기본 콘텐츠로 건너뛰기

성공적인 테스트를 마친 보잉 X - 51




 미 공군, DARPA, 플랫앤 휘트니 로케다인사, 보잉사가 협력해서 개발하는 실험용 극초음속 무인 스크램제트 항공기 Boeing X - 51 이 예정되었던 4 번째 테스트 비행을 성공적으로 마쳤다고 보잉사 및 미 공군이 밝혔습니다. X- 51 WaveRider 는 1990 년대부터 개발이 추진되었던 수소 연료 기반 스크램제트 엔진 SJX61의 개량형인 탄화 수소 연료 기반 스크램제트 엔진 (hydrocaron fueled scramjet engine) 을 테스트 하기 위한 기체였습니다.  



(X - 51A Waverider 의 비행 컨셉 아트  Credit : USAF )   


 나사는 초음속 항공기를 개발하기 위한 Hyper - X 프로그램의 일부로 X-43 시리즈를 개발하고 있었는데 이전에도 소개한 바 있는 페가수스 로켓을 이용해서 수소 연료 기반 초음속 비행 능력을 테스트 하는 것이 목표 였습니다. 2004 년 3 번째 X-43A 발사 테스트에서는 34000 미터 고도에서 마하 9.68 을 기록하는데 성공하는 등 진전이 있기는 했지만 실제적으로 소형 무인 테스트기가 아닌 실용화할 수 있을 만한 크기의 기체를 만드는 것은 아직 미래의 일이라고 하겠습니다. 


 아무튼 미 공군은 현재는 추가 개발이 중지된 나사의 X- 43 에 관심을 보이면서 공군용 초음속 스크램제트 엔진 개발에 착수했는데 이를 위해 플랫 앤 휘트니 로켓다인 (Pratt & Whitney Rocketdyne) 사의 SJY61 엔진을 개량해 수소가 아닌 탄화 수소로 작동이 가능한 보다 실용적인 초음속 비행체를 개발하는 X - 51 연구가 시작되었습니다. 


 이전 SSTO 에 대해서 설명할 때 언급한 바와 같이 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100087541030 ) 일반적인 제트 엔진에 사용되는 터빈 혹은 회전 압축기는 마하 2-3 정도의 초음속 영역에서는 오히려 거추장 스러운 존재가 되고 있습니다. 왜냐하면 이 속도에서는 회전 압축없이도 램효과를 이용해서 공기 압축이 가능하기 때문입니다. 그러나 내부 연소실에 압축기가 없는 램 엔진은 정지 상태에서는 스스로 추진력을 낼 수 없기에 현재 널리 사용되지는 못하고 있습니다.  



(일반적인 터보팬 엔진. 회전하는 압축기 (Compressor) 가 공기를 압축하여 연소실(Combustion chamber) 로 보내 연소 시켜 추진력을 얻음. 그러나 초음속/극초음속 영역에서는 오히려 터보팬이 공기를 빨아들이는데 방해가 됨  CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  Richard Wheeler (Zephyris)  ) 




(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 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 필요 없고 고속에서 높은 추력을 얻을 수 있어 마하 3-5 정도에서 최적의 효과를 낼 수 있습니다. (물론 아음속 램제트 엔진도 있음) 구조가 단순해 사실 제트 엔진보다 더 빨리 실용화 될 수도 있었지만 정지 상태에서 추력을 낼 수 없는 단점 때문에 널리 사용되지는 않고 있습니다. (쉽게 말해 순수한 램제트 엔진 만으로는 이륙을 못함)  


 한편 마하 5-6 이상의 극초음속에서는 통상적인 램제트 엔진 역시 효율이 떨어지게 됩니다. 그래서 초음속 연소에 적합한 개량이 이루어졌는데 이것이 스크램제트 엔진 (Scramjet engine = 초음속 연소 램젯(Supersonic Combustion Ramjet) ) 입니다. 램제트 엔진과의 가장 큰 차이는 초음속 연소로 램제트 엔진에서는 초음속으로 유입된 공기가 아음속으로 속도가 떨어지면서 압축된 후 연소되나 스크램제트 엔진은 초음속으로 들어온 공기가 초음속으로 연소되어 분사됩니다. 



(스크램 제트 엔진의 구조도 - 초음속으로 들어온 공기가 초음속 상태에서 연소되어 초음속으로 가스가 분사된다.  CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시, 저자 en:User:Emoscopes)


 X - 43 및 X - 51 은 모두 스크램 제트 엔진을 테스트 하기 위한 용도로 전자가 우주 항공기 개발을 위한 것이라면 후자는 군용기 및 스크램제트 미사일을 연구하기 위한 기초 연구로 볼 수 있습니다. 미 공군의 요구는 보관이 까다롭고 다루기 위험한 수소 연료 대신 효율은 다소 떨어져도 보다 안전한 전통적인 탄화 수소 연료를 사용하고 (X-51A 는 연료로 JP-7 을 사용, 최대 120 kg 탑재) 초음속에 도달하기 위한 로켓 부스터도 저렴하고 군용으로 이미 사용되는 것 - X - 51 의 경우 MGM-140 ATACMS 의 고체 로켓 부스터를 사용 -  으로 교체하는 것이었습니다. 


 X - 51 은 이 요구에 맞춰 개량되었는데 발사는 동일하게 B - 52 의 날개에서 진행되었습니다. 발사는 X- 43 과 동일하게 마하 5 정도의 초음속에 도달하기 위해 (스크램 제트 엔진 단독으로는 그 속도에 도달할 수 없으므로) 고고도에서 B - 52 의 날개에서 분리된 후 고체 로켓에 의해 가속되어 마하 5 정도에 이르면 로켓 부스터는 떨어지고 그 때부터 초음속 스크램 제트 엔진 연소에 의해 극초음속 비행을 시작합니다. 그리고 수분후 연료가 떨어지면 회수하지 않고 파괴된 후 그대로 잔해는 바다로 떨어져 폐기됩니다. (소형 테스트 기체라 회수는 하지 않음) 


 첫번째 테스트 비행은 2010 년 5월 25일 있었으며 계획된 마지막 4 번째 테스트 비행은 2013 년 5월 1일 있었습니다. 이 테스트 비행에서 X-51A 는 B-52H 에서 분리된 후에 로켓 부스터로 마하 4.8 에 도달했고 이후 스크램제트 엔진이 정상적으로 작동하여 마하 5.1 에 도달 연료가 소진될 때까지 240 초간 초음속 비행하는데 성공했습니다. 총 6 분 (370 초) 테스트 기간 동안 이동 거리는 230 해리 혹은 426 km 정도였다고 합니다. 참고로 1/4 번째 테스트는 성공이었고 2/3 번째 테스트는 부분적으로 실패였습니다. 


 X - 51A 자체는 부스터 포함 7.62 미터 길이에 무게 1814 kg 에 불과한 소형 기체로 무장은 탑재할 수 없으며 그냥 테스트 기체 입니다. 최고 속도 자체는 X - 43A 의 기록인 마하 9.8 보다 느리지만 이는 로켓 부스터 및 연료 특성에 의한 것으로 의도된 것입니다. X - 43 의 목표는 저지구 궤도에 진입할 수 있는 빠른 비행체이지만 X - 51 은 초음속 항공기 및 미사일 개발이기 때문에 좀더 현실적인 조건에서 테스트 한 것으로 볼 수 있습니다. 참고로 이번 4 번째 비행에서 X-51A 가 기록한 240 초 스크램 제트 비행은 스크램제트 엔진 연소 비행 사상 최장 시간입니다. X-43A 는 12 초가 최대 연소 시간이었습니다. 


  
    
(지상 실험실에서 인공적으로 만든 마하 5 상황 에서 연소 테스트 중인 SJX61-2 엔진   In this image, the SJX61-2 successfully completed ground tests simulating Mach 5 flight conditions at NASA's Langley Research Center, Hampton, Va.  Credit : NASA ) 


(테스트 직전의 X - 51A. B-52H 주익에 매달린 상태    Credit : USAF ) 


 향후 미 공군이 이를 이용해서 무엇을 할지는 확실히 밝힌 바가 없지만 가장 유력하게 생각되는 것은 스크램제트 엔진 사용 미사일로 일단 1 단은 고체 로켓 부스터로 가속한 후 2 단 스크램제트 미사일이 마하 5 이상에서 초음속 비행을 해 장거리 목표물을 공격하는 것입니다. 또 높은 운동 에너지를 이용한 벙커 버스터 방식의 무기를 개발도 가능합니다. 방어하는 측에서는 고고도에서 극초음속으로 진입하는 스크램제트 미사일은 그 고도와 속도 때문에 요격이 쉽지 않습니다. 마지막 단계에서는 본래 마하 5 이상의 속도에다 지상으로 하강하면서 그 에너지가 더해져 더 빠른 속도로 목표에 도달하게 됩니다.  


 물론 탄도 미사일도 이런 공격이 가능하지만 스크램 제트 미사일은 다른 장점이 하나 있습니다. 제트 엔진의 가장 큰 장점은 산화제를 따로 가지고 다니는 대신 공기중의 산소를 사용해서 연소하기 때문에 같은 연료라면 로켓보다 더 먼 거리를 갈 수 있습니다. 사실 이점이 이전 SSTO 에 대해서 설명할 때 로켓에 비해 스크램제트 엔진이 가지는 가장 큰 장점이었습니다. 스크램제트 미사일은 통상 고체 및 액체 로켓에 비해 비싸긴 하겠지만 비슷한 크기의 로켓보다 더 멀리 있는 목표를 정밀 타격하는데 유리할 것으로 생각됩니다. 물론 미래에 개발할 초음속 항공기 엔진 연구에도 도움이 될 것으로 보입니다. 다만 항공기의 경우 마하 5 의 속도에 이르기 전까지 가속해 줄 별도의 엔진이 필요하다는 단점이 있습니다. 


 앞으로 여러가지 기술적 난제를 해결해야 하는 만큼 스크램제트 비행기나 미사일이 곧 실용화 되지는 않겠지만 언젠가 미래에 스크램제트나 이를 응용한 새로운 형식의 복합 엔진 항공기가 등장할 날이 있을지도 모르겠습니다.    
  


 참고 




  

댓글

이 블로그의 인기 게시물

중등도 코로나 19 환자에서 제한적인 효과만을 확인한 렘데시비르

   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....

178Tb/s - 광섬유 통신 신기록 수립

  ( Lidia Galdino, lead researcher on the study. Credit: James Tye / UCL )  현재 가정에 들어오는 초고속 광통신은 10Gb/s 정도가 가장 빠른 편입니다. 그러나 사실 광섬유를 통해서 보낼 수 있는 정보량은 이것보다 훨씬 많습니다. 현재 개발 중인 기술 가운데서는 이미 1Tb/s 이상이 속도를 지닌 것들이 많아 미래에는 테라 인터넷 시대가 가능할 것으로 예상됩니다. 그런 가운데 영국 유니버시티 칼리지 런던 (UCL)의 리디아 갈디노( Lidia Galdino )가 이끄는 연구팀이 178Tb/s라는 신기록을 세웠다는 소식입니다.   광섬유 통신을 위한 주파수는 4.5THz까지 높일 수 있습니다. 최근에 개발된 신기술은 9THz 벽도 돌파했습니다. 그러나 연구팀은 16.8THz라는 새로운 영역에 도달했습니다. 주파수가 높을 수록 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 하지만 16.8THz의 주파수로도 178Tb/s의 데이터 전송 속도는 사실 불가능합니다. 연구팀은  Geometric Shaping (GS) 방식으로 레이저 신호의 페이즈, 밝기, 편광 수준을 조절해 여러 신호가 서로 간섭 없이 전달되게 만들어 이런 신기록을 수립했습니다.   물론 새로운 기술이 항상 그렇듯이 바로 상용화가 가능한 것은 아닙니다. 특히 광섬유는 장거리 정보 전송이 가능해야 할 뿐 아니라 오류 없이 장시간 작동이 가능해야 합니다. 자꾸 에러가 생기거나 고장난다면 아무리 속도가 빨라도 무용지물입니다. 이 단계를 극복하고 경제성까지 갖춰 실용화 되는 경우는 사실 소수에 지나지 않습니다.   하지만 경쟁적으로 Tb 급 대역폭을 지닌 광통신 기술이 개발되고 있어 테라바이트 급 정보도 순식간에 전송할 수 있는 시대가 올 것은 분명합니다. 과거 전화선을 이용한 56K 모뎀에서 지금의 광섬유 기반 초고속 인터넷이 온 것처럼 속도는 계속 빨라질 수밖에 없기 때문입니다...

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...