극한환경에 대비한 엔진 개발

극한환경에 대비한 엔진 개발

롤스로이스의 민간항공 부문 로리 클락슨(Rory Clarkson)에 의하면 롤스로이스 엔진은 극한환경에 대비해야 하며, 데이터를 통해 어떻게 그것을 가능케 할지 고민하고 준비해야 한다고 말합니다.

상업비행 중 항공기는 모든 것이 계획대로 진행된다 하더라도 극한환경을 견뎌내야 합니다.

민간항공기는 보통 시속 600마일(mph) 속도로 비행할 때, 영하 60도에 이르는 40,000피트 (약 12,200m)의 높이까지 이를 수 있습니다

높은 고도에서 구조물의 냉동현상을 대비하기 위해 모든 롤스로이스 엔진은 캐나다 매니토바(Manitoba, Canada)에 있는 글래시어(GLACIER : Global Aerospace Centre For Icing and Environmental Research) 시설에서 철저한 저온시험을 받아야 합니다.

엔진은 예기치 못한 상황을 극복할 수 있어야 합니다. 따라서, 2010년부터 극한조건이 항공기 엔진에 미치는 영향을 연구하는 엔진환경 보호팀(Engine Environmental Protection Team)을 이끌고 있는 로리 클락슨은 트렌트 엔진이 어떤 상황에도 대비할 수 있도록 노력하고 있습니다.

10년 전 로리가 팀을 처음 맡을 때 그들은 비, 우박, 그리고 얼어붙은 구름과 같은 결빙조건에 초점을 맞추고 있었습니다. 그러나 2010년 아이슬란드 화산인 에이야프야틀라이외쿠틀 (Eyjafjallajokull)이 폭발하면서 전 세계 항공업계에 많은 것이 변화되었습니다.

로리는 롤스로이스의 항공사 고객과 영국 기상청의 방대한 데이터를 분석해 항공기가 안전하게 비행할 수 있는 화산재 양을 결정하는 새로운 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 로리의 모델은 모든 항공사들이 화산 폭발에 의한 비행 중단 여부를 판단할 수 있도록 도움으로써 향후 화산폭발로 인한 피해를 최소화할 수 있도록 하였습니다. 또한 이 모델은 모래폭풍과 같은 다양한 대기환경에 대한 연구를 수행하는데 기초를 제공하고 있습니다. 모래와 화산재는 구성이 유사하며, 항공기 엔진에도 비슷한 종류의 손상을 줍니다. 특히 모래와 먼지 모두 엔진에서 화산재처럼 녹게 되며, 화산재와 같은 연마제 역할과 화학적인 활동을 합니다.

로리는 “그러나 (화산재)는 단순히 결정체를 형성하는 것이 아니라 유리화가 된다. 이 유리는 부드럽고 끈적거리게 되어 엔진의 뜨거운 부분에 달라붙으며, 굉장한 부식성을 가지게 될 것”이라고 말했습니다.

로리는 특히 페르시아만과 같은 곳에서는 일부 사막 모래가 화산재와 거의 같은 온도에서 녹으며, 이는 화산에서 생성된 유리입자들과 비슷한 수준의 영향을 엔진에 미칠 것이라고 말합니다. 주된 차이점은 화산재들은 화산의 폭발성 때문에 이러한 미립자들을 비행 고도 및 그 이상인 최대 8만 피트 (약 24,400m)의 높이 이상으로 더 많은 양을 도달케 한다는 점입니다 “모래는 화산이 만들어 내는 것과 같은 비슷한 농도에 도달하지는 않을 것”이라면서 “이것이 큰 차이점 중 하나이며, 모래와 먼지의 농도에 자연적인 한계가 존재한다”고 덧붙였다.

또한 모래와 화산재가 엔진에 유사한 손상(엔진 부식, 부품 손상, 화산재는 더 다양하며, 모래와 먼지는 건조한 사막지역에서 굉장히 흔함)을 야기시킬 수 있음을 강조합니다.

서리 위험 : 높은 고도에서의 얼음 결정

서리 위험 : 높은 고도에서의 얼음 결정

로리는 높은 고도의 얼음 결정체라고 불리는 또 다른 현상이 있다고 말합니다. 이것은 모래나 화산재보다 더 흥미롭다고 합니다.

이 결정들은 너무 춥기 때문에 대기의 높은 곳에서 형성됩니다. 물론 대부분의 사람들은 높은 고도가 춥다는 것은 알고 있지만, 대부분의 사람들이 왜 그런지 오해하고 있습니다. 대개의 경우 대기가 더 얇기 때문에 높은 하늘이 더 추워진다고 생각합니다.

“지상 부근의 기압은 그 위쪽에 큰 덩어리의 공기가 있기 때문에 사실상 대기 중 최고 기압입니다. 상승할수록 대기압력이 낮아지며, 이때 공기나 기체는 고압에서 저압으로 움직이면서 공기는 팽창하게 되고, 팽창 할수록 차가워진다”고 로리는 말했습니다.

익숙한 예로 로리는 가정용 에어로졸 스프레이를 꼽았습니다. 만약 캔에서 데오드란트나 선크림을 뿌려본 적이 있다면, 여러분은 아마도 무언가를 알아차릴 수 있을 것입니다: 그것은 차갑습니다. 이것은 압축공기가 팽창해 즉시 냉각된 결과입니다.

공기가 압력이 낮은 상공으로 올라가면 팽창하고 차가워지며, 이 추위는 고고도 얼음 결정의 원인이 됩니다. “직경 1밀리미터에 이르는 작은 입자들은 순항고도에서 매우 높은 농도로 존재하고 있다.”라고 로리는 말했습니다.

로리의 추가 설명에 따르면, 얼음 결정체들이 아직 얼었을 때 엔진으로 들어가며 빠르게 녹아 내립니다. 그러나 압축기 (엔진 전방에서 공기를 빨아들여 압축하는 부분)에 들어가면 이 결정들은 거대한 얼음 덩어리를 형성하며 다시 얼어 붙습니다. 이후 분리되어 엔진으로 다시 빨려 들어갈 때, 그것들은 부품에 많은 손상을 입힐 수 있습니다. 그것은 마치 항공기가 시속 수백 마일로 비행할 때 같은 속도로 주먹만한 얼음덩어리를 엔진으로 던지는 것과 비슷합니다.

1억 3천만 시간이 넘는 비행시간 동안 트렌트 엔진계열은 이미 이 경이로운 현상을 다루는 데 견고함을 입증했으며, 팀에 의해 수집된 추가적인 통찰력은 이미 미래의 엔진설계에 반영되고 있습니다.

로리와 그의 팀은 이러한 현상들을 분석해 그 원인이 무엇인지, 어떤 손상을 야기하는지, 그리고 그것들을 피하거나 처리할 수 있는지를 결정합니다. 그의 초점은 여전히 얼음, 번개, 모래와 같은 더 흔한 위험들에 집중되어 있지만, 때때로 그와 그의 팀은 정말로 이상한 것들을 다루는 임무를 맡을 때도 있습니다.

괴상한 날씨와 이상한 나무수액, 그리고 #PowerOfTrent

최근 아마존 정글 위를 비행했던 항공기가 신비롭고 끈적한 물질로 코팅되어 있는 것이 발견되었습니다. 로리는 무엇 때문에 이러한 일이 일어났고, 이것이 항공기 엔진에 어떤 영향을 미쳤는지 알아봤습니다.

“그건 기괴한 일이었다. 정글 위로 순항하는 항공기가 착륙했을 때, 항공기들은 일종의 기름으로 뒤덮여 있었다. 그것들의 DNA 테스트를 하고 나서야 그것이 나무수액이라는 것을 깨달았다.” 고 로리는 회상했습니다.

적어도 이번에는 이 기괴한 현상이 (엔진을 매우 더럽히는 것 외에는) 특별한 손상을 야기하지는 않았던 것 같습니다.

화산재와 나무수액은 로리가 부르는 것처럼 상대적으로는 “이국적”이지만, 엔진환경 보호팀은 방대한 데이터를 이용해 세계의 기상시스템이 어떻게 작용하는지 이해하려 노력하며, 얼음과 모래처럼 자주 발생하는 문제로 생각하고 접근합니다.

시험비행과 상업용 비행 중 이러한 데이터 수집은 매우 중요합니다. 넓게 봤을 때 대부분의 환경이 정적이지 않기 때문입니다. 새로운 산업 오염물질과 변화하는 날씨 패턴들은 엔진환경 보호팀이 그것들을 이해하기 위해 끊임없이 새롭고 거대한 데이터를 다뤄야 한다는 것을 의미합니다.

현재 엔진환경 보호팀에 의해 수행된 작업들은 롤스로이스의 차세대 대형 터보팬 엔진이 이러한 오염물질의 영향을 최소화하기 위해 그들의 구조를 이용한 다는 것을 뜻합니다.

“우리는 터빈 내에 도달하는 오염물질의 양을 최소화 하기 위해 공기 배출과 냉각공기의 흐름을 위한 최적의 위치를 찾고 있다.”고 로리는 말했습니다.

트렌트 엔진에는 모래 내성 열 장벽 코팅이 포함되는데, 이는 이러한 알갱이 입자가 입구로 들어가 부식성 유리로 굳어지는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 또한 니켈합금의 고온 부식방지 코팅이 유해 산업 오염물질(새로운 공장들이 생겨난 이후 공항 주위로 갑자기 나타날 수 있는)에 대한 구성요소의 방어력을 보강합니다

엔진환경 보호팀은 변화하는 행성에 대한 최첨단 작업을 하고 있습니다. 이제 시작이지만 비교적 짧은 시간 동안 롤스로이스가 미래에 어떻게 엔진을 설계해야 하는지에 대한 새로운 대화를 그들이 시작하고 있습니다.

현장에서 직접 모은 자료를 컴퓨터 모델화를 통해 얻은 팀의 독특한 통찰력은 앞으로 민간항공 분야에서 아직 최고가 아니기에, 롤스로이스의 엔진 설계와 유지관리 분야로 꾸준히 전달하는 노력을 지속해 나갈 것입니다.

트렌트 시리즈에 대한 자세한 정보: “#PowerOfTrent”