상용 제트 엔진 개발이 왜 극도로 어렵고 비싼지, 역사와 기술적 한계, 성능과 경제성의 상충, 재료·열·공력·제조·시험 인증의 난제를 통해 살펴본다. 컴프레서·터빈·초합금·냉각·터보팬·다중 스풀 구조의 진화, 그리고 롤스로이스 RB211 사례를 중심으로 설명한다.
문명이 직면하는 가장 어려운 기술적 도전은, 비범한(그리고 끊임없이 개선되는) 성능을 낮은 비용으로 제공해야 하는 과제들이다. 높은 성능은 흔히 복잡하고 생산이 어려운 기술을 요구하며, 가능한 한계에 가까운 곳에서 작동한다. 시중의 건축 기술만으로 5층짜리 건물을 짓는 것은 어느 시공사나 할 수 있지만, 500층짜리 건물은 훨씬 어렵고 건축 기술의 경계를 밀어 올려야만 가능해진다.
성능의 한계를 밀어붙이면서 동시에 싸게 만들려는 시도는 난도를 한층 더 높인다. 유지보수 비용 최소화, 값비싼 소재·부품의 제거, 저비용 제조와 고가 숙련노동의 최소화를 위한 설계 등을 걱정해야 한다. (그리고 비싼 부품이나 노동이 꼭 필요하다면, 그것을 최대한 얇게 ‘펼쳐’ 써야 한다.)
최첨단 반도체 팹을 구축·운영하는 일은 이런 교차점의 한 사례다. 가장 앞선 반도체는 사람 머리카락 굵기의 1/2000에 해당하는 피처를 갖고, 불과 몇 개의 원자만 자리를 잘못 잡아도 치명적 결함이 생길 수 있는 재료로 만들어진다. 이 때문에 생산 공정 전반에 걸쳐 엄청난 수준의 제어와 정밀도가 요구된다. 또한 트랜지스터를 엄청난 수량으로, 매우 낮은 단가로 만들기 위해 이런 제어와 정밀도는 일관되고 지속적으로 달성되어야 한다.
신형 상업용 항공기 개발도 같은 부류의 사례고, 값싼 재사용 로켓도 마찬가지다. 그리고 상업용 제트 엔진도 그렇다. 제트 엔진에서는 성능과 경제성이 밀접히 결합되어 있다. 항공사에 매력적이려면 엔진은 연료소모와 유지보수를 최소화하도록 가능한 한 효율적이어야 한다. 높은 연료 효율은 높은 압축비와 높은 엔진 온도를 요구하고, 이는 다시 극도로 효율적인 컴프레서, 놀라울 정도로 강하고 가벼운 부품, 극한 온도를 견디는 소재를 요구한다. 더불어 상업용 제트 엔진은 분해정비에 들어가기 전까지 하루하루, 시간당 시간, 수만 시간 동안 연속으로 성공적으로 작동해야 한다.
이처럼 기술적으로 어렵고 복잡한 프로젝트를 수행할 수 있는 조직은 소수뿐이다. 세계에서 최첨단 반도체 팹을 운영하는 회사는 세 곳(삼성, 인텔, TSMC)뿐이다. 집계 방식에 따라 대형 상업용 항공기 제작사는 두 곳에서 네 곳(에어버스, 보잉, 엠브라에르, 그리고 최근의 코맥)뿐이다. 재사용 로켓 분야에서는 스페이스엑스가 독보적이다. 참여자가 적은 이유는 부분적으로 본질적인 기술적 난이도 때문이고, 또 부분적으로는 성공하려면 보통 수십억 달러를 써야 하기 때문이다. 최첨단 반도체 팹 건설에는 대략 200억 달러가 들고, 신형 상업용 항공기 개발에는 100억~300억 달러 이상이 든다.
대형 상업용 제트 엔진도 상황이 비슷하다. 소수의 회사만이 이를 생산한다: GE(단독 및 프랑스 사프란과의 CFM 합작), 프랫앤드휘트니, 롤스로이스.1 신형 엔진 개발은 수십억 달러가 드는 사업이다. 프랫앤드휘트니는 기어드 터보팬 개발에 약 100억 달러(2016년경 달러)로 추정되는 비용을 썼고, CFM 역시 LEAP 엔진 시리즈 개발에 수십억 달러를 들였음이 거의 확실하다. (최첨단 팹과 상업용 항공기와 마찬가지로, 상업용 제트 엔진의 기술적·경제적 난이도는 중국이 아직 뒤처지는 몇 안 되는 기술 영역임을 의미한다. 중국은 C919용 자국 엔진을 개발 중이지만, 아직 성공하진 못했다.)
문제는 작동하는 상업용 제트 엔진을 ‘하나 만드는 것’ 자체가 극도로 어렵다는 뜻은 아니라는 점이다. 항상 신형 엔진 프로젝트는 기술적 가능성의 경계를 밀어붙이며 새로운 영역—더 큰 출력, 더 높은 온도, 더 높은 압력, 새로운 소재—으로 들어선다는 데에 어려움의 본질이 있다. 제트 엔진의 능력을 한 단계 끌어올리기 위한 이해를 쌓는 데에는 시간과 노력, 비용이 든다.
제트 엔진은 1930년대에 영국의 프랭크 위틀과 독일의 한스 폰 오하인에 의해 독립적으로 발명되었다.2 당시 프로펠러 구동 왕복엔진 항공기는 시속 300~400마일 정도로 비행할 수 있었지만, 성능 향상은 점점 더 어려워지고 있었다. 더 높은 속도에서는 프로펠러 끝단이 음속을 초과해 충격파를 만들고 항력을 증가시켰다. 또한 왕복엔진의 출력을 더 키우는 것도 점점 어려워졌다—출력이 커질수록 엔진이 무거워져 출력 향상의 이점을 상쇄했다. 위틀과 오하인은 대안 추진계로 훨씬 더 높은 속도와 고도를 달성할 수 있다고 가정했고, 여러 대안을 조사하다가 가스 터빈 기반 추진 시스템, 즉 제트 엔진으로 수렴했다.
제트 엔진은 열기관의 일종으로, 열을 유용한 일로 변환한다. 증기 터빈이나 내연기관처럼, 제트 엔진은 작동 유체(이 경우 공기)를 흡입해 압축하고, 가열한 뒤 팽창시키며, 그 과정에서 가열된 유체로부터 일을 추출한다.
보다 구체적으로, 제트 엔진은 브레이튼 사이클로 작동한다. 공기가 엔진 전방으로 유입되고, 컴프레서를 지나며 압력이 높아진다. 이 압축 공기는 연소실로 들어가 연료와 혼합·점화되어 뜨거운 배기가스 흐름을 만든다. 이 배기가스는 터빈을 구동하며 팽창하면서 열에너지를 기계적 에너지(회전하는 터빈의 형태)로 바꾼다. 이 기계적 에너지는 터빈 앞의 컴프레서를 돌리는 데 쓰인다.
가스 터빈 발전소에서는 회전 터빈의 기계적 에너지가 모두 유용한 일을 한다. 일부는 컴프레서를 돌리고, 남는 에너지는 발전기를 구동한다. 제트 엔진에서는 에너지 사용 방식이 다르다: 일부는 터빈을 통해 컴프레서를 돌리는 데 쓰이지만, 나머지를 전기 생산에 쓰는 대신 뜨거운 배기가스로 추력을 만들어낸다. 공기가 풍선에서 빠져나가며 풍선을 앞으로 밀듯이, 이 뜨거운 배기가스가 항공기를 앞으로 민다.
작동 가능한 제트 엔진을 만들려면 몇 가지 핵심 지원 기술이 필요하다. 그중 하나가 컴프레서다. 브레이튼 사이클 엔진에서는 뜨거운 배기가스로부터 추출된 에너지의 대략 50%가 컴프레서를 구동하는 데 쓰인다(이 비율을 역일비(back work ratio)라고 한다). 역일비가 매우 크기 때문에(증기 터빈의 역일비는 1%에 가깝다) 컴프레서 비효율에서 오는 손실은 비례적으로 매우 커진다. 즉, 작동 가능한 제트 엔진은 손실 없이 최대한 많은 에너지를 전달하는 터빈과 컴프레서가 필요하다. 위틀이 성공할 수 있었던 이유 중 하나는 당시 최고 수준보다 훨씬 나은, 효율 80%의 컴프레서를 만들었기 때문이다. 당시 많은 동시대인들은 위틀이 65%만 내도 운이 좋을 것이라 여겼다—제트 엔진 설계자 스탠리 후커는 자신이 “위틀보다 더 효율적인 컴프레서를 만들지 못했다”고 회고했다.
또 다른 중요한 진전은 터빈 소재였다. 제트 엔진의 연료는 수천 도에서 연소하고, 터빈은 회전력과 고온을 견디기 위해 강도와 내열성이 모두 높아야 한다. 위틀의 첫 엔진은 스테인리스강 터빈 블레이드를 썼지만, 고장이 잦아 생산형 엔진에는 적합하지 않다는 사실이 드러났다. 첫 양산 엔진들은 니모닉이라 불리는 니켈 기반 ‘초합금’ 블레이드를 사용했는데, 훨씬 높은 내열성을 제공했다. 이후 보겠지만, 더 높은 엔진 온도를 필요로 하는 요구는 점점 더 정교한 내열 소재와 냉각 시스템의 개발을 밀어붙였다.
폰 오하인의 제트 엔진은 1939년 8월( 하인켈 He-178 탑재) 최초 비행을 했고, 위틀의 엔진은 1941년 5월 (E.28/39 탑재) 첫 비행을 했다. 2차대전 말까지 영국과 독일은 글로스터 미티어, 드 하빌랜드 뱀파이어, 메서슈미트 Me-262, 아라도 Ar234 등 다수의 제트기들을 실전에 투입했다.
미국은 초기에는 제트 엔진 개발에서 뒤처졌고, 첫 미 제트 엔진 노력은 영국 설계에 크게 의존했다. 미국에서 제작된 첫 제트 엔진 GE 1-A는 위틀의 W.2B/23을 복제한 것이었고, 미국 첫 양산 엔진 J31도 이를 바탕으로 했다. 미국 최초의 성공적 제트 전투기인 록히드 P-80 슈팅 스타의 시제기는 영국의 H-1 “Goblin” 엔진을 탑재했다(양산형은 미국의 J33 엔진 사용).
하지만 미군은 곧 제트 엔진이 항공기 성능에 갖는 잠재력을 인식했고, GE, 웨스팅하우스, 제너럴 모터스 같은 회사에 막대한 자금을 투입해 영국 엔진의 개량형을 만들고 자체 모델 개발을 시작하도록 했다. 미국 설계의 첫 제트 엔진 웨스팅하우스 J30은 1943년에 가동되었고, 1950년까지 군은 다양한 제조사로부터 12개가 넘는 제트 엔진 프로젝트에 자금을 댔다.
자금이 제트 엔진 개발로 흘러들면서, 엔진 성능과 기술은 빠르게 개선됐다. 영국의 최초 양산 엔진, 위틀 W.2B의 롤스로이스형인 웰랜드는 1942년 첫 가동 시 1,600파운드의 추력을 냈다. 1950년에는 프랫앤드휘트니 J57이 17,000파운드의 추력을 냈다.3 더 나은 내열 소재 덕분에 J57의 터빈 입구 온도는 웰랜드보다 수백 도 높았다. 또한 초기 제트 엔진은 공기를 바깥쪽으로 내미는 원심식 컴프레서를 썼지만, 이 방식은 공기를 압축할 수 있는 정도에 한계가 있었다. 1950년 무렵에는 J57을 포함해 대부분의 제트 엔진이 축방향 컴프레서로 전환했는데, 이는 엔진 길이 방향으로 다단 압축 단계를 거치며 공기를 압축하는 방식이다.
축류 컴프레서를 사용할 뿐 아니라, 2-스풀 설계를 채택하며 엔진은 더욱 개선됐다. 기본 축류 컴프레서 제트 엔진의 코어는 본질적으로 하나의 큰 가동부, 즉 한쪽 끝에 터빈이, 다른 쪽 끝에 다단 컴프레서가 달린 회전축으로 이뤄져 있다.4 이 구성에서는 터빈과 컴프레서의 모든 부분이 같은 속도로 회전한다. 하지만 엔진의 서로 다른 부분이 서로 다른 속도로 회전하는 것이 유리한 경우가 많다. 컴프레서 전방의 저압부와 후방의 고압부는 서로 다른 속도에서 가장 효율적으로 작동하며, 서로 다른 운용 조건 전반에 걸쳐 원활한 공기 흐름을 유지(그리고 컴프레서 스톨 같은 현상을 회피)하려면 컴프레서의 다른 부분들이 다른 속도로 회전하는 것이 유리하다.
엔진의 다른 부분을 서로 다른 속도로 회전시키는 한 가지 방법은 독립적으로 회전하는 두 번째 내부 축을 추가하는 것이다.5 J57은 최초의 2-스풀 터보제트였으며, 오늘날 대부분의 상업용 제트 엔진은 2개 또는 3개의 스풀을 사용한다. 2-스풀 설계는 더 높은 압축비, 따라서 더 높은 엔진 효율을 가능하게 했다. 웰랜드의 압축비가 약 4:1이었던 반면, J57은 약 11.5:1이었다.
원심식 컴프레서를 쓴 초기 제트 엔진의 개략도. 출처: 롤스로이스
축류, 트윈 스풀 터보팬 엔진. 출처: NASA
하지만 1950년대에 제트 엔진 성능이 크게 향상된 것은 결코 쉬운 성과가 아니었다. 제트 엔진은 뜨거운 기체의 운동과 거동에 대한 훨씬 더 깊은 이해와 장악을 요구했고, 왕복엔진보다 설계에 훨씬 더 많은 시간이 들었다. 프랫앤드휘트니의 한 임원은 J57 설계에 약 130만 인시가 든다고 언급했는데, 이는 왕복엔진의 두 배에 가깝다. 또한 왕복엔진은 비교적 두껍고 견고한 주조·단조품으로 만들 수 있었던 반면, 제트 엔진의 상당 부분은 얇은 판재의 특수 합금을 정교하게 성형해야 했고, 이는 새로운 복잡한 제조기술을 요구했다. ‘Dependable Engines: The Story of Pratt & Whitney’에서:
...제트는 더 높은 온도와 압력을 견딜 수 있는 판재용 합금의 개발 덕분에 비로소 가능해졌다. 그리고 프랫은 판재를 어떻게 용접할지도 알아내야 했다. ‘제트의 판재 부품에는 결합부가 매우 많기 때문에, 응력의 분포가 가장 중요한 설계 고려사항 중 하나다. 용접은 단순한 체결수단이 아니라 실제 설계 요소가 된다’고 호너는 말했다.
그는 제트로 전환하는 과정의 많은 문제를 언급했다: 비교적 큰 지름에 매우 얇은 벽을 가진 부품, 컴프레서와 터빈의 각종 구성품들, 그리고 ‘시작점도 끝점도 없는 것처럼 보이는 난해한 치수의 공기역학적 형상’의 에어포일들.
그는 이를 ‘왕복엔진의 익숙하고 튼튼한 단조·주조품과는 대조적인, 기이한 말들과 이상한 고양이’라고 불렀다. 그리고 그 모든 판재와 기이한 형상은 많은 공구를 필요로 했다. 작은 J30을 만들 때 프랫은 5,250개의 공구가 필요했다. 1952년 호너가 연설할 즈음 J57에는 2만 개의 공구가 있었다.
이 복잡성은 신형 제트 엔진 개발을 어렵고 시간이 많이 들게 만들었다. 원심식 컴프레서 기반 초기 제트 엔진은 비교적 수월하게 완성됐다. 데뷔 당시 세계에서 가장 강력한 항공기 엔진이었던 롤스로이스 니네는 설계 시작에서 작동 엔진까지 단 5개월이 걸렸다. 하지만 축류 컴프레서 기반 엔진은 더 높은 성능이 가능했음에도, 다단 압축 단계 전체를 통해 공기가 제대로 흐르도록 보장하는 것이 어려워 설계·제작 난도가 훨씬 컸다.6 초기 제트 엔진 설계자 스탠리 후커는 니네의 후속 축류 컴프레서 엔진 에이번의 각종 문제를 해결하는 데 7년이 걸렸다고 적었다. GE의 첫 축류 컴프레서 엔진 J35 역시 비슷한 시간이 필요했다. 어렵고 시간이 많이 든다는 것은 곧 비싸다는 뜻이기도 했다. 프랫앤드휘트니의 J57 개발에는 약 1억5천만 달러가 들었는데, 2025년 달러로 약 20억 달러에 해당한다.
에이번, J35, J57 같은 엔진의 성공 뒤에는 수많은 실패가 있었다. 최대 증기 터빈 제조사 중 하나였던 웨스팅하우스는 초기 제트 엔진 계약의 큰 몫을 따내며 주요 제트 엔진 제조사로 부상할 기회가 있었지만, 회사는 새로운 기술을 숙달하는 데 필요한 R&D 투자에 소극적이었고, 성능 목표를 만족하는 신뢰성 있는 엔진을 만드는 데 애를 먹었다. 웨스팅하우스의 J30 엔진은 반복적인 개발 지연과 문제에 시달렸고, 프랫앤드휘트니가 이를 바로잡아야 했다. 엔진이 마침내 준비되었을 때조차 “간신히 만족스러운 수준”의 성능만 제공했다. J40 엔진은 더 큰 곤란을 겪었다: 저추력 버전은 3년 지연되었고, 고추력 버전은 끝내 성공적으로 납품되지 못했다. “재앙”과 “대실패”로 불린 J40 프로그램은 결국 취소되었다.
웨스팅하우스만의 문제는 아니었다. 대형 항공기 왕복엔진 제조사였던 커티스-라이트는 1956년까지 미군으로부터 11개의 제트 엔진 계약을 따냈지만, 제트 엔진 제조로 전환하는 데 엄청난 어려움을 겪었다. J65와 J67 제트 엔진은 기존 엔진에 기반하고 있었음에도 “지속적으로 출력 부족과 잦은 고장”에 시달렸고, 회사는 “공학적 서투름”의 평판을 얻었다. 어느 공군 당국자는 서한에서 회사 문제를 이렇게 묘사했다:
YJ와 J65 프로그램의 시작부터, 귀 경영진은 자신들이 맡은 일의 규모를 제대로 인식하지 못한 것으로 보인다. 또한 다음에 대한 관리가 불충분했다: 해당 업무의 공구, 제조 공정과 기법, 품질관리, 시험 프로그램—라이트 항공기 본사와 하도급업체 모두에서….
… 실패의 원인을 설명하기 위해 귀사의 엔지니어링 부서가 제시한 많은 이론은 근거 없다는 것이 밝혀졌다. 우리의 판단으로는, 제조 [관행] 결함을 바로잡기 위해 엔지니어링 변경이 제안·반영되었다.
이는 “제트 엔진의 설계·제작·시험이라는 사업을 관리하고, 심지어 이해하는 능력”에 대한 공군 측의 수십 차례에 이르는 문제 제기 중 하나였을 뿐이다. GE 또한 J33과 J47 엔진에서 비슷한 어려움을 겪었다. J33에 대해, 록히드 스컹크웍스로 유명한 켈리 존슨은 엔진의 “형편없는 설계 요소와 형편없는 정비성”을 비판하며, 다음과 같이 지적했다: “기본적인 비행 시험의 진전은 [P-80]을 계속 비행 상태로 유지하지 못하는 바람에 매우 느렸다.”
엔진 테일 콘은 20시간 사용 후 균열이 생겼고, GE는 이를 교체하려면 2~3개월이 걸린다고 통보했다. 터빈 휠은 50시간 미만 운전 후 고장 났지만, GE는 재설계를 지연했다. 존슨은 ‘특정 엔진 변경의 조악한 엔지니어링 설계’, ‘형편없는 가공’, ‘비행에 안전하지 않은 엔진 납품’에 분통을 터뜨렸다.
공군이 1950년까지 3억 달러(2025년 달러 약 40억 달러)를 지출한 J47 프로젝트는 극심한 지연과 기술 문제에 시달렸다. 엔진이 결국 실전에 들어갔지만 신뢰성이 낮아 처음에는 대정비 사이 평균 비행시간이 11시간에 불과했다. 엔진은 결국 광범위한 개조가 필요했고, 현장에서 작업해야 했으며 수백만 달러가 들었다. GE의 J47 성과가 부진하자 공군은 “GE의 새로운 개발에 대해 낙관하기 어렵다”고 평가했다.
보다 넓게 보면, 제트 엔진의 높은 성능은 의심의 여지가 없었지만(1953년 첫 비행한 F-100은 수평 비행으로 음속을 돌파한 미군 최초의 전투기였다), 성능의 경계를 지속적으로 밀어붙이면서 동시에 엔진을 안정적·일관적으로 작동시키는 일은 어려웠다. 한국전쟁 당시 공군 보고서는 제트 엔진 고장이 주요 중대 사고 원인이라고 지적했다: 1951년에만 이런 고장이 149건 발생해 항공기 95대가 파괴되고 조종사 25명이 사망했다. 엔진이 너무 불신뢰해서 공군 모집에도 지장이 있었다: 조종사들은 “제트기로 배워야 한다면 더 이상 공군에 들어오고 싶어하지 않았다.”
제트 엔진의 높은 성능은 군이 개발을 지원하고 많은 결함을 감수하도록 만들었다. 하지만 상업용 항공기에 이를 적용하려면 더 많은 개선이 필요했다. 상업용 제트 엔진은 단지 성능 목표를 충족하는 데 그치지 않는다—수익성을 갖춰야 한다.
항공기 제조사들은 1940년대 후반부터 제트 여객기를 고려하기 시작했지만, 초기에는 관심을 가진 항공사가 많지 않았다. T.A. 헤펜하이머는 상업 항공의 역사에서 항공업계의 반응을 이렇게 묘사한다:
...상업 기업으로서의 항공사들은 제트의 비용과 성능 한계를 결코 받아들일 수 없었다. 항공사 경영진이 알던 제트 엔진은 여전히 연료를 많이 먹었고, 그것이 동력인 항공기는 여전히 항속거리가 제한될 것이었다… 그 시대의 제트 엔진은 많은 정비를 요구했고, 이는 항공기를 운항에서 빼내어 수익 창출 능력을 떨어뜨리므로 비용을 더욱 끌어올릴 것이었다. TWA의 사장 랄프 데이먼은 ‘오늘날 제트기의 유일한 문제는 돈이 안 된다는 것이다’라고 업계의 일반적 견해를 표명했다.
이번에도 영국이 앞장섰다. 영국 제작의 드 하빌랜드 코멧 여객기는 1952년에 취항했고, 4기의 드 하빌랜드 고스트 터보제트로 구동되었다. 코멧은 결국 실패했다(사각형 창 주변의 피로 파괴로 두 번의 추락이 발생해 운항이 중단되었다). 하지만 제트 여행이 비싸긴 해도 수익을 낼 수 있음을 입증했다. Turbulent Skies에서:
[코멧의] 운항 비용은 [프로펠러기] DC-6의 거의 세 배였다. 그러나 좌석은 거의 항상 만석이었고, BOAC는 표준 운임만 받았음에도 새로운 제트기로 실제로 돈을 버는 놀라운 상황에 놓였다. 이 사실은 다른 항공사 경영진들을 끌어들였다. 그중에는 팬암의 창립자 후안 트리페도 있었다. 그는 좌석 76석의 코멧 III를 약속하던 제프리 드 하빌랜드 경을 만나 10월에 3대를 주문하고 7대에 대한 옵션을 걸었다.
트리페의 대담한 결정은 다른 항공사들로 하여금 따라갈 수밖에 없게 만들었다:
…제트기가 경제성 면에서 의심스럽더라도, 대중적 매력은 생생하고 부인할 수 없었다. 코멧이 이를 보여주었다… 이는 트리페가 제트기를 취항시키는 순간, 그가 다른 모든 이들의 알짜 수요를 가로챌 수 있음을 의미했다. 특히 대서양 노선을 운영하는 다른 항공사들은 제트기를 사든가 파산하든가 둘 중 하나였다.
1955년 10월, 트리페는 팬암을 위해 제트기 45대를 주문했다: 보잉 707 20대와 더글러스 DC-8 25대. 두 항공기 모두 프랫앤드휘트니 JT3로 구동되었는데, 이는 J57의 상용 버전이다.
상업 운항의 요구는 제트 엔진 성능을 계속 끌어올렸다: 연료 소모를 최소화하기 위한 더 높은 압축비와 온도, 더 긴 대정비 간격. 이는 기술을 지속적으로 전진시켜야 함을 뜻했다. 예를 들어 초기 제트 엔진은 주로 강과 알루미늄으로 만들어졌지만, 1960년대에는 티타늄과 인코넬 같은 ‘초합금’이 주재료가 되었다. 1950년대에도 제작이 어려웠던 터빈 블레이드는 더 복잡해져, 냉각 공기가 블레이드 내부를 흐를 수 있도록 정교한 내부 구조를 갖추게 되었다.
상업용으로서 제트 엔진 발전의 또 다른 핵심은 터보팬이었다. 전통적 제트 엔진에서는 모든 공기가 컴프레서를 지나 연소실로 들어가고, 터빈을 거쳐 뒤로 배출된다. 이를 터보제트라 부른다. 하지만 엔진 스풀에 엔진 본체보다 큰 팬을 달면, 일부 공기는 엔진을 통과하지 않고 외곽(덕트)으로 우회한다.
팬을 추가하면 여러 장점이 있다. 터보제트에서는 뜨거운 배기가스가 높은 속도로 배출되는데, 제트 엔진은 배기류의 속도가 가능한 한 느릴 때 가장 효율적이다. 팬에 의해 엔진 외곽으로 이동하는 공기는 연소실을 통과한 뜨거운 배기보다 훨씬 느려 연료 효율을 개선한다. 이 느린 공기는 소음도 훨씬 낮다—이는 사람들이 제트기 소음에 질려가고 있었기 때문에 중요했다. 큰 팬은 추력 증대도 쉽게 만들어 더 크고 무거운 항공기를 띄울 수 있게 한다.
팬을 제트 엔진에 더하는 방식은 다양하다. GE는 컨베어 990 여객기용 CJ805에 후방 장착 팬을 추가했다. 1980년대에 개발된 GE36 무덕트 팬 역시 후방 장착 팬을 특징으로 했다. 전방에 전통적 프로펠러를 달아 스풀을 구동하는 터보프롭도 넓게 보면 팬 엔진의 일종이다. 하지만 대형 상업용 항공기에 채택된 구성은 전방의 대형 덕트 팬, 즉 터보팬이었다. 오늘날 사실상 모든 대형 상업용 항공기는 고바이패스 터보팬(공기의 아주 큰 비율이 엔진 코어를 우회하는 엔진)으로 구동된다.
팬 엔진은 위틀이 최초 제트 엔진을 설계할 때부터 제안되었고, 터보팬은 1950년대부터 등장했다. 롤스로이스는 1955년에 콘웨이 터보팬을, 프랫앤드휘트니는 1959년에 JT3의 터보팬 버전 JT3D를 선보였다. 이 초기 터보팬의 바이패스비(컴프레서·터빈을 통과하지 않고 우회하는 공기량과 코어를 통과하는 공기량의 비율)는 비교적 낮았다: 콘웨이는 0.3, JT3D는 1.4. 하지만 1960년대 후반에는 거대한 고바이패스 엔진이 제작되었다. 보잉 747을 구동한 프랫앤드휘트니 JT9D의 바이패스비는 거의 5:1이었고, GE의 TF39는 8:1이었다. (현대의 LEAP 엔진은 10~11:1 수준이다.)
이러한 개선의 결과로 엔진 성능은 계속 상승했다. 더 높은 바이패스비, 압축비, 터빈 온도는 연료 소모를 줄였고, 엔진 경량화도 한몫했다. 엔진 신뢰성은 향상되었고, 대정비 간격은 늘었으며, 엔진 고장은 훨씬 드물어졌다. 초기 제트 엔진이 10시간 비행 후 분해정비가 필요했던 데 비해, 1960년대에는 대정비까지 거의 1,000시간을 운용했다.
제트 엔진의 시간당 연료소모율(SFC) 변화. 출처: Ballal and Zelina 2012
제트 엔진의 추력 대비 중량비 변화. 출처: Ballal and Zelina 2012
제트 엔진의 압력비 변화. 출처: Ballal and Zelina 2012
그러나 이런 성능은 또다시 싸워서 얻어야 했다. 첫 제트기 비행 이후 30년이 넘은 1970년대에도, 신형 제트 엔진을 취항시키는 일은 여전히 믿기 어려울 만큼 어렵고 비쌌다. 개발비는 10억 달러에 근접했다: 롤스로이스는 RB211을 취항시키는 데 8억7,400만 달러(2025년 달러로 거의 70억 달러)를 썼고, 지연과 초과 비용으로 회사가 파산해 영국 정부가 회사를 국유화해야 했다. GE의 TF39는 개발 초기 엔진 고장이 빈발했고, 형식 인증 시험에 거듭 실패했다. 프랫앤드휘트니는 JT9D 개발에서 심각한 지연과 문제에 시달렸고, 보잉은 엔진 납품이 지연되자 완성된 747의 날개에 실제 엔진 대신 콘크리트 블록을 매달아야 했다.7 취항 후에도 JT9D는 비효율적이고 신뢰성이 낮은 것으로 드러났으며, 조기 고장과 “서지”(컴프레서 내 공기 흐름이 역류하는 잠재적 위험 현상) 경향을 보였다. 이 문제들을 해결하는 데 몇 년이 걸렸다. 프랫앤드휘트니의 군용 F100 엔진도 마찬가지로 1970년대에 심각한 운용·신뢰성 문제로 “큰 논란”을 낳았다.
왜 신형 제트 엔진 개발이 이렇게 어려운지 구체적으로 이해하기 위해, 특정 엔진 하나의 역사—RB211—를 살펴보자. RB211은 롤스로이스가 설계·제작한 고바이패스 터보팬 엔진으로, 원래는 불운했던 록히드 트라이스타용이었다. RB211은 결국 매우 성공해—총 3,760대를 판매했고, 현재의 트렌트(Trent) 엔진 라인의 기반이 되었다—지만, 개발은 너무 오래 걸리고 예산을 크게 초과해 회사를 파산에 이르게 했다. 다행히 롤스로이스 헤리티지 트러스트가 발간한 책이 RB211의 역사를 상세히 기록하고 있어, 엔진을 실용화하기 위해 어떤 도전들을 극복해야 했는지 정확히 볼 수 있다.
RB211의 설계는 1967년 초, 700명의 엔지니어 팀으로 시작됐다. 설계상 이 엔진은 롤스로이스의 이전 대형 터보팬 엔진 콘웨이에 비해 큰 도약이었다:
콘웨이와 비교하면 추력은 거의 두 배, 공기 유량은 3.7배, 팬 지름은 거의 두 배였고, 그럼에도 엔진 길이는 약간 더 짧았다. 이륙 시 압력비는 17:1에서 25:1로(순항 상단에서는 27:1) 증가했고, 설계된 터빈 입구 온도는 무더운 날 이륙 시 1488K로 약 150도 섭씨 더 높았다. 상승·순항 온도도 상당히 높았다. 기본 엔진(파워플랜트 제외) 중량은 5,160파운드였던 콘웨이에 비해 8,861파운드였다.
목표 성능을 달성하기 위해 RB211에는 몇 가지 새로운 특징이 있었다. 2-스풀 대신 3-스풀을 사용해 엔진 각 부분의 회전 속도를 더 최적화했다. 중량을 최소화하기 위해 엔진의 많은 부품, 특히 전방 팬8을 탄소섬유나 유리섬유 강화 플라스틱 같은 복합재로 제작하려 했다. 이와 다른 개선으로 콘웨이에 비해 연료 소모를 21% 줄이고, 소음도 낮출 수 있을 것으로 추정되었다.
RB211의 초기 설계는 1967년 10월에 완료되었고, 회사는 시험용 첫 엔진 제작에 들어갔다. 모든 것이 순조롭다면 록히드 트라이스타에 장착한 첫 비행은 1970년 11월이었다.
하지만 1968년 8월 시험이 시작되자 엔진에는 수많은 문제가 있음을 곧 알 수 있었다. 초기 시험 후 엔진을 점검하니 연소실 라이너가 타고 변형되어 있었고, 씰이 망가지고, 스테이터가 균열되었으며, 팬 블레이드의 탄소섬유 층이 박리되고 있었다. 가이드 베인(공기 흐름을 재지향하는 에어포일 구조물)에도 균열이 있었고, 일부는 열에 탔으며, 다른 부분은 터빈 블레이드와 간섭하며 마찰 흔적이 있었다. 엔진은 설계 추력의 절반 정도만 냈고, 서지가 반복적으로 발생했다. 시험이 계속되면서 문제는 늘어났다. 1969년 초까지 99개의 주요 결함이 진단되었다. 9월에는 주요 결함 수가 175개로 늘었다.
설계팀은 느리지만 치밀하게 문제를 하나씩 규명하고 설계를 재작업했다. 고쳐야 했던 문제 중 일부만 예로 들면 다음과 같다:
컴프레서에서, 유리섬유 강화 플라스틱으로 만든 스테이터와 베어링 하우징 같은 부품을 더 튼튼한(하지만 더 무거운) 금속 부품으로 교체했다. 고압 컴프레서 드럼은 공기 누출, 조기 파손, ‘타원화(ovalization)’ 문제를 해결하기 위해 반복적으로 재설계되었고, 컴프레서 일부 소재는 티타늄에서 인코넬 합금으로 바뀌었다. 서지 문제를 줄이기 위해 가변 입구 가이드 베인을 컴프레서에 복잡하게 추가했다. 컴프레서 블레이드는 조기 파손을 피하도록 보강했고, 가이드 베인은 판재에서 더 견고한 단조품으로 바꾸었다.
연소실에서는 라이너를 더 두껍고 전반적으로 강하게 만들었고, 공기 흐름을 개선하고 터빈에서의 공기 누출을 줄이기 위해 연소실 전체를 재설계했다. 케이싱의 열처리 공정을 바꾸고, 열팽창 문제를 막기 위해 케이싱에 와이어 감기를 추가했다.
엔진을 냉각하는 2차 공기 시스템은 누설을 줄이기 위해 전면 재설계했다.
전방의 탄소섬유 팬은 조류 충돌을 견딜 만큼 충분히 강하게 만들 수 없어, 티타늄 팬으로 대체했다. 팬 케이스도 보강을 위해 여러 차례 재설계했는데, 알루미늄에서 티타늄으로 변경하는 것 등이 포함됐다.
터빈에서는 고압 터빈 디스크 소재를 니모닉에서 또 다른 니켈 기반 초합금인 와스팔로이로 바꾸었다. 터빈 블레이드와 가이드 베인 사이의 간극을 넓혀 진동 문제를 줄였고, 터빈 씰을 재설계했으며, 터빈 블레이드에 냉각 구멍을 추가했다. 터빈 가이드 베인은 냉각을 개선하도록 재설계했다.
진동 문제와 관련 파손을 줄이기 위해 엔진 곳곳을 보강했다.
이 문제를 진단하고 필요한 변경을 구현하는 데에는 엔진 시험—고장 관찰—수정—재시험의 고된 실험이 몇 달씩 걸렸다. 어떤 경우에는 엔지니어들이 특정 해결책에 엄청난 노력을 쏟았지만, 끝내 작동하지 않아 포기해야 했다. 예컨대 탄소섬유 팬 블레이드는 개발 시작 후 2년이 넘은 1970년에야 최종적으로 포기되고 티타늄 블레이드로 바뀌었다.
각종 고장을 해결하는 데 시간이 들면서 개발 일정은 지연됐다:
1969년 말까지, 3,000시간을 계획했던 벤치 가동 시간은 1,270시간에 그쳤고, 엔진 7호의 특별 가동을 제외하면 40,000파운드 추력에 도달한 엔진은 없었다. 대부분의 엔진은 고장으로 인해 시험대에서 조기에 철거되었다.
1970년 말까지 프로그램은 일정이 1년 늦춰졌고, 엔진 런치 비용은 두 배가 되었다. 1971년 초 회사는 파산을 선언했다. 하지만 좌절에도 불구하고 팀은 문제를 계속 해결해 나갔다: 1971년 중반까지 “엔진의 고장 빈도가 낮아졌고, 월 100시간이던 가동 시간이 월 220시간으로 늘었다.” 성능은 개선되었고, 엔진의 추력은 꾸준히 올라갔다. 1972년에는 엔진이 안정적으로 작동했다. 그해 초 형식 인증을 받았고, 4월 첫 상업 비행을 수행했다.
물론 RB211의 고난이 완전히 끝난 것은 아니었다—상업 운항을 시작한 뒤 모든 문제를 해결하는 데 6년이 더 걸렸다—그러나 최종 결과물은 성공적인 엔진이었고, 그 파생형은 오늘날까지 생산되고 있다.
모든 신형 제트 엔진이 RB211과 같은 고생을 겪는 것은 아니지만, 1950년대 이후로 개발은 언제나 비싸고 시간이 많이 들었다. 인플레이션을 감안한 신형 제트 엔진 개발비는 거의 항상 수십억 달러였다:
B-52를 구동했고 상용형이 미국의 1세대 제트 여객기를 띄운 J57은 인플레이션 반영 시 약 20억 달러가 들었다.9
SR-71 블랙버드를 띄운 J58은 약 70억 달러에 가깝다.
1960년대부터 2000년대 초까지 신형 군용 제트 엔진의 평균(인플레이션 반영) 개발비는 15억 달러였다.
1990년대 후반2000년대 초 프랫앤드휘트니와 제너럴 일렉트릭은 신형 제트 엔진 개발 비용이 20억 달러 이상(2025년 달러 3040억 달러)에 이르렀다고 추정했다.
이 막대한 비용 때문에 신형 제트 엔진이 투자금을 회수하는 데 15~20년이 걸릴 수 있다.
‘작동하는’ 제트 엔진을 만드는 일이 그렇게 어렵고 비싸서가 아니다. 롤스로이스는 1960년대 초 기술 시범 엔진 RB178을 2025년 달러 8,400만 달러, 즉 RB211 전체 개발비의 약 2%로 제작했다. 설계 시작 몇 달 만에 첫 RB211 엔진 제작을 시작하기도 했다. 마찬가지로 GE의 TF39 기술 시범기도 2025년 달러 2억 달러로, 전체 프로그램 비용의 일부에 불과했다.
어려운 점은 추력, 연료 소모, 유지보수 비용 등 각종 성능 목표를 만족하는 엔진을 만드는 일이다. 현존 기술 수준을 크게 개선하지 못한다면 새 엔진을 설계할 이유가 없다. 그래서 엔진 개발 프로젝트는 항상 기술 경계를 민다: 더 높은 압축비, 더 높은 온도, 더 가벼운 중량, 더 큰 팬 등. 이미 시장에 나온 것보다 개선되지 못한 엔진은 경쟁력이 없고, 이러한 성능 목표는 대개 항공기 제조사와의 계약상 의무이기도 하다.
이러한 개선을 이루려면 엔진 기술을 지속적으로 전진시켜야 한다. 예컨대 더 높은 배기 온도를 견디기 위해 터빈 블레이드는 점점 더 진보해 왔다: 현대의 터빈 블레이드는 정교한 내부 냉각 구조를 갖추고, 인코넬이나 티타늄 알루미나이드 같은 고온 초합금으로 만들어지며,10 결정립계 결함을 없애기 위해 종종 단결정으로 주조된다. RB211에서 탄소섬유 팬 블레이드는 실패했지만, 제조사들은 포기하지 않았고 CFM LEAP 엔진에는 이런 블레이드가 쓰인다.
터빈 입구 온도와 터빈 블레이드 냉각 기술의 진화. 출처: 링크
터빈 블레이드 냉각 구조의 진화. 출처: 롤스로이스
경계를 민다는 것은 미지의 영역에서 작동한다는 뜻이고, 해결에 시간과 노력이 드는 새로운 현상과 예기치 못한 문제가 불가피하다는 의미다. RB211의 많은 문제는 더 높은 엔진 온도를 견디기 위해 필요한 소재에 대한 롤스로이스의 경험 부족에서 비롯되었다.
이런 경계 밀어붙이기가 어려운 이유의 일부는 엔진이 충족해야 하는 요구조건이 매우 엄격하기 때문이다. 제트 엔진은 엄청난 양의 열에너지를 다루고 정밀하게 제어해야 한다—현대의 대형 제트 엔진은 100메가와트 급의 출력을 낸다—그리고 가능한 한 적은 질량으로 이를 해내야 한다. 1930년대 포드 V8 자동차 엔진은 마력당 약 7파운드의 중량이었다. 2차대전기의 항공기 왕복엔진은 마력당 약 12파운드였다. 1950년대의 J57 제트 엔진은 마력당 약 0.10.2파운드에 불과했다.
상업용 제트 엔진은 해마다 수천 시간씩, 대정비에 들어가기 전까지 여러 해 동안 가동되어야 하므로 높은 내구성과 피로 저항이 요구된다. 터빈 내부 소재의 녹는점의 거의 두 배에 해당하는 약 3000°F 이상의 온도에서 연료를 연소해야 한다. 터빈과 컴프레서는 분당 10,000회전이 넘게 회전하면서도, 성능과 효율을 극대화하기 위해 단계 사이의 공기 누출을 최소화해야 한다.
상업용 제트 엔진은 매우 다양한 대기 조건—고온·저온, 해수면 및 고고도 공기압, 다양한 바람 조건 등—에서 작동해야 한다.11 비·얼음·우박·조류 충돌을 견뎌야 한다. 팬이나 터빈 블레이드의 파단이 발생해도 엔진 내부에 안전하게 가둘 수 있어야 한다.
이 모든 조건을 만족하는지 확인하려면 수천(혹은 수만) 시간의 시험이 필요하며, 이 기간 동안 엔진은 온갖 가혹 조건에 노출된다. CFM LEAP의 시험에서는 두께 1인치의 얼음 슬래브를 전방 팬에 직접 발사했고, 엔진은 3,500파운드에 달하는 모의 우박을 흡입하면서도 계속 작동해야 했다. 엔진은 비행 포락 전반에서의 거동을 보기 위해 수백 시간의 비행 시험을 거쳐야 한다. LEAP 엔진의 비행 시험을 할 때 GE는 이미 보잉 747 한 대를 시험기에 쓰고 있었지만, 비행 시험이 워낙 방대해 747 한 대를 더 구매했다.
수백 명의 목숨이 달린 영역에서, 경계에 가까운 성능을 내고 가능한 한계에 가까운 곳에서 작동한다는 것은 제조가 극도로 주의 깊고 정밀해야 함을 뜻한다. 다른 기술에서는 용인될 수 있는 작은 결함이나 실패가 제트 엔진에서는 치명적일 수 있다. 롤스로이스 트렌트 엔진을 단 A380에서 비행 중 발생한 엔진 고장—터빈 디스크가 파단되어 엔진 전체를 찢어발긴 사건—은 벽 두께가 0.5mm 더 얇게 가공된 단 한 개의 오일 파이프에서 비롯되었다. 프랫앤드휘트니는 터빈 디스크 분말 제조에 쓰인 “미세 오염물” 때문에 기어드 터보팬의 제조 결함을 바로잡느라 수십억 달러를 잃었다.
이 모든 것 때문에 신형 제트 엔진 프로젝트는 엄청난 리스크를 동반한다. 제조사들은 이 리스크를 줄이기 위해 가능한 한 기존 기술을 재활용하고, 새로운 미지 요소를 최소화하려고 한다(또한 형식 인증 시험 비용도 줄인다). 상업용 엔진은 종종 군용 엔진에서 파생되는데, 이 경우 정부가 이미 지연과 초과 비용을 부담해 준 셈이다. 록히드 C-5 수송기를 구동하도록 설계된 GE의 TF39는 민수용 CF6으로 진화했고, CFM의 성공작 CFM56은 B-1 폭격기용으로 개발된 엔진 코어(컴프레서·연소실·터빈)를 사용했다. 프랫앤드휘트니의 군용 J57은 상용 JT3이 되었다.
엔진 제조사들은 완전히 새로운 엔진을 처음부터 개발하기보다는 기존 엔진의 성능을 개선하려 애쓴다. 롤스로이스는 거의 60년 전 설계된 RB211을 아직도 기반으로 삼고 있다. 1970년대 콩코드를 띄운 롤스로이스 올림퍼스 엔진도 1940년대에 처음 설계된 엔진을 확대한 버전이었다.
프랫앤드휘트니 초기 제트 엔진에서의 기술 교류. 출처: Sens and Meyer 1970. 주: J42와 J48은 롤스로이스 니네와 테이의 라이선스 생산형으로, 기술 교류의 산물이기도 하다.
상업용 항공기와 마찬가지로, 완전 백지에서 시작하기보다 기존 엔진 설계를 늘리고 개선하는 편이 훨씬 쉽고 리스크가 낮다. 그리고 오직 막대한 성능 향상의 잠재력만이 백지개발을 정당화할 수 있다.
군용 엔진과 소형 제트 엔진의 경우에는 생산자가 더 많다.
이는 J57이 성능을 높여 주는 애프터버너를 포함했기 때문이기도 하다. 애프터버너는 뜨거운 배기에 연료를 분사해 출력을 높인다.
물론 실제 제트 엔진에는 펌프, 기어박스 등 더 많은 가동부가 있다.
복수 스풀만이 유일한 해법은 아니다. 엔진 속도에 따라 피치를 바꾸는 정익(압축 단계 사이에서 공기를 재지향하는 고정 에어포일)을 사용해 문제를 풀 수도 있다. GE는 초기 몇몇 엔진에서 복수 스풀 대신 가변 정익을 사용했다.
스탠리 후커는 다단 축류 컴프레서가 왜 원심식보다 훨씬 만들기 어려운지, 왜 서지 등 공기 흐름 문제에 취약한지에 대한 비유를 남겼다:
다른 방식으로 보자면, 공기를 압축하는 것은 빗자루로 물을 비탈길 위의 턱까지 밀어 올리는 것과 다소 비슷하다. 있는 힘껏 한 번에 쓸면 물은 턱을 넘어간다. 이것이 원심 임펠러가 취하는 방식이다. 반대로 수백 개의 작은 솔로 빠르고 작은 동작을 반복해 물을 서서히 비탈 위로 밀어 올릴 수도 있다. 제대로 배열되면, 이는 한 번의 큰 휩쓸림보다 훨씬 효율적이다. 이것이 최대 속도로 돌아가는 축류 컴프레서의 방식이며, 작은 솔은 축류 ‘스풀’의 다수 블레이드에 해당한다. 그러나 턱에 가까워질수록 쓸어 올리는 속도가 줄어든다면(부분 부하 운전 시처럼), 일부 물은 아래로 되돌아갈 것이다. 이것이 서지와 비슷한데, 컴프레서의 공기 흐름 방향이 뒤집혀 뒤로 흐르는 현상이다.
물론 큰 휩쓸림도 충분히 강하지 않거나 비탈이 너무 가파르면 물은 턱에 도달하지 못하고 원심 컴프레서도 서지에 빠질 수 있다. 하지만 축류 컴프레서의 작은 연속 쓸기 동작에 비하면 그 가능성은 훨씬 낮다. 이 비탈의 경사도는 압력비에 해당한다—더 가파를수록 더 높은 압축이다.
따라서 약간만 생각해 보면 축류 컴프레서는 기계적·공력적 문제가 가득 차 있음을 알 수 있고, 실제로도 그랬다.
프랫앤드휘트니는 개발 중 늘어나는 747의 중량을 감당하기 위해 더 많은 추력을 짜내려 했는데, (긴 연구 끝에 밝혀진 바에 따르면) 그 과정이 엔진의 변형과 ‘타원화’를 일으켜 추력과 연료 효율을 떨어뜨렸다. 이 문제는 결국 보잉이 더 강성 높은 엔진 장착대를 설계해 해결했다.
탄소섬유 팬이 위험하고 실패할 수 있음을 인지했기 때문에, 백업으로 티타늄 팬도 함께 설계했다.
여기에는 초기 생산 엔진 일부 비용이 포함되었을 수 있어, 순수 개발비만은 아닐 수 있다.
내가 파악한 바에 따르면, 니켈 기반 초합금은 단결정 블레이드로 주조하고, 더 새로운 티타늄 알루미나이드는 단조로 만든다.
아주 더운 날씨와 고고도 공항에서의 이륙 요구조건은 엔진 성능 설계의 주요 제약이라고 한다.
