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[원고] 극초음속 비행체

폴라리스 | 조회 수 551 | 2015.06.19. 01:38

* 아시는 분은 아시고 모르시는 분은 모르시는 국방홍보원에서 발간하는 국방저널이 금년 1월호부터 e-magazine으로 나오고 있습니다.

   거기에 금년동안 제가 손에 잡히는 미래무기 라는 코너를 맡아 연재하고 있습니다.

   일단 연재한지 6개월 정도 되었기에 첫 원고를 오픈합니다.

* 저의 허락 없는 무단 전재를 금지합니다.

 

극초음속 비행체

 

 

인류는 1903년 첫 동력비행에 성공한 이후 정치적, 군사적, 기술적 이유로 보다 빠른 비행기를 확보하기 위해 경쟁했다. 1947년 10월 미국 공군의 척 예거가 인류 최초로 음속 돌파에 성공한 이후 세계 각국의 속도 경쟁은 지금도 계속되고 있지만 미국이 1967년 수립한 마하 6.7의 유인 극초음속 비행기록은 여전히 깨지지 않고 있다. 적보다 빠른 속도는 공중전은 물론 적국 방공망을 무력화시키기 위해서도 중요하다. 이러한 이유로 극초음속 비행체 개발은 21세기 핵심 군사기술 중 하나로 주목받고 있으며 현재 미국, 러시아 그리고 중국이 극초음속 비행체 개발을 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

 

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사진-00-미 공군의 극초음속 비행체 HTV-2 아티스트 컨셉-출처-darpa.mil

 

극초음속 - 속도가 무기다

1903년 12월 17일, 라이트 형제가 인류 최초의 동력 비행에 성공했다. 이후 비행기는 제1차 세계대전에서 핵심 무기체계로 자리 잡았다. 최초의 공중전 이후 비행기의 속도는 공중전의 승패를 가르는 중요한 변수가 됐고 이후 빠른 전투기를 개발하려는 속도 경쟁이 벌어지기 시작했다. 상대방을 제압할 수 있는 빠른 속도야 말로 무엇보다 큰 무기였다.

 

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사진-01-유인 비행체 최고속도 마하 6.7을 기록한 X-15-출처-wikipedia.org

 

1947년 10월 18일 미국의 공군장교 찰스 엘우드 예거(Charles Elwood Yeager, 1923년 2월 13일 ~ /흔히 척 예거(Chuck Yeager)로 부름)가 X-1으로 인류 역사상 처음으로 음속을 돌파했고, 20년 후인 1967년 10월 3일에는 X-15가 유인 비행체 최고 속도인 마하 6.7을 기록했다. 참고로 X-1과 X-15는 모두 연료와 산화제를 기체 안에 내장한 로켓 비행기다.

마하(Mach) 1 이란 온도 20 °C의 해수면에서의 건조한 공기에서의 음속으로 초속 343m이며 시속으로는 1,235km 정도다. 마하 1 이상, 5 이하를 ‘초음속(Supersonic)’으로 부르며 현재 운용중인 전투기들 대부분이 최고속도 마하 3 이하로 비행할 수 있다. 그리고 이를 뛰어넘는 마하 5 이상을 ‘극초음속(Hypersonic)’이라고 정의하며 비행체를 ‘극초음속 비행체(hypersonic glide vehicle, HGV)'라고 부른다. 현재 세계 각국은 미래 전장을 지배하기 위해 극초음속 비행체 개발을 위해 경쟁하고 있다.

극초음속 비행체의 무기로서의 가치는 매우 크다. <테러와의 전쟁>과 같은 국지전에서 탄도미사일을 사용할 경우 미국과 러시아, 중국은 이를 자신에 대한 핵 공격으로 오인할 가능성이 크다. 하지만 항공기에서 발사되거나 지상에서 이륙할 수 있는 극초음속 비행체를 사용한다면 핵보유국들을 불필요하게 자극하지 않으면서도 빠른 시간 내에 목표를 타격할 수 있다. 미국이 지구상 어디에 있는 목표라도 한 시간 이내에 타격하겠다는 “전 세계 신속타격(Prompt Global Strike, PGS)“ 계획을 위한 수단으로 극초음속 비행체를 선정한 것도 빠른 속도가 이유다.

극초음속 비행체는 정찰에도 유용하다. 과거 미국이 운용하다 퇴역한 SR-71 블랙버드는 마하 3.3이라는 빠른 속도로 비행했다. 이보다 두 배 이상 빠른 극초음속 정찰기가 등장한다면 적 방공망이 정찰기를 탐지하더라도 격추하기는 매우 어려워진다.

 

램제트와 스크램제트

 

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사진-02-램제트엔진 설명도-출처-wikipedia.org

 

 

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03-스크램제트엔진 설명도-출처-stanford.edu

 

현재의 비행기들이 사용하는 터보팬이나 터보제트 엔진으로는 극초음속으로 비행할 수 없다. 이들 엔진은 터빈으로 압축기를 돌려 공기를 압축시키는데, 초음속 영역으로 갈수록 유입되는 공기의 압력이 압축기에 부담으로 작용한다. 이런 문제점을 극복하고 극초음속 비행이 가능한 램제트(Ram Jet) 엔진과 스크램제트(Scram Jet) 엔진이 현재 개발되고 있다.

먼저 등장한 것은 램제트 엔진으로 1908년 프랑스의 ‘르네 로빈(Rene Robin)’이 특허를 출원하면서 현재의 기술적 개념을 정립했다. 현재 램제트 엔진은 몇 종류의 미사일에서 추진시스템으로 채용되었다. 램제트 엔진은 유입되는 빠른 속도의 공기를 그대로 사용한다. 터빈과 압축기가 없어져 공기흡입구, 연소실 그리고 배기구로 구조가 단순해진다. 공기흡입구에서 초음속으로 유입된 공기는 충격파에 의해 아음속으로 속도가 늦춰져 연소실로 보내진다. 램제트 엔진의 이론상 최고 속도는 마하 6 정도다.

램제트 엔진을 향상시킨 스크램제트 엔진은 공기흡입구에서 유입된 공기의 속도가 떨어지지 않고 그대로 연소실로 유입된다. 공기흡입구에서 유입된 공기가 정체되지 않고 배기구를 빠져나갈 때까지 초음속을 유지하게 되므로 극초음속을 유지하는데 유리하다. 스크램제트 엔진의 최고속도는 마하 15 이상이다. 하지만 극초음속으로 비행하기 위해서는 아직 많은 문제를 해결해야 한다. 우선, 스크램제트 엔진은 유입되고 배출되는 공기가 계속 초음속을 유지하고 있기 때문에 연료를 점화시키고 연소를 유지시키기 위한 기술이 필요하다.

초음속을 넘어 극초음속으로 비행하는 비행체 표면은 공기와의 마찰로 높은 온도로 가열된다. 공기흡입구 내부도 초음속을 유지하기 때문에 높은 온도를 유지한다. 비행체 내부 각 부분을 고온에서 보호하기 위한 재료의 개발과 냉각을 유지하기 위한 기술이 필요하다.

램제트 엔진과 스크램제트 엔진 모두 공기가 초음속으로 흡입되어야만 효율이 높아지므로 초음속으로 가속하기 위한 보조추진기관이 필요하다. 현재는 로켓 부스터나 항공기를 이용하여 초음속까지 가속시키지만 자체적으로 초음속으로 가속하기 위한 이중모드 엔진에 대한 연구도 계속되고 있다.

 

미.중.러 삼국 경쟁

 

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사진-04-B-52 날개에 매달린 X-43-출처-NASA.gov

 

높은 군사적 가치 때문에 군사강국들이 극초음속 비행체 개발을 추진하고 있다. 초음속 비행체 개발에 가장 앞선 국가는 미국이다. 미국은 로켓을 장착한 X-1과 X-15으로 초음속과 극초음속에 제일 먼저 도달한 경험이 있다. 하지만 로켓은 연료와 산화제를 모두 탑재해야 하므로 기체의 크기가 커지며 재사용에 제약이 많다.

미국은 램제트와 스크램제트 엔진을 사용한 비행체 개발에 나섰고, NASA와 미 공군 주도로 최초의 극초음속 비행체인 X-43을 개발했다. 2001년 6월 첫 시험에 실패했지만, 2004년 3월과 2004년 11월에는 시험에 성공하면서 마하 9.8의 속도로 10초간 비행하는데 성공했다.

2010년 5월에는 보잉사가 제작한 극초음속 미사일 개발을 위한 기술실증기인 'X-51 웨이브라이더(WaveRider)'가 마하 6에 가까운 속도로 첫 비행에 성공했다. 목표했던 300초간의 비행에는 실패했지만 마하 5 이상으로 200초 이상 비행했다.

 

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사진-05-록히드마틴의 극초음속 정찰기 SR-72 컨셉-출처-lockheedmartin.com

 

록히드마틴도 DARPA와 함께 ‘팰컨 HTV-2’라는 극초음속 비행체를 개발하고 있는데, 2010년 4월 지상에서 로켓에 실려 발사되어 최고속도 마하 20을 기록하고 하와이 인근 해상에 낙하했다. 록히드마틴과 DARPA는 HTV-2를 더욱 발전시킨 HTV-3와 HCV를 개발할 계획이다. 록히드마틴은 2013년 11월, 마하 6 이상의 속도로 비행할 수 있는 'SR-72' 정찰기 개발 계획을 발표했다. SR-72는 터보팬 엔진과 스크램제트 엔진으로 구성된 ‘이중모드’ 엔진을 통해 로켓 부스터 등의 도움을 받지 않고 스스로 이륙하고 극초음속으로 비행할 계획이다. 무인 정찰기로 개발할 예정이지만 무인 폭격기로의 사용도 검토되고 있다.

미국에 이어 중국도 본격적으로 극초음속 비행체 개발에 나서고 있다. 미국은 중국이 개발하고 있는 비행체를 ‘WU-14'로 명명했다. WU-14는 미국의 HTV-2와 유사하게 지상발사 로켓에 장착되어 발사된다. 첫 발사는 2014년 1월에 실시되었고, 두번째 시험은 2014년 8월, 세번째 시험은 2014년 12월 2일에 실시되었다. 중국은 미국의 미사일 방어망(MD)에 대응하기 위해 극초음속 비행체를 개발하고 있다.

 

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사진-06-MAKS 2009에 전시된 러시아의 극초음속 비행체 GLL 모형-출처-academic.ru

 

미국과 함께 항공우주기술을 이끈 러시아도 오래전부터 극초음속 비행체를 연구해왔다. 2013년 8월, 러시아 방산업체 관계자가 마하 4.5 이상으로 비행이 가능한 극초음속 미사일을 개발했다고 밝혔다. 같은 해 10월에는 러시아 부총리가 극초음속 무기를 시험하고 있다고 인정했다. 아직 미국과 중국의 비행체보다 속도가 느리고 비행 가능 시간도 짧지만 2020년까지 마하 6 이상의 극초음속 비행체를 개발할 것이라고 밝히고 있다.

각국이 개발을 추진하고 있는 극초음속 비행체들은 무인 비행체로 개발되고 있다. 인간이 탑승하기 위해서는 탑승공간, 조정장치, 생명유지장치 등이 필요하므로 기체 크기가 커져야 한다. 하지만 현재의 기술적인 난제들이 해결되면 유인 극초음속 비행체 개발이 시작될 것으로 예상된다.





    



오스만 2015.06.19. 18:43
아하 이 글 봤어요.ㅋㅋ 도서관에 국방저널이 있더라고요. 거기 글준 1,2개만 봤는데 딱 저 글봤는데.ㅋㅋ 반갑네요
Profile image 폴라리스 2015.06.19. 18:59
e-book으로만 나올텐데........어떻게 잘 찾아 보셨네요? ^^
오스만 2015.06.20. 16:40
잉?? 종이로는 출판이 안되었나요?? 흠... 제가e-book으로 본걸 기억의 간섭으로 인해 섞였나보군요...ㄷㄷ 아니 확실히 기억나는게 미래의 극초음속체 모형 사진이랑 극초음속이란 단어자체가 인상이 강해서 제 머릿속에 박혔거든요.ㅎㅎ 분명 어디에선가 봤어요..ㄷㄷ
하이튼 좋은 글 잘봤습니다
Profile image 데스피그 2015.07.24. 19:13
아마 15년1월부터 e북이고 그 전까지는 종이였을겁니다

제 인터뷰기사도 14년11월호에 있는데 그때도 종이였어요
오스만 2015.07.24. 20:13
음.. 그렇군요. 폴라리스님글에서 금년것이라고 하셨으니깐 제가 본건 e북이겠네요. 제 기억상으로도 올해 본 것 같아서.
아 그리고 실례지만 혹시 루리웹에서 아르미랑 그외 등등의 게임을 만화로 쓰신(하푼도 다루셧던가?) 데스피그님 맞으신가요?? 정말 반갑네요. 데스피그님 만화가 엄청 재밌어서 3탕정도 하면서 계속봤거든요.ㅎㅎ 저런 종류의 게임은 하고싶지만 어렵고 시간도 많이 들어서 포기했는데 이렇게나마 간접체험하게 해주셔서 감사합니다.ㅋㅋ
Profile image 데스피그 2015.07.24. 21:24
ㅎㅎ 이제 게임할 시간도 빠듯하게 휴가나온 구닌이라서ㅠ
오스만 2015.07.24. 21:50

흑흑....ㅠㅠ 역시나 작년 쯤에 군대 가신다고 하셨는데...ㅠㅠ 그래도 일병정도 되시겠네요....ㄷㄷ 군생활 힘내시고요. 정말 몸다치지 않고 오셨으면 합니다.(영창이랑) 이 2가지만 조심하면 군생활은 잘한 것 같아요. 아프다고 버티시지 말고 군병원이라든지 외진 꼭나가세요~!!(저 군생활 떄도 녹색부대화가 많이 되었는데 아마 정말 아파서 병원 가는 거 못하게 하는 선임은 요즘 부대는 없다고 봅니다. 제 생각은요..) 물론 군병원보단야 사제가 훨 좋지만요.(제 개인적인 경험이랑 주변 사람들의 경험입니다만.)

아리아테 2015.07.24. 20:14
내가아는 그분이 이분은 아니....맞나?
eceshim 2015.06.19. 20:19
국방 저널하니까 군생활이 생각나네요.
국방저널, 국방일보, 수방사에서 발행한 서울 전쟁사, 무기 메뉴얼을 아주 유심히 처다 보니까. 병들 미친놈 취급하고 간부들은 장기하라고 들들들 볶았던.....
hama 2015.06.20. 10:45
재료에서 재료로 끝나는 스크램젯 개발

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