는 외면받았다.
또한, 영국 공군은 레이더와 함께 기존 레시프로 항공기로 1940년 7월부터 시작된 독일 공군의 영국 본토 폭격을 성공적으로 막아냈다. 그렇기 때문에 영국 공군은 효율은 조금 나쁠지라도 보다 안전하고 신뢰성 높은 원심식 제트 엔진을 추구했다.
강력하지만 불안정한 축류식 제트 엔진
독일도 처음에는 Heinkel에서 원심식 제트 엔진을 개발했고, 그 원심식 제트 엔진으로 He178을 성공적으로 비행시켰다. 그러나, 1940년대 초부터 프랑스를 함락시키면서 서유럽을 장악한 독일은 원심식 제트 엔진의 단점을 극복할 수 있는 축류식 제트 엔진 개발에 집중했다. 막강한 공군력으로 유럽 본토를 차지하는 데는 성공했지만 영국과의 항공전에서 패배하자 보다 강력한 항공기의 필요성을 느꼈기 때문이다. 이후에도 유럽 본토를 쑥대밭으로 만들려고 하는 연합군의 폭격기를 저지해야만 하는 상황에서 어떻게든 축류식 제트 진의 문제점을 극복해 보다 우수한 제트 엔진 항공기를 만들어야만 했다. 안전보다는 성능이 더 중요했던 것이다.
축류식 엔진의 단면도 @L'avionnaire축류식 제트 엔진(Axial-flow jet engine)은 앞서 살펴본 원심식 제트 엔진과 다르게 압축기가 여러 개의 압축 팬으로 구성되어 있다. 이를 제외한 나머지 연소실과 노즐은 원심식 제트 엔진과 동일하다. 하지만, 공기의 흐름이 엔진 축을 따라 나란하게 흘러가기 때문에 원심식에 비해 효율적이고 압축률이 뛰어나다. 또한, 팬의 직경을 늘리지 않고도 단순히 압축 팬의 개수를 늘림으로써 압축률을 높일 수 있기 때문에 고속비행에 적합하다.
그렇기 때문에 축류식 제트 엔진은 잘 만든다면 분명 단점보다 장점이 많다. 오늘날 대부분의 제트 엔진도 축류식 제트 엔진이다. 그럼에도, 2차 세계대전 당시 독일의 축류식 제트 엔진은 좋은 평가를 받을 수 없었다. 바로 축류식 제트 엔진은 고도의 기술력을 요구하기 때문이다. 오늘날에도 제트 엔진을 독자 개발하는 나라는 손에 꼽는다.
Jumo 004 axial-flow engine @Wikimedia commons먼저 여러 개의 압축 팬이 정교하게 맞물려 돌아가며 고온 고압의 공기를 견딜 수 있어야 한다. 물론 압축 팬뿐만 아니라 연소실과 노즐도 마찬가지이다. 하지만 당시 야금학 기술은 그 정도 수준이 아녔을뿐더러 결정적으로 독일은 전쟁 말기에 와서 내열 합금이 부족해졌다.
결국, 연소실부터 노즐까지 전부 강철로 만드는 바람에 제트 엔진의 성능, 내구성 그리고 신뢰도는 급격하게 떨어질 수밖에 없었다. 그럼에도, 어떻게든 전쟁에서 승리하고자 했던 독일은 결국 세계 최초로 축류식 엔진 BMW 003과 Jumo003를 양산해낸다.
제2차 세계대전 후
전쟁이 끝나고 한동안은 완성도와 신뢰도가 높은 원심식 제트 엔진이 제트 항공기에 탑재되었다. 특히 영국에서 개발한 Nene엔진은 뛰어난 성능으로 미국과 프랑스 심지어 소련으로도 넘어가 미국, 소련, 프랑스의 제트 엔진 기술에 크게 공헌했다. 소련으로 넘어간 Nene 엔진은 다시 중국으로 흘러 들어가 중국의 제트 항공기 개발에 일조했다.
Rolls Royce Nene engine @Aircraft Engine Historical Society그러나 더 높고 빠르게 날기 위해서는 압축률을 높이면서 직경이 작은 효율적인 엔진이 필요했다. 반면 원심식 제트 엔진은 압축률을 높이기 위해선 직경을 키워야만 했고 단일 압축 팬으로는 무리였다. 위에 첨부된 Nene 엔진만 보아도 Jumo004 엔진과 비교할 때 원심식 엔진의 직경이 얼마나 큰지 알 수 있다. 결국 조금 어렵더라도 획기적인 성능 향상을 위해서 나중에는 축류식 제트 엔진이 주류가 되었다.
그리고 이 두 종류의 엔진을 바탕으로 독일과 영국에서 세계 최초의 제트 전투기가 개발되어 실전에 투입된다.
참고문헌 및 출처
Wikipedia, Metropolitan-Vickers F.2
Wikipedia, BMW 003
Wikipedia, Jumo004
Wikipedia, Centrifugal compressor
Wikipedia, Axial-flow compressor
Wikipedia, Alan Arnold Griffith
네이버 포스트, 폴라리스, 원심식, 축류식 터보제트엔진의 구별
네이버 포스트, 폴라리스, 터보제트의 작동원리
세계대전 떡밥 수용소, 독일 제트엔진의 우울
세계대전 떡밥 수용소, 제트기가 대전 말에 얼굴 내민 잡썰
배경 사진 출처 : New York Heritage
