초음속 여행 (3) "더욱 효율적이고 기후 친화적인 연료와 엔진"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-13 12:05:05
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* 터보팬 사용으로 조용하고 경제적
* 공기와 태양을 에너지로 활용
* 알루미늄 대신 탄소섬유

더욱 효율적이고 기후 친화적
보다 경제적인 비행을 위한 새로운 엔진과 연료.


새로운 초음속 항공기의 엔진도 결정적인 진전을 이루었다.
최고 성능을 위해 애프터 버너가 필요하고 시끄러웠던 콩고드(Concorde)의 단일 제트 터보 제트 대신 이제 더 조용하고 효율적인 바이패스 엔진이 있다. 터보팬(Turbofan)이라고도 불리는 이 엔진에서 공기 흐름의 상당 부분은 터빈 "팬"에 의해 가속돼 연소실을 지나가게 된다.
엔진의 후단에서 이 바이패스 흐름은 코어 흐름과 함께 나와 추력을 제공한다.

터보팬 덕분에 더 조용하고 경제적

장점 :
외벽 흐름은 연소실의 고온의 내부 중심 흐름보다 덜 압축되고 가속되며 노즐에서 나올 때 난류가 덜 발생한다. 이것은 소음 공해를 낮춘다. 터보팬 엔진의 효율이 더 높아 이러한 엔진은 연료와 배기가스도 줄인다. 따라서 현대 여객기의 일반적인 엔진에서 우회 흐름은 총 공기 흐름의 최대 90%를 차지한다. 

▲ 터보 제트(위)와 달리 공기의 상당 부분이 터보 팬의 연소실을 지나 흐른다. © KVDP / gemeinfrei


항공기를 초음속으로 가속하려면 일반 터보팬 엔진의 추력만으로는 충분하지 않다.

추가 터빈, 컴프레서 및 더 강력한 연소 트레인으로 최적화되어야 한다.
그래야 코어 전기의 더 높은 비율에도 불구하고 소음과 배기가스를 줄일 수 있다.

항공기 제조업체 에어리온 슈퍼소닉(Aerion Supersonic)은 초음속 항공기에 GE(General Electric)의 특수 엔진을 사용한다. 제조업체에 따르면 코어는 검증된 제트 계획을 기반으로 해야하지만, 개조된 압축기와 외벽 흐름 영역 덕분에 시동 시 가장 엄격한 소음 방지 수준 5를 충족하고 여전히 Mach 1.4 ~ 1.6의 속도를 달성해야 한다.

경쟁사 Boom Supersonic은 특히 저 배출로 알려진 "Overture"초음속 기계를 위해 롤스 로이스(Rolls-Royce) 엔진을 사용한다.

공기와 태양을 연료로

두 제조업체 모두 등유 케로신 대신 기후 친화적인 합성 연료를 사용하기 위해 노력하고 있다. 이러한 탄화수소 혼합물은 바이오매스, 메탄올 또는 가스상 수소와 일산화탄소(소위 합성 가스)에서 화학적 공정을 통해 얻을 수 있다.
첫 번째 파일럿 테스트는 햇빛과 촉매를 사용하는 태양-액체 기술로 실행된다.

기계의 연료에 대해 Aerion은 공기 중 이산화탄소로부터 연료를 생산하는 공기-연료 기술을 전문으로하는 회사 Carbon Engineering과 협력했다. “우리는 화석 연료에 의존하지 않고 합성 연료로 100% 작동할 수 있는 항공기를 원했다”고 Aerion CEO Tom Vice는 강조했다.

이러한 연료의 생산을 위해 Carbon Engineering은 처음에 공기 포집을 사용하여 공기 중에 있는 CO2를 여과하고 압축한다. 동시에 전기 분해 시스템은 태양이나 바람의 전기를 사용하여 물을 분리하여 수소를 생성한다.

세 번째 단계에서는 CO2와 수소가 화학적으로 결합되어 고에너지 유기 화합물을 형성한다. 탄소 엔지니어링의 CEO Steve Oldham은 “대기 CO2로 만든 연료의 주요 장점은 배출주기를 생성한다는 것이다”고 설명했다.
항공기에서 배출되는 CO2는 원래 공기에서 나왔기 때문에 순 배출량은 거의 0에 가깝다.

<공기-연료 기술은 캐나다의 파일럿 플랜트에서 테스트되고 있다. ©Carbin Engineering>


알루미늄 대신 탄소 섬유

초음속 항공기의 특히 가벼운 구조는 또한 배출량을 줄이는 데 도움이 된다.
Concorde는 주로 티타늄으로 부분적으로 강화된 알루미늄으로 구성되었지만, 이제 훨씬 더 가벼운 항공기를 가능하게 하는 새로운 유형의 탄소 복합 재료를 사용할 수 있다.

붐 슈퍼소닉(Boom Supersonic)은 특수 3D 프린팅 프로세스를 사용해 초음속 항공기의 티타늄 강화 부품을 작은 덕트를 통해 더 가볍게 만들고 동시에 공기 흐름으로 냉각시키려고 한다.


이 모든 것에는 대가가 있다. 최적화된 설계와 더 나은 재료 및 엔진에도 불구하고 Concorde 후속 모델은 여전히 ​​기존 운송 차량보다 제작 및 운영 비용이 훨씬 더 비싸다.
초음속 여행에 진정한 르네상스가 있을지 충분한 사람들이 빠른 비행의 사치품에 더 많은 비용을 지불할 의사가 있는지에 달려 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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