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2013년 5월 6일 월요일

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 




  

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