스크램제트기의 등장이 바로 그것. 스크램제트기는 이론상으로 마하 15의 속도를
낼 수 있는데, 지난 2004년 나사(NASA)의 ‘X-43A’ 스크램제트기는 마하 9.6의 속도를 기록해 세상에서 가장 빠른 제트기의 출현을 예고했다.
지난해 3월. 프랫 앤 휘트니 로켓다인(PWR)사의 엔지니어들이 버지니아 주에 위치한 나사(NASA) 랭글리연구센터의 고온 통제실에 모였다.
카운트다운 소리가 들린 후 엄청난 화염이 3.6m 길이의 터널 속에서 뿜어져 나왔다. 마치 로켓이 발사되는 듯한 굉음이 들렸고, 그에 따른 진동은 통제실까지 전해져왔다.
메탄가스를 연료로 사용하는 ‘X-1’이라는 실험용 스크램제트(scramjet) 엔진의 성능 테스트가 이렇게 마무리됐다.
이 실험은 미 국방부 산하 연구기관인 고등연구계획국(DARPA)과 미 공군연구소의 자금지원을 받는 ‘X-51A’ 비행실험 프로그램의 일환이다.
로켓만큼 빨리 날 수 있는 제트기를 만들기 위해 세계 각국은 X-51A 프로젝트에 힘을 합치고 있다.
특히 이 목표를 이루기 위해 엄청난 속도로 공기를 빨아들여 압축, 수천도로 가열시킨 후 연료를 혼합해 기존의 어느 제트 엔진보다도 큰 추력을 얻는 스크램제트 엔진 기술 개발에 힘을 쏟고 있다.
X-51A 항공기 엔진으로 쓰일 X-1 엔진은 가장 발전된 형태의 스크램제트 엔진이다. 실험실에서 엔진을 토치로 가열한 것은 마하 6 이상으로 비행할 때 생기는 마찰열을 재현하기 위한 것이다. PWR팀은 랭글리연구센터에서 이 같은 실험을 44번이나 반복했다.
PWR의 X-51A 프로그램 관리자인 커티스 버거는 “마하 4.6, 마하 5.0, 마하 6.5에서 실험을 했다”면서 “그 동안 이 엔진이 실제로 작동해서 추력을 생성한 시간은 17분 48초”라고 말했다.
그는 이 말이 무엇을 의미하는지 깨닫게 하기 위해 잠시 침묵한 뒤 “17분은 스크램제트 엔진으로서는 엄청나게 긴 시간”이라고 강조했다. 예를 들어 비교해 보자.
현재 세계에서 가장 빠른 제트기인 미 공군의 SR-71 블랙버드 정찰기는 지난 1990년 로스앤젤레스에서 워싱턴 DC로 날아갈 때 마하 3.3을 기록했다.
이는 제트 엔진의 한계에 가까운 기록이다. 그리고 가장 빠른 전투기라고 해도 마하 1.6을 간신히 넘을 뿐이다.
하지만 스크램제트 엔진은 이론상으로 마하 15, 즉 시속 1만6,000km를 낼 수 있다. 이는 뉴욕에서 오스트레일리아의 시드니까지 2시간 만에 날아갈 수 있는 속도다.
이 기술을 응용하면 다른 대륙의 목표물을 순식간에 쏘아 맞힐 수 있는 미사일을 만들 수도 있다. 따라서 미국이나 오스트레일리아, 중국, 그 밖의 다른 나라에서 스크램제트 엔진을 만들기 위해 경쟁하는 것도 무리는 아니다.
스크램제트 엔진의 설계가 시작된 지 수 십년이 지난 지금, 그 기술은 거의 완성 단계에 와 있다.
허리케인 속에서 성냥 켜기
일반적인 제트기들은 마하 3 이상으로 날 수 없다. 그 이상 속도를 냈다가는 터빈 블레이드가 녹아버린다.
로켓은 마하 25까지도 속도를 낼 수 있지만 연료로 엄청난 양의 액체산소를 실어야 한다. 예를 들어 우주왕복선의 자체 중량은 74.8톤에 불과하지만 지구 궤도까지 날아가려면 102.5톤의 액체수소와 635톤의 액체산소를 실어야 한다.
제트기로서 마하 3 이상의 속도를 내기 위해서는 녹기 쉬운 부속이 전혀 없는 공기흡입식 제트 엔진이 필요한데, 스크램제트 엔진만이 이 문제를 해결할 수 있다.
스크램제트 엔진은 램제트(ramjet) 엔진으로부터 발전된 것이다. 램제트 엔진은 엔진 안으로 공기를 빨아들인 후 연소실 안으로 공기를 강하게 밀어 넣어 마하 3 이상의 속도에서 필요한 엄청난 연소 속도를 견뎌낼 수 있는 고압 상태를 만들어낸다.
하지만 램제트 엔진에도 한계는 있다. 엔진 안으로 흡입한 공기의 속도는 엔진을 효율적으로 작동시키는 데 무리가 없게끔 아음속으로 낮춰야 한다.
그리고 어떤 냉각장치를 사용하더라도 엔진 내 공기의 온도를 내리는데 한계가 있다.
이에 따라 램제트 엔진이 달린 항공기는 마하 5 이상의 속도를 낼 수 없다. 그 이상의 속도를 내면 공중분해를 면할 수 없다.
하지만 초음속 연소 제트 엔진인 스크램제트 엔진이라면 얘기가 다르다. 스크램제트 엔진은 램제트 엔진에서 공기의 유입 속도를 낮추기 위해 사용하던 공기 분산기(diffuser)를 제거함으로써 공기가 엔진 내에서도 초음속으로 이동, 마하 5 이상의 속도를 낼 수 있다.
하지만 그 것은 말처럼 쉬운 일이 아니다. 비행 중인 스크램제트 엔진은 매우 까다로운 시스템이다. 그 정도 속도에서 연소의 균형을 잡는 것은 허리케인 속에서 성냥을 켜는 것과도 같은 공학적 난제다.
그동안 가장 널리 알려진 스크램제트 엔진 프로젝트는 NASA의 국립항공우주비행기(NASP)다. 이 비행기는 마하 25(시속 2만8,000km)의 속도로 날아가는 것을 목표로 계획됐지만 대실패로 끝났다.
1986년 당시 레이건 미국 대통령이 연두교서에서 이 프로젝트를 발표할 때 그는 ‘새로운 오리엔트 특급’이라는 표현을 사용했다. 이는 덜레스 공항에서 도쿄까지 2시간 만에 갈 수 있다는 뜻이었다.
SR-71 블랙버드는 마하 3.3의 속도로 세계 기록을 세웠지만, 스크램제트기는 이론상으로 마하 15의 속도를 낼 수 있다.
이 목표가 달성되는 시기는 1990년대 후반으로 정해졌다. NASP는 또한 어떤 고객에게도 판매가 가능한 상품이었다. 미국의 차세대 우주왕복선은 물론 공군의 차세대 폭격기, 또한 차세대 여객기로도 활용이 가능했다.
하지만 1994년 이 연구는 암초에 부딪쳤고, 클린턴 당시 대통령은 NASP 프로젝트를 취소시켰다. 그대로 밀고 나갔더라면 좋은 성과가 나올 수도 있었을 것이다.
미 공군연구소의 스크램제트 엔진 프로그램 관리자인 찰리 브링크는 이렇게 말한다. “우리는 연구를 멈춘 적이 없습니다.
그 때 우리는 프로젝트를 재평가하고 이렇게 말했지요. 우리는 마하 25의 항공기를 활주로에서 이륙시키려고 한 적이 아직 없으니 일단 기술적 문제를 관리할 수 있는 수준으로 낮추자고 말이죠.”
존스홉킨스 대학 산하 응용물리학연구실의 연구 과학자인 데이빗 밴 위는 “스크램제트 엔진 기술은 연구소에서 다루는 기술과 실제 비행실험에 쓰이는 기술 사이의 과도기적 기술”이라고 말한다.
현재 밴 위는 극초음속 공기역학 및 공기흡입 추진방식에 대한 새로운 지식이 있다. 그는 “현장에서 일하는 사람들은 현재 실험비행, 실험, 기술실증 단계로 나아갈 준비가 되었음을 느끼고 있다”고 강조했다.
스크램제트기 비행의 역사
지난 2002년. 퀸스랜드 대학 극초음속센터의 하이샷(Hyshot) 프로그램 연구자들은 세계 최초의 스크램제트기 비행을 성사시킴으로서 역사의 한 장을 열었다.
그들은 고체연료 로켓의 기수에 작은 스크램제트 엔진을 장착하고 우주로 발사했다. 로켓은 320km 상공까지 날아간 후 분리됐으며, 그 후 스크램제트 엔진이 계획대로 보호용 페어링을 제치고 나와 시속 수천km의 속도로 지면에 떨어져 내려왔다.
32km 상공에서 스크램제트 엔진이 작동을 개시해 5초 만에 마하 7.6, 즉 시속 8,000km 속도에 도달했지만 그 직후 지면에 추락했다. 멋진 비행은 아니었지만 과학의 역사에 길이 남을 대성공이었다.
풍동이 아닌 실제 비행 때 가혹한 고온과 엄청난 속도에 마주친 스크램제트 엔진에서 저렴하게 데이터를 얻어내는 데 성공했기 때문이다.
그 이후 NASA, 미 공군 및 해군, DARPA, 퀸스랜드 대학의 연구자들은 공조체제를 이루며 다양한 프로젝트에 매달렸다. 그들은 실험실 밖에서 여러 가지 실험을 했다. 현재까지 수초 이상 비행을 지속한 스크램제트 엔진은 없다.
하지만 개발 와중에 커다란 사건이 있었다. 2004년 NASA의 무인 X-43A 1회용 제트 추진 항공기가 다른 항공기에서 발사돼 마하 9.6의 속도를 내는 데 성공했다. 이는 제트 추진 항공기의 속도로는 최고 기록이며, 엔진 점화 이후 10초 동안 세운 속도다.
하이샷 프로그램의 후속 프로그램인 하이코즈(HyCause) 프로그램에서도 지난 여름 마하 10을 기록했지만 그 속도는 3초 밖에 유지되지 못했다.
스크램제트 엔진을 몇 분만이라도 계속 가동시킬 수 있다면 극초음속 장거리 미사일의 엔진으로 사용할 수 있다. 이는 DARPA와 해군의 합동 프로젝트인 극초음속 비행시범, 즉 하이플라이(HyFly) 계획에서 채택한 아이디어이기도 하다.
이 프로그램의 시험비행 중 가장 최근의 것은 지난해 가을에 실시됐는데, 캘리포니아 포인트 무구기지 상공의 F-15 전투기에서 스크램제트 엔진을 투하시킨 후 엔진 가동속도까지 가속했다.
목표는 마하 6 속도에 도달해 스크램제트 엔진을 100초 이상 작동시키는 것이었다. 물론 아직 그 목표는 이루어지지 않았지만 실험은 앞으로도 계속될 것이다.
엔진이 100초 이상 작동해야 자력으로 이착륙이 가능하고 조종사 또는 화물을 실은 채 실험비행을 수 있는 스크램제트기를 만들 수 있다. 이 한계를 넘는 것이 X-51A 비행실험 프로그램의 목표다.
프로그램의 엔지니어들은 이것을 위해 지난 한 해 동안 랭글리의 고온 실험 터널에서 X-1 엔진 설계를 다듬어왔다. 엔진은 철과 니켈 합금으로 만들어져 섭씨 1,150℃까지는 강도를 유지한다. 그리고 엔진의 앞은 열에 잘 견디는 탄소 그물(carbon mesh)이 입혀져 있다.
하지만 이런 소재들로도 충분치 못하기 때문에 엔지니어들은 로켓을 설계할 때 사용하는 연료순환기술을 빌려왔다. 이는 SR-71 블랙버드 정찰기에 사용되는 것과 같은 석유계 연료가 연소실로 들어가기 전에 엔진 벽 내부의 연료관을 따라 흐르는 방식이다.
이로 인해 1,650℃ 이상에 달하는 연소실 온도를 낮춤은 물론 연료를 뜨거운 기체 형태로 바꾸어 액체 상태보다 에너지 효율을 10% 더 높일 수 있었다.
X-51A의 목표는 연속 5분 동안 스크램제트 엔진을 작동시켜 비행하는 것이다. 성공한다면 얼마 안 있어 더 오래 비행할 수 있는 스크램제트기도 나올 것이다.
버거는 “비행 목표를 5분으로 잡은 것은 추진 장치의 한계 때문이 아니라 연료탱크의 용량 때문”이라고 말했다. 더 큰 연료탱크를 갖춘 항공기를 만들면 5분이 1시간 이상으로 늘어나는 건 문제가 아니라는 얘기다.
PWR 극초음속 프로그램 관리자 마이크 맥콘도 “X-1 엔진의 추진 기술은 그 실용성이 이미 입증된 기술로서 더 이상 연구개발 단계가 아니다”고 말했다.
플로리다의 PWR 공장에서는 이미 X-1에 기반한 차세대 엔진이 생산중이다. 잘 되어 준다면 2009년경에는 X-51A가 기존의 모든 스크램제트기의 비행 기록을 갈아엎을 것이다.
PWR팀은 B-52 폭격기가 캘리포니아 모하비 사막의 에드워드 공군기지를 이륙, 해안을 향해 13.5km 고도로 날면서 X-51A를 투하하는 장면을 벌써부터 상상하고 있다.
X-51A에 장착된 고체연료 로켓은 일단 점화되면 항공기를 마하 4.5의 속도로 18km 상공으로 띄워 올린 후 분리돼 버리고 스크램제트 엔진이 뒤를 이어 점화된다.
스크램제트 엔진은 마하 6 이상의 최고속도로 X-51A를 고도 24km 상공으로 띄울 것이다. 그런 후 기체는 태평양으로 떨어지겠지만 데이터는 안전하게 지상의 엔지니어들에게 전송될 것이다.
이 실험은 스크램제트 엔진이 과학실험 단계에서 실용화 단계로 넘어가는 이정표가 될 것이다. 버거는 “이건 어디까지나 비행기이지 꽁무니에 불 붙여 놓으면 제멋대로 날아가는 장난감이 아니다”면서 “특히 무기로도 사용할 수 있는 물건”이라고 말한다.
그는 이어 “스크램제트기가 실용적인 자유비행을 할 수 있는지 입증할 때가 왔다”고 덧붙였다.
재사용 가능한 최초의 스크램제트기
자유비행은 물론 재사용 가능한 스크램제트기는 블랙스위프트라는 별칭으로 알려진 DARPA의 ‘HTV-3X’가 될 공산이 크다.
외계인의 우주선처럼 생긴 이 무인항공기는 검은색의 유선형이며, 칼날같이 날카로운 기수와 타원형 배기관을 가지고 있다. 현재 이 항공기는 DARPA의 팰콘 프로그램 일환으로 기획중이지만 제트 엔진 이래 항공 역사상 가장 큰 획을 긋는 작품이 될 수도 있다.
이 스크램제트기는 자력으로 이착륙하고 임무를 완수하는 데 필요한 시간만큼 스크램제트 엔진을 작동시키는데 필요한 모든 기술을 처음으로 시범보일 것이다.
HTV-3X는 빠르면 2012년에 처녀비행을 할 것으로 전망되고 있다. 일이 제대로 추진된다면 이 항공기는 다음과 같이 임무를 완벽히 수행할 것이다.
에드워드 공군기지의 격납고를 자력으로 굴러 나와 2대의 재래식 터빈 엔진을 작동시켜 활주로에서 가속한 후 꼬리에 추적기를 매달고 사막의 하늘로 날아오른다. 추적기는 이 무인항공기가 음속을 돌파할 때까지만 제대로 따라갈 수 있다.
마하 2의 속도에 도달하면 제트 엔진 공기 흡입구 내의 터빈으로 통하는 도어가 닫히고, 공기는 대신 스크램제트 엔진으로 흘러들어가 터빈 제트 엔진과 같은 배기관으로 배출된다.
지상에서는 엔지니어들이 무인기가 마하 6 속도에 도달하는 것을 보게 될 것이다. 기존의 터빈 제트 엔진 항공기가 냈던 최고 속도의 두 배다.
실험이 완료되면 항공기의 속도는 아음속으로 줄어들고 터빈 제트 엔진이 재 작동돼 에드워드 공군기지에 착륙하게 된다.
현재 DARPA에서는 블랙스위프트에 대해 침묵을 지키고 있다. 대변인 잰 워커는 엔지니어들이 매우 바쁜 관계로 아무도 인터뷰를 할 수 없다고 말하고 있다.
하지만 PWR은 이미 HTV-3X에 사용될 터빈-스크램제트 복합 사이클 엔진 개발에 착수했다. 아직 공식 확인은 안됐지만 록히드 마틴사의 유명한 비밀 설계국인 스컹크 웍스 팀에서도 스크램제트기를 개발하고 있는 것으로 추정되고 있다.
한편 스크램제트 엔진 연구와 관련한 국가 간 경쟁도 뜨거워지고 있다. 지난해 7월 신시내티에서 열린 미국 항공우주통합추진체계 연구 컨퍼런스에 나타난 중국 엔지니어들은 자국의 스크램제트 엔진 개발 프로그램 진척 상황을 소개했다.
베이징에는 극초음속 풍동이 있고, 자신들도 로켓 추진식 복합 사이클 스크램제트 엔진을 연구 중이라는 것이다. 현재 미국의 스크램제트 엔진 전문가들 중 중국의 이 같은 도전에 대해 반응을 나타낸 사람은 아직 없다.
하지만 이 컨퍼런스에 참석한 에비에이션 위크 & 스페이스 테크놀로지의 편집인 크레이그 코발트는 중국인들이 서구의 스크램제트 엔진 연구에 대한 모든 정보를 다 얻어가기 위해 컨퍼런스에 참석했다고 생각한다.
그는 “그들은 분명 이 포럼에서 배부한 보고서를 능가하는 중대한 연구를 진행시키고 있다”면서 “이 컨퍼런스에서 나온 500종이 넘는 추진체계 관련 보고서도 모두 수거해 갔을 것”이라고 말했다.
과거 여러 차례의 스크램제트 엔진 프로젝트가 실패한 적이 있으며, 현재 진행 중인 것들도 실패할 위험성은 있다. 하지만 많은 연구자들은 현재 스크램제트 엔진은 거의 현실화됐다고 이야기한다.
밴 위는 “첨단 추진 기술이 개발되려면 수 십 년간의 시간이 필요하다”면서 “실제 로켓에 대한 최초의 과학논문은 1903년에 나왔고 로켓이 실용화된 것은 그로부터 40년 후인 2차 세계대전 당시”라고 말한다. 그는 이어 “그때로부터 47년이 지났으니 뭐라도 하나 나와 줘야 할 시간이 됐다”고 덧붙였다.
HOW IT WORKS
극초음속 항공기를 설계할 때 문제는 빨리 비행하는 것만이 아니다. 열 문제를 해결하지 못하면 속도가 마하10을 넘어서게 되면 기체가 녹아버릴지도 모른다.
스크램제트기의 설계는 바로 이 같은 점에 주안점을 두고 있다. 엔지니어들이 이같은 문제와 또 그 밖의 문제들을 해결하는 방법을 몇 가지 소개한다.
1. 칼날 같은 모서리
항공기 앞면은 공기역학적 효율을 내기 위해 날카로워야 한다. 하지만 너무 날카롭게 만들면 열을 빨리 발산하지 못할 수도 있다.
2. 냉각장치
극초음속 제트기의 과열을 막는 좋은 방법으로 연료가 연소되기 전 엔진 주위와 기체 전체를 따라 순환시키는 방법이 있다.
3. 합금과 세라믹 복합재료
극초음속 제트기 기체에는 합금과 세라믹 매트릭스 복합재료 모두가 사용될 것이다. 합금은 제조가 간단하지만 극초음속 비행을 할 때 발생하는 섭씨 1,650℃의 마찰열에 약하다. 이런 곳에는 세라믹 매트릭스 복합재가 들어가 열에 취약한 부위를 보호해 줘야 한다.
스크램제트 엔진 내부
1. 공기흡입
2. 연소
3. 연료 주입
4. 배기
▲ 스크램제트 엔진은 연료-공기 혼합물을 극초음속으로 압축시켜 극초음속 상태에서도 점화상태를 유지한다.
공기흡입구가 점점 좁아질수록 그 속으로 유입되는 공기의 흐름이 압축된다. 온도 역시 높아져 연소실 내로 연료가 공급되면 바로 점화돼 추력을 발생시킨다.
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