퉁퉁한 엔진의 비밀_ 과학이 트렌드를 만든다
퉁퉁한 엔진의 비밀_ 과학이 트렌드를 만든다
퉁퉁한 엔진의 비밀_ 과학이 트렌드를 만든다
2017.05.15 11:00 by 임재한

* 이번 편에는 약간의 수학, 과학이 포함되어 있습니다.

‘세상을 읽는다’는 말과 비슷하게 ‘트렌드를 읽는다’라는 말을 종종 쓴다. 트렌드가 왜 일어났는지 알면 세상이 요구하는 바들을 알 수 있기 때문에, 이러한 능력은 강력한 도구로 여겨지곤 한다. 그 트렌드의 원인까지 분석해보는 일은 절대 쉽지 않겠지만 원래 좋은 약은 쓴 법이랬나, 트렌드를 읽는 데 성공하면 세상을 읽는 중요한 단서 하나 얻을지도 모를 일이다. 

비행기도 변화하는 세상에 적응해가며 그 흐름을 반영하기에 트렌드라는 것이 있다. 세대가 지나도 꾸준히 지속되는 트렌드가 하나 있는데, 바로 연비를 높이는 것. 예나 지금이나 기름은 돈이기도 하고 특히, 1973년 유가 파동으로 인해 항공 산업이 휘청거린 이후로는 연료를 아낌으로써 얻는 이익이 압도적으로 커졌다. 덕분에 연료를 절감하는 것은 항공기 설계에 있어 우선순위가 되어왔다.

연비와 가장 밀접한 장치라 하면 엔진을 꼽을 수 있다. 연비를 높이는 트렌드가 엔진의 모양에도 나타나고 있다는데… 오늘은 비행기 엔진을 살펴본다.

효자 막둥이, A320 Neo

에어버스의 돈 벌어오는 효자 항공기이자, 가장 작은 기종군인 Airbus A320 패밀리. 소형급 여객기지만 미국 보잉이 독점하던 1987년의 하늘에 용감하게 날아올라 에어버스를 지금의 입지까지 끌어올린 주역 되시겠다. 에어버스가 애지중지하는 비행기인 만큼 첫 개발 이후 30년 동안 꾸준히 업그레이드됐지만, 에어버스는 차세대 A320을 개발하기로 한다. 근본적인 변화 없이는 큰 향상을 기대할 수 없다는 판단에서다. 그렇게 2014년, A320 Neo라는 세련된 이름을 가진 에어버스의 막둥이가 태어난다.

에어버스의 막내 A320 네오

A320 neo가 공개되자 사람들은 엔진에 주목했다. 가장 눈에 띄는 변화는 외관에서부터 나타났다. 네오의 엔진은 자신의 몸에 비해 버거워 보일 정도로 커 보였다. 혹시 비행기가 커져서 더 큰 엔진이 필요했던 것은 아닐까 싶지만, 사실 네오의 동체 규모는 기존의 것과 특별히 다를 게 없었다. 하지만 엔진은 한쪽당 600kg에 이를 정도로 무거워졌다. 좌우 날개에 암소 한 마리씩 매단 셈.

기존의 A320(좌)과 A320 네오(우)

외관상 바꾼 것은 날개 끝부분과 엔진뿐이고 심지어 전보다 무거워졌지만, 재밌게도 네오는 성능 면에서는 월등하게 향상됐다. 기존의 A320보다 14%나 연료를 절감, 혹은 14% 더 멀리 날 수 있었다. 에어버스사는 네오의 14% 성능 향상 중 13%는 통통하고 무거워진 엔진 덕분이라고 설명하며 새로운 엔진의 중요성을 강조했다.

결국 더 크고 무거워졌는데 효율은 더 높아진 꼴이다. 다른 비행기들은 어땠을까? A320 네오만의 특별한 케이스였던 것은 아닐까?

통통해지는 게 트렌드

사실, 통통한 엔진은 비단 네오만의 이야기는 아니다. 여객기의 엔진은 초창기에는 얇고 긴 형태를 띄었지만 시간이 지나면서 흡입구 면적이 넓어지며 통통한 형태를 띄게 되었다. 사진으로 확인해보자. 본격적인 여객기의 시대가 열린 시점을 보통 1960년대 초반으로 본다. 그 시대의 하늘을 누비던 비행기를 엿보자.

초창기 B737. 업그레이드되어 지금까지도 날아다니는 장수 기종이다.

초창기 여객기인 초기 보잉737을 사진을 보면, 엔진이 우리가 보통 공항에서 보는 것과는 다르게 생긴 것을 알 수 있다. 얇고 길며, 엔진 앞쪽의 흡입구도 앙증맞은 크기. 이외에도 동시대 여객기들은 하나같이 얇고 긴 엔진을 달고 매연을 내뿜었다. 그런데 요즘 엔진들은? 이 보잉737은 보잉에서 지금까지도 업그레이드하며 생산하는 기종으로 우리가 제주도를 갈 때 흔히 보는 소형 여객기다. 제주도를 갈 일이 있다면 한 번 살펴보자. 요즘 737의 엔진은 사진과는 달리 꽤 통통할 것이다.

최신 기종에 해당하는 보잉777. 제트 엔진 중 가장 큰 것을 사용하는 것으로도 유명하다.

연료 효율을 향상하기 위해 가장 많은 발전이 있던 분야가 바로 엔진이다. 사실 비행기는 공기역학적인 효율을 높이는 것보다 연료를 직접 소비하는 엔진의 효율을 높이는 것이 훨씬 큰 영향을 준다. 그런데 옛날 비행기와 요즘 비행기들을 놓고 비교해보면, 비행기의 체급이 비슷해도 요즘 엔진이 훨씬 뚱뚱하고 크다. 심지어 무겁기까지 하다. 비행기는 조금이라도 다이어트를 시키려고 노력하는 판에 엔진은 크고 무거워지기만 하니 이해가 잘 되지 않는다.

통통한 것이 비행기 엔진의 트렌드! 왜 이런 일이 일어나고 있는 것일까?

엔진은 연료를 먹여주면 힘을 만들어내는 기계다. 연료와 힘 사이의 관계를 살펴보면 이번 문제의 실마리를 얻을 수 있을 것 같으니, 한 번 파보자!

엔진이 커지는 것과 연비가 좋아지는 것은 언뜻 모순이지만, 사실 기본적인 물리 법칙으로 설명되는 현상이다. 중학교나 고등학교 물리 시간. 힘, 에너지라는 단어를 들어봤을 것이다. 이제 여기에 약간의 수학을 써서 알아보자. 너무 두려워 마시라. 힘, 에너지, 곱셈. 이 세 가지만 등장한다.

힘과 에너지
제곱이 만든 트렌드

엔진에 대한 이야기를 해야 하니 우선 자기소개부터 들어보자.

Force. 힘. 추력.

이 세상의 모든 것들을 움직이게 하는 것을 바로 힘, Force라고 한다. 당연하다. 물을 마시기 위해 컵을 들 때, 위로 힘을 줘서 컵을 든다. 여러분이 체중계에 올라가서 한숨을 쉬는 이유도 중력이 우리를 아래로 누르는 힘이 있기 때문이다. (우주로 나가면 스트레스로부터 자유로워질 수 있다) 비행기도 예외는 아니다. 우리가 다 알다시피 비행기를 앞으로 움직이는 힘인 추력은 엔진에서 만들어진다.

비행 중 창밖을 통해 엔진을 보면 커다란 원통 앞을 꽉 채우는 큼지막한 바람개비 같은 것이 어마어마한 속도로 돌아가는 것을 볼 수 있다. 그리고 그 엔진 뒤로는 엄청난 속도의 바람이 뿜어져 나간다. 바람개비와 바람? 선풍기가 떠오를 것인데, 사실 엔진이 훨씬 크고 강하고 비싸다는 것 빼고는 선풍기나 엔진이나 사촌관계다. 선풍기처럼 엔진은 주변에 있는 공기를 뒤로 밀어내고, 어찌나 빠르게 공기를 밀어내는지 비행기를 끌 수 있을 만큼의 추진력을 만들어내게 된다.

엔진이나 선풍기나 비슷하다. 엔진이 좀 (많이) 빠르게 돈다는 것 빼고는.

어떤 것을 밀어내고 그 반대 방향으로 힘을 얻는 것. 사실 우리가 일상생활에서 자주 경험하는 것인지라, 전혀 어색하지 않다. 언제 경험하냐고? 자, 옆에 누군가 있다면 살짝 때려보자. 그 사람도 아프겠지만, 곰곰이 생각해보면 내 주먹도 아프다. 이는 곧 내 주먹이 그 사람에게 힘을 가했지만, 그 힘을 내 주먹도 똑같이 느낀 것이다. 즉, 다른 물체에 힘을 가한 만큼, 힘을 가한 주체도 그 힘을 받는다는 것을 알 수 있다. 엔진은 공기를 강하게 밀어내고, 그만큼 추진력을 얻는다.

이제 어떻게 하면 더 큰 힘이 생기는지, 어떤 것들에 의해 힘의 크기가 변하는지, 조금 더 자세히 얘기해보자.

공돌이의 노트 #1
이런 것을 우리 모두 한 번쯤 들어본 작용 반작용의 법칙이라고 한다. 무려 뉴턴의 제 3법칙으로 명명까지 되어있는 자명한 현상. 맞은 사람한테 내 주먹도 아프니 너무 서운해 말라고 다독여보자. 더 맞을지도.

엔진의 바람개비를 팬블레이드(fan blade)라고 한다.

아무리 선풍기와 비행기 엔진이 비슷하다지만, 그렇다고 선풍기를 매단다고 비행기를 움직일 수는 없다. 선풍기는 엔진에 비하자면 초라하다 못해 불쌍할 정도로 힘이 약하니까. 그런데 만약 이 선풍기만으로 비행기를 움직일 힘을 만들어내야 한다면 어떻게 해야 할까?

우선, 선풍기를 엄청 많이 매다는 것을 생각해볼 수 있다. 약한 선풍기도 1000개 정도 돌린다면, 엔진과 비슷한 힘을 낼 수 있을지도 모를 일. 아니면, 강한 바람을 만들면 되는 것이니 선풍기 모터를 어마어마한 것으로 바꿔 매우 빠르게 돌아가는 슈퍼 선풍기를 만드는 것을 생각해볼 수 있다. 즉, 엔진의 힘을 키우는 첫 번째 방법은 선풍기는 그대로지만 한 번에 많은 공기를 밀어내는 것이고, 두 번째 방법은 같은 양의 공기를 훨씬 빠르게 밀어내는 것이다. 

지금까지의 이야기를 한마디로 정리해보자.

힘은 공기를 밀어내는 속도와 얼마나 많은 양의 공기를 밀어내는지에 따라 달라진다.

그러니까, 더 많은 양의 공기를, 더 빠르게 밀어낼수록 힘이 더 커지는 것.

이 이야기를 정리해보면

(힘)=(무게) x (속도) 혹은,

(추력)=(공기 양) x (밀어내는 속도) 가 된다.

Energy, 에너지, 연료

힘이 센 엔진이라 하면 언뜻 좋아 보이지만 우리는 똘똘한 소비자이므로 한 가지를 더 따져봐야 한다. 힘센 것만이 자랑은 아니다. 힘을 현명하게 낼 수 있어야 한다. 그 힘을 내는데 얼마나 많은 연료를 써야 하는지, 즉 연비도 굉장히 중요하게 살펴봐야 하는 조건이다.

어떤 변화를 만드는 데 드는 노력을 과학적으로는 ‘에너지’라고 부른다. 엔진이 공기를 밀어내며 힘을 만드는 데 필요한 노력은 곧 연료다. 연료를 태우면 에너지가 발생하고, 엔진은 이 에너지를 공기에 전달하면서 힘을 만들어낸다. 결국 연비는 에너지를 힘으로 얼마나 효율적으로 만들어내는지를 뜻하는 단어다.

역추진하는 787. 엔진은 연료의 에너지에서 힘을 얻어낸다.

힘은 밀어내는 물체의 무게(양)에 비례했었다. 에너지도 비슷하다. 공을 던질 때, 두 배 무거운 공을 같은 속도로 던지면 에너지가 두 배로 든다. 그러나 에너지는 힘과는 달리 속도에는 비례하지 않고 속도의 제곱에 비례한다. 그러니까, 같은 공을 두 배 빠른 속도로 던지면 네 배 더 많은 에너지가 필요하다는 뜻이다. 세 배 빠르다면? 아홉 배나 다 많은 에너지가 필요한 꼴.

 공돌이의 노트 #3
어떤 사람이 나를 두 대 쳤는가? 그렇다면 똑같이 두 대 칠 생각보단 두 배 더 빠르게 한 대만 치는 전략을 써보자. 상대가 내가 받은 것보다 두 배 더 큰 에너지를 받게 되니까. 뿌듯.

이 이야기를 정리해보면

(에너지)=(무게) x (속도)^2 혹은,

(연료 소모량)=(공기 양) x (밀어내는 속도)^2 가 된다.

속도의 '제곱'의 트렌드

공식이 나와서 지끈거릴 수 있지만… 어쩔 수 없다 조금만 더 머리 아프시라. 다 왔다.

지금까지 열심히 이해해본 힘과 연료 소모량의 관계를 일단 써놓고 보자.

추력=(공기 양) x (밀어내는 속도)

연료 소모량=(공기 양) x (밀어내는 속도)^2

일단 추력과 연료 소모량은 굉장히 비슷해 보인다. 딱 하나, 연료 소모량 식 끝에 제곱(^2)이 붙었다는 것 빼고. 저 제곱이 어떤 역할을 하는지 알아보기 위해 추력과 연료 소모량식으로 장난을 좀 쳐볼까 한다.

여러분이 어떤 엔진의 추력을 두 배로 늘리는 일을 한다고 생각해보자. 우선, 추력 관계식에 따라 공기의 양을 두 배로 늘린 엔진을 생각해볼 수 있고, 공기의 양은 그대로 두고 대신 공기를 두 배 빠르게 밀어내는 엔진을 만들 수도 있다. 이렇게 두 엔진을 만들었다면 이 두 엔진의 연료 소모량은 어떻게 될까? 

첫 번째 엔진은 공기 양만 두 배가 되었으니 연료 소모량도 두 배가 된다. 재밌는 건 속도를 늘린 두 번째 엔진이다. 두 번째 엔진은 밀어내는 속도가 두 배가 되어 연료 소모량은 네 배가 된다. 즉, 두 엔진 다 같은 힘을 내면서도 두 번째 엔진이 연료를 두 배 더 많이 쓰는 꼴이다.

오? 추력이 같은 두 엔진 중 속도가 두 배 빠른 엔진이 연료량도 두 배가 됐다는 것은…

같은 힘을 내더라도 공기를 느리게 밀어내는 엔진이 연료를 덜 쓴다는 결론!

공돌이의 노트 #4 - 식이 엄밀하지 않음
공기의 양 역시 속도에 비례한다. 면적은 같아도 두 배 빠르게 흡입하면 두 배 빠르게 많이 흡입되는 것. 그래서 엄밀히 말하면 추력은 속도의 제곱에 비례하고 연료는 속도의 세제곱에 비례한다고 하는 것이 맞는 얘기다. 이렇게 되면 추력을 두 배로 하기 위해 속도는 2배가 아닌 1.4배 정도만 늘어나면 된다. 하지만 공기의 배출 속도와 연료 소비량이 비례한다는 관계는 유지되고 글이 너무 복잡해지는 것을 막기 위해 단순화했다.

자, 끝났다!

한 번에 많은 공기를 느리게 밀어내는 것.

이것이 바로 제곱이 만들어낸 연비의 핵심 조건이다.

이제 왜 엔진이 꾸준히 통통해지는지 설명된다. 같은 추력을 낸다 하더라도 한 번에 더 많은 공기를 흡입해 천천히 내보내는 것이 더 이득인데, 엔진이 더 많은 공기를 한 번에 흡입하려다 보니 흡입구가 커지는 것밖에는 방법이 없었던 것이다.

엔진 크기와 연비의 관계
Bypass Ratio

비행기 엔진은 공기를 밀어내고 앞으로 나아가는 장치이다 보니 엄청난 양의 공기를 흡입한다. 이때, 흡입된 공기 중 일부만이 연료를 연소시키는 데에 사용되고, 나머지는 잽싸게 흘러나가 버리곤 하는데, 흡입한 총 공기 중 별일 없이 흘러나가는 공기의 비율을 'Bypass Ratio'(우회율), 줄여서 BPR이라고 한다. 앞서 얘기한 연비가 좋은 엔진은 엔진의 흡입구가 크고 연료 소모량이 줄어든 엔진이기 때문에 연소에 필요한 공기는 적으면서도 흡입되는 공기의 양은 많은 편이다. 즉, BPR이 커지는 것. 이런 관계 때문에 BPR은 연비를 상징하는 지표로 사용된다.

BPR이 가장 높은 엔진은 '프로펠러' 엔진이다. 보통 여객기 엔진은 BPR이 6~10:1 정도인데, 프로펠러는 크게는 80:1까지 높아진다. 여객기 엔진처럼 주변을 감싸는 덮개가 없어서 한 번에 밀어내는 공기의 비율이 굉장히 높기 때문인데, 덕분에 회전 속도도 느리고 항공기가 사용할 수 있는 엔진 중에서 효율은 가장 높다. 하지만, 빠른 속도에서 사용할 수 없다는 단점이 있어 빠른 속도로 여행해야 하는 여객기들에서는 잘 사용되지 않고, 화물기나 단거리 여객기들에서만 사용되고 있다. 장거리 항공기에 프로펠러기가 없는 이유다.

프로펠러 비행기는 연비는 가장 좋지만 느리다.

반면, BPR 성적이 가장 안 좋은 여객기는 어떤 비행기일까? 바로 초음속 여객기로 유명한 콩코드다. 콩코드의 엔진은 BPR이 0이다. 즉, 흡입된 공기가 모두 연소되며 배출속도도 굉장히 빠르다. 초음속으로 비행하기 위해 어쩔 수 없었던 선택이었는데, 이 때문에 연비가 굉장히 안 좋아지게 되었다. 이와 관련된 비운의 이야기는 다음에 한 번 다뤄볼까 한다.

콩코드의 BPR은 무려 0이다.

단거리 기종들이 업그레이드되고 있는 요즘, 소형기들의 엔진이 탄소섬유와 3d 프린팅 기술을 기반으로 발전한 high BPR 엔진들로 교체되고 있는 추세다. 320neo도 이 트렌드에 맞춰 BPR이 높은 새로운 엔진을 달고 나왔고, 그 크기가 꽤 컸던 탓에 조금은 뚱뚱한 느낌을 주게 되었다.

엔진의 크기는 단순히 비행기의 크기에 비례하지는 않는다는 것을 보았다. 힘과 에너지라는 기본적인 원리에서 출발해서 효율이라는 것을 살펴보면, 엔진의 크기가 항공기 성능의 굉장히 중요한 요소라는 것을 알 수 있다. 아무리 기술이 발전한다 해도, 결국 그 기저에는 기본적 물리 법칙이 모든 것을 지배하고 있다는 사실이 새삼 신기하게 다가온다. 

/사진: jetphotos.net, airliners.net

필자소개
임재한

항상 뭔가에 푹 빠져 사는 스타일. 중학생 시절 비행기의 매력에 빠져 지금은 항공우주공학과까지 재학 중이다. 비행과 관련된 다양하고 재미있는 이야기를 전달하기 위해 노력하고 있다.


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