이전 포스트에 이어서 계속 SSTO (Single Stage to Orbit) 에 대한 이야기다. 이전 포스트에서는 로켓엔진을 사용한 SSTO 에 대한 이야기라면 금일 포스트는 일종의 제트 엔진등을 사용하는 우주 항공기 (Aerospace plane) 에 대한 이야기다. 한마디로 지구 저궤도 (Low Earth Orbit) 로 갈수 있는 초고속 항공기인 셈이다. 그러기 위해서는 적어도 마하 25의 속도로 나는 항공기가 필요하다. 금일 포스트는 여기에 도전하는 기술의 이야기인 셈이다.
그런데 일단 이 우주 항공기의 이야기를 하기 위해서 기존의 제트 엔진을 간단히 설명해야 할 것이다. 제트 엔진은 2차 대전 부터 실용화되기 시작하여 결국 2차 대전 이후 음속의 벽을 돌파하는 주역이 되었다. 통상적인 여객기가 나는 아음속의 영역에서 마하 2-3의 영역까지, 다양한 제트 엔진은 현대 항공 산업의 의심할 바 없는 주역이다.
그러나 좀 더 빠른 항공기에 대한 인간의 욕심은 이미 오래전 부터 있어왔다. 제트 엔진에 중요한 부품 중 하나는 바로 공기를 압축하여 연소실로 보내는 압축기이다. 터보제트와 바이패스등, 현재 주로 쓰이는 제트엔진의 경우 공기를 빨아들여 압축하는 터빈 혹은 회전 압축기가 있다.
이러한 회전 압축기의 존재는 마하 2 이하의 영역에서는 효과적이지만 마하 2 - 3 이상의 고속에서는 오히려 방해가 된다고 할 수 있다. 즉 극초음속의 영역에서는 압축 효과가 아니라 공기 저항을 만드는 거추장 스러운 존재인 것이다. 이 속도에서는 회전 압축 없이도 램효과로 압축이 가능한데도 말이다.
(하이 바이패스 터보팬 엔진의 구조 : 회전하는 압축기 (Compressor) 가 공기를 압축하여 연소실(Combustion chamber) 로 보낸다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 : Duesentrieb Schematic diagram illustrating the operation of a 2-spool, high-bypass turbofan engine, with LP spool in green and HP spool in purple. )
(터보팬 엔진이 공기를 빨아들이는 모습 : 파란 화살표는 흡입한 공기이고, 빨간색은 연소된 공기이다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Richard Wheeler (Zephyris) )
따라서 오래전 부터 기술자들은 회전 압축기 대신에 항공기의 속도가 빨라짐에 따라 기관에 들어가는 공기가 자체 관성으로 압축되는 램효과를 이용한 램제트 엔진을 연구해왔다. 이 램제트 엔진은 펄스 제트 엔진과 더불어 덕트 제트 엔진에 속한다.
램제트 엔진은 공기를 흡입하는 덕트가 앞뒤에서 죄어지는 덕트의 형태로 되어 있어 공기가 들어오는 것 만으로도 속도가 떨어지면서 압력이 높아져 압축이 일어나는 효과를 이용하므로 공기 저항을 일으키는 압축기가 필요없으며 구조도 간단하고, 속도도 빠르다. 램제트 엔진의 연구는 1913년으로 거슬러 올라갈 만큼 그 역사가 깊다. 이 엔진은 마하 3에서 5의 영역에서 가장 효율이 높다.
(램제트 엔진의 구조 : 램제트 엔진은 엔진안으로 들어오는 공기가 스스로 압축하는 램현상을 이용해 압축을 한다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Vector image made by Cryonic07. Source png-drawing was made by Emoscopes and later slighly modified by Wolfkeeper)
램제트 엔진에는 초음속 형과 아음속 형이 있으며, 초음속 형의 경우 속도 마하 6 이상이되면 효율이 떨어져 그 이상의 속도를 내기는 어렵다. 그러면 이렇게 빠르고 보기에 구조도 매우 단순해 보이는 램제트 엔진이 현재 널리 쓰이지 않는 이유는 무엇일까? 그것은 이 엔진은 터보 팬 엔진과는 달리 속도가 0 일때는 공기를 엔진안으로 흡입할 방법이 없기 때문이다.
이 램제트 엔진은 정상적으로 작동 속도에 이르기 까지 다른 엔진이나 혹은 다른 수단에 의해 가속이 되어야만 작동이 가능하다는 단점이 있다. 따라서 이런 단점을 해결하기 위해 결국 터보 제트와 조합한 터보 램제트 엔진등이 실제로 사용되고 있다.
하지만 이 엔진은 효율이 썩 좋은 편이 아니고 연료도 많이 먹으며 소음도 크기 때문에 사실 드물게 사용되고 있다. 예를 들어 초음속 정찰기 SR - 71 blackbird 에 사용된 J 58 엔진이 이런 터보 램제트의 일종이라고 생각할 수 있을 것이다. (일종의 터보제트 엔진 + fan assisted ramjet engine 이 결합된 하이브리드 엔진이다)
(SR - 71 블랙버드, 마하 3.2 로 초고속 비행이 가능하다. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
한편 이 램제트 엔진이 기존의 제트 엔진 보다는 당연히 빠르긴 하지만 마하 25에 도달하기에는 턱없어 모자란 부분이 있다. 마하 6 이상에서 효율이 급격히 떨어지는 램제트 엔진이지만 사실 실제로는 여기에 근접하는 램제트 엔진도 만들기 힘들기 때문이다.
항공 엔지니어들은 기존의 램제트 엔진의 한계를 극복할 새로운 램제트 엔진의 개발에 착수했는데 이 엔진은 스크램 제트 엔진 (Scramjet engine = 초음속 연소 램젯(Supersonic Combustion Ramjet)) 이라고 불리운다.
스크램제트 엔진의 구조는 램제트 엔진보다도 더 단순하다. 램제트 엔진에서는 초음속으로 유입된 공기가 내부에서 아음속으로 속도가 떨어지면서 압축되어 연소된다. 그러나 더 고속에서 작동되는 스크램 제트 엔진은 아예 초음속으로 들어온 공기가 연소되어 초음속으로 분사된다.
(스크램 제트 엔진의 구조도 - 초음속으로 들어온 공기가 초음속 상태에서 연소되어 초음속으로 가스가 분사된다. CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시, 저자 en:User:Emoscopes)
램제트 엔진의 경우 연소실에 들어오기 전에 공기의 속도가 아음속으로 떨어져야 하기 때문에 이 흡입구에서 공기의 속도가 큰 폭으로 떨어져야 한다. 이 때 공기 흡입구에서 발생하는 충격파는 큰 압력 손실을 일으켜 추력을 감소시킨다. 결국 램제트 엔진은 어느 속도 이상이 되면 추력 감소가 커져 더 속도를 내기 어렵다. 그래서 속도 한계가 있는 것이다. 또 연소실 입구의 온도가 크게 상승하는 것도 문제가 된다.
스크램제트 엔진은 이름처럼 초음속에서 연소가 일어난다. 그 덕에 유입되는 공기의 속도가 아음속으로 떨어지지 않아도 되기 때문에 램제트 엔진같은 문제가 없다. 따라서 스크램 제트 엔진은 음속의 15배 이상의 속도가 가능할 것으로 보이며 최대 음속의 24배까지도 가능할 수 있다. 이 스크램 제트 엔진은 우주 항공기 타입의 SSTO 의 유력한 후보로 생각되고 있다.
(주요 엔진들의 속도에서의 효율성 CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시, 저자 : kashkhan )
이 스크램 제트의 연구는 이미 2차 대전때부터 기원을 찾을 수 있으며, 1950 년대와 1960년대에 이미 연구가 시작되고 있었다. 그런데 왜 지금까지 그 실용화 소식을 듣기 어려울까? 그것은 간단한 구조와는 달리 이 엔진을 만들기가 매우 어렵기 때문이다.
문제의 핵심은 바로 초음속에서 연료를 안정적으로 연소시키는 것이다. 이것은 허리케인이 불 때 성냥불을 유지시키는 것 만큼이나 어렵다고 한다. 사실 이게 쉬웠다면 벌써 스크램 제트 엔진을 흔하게 볼 수 있을 지도 모른다.
물론 또 다른 문제도 있다. 엔진은 받춰주더라도 이 엄청난 속도를 대기권에서 버틸려면 매우 튼튼하면서 무엇보다 마찰열을 견딜 수 있도록 열에 강해야 한다. 초음속 연소가 일어나는 엔진 역시 엄청난 열에 견뎌야 한다.
또 여기에 이 스크램 제트 엔진 역시 극초음속 영역으로 가속이 되려면 혼자의 힘으로는 어렵다는 문제가 있다. 누군가가 이 속도까지 밀어줘야 그 때 부터 초음속 비행을 할 수 있다는게 이런 초음속 램제트 엔진들의 문제이다.
아무튼 이런 스크램 제트 엔진을 이용한 SSTO 계획 중에 가장 기억에 남는 것은 바로 X - 30 일 것이다. 이 계획은 단순히 지구 저궤도에 도달할 수 있을 정도로 빠른 우주 항공기를 이용한 SSTO 계획이 아니라 극초음속 여객기 계획으로도 활용될 계획이었다고 한다. 한마다로 LA - 도쿄를 2시간안에 연결시킨다는 야심찬 계획이었다.
혹시 기억력이 좋으신 분들이며 20년 전에 비슷한 기사를 본 기억이 있으실지도 모르겠다. 이것이 바로 유명한 NASP (National AeroSpace Plane) 계획이다. 당시 레이건 대통령은 음속의 25배로 도쿄까지 2시간안에 주파할 수 있을 지 모른다고 말했다. ( "...a new Orient Express that could, by the end of the next decade, take off from Dulles Airport accelerate up to 25 times the speed of sound, attaining low earth orbit or flying to Tokyo within two hours." )
(X - 30 의 상상도. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
하지만 지금 서울에서 LA까지 2시간 안에 가실 수 있는 분은 없을 것이다. 왜냐하면 앞서 이야기한 문제들이 거론되면서 결국 이 계획은 1992년 취소되고 말았기 때문이다. 하지만 그렇다고 나사가 완전히 스크램 제트 연구를 접은 것은 물론 아니었다.
나사는 X - 43 이라는 무인 실험기를 개발해 스크램 제트 연구에 나섰다. 그 첫번째는 작은 실험기인 X - 43 A 였다. 이른바 Hyper X 계획이다.
(B 52 의 날개에 장착되는 X - 43A. 이 작은 실험기는 로켓으로 가속된 후 다시 스크램 제트 엔진으로 가속한다. 물론 초음속에 영역에 도달 할 때 까지 누가 밀어줘야하기 때문이다. This file is in the public domain because it was created by NASA)
(이렇게 로켓으로 뒤에서 초음속 영역까지 밀어줘야 엔진이 가동할 수 있다. This file is in the public domain because it was created by NASA )
X - 43A 의 2001년 비행은 실패였지만 2004년에는 마하 9.8 에 도달할 수 있었다. 이 왜소한 RC 비행기 같은 3.7m 짜리 실험기는 일단 스크램 제트 연구의 서광을 빛추는 듯 했다.
(나사의 스크램 제트 실험기인 X - 43A This file is in the public domain because it was created by NASA )
(X - 43 의 풍동 실험 This file is in the public domain because it was created by NASA )
X- 43 은 B.C.D 등 다른 타입에 대한 연구도 진행중에 있다. 현재까지의 진척 정도를 본다면 곧 지구 저궤도를 날 수 있을 정도의 우주 항공기는 힘들 테지만 조금씩 진척을 보이고 있다는 점은 고무적으로 생각해야 할 것이다. 한편 X - 51 이라는 별도의 스크램 제트 계획도 추진 중에 있다.
그리고 비록 다분히 이론 적인 연구이기는 하지만 LACE 라는 실험기도 연구된 적이 있었다. 이는 Liquid Air Cycle Engine 이란 뜻으로 한마디로 액체 수소를 기화시키면서 온도를 낮추어 대기 중에서 액체 산소를 추출하고 이를 이용해 액체 산소/수소 로켓 엔진으로 지구 저궤도에 도달하는 엔진이다.
이런 엔진이 구상된 이유는 로켓 연료에서 산소가 차지하는 무게가 매우 크기 때문이다. 만약 대기중의 산소를 이용해서 로켓을 구동할 수 있으면 산소를 적게 탑재해도 되므로 매우 유리할 것이다. 그러나 이 엔진은 구조가 복잡해 실제로 만들어진 적은 없다.
한편 영국을 중심으로 REL (Reaction Engine Limited) 라는 연구 벤처는 Skylon 이라는 pre cooled air turburocket 을 구상하고 있기는 하지만 아직은 그냥 구상 단계 이상 및 기초 실험 단계에 불과한 것으로 생각된다.
따라서 우주 항공기형 SSTO 중에서 그나마 가장 유망한 것은 X - 43 이라고 할 수 있다. 만약 극초음속의 영역에 만족할 만한 수준에 도달 한다면 초음속 영역에 도달할 보조 로켓과 화물칸등을 갖춘 우주 항공기형 SSTO 로 거듭날 가능성도 기대해 볼만 하다. 그러나 현재 기술 수준으로 보건데 아직은 많이 요원한 게 사실이다.
초창기 지금의 자동차 보다도 느린 비행기에서 아음속, 초음속 비행기에 이르기까지 항공 기술을 눈부신 발전을 했다. 그러나 음속을 돌파하는 항공기가 나오고 마하 2의 속도를 돌파하는 비행기가 나오기 까지 시간은 별로 걸리지 않았지만 마하 3의 속도를 돌파하는 항공기는 드물며, 마하 4-5는 실험기의 영역이나 다름없는게 지금의 현실이다.
이는 새로운 형태의 제트 엔진들이 제작이 그만큼 힘들다는 반증이기도 하지만 또한 대기권 내에서 속도가 증가함에 따라 기하 급수적으로 커지는 공기 저항과 거대한 마찰열도 무시할 수 없는 문제이다. 그래서 마하 3 이상의 초음속기는 만들기가 매우 어렵다. 따라서 엔진 뿐 아니라 이를 극복할 동체의 개발등도 큰 문제라고 하겠다.
(쉽게 생각해서 자동차에서 시속 100km 넘는 자동차를 만들기는 매우 쉽고 200km 까지는 무난하지만 시속 300 - 400 km 는 수퍼카의 영역이고, 시속 500 km 이상은 실험의 영역임을 생각하면 이해하기 쉬울 것이다. 공기 저항과 타이어의 마찰등의 문제로 속도를 올리기 어려운 영역이 존재한다)
이런 점을 감안할 때 스크램 제트나 비슷한 제트엔진을 사용하는 우주 항공기의 개발은 현재 기술로써는 쉽지 않은 일이다. 하지만 현재 우리가 하는 수많은 일들이 과거에는 모두 쉽지 않을 일이었음을 생각할 때 도전할 가치는 충분하다고 본다. 우주 개발이란 대개 쉬워서가 아니라 어렵기 때문에 진정한 가치가 있을 지 모른다.
(다음에 계속됩니다)
출처 : NASA/wiki
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