우주 항공기 Skylon

 

 우주 개발에 있어 엔지니어들의 오랜 꿈은 1단 로켓만으로 저지구궤도(LEO)에 도달할 수 있는 발사체를 만드는 것입니다. SSTO(Single Stage to Orbit)라고 부르는 이 방식에 대해서는 이전 포스트를 통해서 설명드린 바 있습니다. 상세한 개념에 대해서는 이전 포스트를 참조해 주시기 바랍니다.  ( http://blog.naver.com/jjy0501/100087541030 참조) 

 SSTO가 과거 여러차례 시도에서 결국 성공을 거두지 못한 가장 중요한 이유는 한가지 종류의 엔진으로 이륙에서 극초음속 비행까지가 가능하지 않았기 때문입니다. 통상의 제트 엔진은 음속의 2배가 넘어가면서 효율이 떨어져 이보다 더 빨리 날기 위해서는 램제트 엔진 같은 새로운 형태의 엔진이 필요합니다. 그런데 램제트 엔진은 속도가 0 인 상태에서는 공기를 흡입해서 연소를 시킬 수가 없습니다. 따라서 이륙을 위해서 별도의 엔진이 필요합니다. 터보 램제트 엔진은 이를 혼횽해 어느 정도 문제점을 극복했지만 역시 음속 5배를 넘기는 아직도 요원한 상태입니다. 

 영국의 리액션 엔진사 Reaction Engines Limited (REL)는 이전부터 스카이론(Skylon)이라는 컨셉 우주 항공기를 제안하고 있습니다. 이 구상은 두가지 형태로 변형되는 엔진을 이용해서 이륙에서 음속 25배까지 낼 수 있게 한다는 것입니다. 이 엔진은 사브레 SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine)라고 불리는데 아직까지는 물론 실제로 작동하는 엔진은 없고 컨셉이라고 할 수 있습니다. 아무튼 오늘 이야기는 여기에 대한 내용입니다. 

(스카이론의 컨셉. 출처:Reaction Engines Limited )  

 사브레 엔진을 한마디로 요약하면 마하 5 까지는 공기를 흡입한 후 수소를 연소시키는 제트 엔진이지만 이후 마하 25까지는 수소+산소를 혼합해 로켓 연소를 하는 엔진이라고 할 수 있습니다. 순수한 로켓 엔진 대신 이와 같은 방식을 선택한데는 그만한 이유가 있습니다. 우주선 로켓 연료는 다양하지만 무게를 감안했을 때 가장 강력한 것은 액체 수소와 액체 산소를 연소시키는 것입니다. 문제는 액체 산소가 꽤 무겁다는 것이죠. 수소 원자는 가벼운 반면 산소 원자는 상대적으로 무거우니 당연합니다. 

 따라서 이전부터 대기 중에서는 공기를 흡입해 그 속에 있는 산소와 연료 탱크 속의 수소를 연소시키고 산소는 매우 고속에서만 연료 탱크에서 충당하는 방식이 제안되어 왔습니다. 스카이론과 사브레 엔진 역시 마찬가지 입니다. 저속에서는 제트 엔진처럼 공기를 흡입해 연료 탱그 속의 수소를 연소시켜 이륙하고 극초음속 영역에서는 로켓 엔진으로 변형되어 로켓 연소를 하게 됩니다. 

(Reaction Engines - Skylon Hypersonic Space Plane Simulation ) 

(사브레 엔진의 단면도. 출처:Reaction Engines Limited) 

(사브레 엔진의 다이어그램 출처:Reaction Engines Limited) 

 사브레 엔진의 핵심은 아주 독특하게 생긴 연소실과 엔진 앞의 공기 흡입구에 있습니다. 제트 엔진 가동시에는 앞의 흡입구는 열려 있고 여기에서 공기를 흡입해 연소를 시키게 됩니다. 이후 로켓 엔진 점화시에는 흡입구가 폐쇠되면서 액체 산소와 액체 수소가 로켓 엔진에서 연소되어 추진력을 발생시킵니다. 이렇게 하면 탑재하는 액체 산소의 양을 줄일 수 있고 1 단의 추진력 만으로도 저지구궤도에 도달할 수 있다는 것이죠. 

 말은 간단하지만 실제 작동 원리는 훨씬 복잡합니다. 사실 스카이론은 과거 영국이 추진하던 우주 항공기인 호톨 (HOTOL)의 후계기라고 할 수 있습니다. 이 개발을 진행한 핵심 인물은 앨런 본드(Alan Bond)로 liquid air cycle engine (LACE)라는 방식 엔진을 연구하는 엔지니어입니다. 사실 그는 1980년대 중반 호톨 연구시부터 계속 이 일에 매달려 왔다고 할 수 있습니다. 

 사브레 엔진은 과거 호톨과 다르게 일단 공기를 흡입하면 바로 액체 수소에 의해 냉각되는 것이 아니라 중간에 헬륨 냉각 장치를 거치게 됩니다. 목적은 공기를 차갑게 만들면서도 수소취화(hydrogen embrittlement, 수소가 금속에 흡수되어 금속을 약화시키는 현상)을 막기 위한 것입니다. 영하 150도 까지 냉각된 공기는 로켓 엔진에서 산화제로 사용되어 수소와 함께 연소합니다. 이런 방식으로 저속에서는 공기 중 산소를 이용해서 연소가 가능합니다. 

 하지만 속도를 매우 빠르게 하려면 100% 산소와 수소를 연소시킬 필요가 있습니다. 고속 비행시에는 모드를 변경시키는 것은 그래서 입니다.  

 스카이론 C1제원

 길이 : 82m

 동체 지름 : 6.25m

 날개 폭 : 25m

 최대 이륙 중량 : 275t

 연료 중량 : 220t

 최대 탑재량 : 12t

 이들이 디자인한 초기 모델인 C1 의 경우 82미터의 거대한 동체 길이를 가지고 있으며, 화물칸의 경우 4.6미터 지름에 12.3 길이를 가지고 있습니다. 최대 탑재량은 12톤 정도이므로 과거 우주 왕복선보다 약간 적은 양의 화물을 우주로 실어나를 수 있는 셈입니다. 

 물론 실제로 가능할지는 아직 미지수입니다. 일단 이렇게 거대한 우주선을 지구 대기권 밖으로 발사했다가 안전하게 착륙한 역사가 없기 때문에 이런 기체를 개발하는 것 자체가 엄청난 기술적 모험이라고 할 수 있습니다. 물론 엔진 역시 말할 것도 없이 이전에 한번도 시도된 적이 없는 엔진입니다.

 그런데 최근 영국 정부가 6000만 파운드 (약 1000억원)의 자금을 지원해 이 사브레 엔진의 첫번째 축소 실증 모델을 만들도록 했다는 소식입니다. 이를 통해 2014-2016년 기간 동안 엔진의 모든 사이클을 구현할 수 있는 축소 엔진 모델이 개발될 것입니다. 실제로 가능할지 아닌지는 아마도 이 시기가 지나면 어느 정도 윤곽이 잡힐 텐데 이 테스트에서 성공했다고 해서 미래를 장담할 수 있는 것은 아니지만, 여기서도 성공 못하면 더 미래는 없기 때문입니다. 

 미국도 번번히 실패의 고배를 마셔야 했던 SSTO 가 영국에서 날아오를 수 있을 지 앞으로의 결과가 주목됩니다. 

 참고 

http://www.reactionengines.co.uk/space_skylon_tech.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Skylon_(spacecraft)

http://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_(rocket_engine)