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대한민국 극초음속 추진기관 기술동향

Sheldon | 조회 수 908 | 2017.03.05. 23:40

개요

 

공기흡입식 엔진의 일종인 램제트/스크램제트 엔진은 초음속 및 극초음속 환경에서의 비행에

 

매우 유리한 구조를 갖추고 있어 초고속 비행체의 추진기관으로 사용되고 있다.

 

이미 선진국에서는 50년 이상을 꾸준히 연구해온 분야인데, 특히 미국과 러시아에서는 이미 1950년대에

 

대공미사일 및 순항미사일에 사용되는 램제트/스크램제트 엔진을 연구, 개발하여 가시적인 성과를 거둔 바 있다.

 

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- KARI 스크램제트 연소기 연소 시험 -

 

국내에서는 한국항공우주연구원 및 국방과학연구소의 주도로 핵심기술 확보에 주력하고 있으며,

 

최근에는 차세대 발사체에 사용할 '로켓 기반 복합 사이클(RBCC) 엔진'과

 

극초음속 순항미사일에 사용할 이중연소 램제트(DCR) 엔진기술을 연구하고 있다.

 


한국항공우주연구원(KARI)

 

스크램제트 엔진과 같은 극초음속 공기흡입식 추진기관은 기존의 로켓추진기관과 달리 별도의 산화제를 탑재하지 않아

 

더 많은 양의 화물을 적재할 수 있으며, 비추력 또한 로켓의 수배 내지 수십배에 달해 단 분리 없이

 

1단 발사체만으로 지구 궤도에 도달할 수 있는 SSTO(Single Stage To Orbit)에 적합하다.

 

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- KARI 스크램제트 엔진 흡입구 시험모델 -

 

2008년 11월에는 KARI에서 단독으로 설계/제작한 마하 6.7급 극초음속 흡입구와 초음속 연소기를

 

일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 극초음속 추진기관 시험설비를 활용하여 시험에 성공하였다.

 

이때 KARI의 초음속 연소기는 세계적으로 보편화되어 있는 기존 초음속 연소기보다

 

동일조건에서 최대 17% 가량 좋은 성능을 보였다고 알려졌다.

 


2009년 6월에는 2000년부터 연구해온 독자적인 스크램제트 엔진 시험설비가 완공되었고,

 

이후 2013년까지 1종의 스크램제트 엔진 흡입구 시험, 2종의 탄화수소 스크램제트 엔진 연소 시험,

 

1종의 단열재 공력 가열 시험을 성공적으로 수행하였다.

 

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- KARI에서 수행 중인 15톤급 SSTO 재사용 발사체 개념설계 형상 -

 

2015년부터는 기존의 연구 결과를 바탕으로, 램제트-스크램제트 엔진을 혼합한

 

이중모드 램제트 엔진에 로켓엔진을 합친 RBCC(Rocket-Based Combined Cycle) 엔진과,

 

이를 포함하는15톤급 재사용 발사체에 대한 핵심 기술들을 개발하고 있다.

 


이 재사용 발사체는 초기 가속 이후 마하 3.0 ~ 6.0까지는 램제트 모드로, 마하 6.0에서 11까지는 스크램제트 모드로 동작하며,

 

대기권을 벗어난 이후부터는 다시 로켓 모드로 동작하여 목표 고도로 도달해 위성 등의 화물을 안착시키게 된다.

 


국방과학연구소(ADD)

 

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- ADD 액체 램제트 엔진 연소기 연소시험 -

 

ADD에서는 2004년 액체 램제트 추진기관의 연소기와 주요 핵심부품에 대한 설계기술 개발을 추진하였으며,

 

2007년에 연소기, 연료분사장치, 연료공급장치, 점화장치, 무노즐 부스터 추진제 등의 설계기술과

 

연소 시험평가 기술 확보에 성공하였다. 이렇게 확보한 기술을 토대로 초음속 대함미사일을 개발 중이라는 정보도 있으나,

 

외부에 정보를 공개하지 않는 전략 무기체계인 만큼 그 실체를 확인하기는 어렵다.

 

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- 극초고온 환경에서 운용 가능한 산화물계 직물형 레이돔 -


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- 고속 비행체 날개용 비대칭구조 열방어 복합재 -

 

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- 극초음속 비행체용 내산화/내삭마 복합소재 -

 

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- 초고온 조종날개 및 첨두구조 -

 

액체 램제트 기술을 확보한 ADD는 2010년 이후부터 극초음속 무기체계에 대한 핵심기술 연구를 진행하고 있다.

 

통상적인 램제트 추진기관이나 스크램제트 추진기관은 일정 속도 이상을 내기 위해 대형 고체연료 부스터가 필요하지만,

 

ADD에서는 이러한 문제를 해결하고자 이중연소 램제트(Dual Combustion Ramjet) 기술을 개발하고 있다.

 

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- 초고속 유도무기 내열부품 및 구조물용 경사기능 복합재료 -

 

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- 이중연소 램제트 특허자료 도면 -

 

DCR은 램제트 엔진과 스크램제트 엔진을 결합한 이중 램제트 기술의 일종으로, 초음속에서 극초음속 영역까지

 

광범위한 비행영역에서 작동 가능한 복합 사이클 엔진이다. 위에서 언급된 이중모드 램제트 엔진과 유사하지만,

 

이중연소 램제트는 램제트 / 스크램제트가 각각 분리된 연소실을 가진 엔진이며,

 

이중모드 램제트는 하나의 연소기에서 램제트, 스크램제트 연소가 이루어지는 엔진이다.

 

즉, 연소실의 분리 유무에 따라 구분된다고 할 수 있다.

 

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- 기존 아음속 연소기 노즐과 개선된 노즐 형상 -

 

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- 기존 노즐과 Multihole 노즐 비교 -

 

2016년에는 아음속 연소기 출구에서 초음속 유입공기와 고온/고속의 미연 가스가 잘 섞이지 않아

 

연소특성에 악영향을 주던 문제를 Multihole 노즐을 적용하여 연소효율을 81.2%에서

 

99.9%로 향상시킨 결과에 대한 논문이 발표되었다. 화염 영역이 짧아지는 덕분에,

 

연소실 길이가 단축되어 엔진 길이가 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

 

 

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국방 연구개발과제인 만큼 구체적인 내용은 확인할 수 없었으나,

 

ADD는 이러한 핵심기술 개발을 토대로 최종적으로는 2024년에 핵심기술 개발을 완료하고

 

최대 순항속도 마하 6 이상의 장거리 극초음속 순항미사일 개발에 착수할 것으로 추정된다.

 

 

자료 출처

 

DTiMS, 국방과학연구소

 

'이중연소형 연소기 연소특성에 관한 수치적 연구',

 

'한국항공우주연구원 스크램제트 엔진 시험설비',

 

'액체 램제트 연소기 및 주요 핵심부품 개발',

 

로켓기반 공기흡입추진 엔진이 적용된 재사용 발사체의 요구 성능 및 중량 분석',

 

'항우연, 국내최초 차세대 극초음속 스크램제트엔진 핵심 구성품 시험 성공'





    



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YoungNick 2017.03.06. 13:25

스크램젯 엔진은 공기가 매우 희박한 고고도에서(주로 30~100km 정도 고도) 작동하는 것을 상정하고 개발되고 있기 때문에, 아마도 군용으로는 사용되지 않을 가능성이 높습니다. 군용으로서 스크램젯 엔진이 가지는 장점은 사실 전략병기용의 장점들에 해당하기 때문에, 아무래도 한국군용으로는 딱히 유용성이 높지 않을 겁니다. 탄두중량 1톤 내외/사거리 1000km 내외의 물건일 경우엔 단순 탄도미사일과 비교하여 스크램젯 엔진 순항미사일이 가지는 장점이 특별히 드러나지 않으니까요. 

 

항우연에서는 10여년 전부터 한국형 발사체의 2단부에 스크램젯 엔진을 적용하여 페이로드를 늘리는 방법을 연구하고 있었고, 두번째 사진의 중간에 한번 꺾이는 부분이 있는 스크램젯용 공기흡입구는 제가 자주 보던 물건이네요. 저 물건을 실험할 수 있는 실험장비 개발 과제가 중간에 엎어져버려서 실제 실험 수행은 외국에서 했었죠.

Profile image whitecloud 2017.03.06. 15:25

L-SAM같은 대탄도탄 미사일에 사용되지 않을까요?

Profile image Sheldon 2017.03.06. 17:27
대탄도탄 미사일은 고도 변화가 극심해서 공기흡입식 추진기관인 스크램제트 엔진은 적합하지는 않을겁니다. L-SAM도 격막형 이중펄스로켓을 쓰는걸로 알고 있구요.
Profile image whitecloud 2017.03.06. 17:51
저고도일때는 일반 로켓을 쓰다가 30키로 상공에 도달하면 1단을 분리하고 스크램제트로 갈아타는 형태를 생각했는데..... 생각해보니 낙탄이 문제네요
YoungNick 2017.03.07. 00:34

고도 변화 못지 않게 골치아픈 점은, 스크램제트 엔진은 매우 휘발성이 높은 액체연료 혹은 수소연료 따위를 쓰는 것이 좋기 때문입니다. 즉응성이 필요한 병기에 사용하기 위해 보관성이 좋은 연료를 쓰면, 이번엔 또 로켓과 비교해서 딱히 큰 이점을 가지기 어렵습니다. 

 

민간용 발사체의 경우, 30km에서 100km 정도까지 지속적으로 상승만 하면 되고, 이렇게 상승만 하는 것을 감안하면 산화제 중량과 산화제 탱크의 무게를 줄인 만큼 페이로드를 늘릴 수 있어서 매우 유용하게 적용될 수 있습니다. 자세하게 이야기를 풀어보고 싶지만 저도 책을 좀 다시 봐야 이야기를 안 헷갈리고 할 수 있을 것 같네요 ^^;;

Profile image Sheldon 2017.03.07. 00:42
미사일용 램제트 엔진이나 복합사이클 엔진은 수소연료보다는 기존 순항미사일에서 사용하던 JP-10이나 JP-7같은 연료를 쓰던데요. 그런 점에서는 크게 문제되진 않을 거라고 생각합니다.
YoungNick 2017.03.07. 00:48

제가 대학원에 있던 무렵에만 해도 스크램젯 엔진 연소기 CFD를 거의 수소연료로 돌렸었습니다.

 

램제트만 해도 연료를 아무거나 가져다 써도 별 문제가 없어요. 연소 파트는 램제트나 터보제트나 사실상 거기서 거기거든요. 

 

그런데 아시다시피 스크램제트 엔진은 연소실 내부가 초음속이고 해서 분자량이 큰 연료를 쓰면 굉장히 골치아파집니다. 벌써 10년 전 일이다보니 기억이 정확할 리가 없기는 합니다만, 제 기억에는 연료로 메탄만 가도 수치해석이 산으로 가서 선배들이 제일 만만한 수소로만 열심히 돌렸었거든요. 

Profile image F-22 2017.03.07. 07:37
이중연소 램제트 엔진이면 SR-71에 쓰였던 엔진이네요. 새삼 미국의 외계인 고문에 감탄하게 됩니다;
Profile image Sheldon 2017.03.07. 12:31
SR-71의 J58 엔진은 이중연소 램제트 엔진은 아닙니다. 램제트 엔진처럼 작동하는 터보제트 엔진이라고 봐야 하는데, SR-71을 위해 개발된 전용 엔진도 아니었지만 스컹크웍스에서 쇼크 콘과 가변유로 기술을 적용해서 일종의 터보제트-램제트 복합사이클 엔진처럼 사용할 수 있도록 만든거죠.
신하 2017.03.13. 16:04

2024년에 개발을 완료하면...

초음속 대함미사일은 곧 완료되나 극초음속 순항미사일에 한해서 얘긴가요?

 

야혼트 기술은 받아서 개발들어간지 꾀 지났는데 

아직도 개발중!, 개발중! 시험발사 소식은 없으니 결국 기술만 먼저받고 

실전배치는 주변국보다 느리면 너무 감 떨어지는거 아닌가 하고...

Profile image JackH2S 2017.08.03. 02:27
잘 보고갑니다.
노비스 2017.08.03. 22:44

재미있게 읽었습니다. 좋은 자료 감사해요

빅맨 2017.08.05. 15:24
기밀사항일수도 있는데 나라에서 다 공개하는 이유가 외극에서는 다 알려진 기술이어서 일까요?
멀티홀 노즐로 개선한 것은 처음일 수도 있을 것 같은데 너무 많이 노출시키는 것 같네요..
Profile image whitecloud 2017.08.07. 11:47

이게 무슨 맨해튼 프로젝트 급의 연구 프로젝트가 아닌 이상 보통 이런 학술연구는 대부분 공개됩니다.

알바리움 2017.09.19. 11:17

최근 유툽에 보니 미해군에서 레일건 개발현황을 짤막하게나마 공개한 동영상이 업로드 됬던데 우리육군(맞나?)의 레일건 개발은 얼마나

 

진행되었을런지 궁금합니다.

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