전세계를 일주하는데 비행기를 사용하는 것은 매우 사치스러운 일이었던 시대의 오래된 항공기를 환기시키는 프로펠러 비행기는 좀 더 혁신적인 형태로 연료 사용을 줄일 수 있도록 귀환하고 있다. 최근 롤스로이스(Rolls-Royce)사는 새로운 프로펠러 비행기 엔진에 대한 테스트를 할 수 있게 되었다. 이 엔진은 이중 회전날개(double rotor)와 새로운 프로펠러 날개 형태로 제작되었다. 엔지니어들은 롤스로이스사의 디자인은 “매우 중요한” 발전이라고 평가했다. 롤스로이스사는 이 새로운 디자인을 통해서 항공기 연료와 온실가스배출량을 30%까지 줄일 수 있다고 주장했다. 롤스로이스사에서 차세대 비행기 엔진을 개발하는 프로젝트를 담당하고 있는 엔지니어인 마크 테일러(Mark Taylor)는 “우리는 100~200석 비행기에 개방형 회전날개(open-rotor)를 장착하게 된다면 매년 300만 달러 또는 10,000톤의 이산화탄소를 줄일 수 있다”고 말했다.
현대 프로펠러 엔진은 개방형 회전날개 또는 터보프로펠러(turboprops)로 알려지고 있으며 대부분 오늘날 비행기가 사용하고 있는 터보팬 (turbofan)과 터보제트(turbojet) 엔지보다 좀 더 연료효율적이라는 사실이 알려지고 있다. 하지만 1980년대 초반 주요 엔진생산업체에 의한 연구와 실험에도 불구하고 높은 소음으로 인해 실용화되지 못했다. 하지만 항공분야가 환경에 미치는 영향이 증가하면서 항공공학자들은 개방형 회전날개 엔진은 새로운 대안이 될 수 있다고 믿기 시작했다. 테일러는 “우리는 테스트에 근거해서 좀 더 조용하고 효율적인 개방형 회전날개 엔진을 만들 수 있다고 믿고 있다”고 말했다. 이 기업은 새로운 디자인을 통해 현재 사용되는 엔진보다 더 조용한 엔진을 만들 수 있다고 믿고 있다.
사우스햄튼 대학(Southampton University)의 항공공학분야에서 방음공학자인 로드 셀프(Rod Self)는 롤스로이스사의 최신 디자인은 “엄청나게 중요하며 시장에서 중요한 역할을 할 수 있다. 소음과 관련해서 지금까지 최상의 모델을 개발했으며 시장을 선도하게 될 것”이라고 말했다. 효율성의 발전은 매우 중요하다고 말한 맨체스터 대학의 틴덜 센터(Tyndall Centre)의 기상학자이며 항공분야의 환경영향 전문가인 앨리스 바우스 (Alice Bows)는 “항공기에서 배출되는 이산화탄소는 전세계적인 탄소배출량에서 2~3%에 불과하다. 하지만 매년 성장률이 6~7%인 이 분야에서 효율성의 증진은 1%에 불과하다”고 말했다.
터보팬 엔진은 공기를 흡입하여 엔진 전반부에 설치된 밀폐된 팬을 돌려 작동하게 된다. 대부분 공기는 뒤쪽으로 밀려 나가면서 추진력을 만들어낸다. 나머지는 연료를 연소하여 팬을 돌리게 된다. 좀 더 많은 공기가 연소되기 보다 후방으로 밀려나갈수록 엔진효율성이 증가하게 된다. 즉, 엔진에 들어간 공기 유량 중에서 일부는 저압 팬으로 가속되어서 바로 후방으로 분출되고 나머지는 연소에 사용되어 고온가스로 분출되는 비율을 바이패스 비(bypass ratio)라고 한다. 간단하게 개방형 회전날개 엔진은 터보팬 또는 터보제트 엔진보다 동일한 크기에서 좀 더 높은 바이패스 비율을 보인다. 개방형 회전날개 엔진이 좀 더 효율성을 갖는 이유 중 하나는 전통적인 엔진과는 달리 프로펠러를 케이스에 넣을 필요가 없다는 점이다. 케이스에 넣는 것은 무게를 증가시키고 저항력을 늘린다. 테일러는 “케이스를 제거함으로써 날개의 크기를 늘릴 수 있으며 무게와 저항력을 줄일 수 있다”고 말했다.
항공산업체들은 이전에도 이러한 엔진을 사용한 적이 있다. 석유위기시기인 1970년대 말에 엔지니어들은 20세기 초에 사용된 오래된 프로펠러 비행기로부터 새로운 디자인을 개발하였지만 제트기술과의 결합을 통해 좀 더 현대적인 비행기엔진에 사용했다. 미국엔진 생산업체인 프래트 앤드 위트니(Pratt & Whitney)사와 제너럴 일렉트릭(General Electric)사는 나사의 개방형 회전날개 엔진 디자인 프로젝트의 지원을 받아 맥도널 더글러스(McDonnell Douglas)와 보잉(Boeing)사 비행기에 엔진을 디자인한 적이 있다. 하지만 상업적으로 소음과 프로펠러 디자인 문제로 인해 사용화되지 못했다. 또한 석유가격의 하락으로 인해 연료감소의 인센티브가 없었다.
하지만 지난 몇 년 동안 석유가격의 상승과 환경에 대한 영향으로 인해 효율적인 엔진디자인이 다시 각광받게 되었다. 롤스로이스사의 디자인은 두 쌍의 프로펠러를 엔진 후방에 장착하여 반대방향으로 돌아가도록 하고 있다. 이 프로펠러가 공기를 바로 뒤쪽으로 밀어내는 것보다 일부 공기를 뒤틀게 되면 에너지 손실이 적어진다. 셀프는 “만일 두 번째 쌍의 프로펠러가 각기 다른 방향으로 돌게 된다면 꼬인 것이 풀리면서 공기에서 에너지를 절약할 수 있다. 이것은 비행기가 앞으로 나가도록 하는데 유용한 힘이 된다. 하지만 소음이 더 심하다”고 말했다.
개방형 회전날개의 소음은 프로펠러의 두께나 소리의 속도보다 더 빨리 도는 경우와 같이 프로펠러와 연관되어 발생하게 된다. 롤스로이즈사의 엔지니어들은이 문제를 회전날개에서 날개숫자를 증가시키고 전통적으로 긴 형태의 날개를 좀 더 낮고 폭이 넓은 형태로 디자인을 전환했으며 날개를 얇게 하여 소음을 줄일 수 있었다. 그 결과는 회전날개쌍은 속도를 낮추어 소음을 줄이고 높은 효율성을 유지할 수 있게 되었다고 롤즈로이스사는 주장했다.
이 영국의 기업만이 현재 개방형 회전날개 엔진을 개발하는 것이 아니다. 제너럴 일렉트릭사와 프래트 앤드 위트니사 그리고 프랑스의 스넥마 (Snecma)사는 모두 개방형 회전날개 엔진을 개발하고 있지만 상업화는 아직 확실하지 않다. 테일러는 항공기의 선택 가능성이 있다고 말했다. 그는 “소음이 낮고 발전된 터보팬 엔진을 사용할 수 있다. 그리고 소음이 높고 좀더 효율적인 엔진을 사용할 수 있다. 이것은 모두 항공산업계에 달려 있다. 좀 더 소음을 낮추고 엔진효율이 높으며 이산화탄소를 줄이는 엔진을 개발하는 것”이라고 말했다.
출처: 영국 가디언지
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