왕복엔진·프로펠러와 정속 프로펠러 — 조종사 핸드북 7장 (1/8)

앞 편은 스태빌레이터·플랩과 트림으로 6장을 마쳤고, 이번 편부터는 7장 항공기 시스템입니다. 왕복엔진의 점화 방식과 4행정, 프로펠러 비틀림, 고정피치와 정속 프로펠러, 회전계와 매니폴드 압력까지 다룹니다.

이 장은 대부분의 항공기에 있는 주요 계통을 다룹니다. 엔진, 프로펠러, 흡기, 점화, 연료, 윤활, 냉각, 전기, 착륙장치, 환경조절계통입니다.

동력장치

항공기 엔진, 곧 동력장치(powerplant)는 항공기를 밀어 가는 추력을 만듭니다. 왕복엔진과 터보프롭은 프로펠러와 짝을 이뤄 추력을 냅니다. 터보제트와 터보팬은 엔진을 지나는 공기의 속도를 올려 추력을 냅니다. 이 동력장치들은 항공기 운용을 받쳐 주는 여러 계통도 함께 돌립니다.

왕복엔진

소형기는 대부분 왕복엔진(reciprocating engine)을 씁니다. 이름은 피스톤이 앞뒤로, 곧 왕복하며 일을 하는 기계 에너지를 만드는 데서 왔습니다.

일반항공(GA) 산업이 다시 살아나고 재료와 엔진 설계가 나아지면서, 지난 20년 사이 왕복엔진 기술은 크게 좋아졌습니다. 컴퓨터 엔진 관리 계통이 들어가 연료 효율이 오르고, 배출은 줄고, 조종사 업무량도 줄었습니다.

왕복엔진의 기본 원리는 화학 에너지(연료)를 기계 에너지로 바꾸는 것입니다. 이 변환은 실린더 안에서 연소로 이뤄집니다. 왕복엔진의 두 가지 주된 설계는 불꽃점화(spark ignition)와 압축점화(compression ignition)입니다. 오래도록 선택한 동력장치는 불꽃점화 왕복엔진이었습니다. 운용비를 낮추고 설계를 단순하게 하며 신뢰도를 높이려고, 여러 제작사가 압축점화를 대안으로 돌리고 있습니다. 제트연료 피스톤 엔진이라고도 부르며, 구하기 쉽고 값이 낮은 디젤 또는 제트연료를 쓸 수 있다는 이점이 더해집니다.

불꽃점화와 압축점화의 주요 기계 구성은 본질적으로 같습니다. 둘 다 원통형 연소실과, 실린더 길이를 오가며 직선 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 바꾸는 피스톤을 씁니다. 차이는 연료를 점화하는 과정입니다. 불꽃점화는 미리 섞은 연료-공기 혼합기를 점화플러그로 점화합니다. 연료-공기 혼합기(fuel-air mixture)는 태울 혼합기에서 연료 “무게” 대 공기 “무게”의 비입니다. 압축점화는 먼저 실린더 안 공기를 압축해 온도를 올려 두고, 연료를 분사하면 저절로 점화되게 합니다.

이 두 설계는 다시 이렇게 나눕니다.

1. 크랭크축에 대한 실린더 배치 — 성형(radial), 직렬(in-line), V형(v-type), 대향(opposed)
2. 작동 사이클 — 2행정 또는 4행정
3. 냉각 방식 — 액랭 또는 공랭

성형엔진은 제2차 세계대전 때 널리 쓰였고, 지금도 많이 운용됩니다. 실린더 한 줄 또는 여러 줄을 크랭크케이스 둘레에 원형으로 배치합니다. 주된 장점은 유리한 출력 대 중량비입니다.

직렬엔진은 앞면 면적이 비교적 작지만, 출력 대 중량비는 상대적으로 낮습니다. 게다가 공랭 직렬엔진의 맨 뒤 실린더는 냉각 공기를 거의 받지 못해, 보통 4기통 또는 6기통으로 제한합니다. V형 엔진은 직렬보다 마력이 크고, 앞면 면적은 작게 유지합니다.

엔진 설계가 계속 나아지면서 수평대향엔진(horizontally-opposed engine)이 나왔고, 소형기에서 가장 널리 쓰는 왕복엔진으로 남았습니다. 이 엔진은 항상 짝수 기통입니다. 크랭크케이스 한쪽 실린더가 반대쪽 실린더와 “마주 보기” 때문입니다. 대부분은 공랭이고, 고정익에 달 때는 보통 수평으로 장착합니다. 대향형 엔진은 크랭크케이스가 비교적 작고 가벼워 출력 대 중량비가 높습니다. 실린더가 빽빽하게 모여 앞면 면적도 줄어, 공기역학 항력을 최소화하는 유선형 장착이 됩니다.

제작사에 따라, 위 배치는 모두 불꽃점화 또는 압축점화로 설계할 수 있고, 2행정 또는 4행정으로 돌릴 수 있습니다.

2행정과 4행정

2행정 엔진에서는 화학 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 일이 2행정 작동 사이클로 이뤄집니다. 흡입, 압축, 동력, 배기가 흔한 4행정이 아니라 피스톤 두 행정만에 일어납니다. 크랭크축이 한 바퀴 돌 때마다 동력 행정이 있으므로, 비슷한 4행정보다 출력 대 중량비가 보통 더 높습니다. 초기 설계는 효율이 낮고 배출이 지나쳐, 항공에서 2행정은 제한적으로만 쓰였습니다.

최근 재료와 엔진 설계가 나아지면서 2행정의 나쁜 특성이 많이 줄었습니다. 요즘 2행정은 흔히 일반 오일 섬프, 오일 펌프, 전부하 윤활 계통을 씁니다. 직접 연료 분사와 가압 공기는 앞선 압축점화 엔진의 특징인데, 이 조합으로 2행정 압축점화가 더 흔한 4행정 불꽃점화의 대안으로 성립합니다.

오늘날 GA에서 가장 흔한 설계는 불꽃점화 4행정입니다. 불꽃점화 왕복엔진의 주요 부분은 실린더, 크랭크케이스, 보기류 하우징입니다. 흡기·배기 밸브, 점화플러그, 피스톤은 실린더에 있습니다. 크랭크축과 커넥팅로드는 크랭크케이스에 있습니다. 마그네토(magneto)는 보통 엔진 보기류 하우징에 있습니다.

4행정 엔진에서는 화학 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 일이 4행정 작동 사이클로 이뤄집니다. 흡입, 압축, 동력, 배기가 피스톤의 네 행정에서 다음 순서로 일어납니다.

1. 흡입 행정은 피스톤이 내려가기 시작할 때 시작됩니다. 이때 흡기 밸브가 열리고 연료-공기 혼합기가 실린더로 들어옵니다.
2. 압축 행정은 흡기 밸브가 닫히고 피스톤이 다시 실린더 위로 올라갈 때 시작됩니다. 이 단계에서 점화된 연료-공기 혼합기에서 훨씬 큰 출력을 얻습니다.
3. 동력 행정은 연료-공기 혼합기가 점화될 때 시작됩니다. 실린더 안 압력이 크게 오르고, 피스톤을 실린더 헤드에서 아래로 밀어 크랭크축을 돌리는 출력을 만듭니다.
4. 배기 행정은 탄 가스를 실린더에서 밀어내는 데 씁니다. 배기 밸브가 열리고 피스톤이 다시 실린더 헤드 쪽으로 올라가기 시작할 때 시작됩니다.

엔진을 꽤 낮은 속도로 돌려도 4행정 사이클은 1분에 수백 번 일어납니다. 4기통 엔진에서는 각 실린더가 서로 다른 행정으로 움직입니다. 각 실린더 동력 행정의 정확한 타이밍으로 크랭크축이 끊기지 않고 돕니다. 엔진이 계속 돌아가려면 흡기, 점화, 연료, 오일, 냉각, 배기 같은 보조 계통이 동시에 작동해야 합니다.

디젤·제트연료 피스톤 엔진

항공기 왕복엔진의 최근 진전은 1960년대 중반 프랑크 틸레르트(Frank Thielert)가 열었습니다. 그는 자동차 산업에서 디젤 기술을 항공기 엔진에 넣는 답을 찾았습니다. 디젤 연료 왕복엔진의 이점은 디젤과 등유의 물리적 유사성에 있습니다. 디젤 피스톤 엔진을 단 항공기는 표준 항공 등유를 쓰므로, 자립도가 커지고 신뢰도가 오르며 소모와 운용비가 줄어듭니다.

1999년 틸레르트는 틸레르트 항공기 엔진(TAE)을 세워, GA용 Jet-A를 태우는 새 디젤 사이클 엔진(제트연료 피스톤 엔진이라고도 함)을 설계·개발·감항증명·제작했습니다. 2001년 3월, 첫 시제 엔진이 제2차 세계대전 이후 처음으로 감항증명을 받은 디젤 엔진이 되었습니다. TAE는 디젤 사이클 엔진을 계속 설계·개발하고, 소시에테 드 모토리자시옹 아에로노티크(SMA) 같은 다른 제작사도 제트연료 피스톤 엔진을 내놓습니다. TAE 엔진은 다이아몬드 DA40 단발과 DA42 트윈스타에 들어가 있습니다. 새 제작사(OEM) 항공기의 형식증명에 디젤 엔진이 들어간 첫 사례입니다.

이 엔진들은 부가형식증명(STC)으로 세스나 172와 파이퍼 PA-28 계열을 재엔진하는 개조 시장에도 발을 들였습니다. 제트연료 피스톤 엔진 기술은 계속 나아갔고, 전권한 디지털 엔진 제어(FADEC, 이 장 뒤에서 더 다룸)가 이런 장착기의 표준이 되어 엔진 조종을 단순하게 합니다. 2007년까지 여러 제트연료 피스톤기가 60만 시간 넘는 운용 시간을 쌓았습니다.

프로펠러

프로펠러는 회전하는 익형입니다. 유도항력, 실속, 익형에 적용되는 다른 공기역학 원리를 그대로 받습니다. 항공기를 공기 속에서 당기거나, 어떤 경우에는 밀어 가는 데 필요한 추력을 줍니다. 엔진 출력으로 프로펠러를 돌리고, 프로펠러가 날개가 양력을 만드는 것과 아주 비슷하게 추력을 냅니다.

추력의 크기는 익형 모양, 프로펠러 블레이드의 받음각(AOA), 엔진의 분당 회전수(rpm)에 달렸습니다. 프로펠러 자체는 비틀려 있어 블레이드 각이 허브에서 팁까지 바뀝니다. 부착각(angle of incidence), 곧 피치가 가장 큰 곳은 허브이고, 가장 작은 곳은 팁입니다.

비틀리는 이유는 허브에서 팁까지 양력을 고르게 내기 위해서입니다. 블레이드가 돌 때 부위마다 실제 속도가 다릅니다. 팁은 허브보다 같은 시간에 더 먼 거리를 가서, 허브 근처보다 빠릅니다. 예를 들어 2,500 rpm에서 허브 쪽 20 in 지점은 약 129 kt, 중간 40 in는 약 259 kt, 팁 쪽 60 in는 약 389 kt로 돕니다. 속도에 맞춰 허브에서 팁까지 부착각(피치)을 바꾸면 블레이드 길이 전체에 양력이 고르게 납니다. 길이 전체가 같은 부착각이면 비효율적입니다. 비행 중 속도가 오르면 허브 근처는 음의 받음각이 되고, 팁은 실속하기 때문입니다.

소형기 프로펠러는 고정피치(fixed-pitch) 또는 가변피치(adjustable-pitch) 둘 중 하나입니다.

고정피치 프로펠러

블레이드 각이 고정된 프로펠러가 고정피치 프로펠러입니다. 피치는 제작사가 정해 두고 바꿀 수 없습니다. 고정피치는 특정 속도와 rpm 조합에서만 효율이 가장 좋으므로, 그 설정은 순항에도 상승에도 이상적이지 않습니다. 그래서 각 성능 항목에서 조금씩 손해를 봅니다. 고정피치는 무게가 가볍고, 구조가 단순하며, 값이 낮아야 할 때 씁니다.

고정피치는 상승용과 순항용 두 가지입니다. 어느 쪽을 다는지는 쓰임새에 달렸습니다.

프로펠러는 보통 축에 답니다. 그 축이 엔진 크랭크축의 연장인 경우, 프로펠러 rpm은 크랭크축 rpm과 같습니다. 어떤 엔진은 크랭크축에 기어로 물린 축에 프로펠러를 답니다. 이때 프로펠러 rpm은 엔진 rpm과 다릅니다.

고정피치에서는 회전계(tachometer)가 엔진 출력의 지시입니다. 회전계는 100 rpm 단위로 눈금이 매겨져, 엔진과 프로펠러 rpm을 바로 보여 줍니다. 계기는 색으로 구분하며, 녹색 호가 최대 연속 운용 rpm입니다. 어떤 회전계는 엔진 또는 프로펠러 제한을 더 표시합니다. 표시가 헷갈리면 제작사 권고를 기준으로 확인합니다.

rpm은 스로틀로 조절합니다. 스로틀이 엔진으로 가는 연료-공기 흐름을 조종합니다. 같은 고도에서는 회전계 지시가 높을수록 엔진 출력이 큽니다.

운용 고도가 오르면 회전계가 엔진 출력을 바르게 보여 주지 못할 수 있습니다. 예를 들어 5,000 ft에서 2,300 rpm은 해면에서 2,300 rpm보다 마력이 작습니다. 출력은 공기 밀도에 달렸기 때문입니다. 고도가 오르면 공기 밀도가 떨어지고, 밀도 감소(밀도고도가 높아짐)는 엔진 출력을 떨어뜨립니다. 고도가 바뀌면 같은 rpm을 유지하려고 스로틀 위치를 바꿔야 합니다. 고도가 오르면 낮은 고도와 같은 rpm을 지시하려면 스로틀을 더 열어야 합니다.

가변피치 프로펠러

가변피치 프로펠러는 정속 프로펠러(constant-speed propeller)의 앞선 형태입니다. 엔진이 꺼진 지상에서 블레이드 피치를 조절할 수 있지만, 비행 중에는 조절할 수 없습니다. 지상 조절 프로펠러(ground adjustable propeller)라고도 합니다. 1930년대에 선구 발명가들이 자동 피치 변경 장치의 바탕을 깔았고, 그래서 이 말은 비행 중 조절되는 요즘 정속 프로펠러를 가리키기도 합니다.

초기 가변피치 계통은 저피치와 고피치 두 설정만 주었습니다. 지금은 대부분의 가변피치 계통이 피치 설정 범위를 갖습니다.

정속 프로펠러는 거버너(governor)가 비행 중 피치를 자동으로 바꿔, 공기 하중이 바뀌어도 rpm을 일정하게 유지하는 조종 가능 피치 프로펠러입니다. 가변피치 가운데 가장 흔합니다. 주된 이점은 넓은 rpm·속도 조합에서 제동마력(BHP)의 높은 비율을 추력마력(THP)으로 바꾼다는 점입니다. 주어진 조건에서 가장 효율적인 엔진 rpm을 고를 수 있어, 다른 프로펠러보다 효율이 좋습니다.

정속 프로펠러를 단 항공기에는 조종기가 둘입니다. 스로틀과 프로펠러 조종기입니다. 스로틀은 출력을 조종하고, 프로펠러 조종기는 엔진 rpm을 조절합니다. 이것이 프로펠러 rpm을 조절하고, 그 값은 회전계에 나타납니다.

특정 rpm을 고르면 거버너가 블레이드 각을 알아서 바꿔 그 rpm을 유지합니다. 예를 들어 순항에서 원하는 rpm을 맞춰 둔 뒤, 속도가 오르거나 프로펠러 하중이 줄면 블레이드 각이 커져 선택한 rpm을 유지합니다. 속도가 줄거나 프로펠러 하중이 늘면 블레이드 각이 작아집니다.

정속 범위는 고피치 스톱과 저피치 스톱으로 정해지는, 정속 프로펠러가 취할 수 있는 블레이드 각의 범위입니다. 블레이드 각이 정속 범위 안에 있고 어느 피치 스톱에도 닿지 않으면, 엔진 rpm은 일정합니다. 블레이드가 피치 스톱에 닿으면, 속도와 프로펠러 하중이 바뀔 때 엔진 rpm이 그에 맞게 오르거나 내립니다. 예를 들어 특정 rpm을 고른 뒤 속도가 충분히 줄어 블레이드가 저피치 스톱에 닿으면, 그 이상 속도가 줄 때 엔진 rpm은 고정피치를 단 것과 같이 떨어집니다. 정속 프로펠러를 단 항공기가 더 빠른 속도로 가속할 때도 같습니다. 가속하면 선택한 rpm을 유지하려고 블레이드 각이 커지다가 고피치 스톱에 닿습니다. 그때부터는 각을 더 키울 수 없어 엔진 rpm이 오릅니다.

정속 프로펠러를 단 항공기에서 출력은 스로틀로 조종하고, 매니폴드 압력 계기가 지시합니다. 이 계기는 흡기 매니폴드 안 연료-공기 혼합기의 절대압력을 재며, 더 정확히 말하면 매니폴드 절대압력(MAP)입니다. rpm과 고도가 일정하면, 만들어지는 출력은 연소실로 들어가는 연료-공기 혼합기에 바로 비례합니다. 스로틀을 열수록 엔진으로 연료와 공기가 더 흐르고 MAP가 오릅니다.

엔진이 안 돌 때 매니폴드 압력 계기는 주위 기압을 가리킵니다(예: 29.92 inHg). 시동하면 지시는 주위 기압보다 낮은 값으로 떨어집니다(예: 아이들 12 inHg). 엔진 고장이나 출력 상실은 매니폴드 계기에서 그 고도의 주위 기압에 해당하는 값으로 MAP가 오르는 것으로 나타납니다.

매니폴드 압력 계기는 엔진 운용 범위를 색으로 구분합니다. 계기 면에 녹색 호가 정상 운용 범위이고, 빨간 방사선이 매니폴드 압력의 상한입니다.

다음 편은 매니폴드 압력과 RPM의 관계, 프로펠러 오버스피드, 흡기계통입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.