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X-30 젱거 호툴 등은 새로운 개념의 차세대 우주 항공기. 우주공간을 마음대로 운행할 수 있는 우주항공기가 개발되기 위해서는 어떤 기술이 필요할까?

70년대 유류파동을 거치면서 가속되기 시작한 신소재의 개발과 추진기관의 혁신 및 컴퓨터와 전자기술의 급속한 진보는 80년대를 항공우주 시대로 부각시키면서 여러가지 우주개발방안과 이를 수행하기 위한 새로운 개념의 항공기를 연구 개발하고 있다.

예정대로 개발이 진행된다면, 아직까지 해결하지 못한 몇가지 장벽이 남아있긴 하나 21세기 초반에는 '제2의 우주혁명'을 일으키는 획기적인 능력의 우주항공기가 등장할 전망이다.

발사비를 줄여라

미국은 1982년 우주왕복선을 운영하기 시작했고 84년 유인우주기지(Freedom, 1996년 건설시작해 2000년에 완료)건설과 전략방위구상(SDI, Strategic Defence Intiative)발표, 86년 미국우주항공기(NASP, National Aero-Space Plane)계획의 출범 등으로 인류의 생활무대를 우주공간으로 확대시키는데 앞장서고 있다. 현재 미국의 우주왕복선과 비슷한 개념으로 소련의 부란(Buran, 88년 무인비행, 92년 유인비행), 유럽의 에르메스(Hermers, 99년 예정), 일본의 호프(Hope, 97년)등이 추진되고 있다. 소련의 유인 우주기지(Mir)는 86년부터 건설되기 시작했다.

현재까지 전세계적으로 3천3백회 정도 발사를 통해 4천5백개 이상의 인공위성이 궤도에 올려졌는데, 거의 모두 '소모성 발사체'에 의한 것이다. 이러한 발사체는 모두가 로켓 추진 방식으로 수직발사되는 것. 이 경우 발사체는 재래식 항공기와 비교할 때 항공기 날개에서 생기는 양력의 도움을 받지 못하고 추진력에만 의존해서 이륙된다. 또 재래식 항공기의 제트엔진은 대기의 공기를 흡입하므로 연료만 적재하지만 로켓엔진에서는 연료와 총이륙 중량의 50~70%에 해당하는 산화제를 모두 적재해야 한다.

그러므로 재래식 발사체는 궤도상에 올려질 위성의 질량에 비해 35배 이상 큰 초기이륙중량을 갖고 있으며 발사비용이 매우 높다. 현재 저고도 지구궤도에 진입시키는 발사비는 1kg당 5천~1만달러 정도이며 지구 정지궤도 진입에는 1kg당 3만~5만 달러가 든다.

우주활동을 촉진키 위해서는 수송경비 절감이 요구되므로 미국 유럽 소련 일본 등에서는 몇가지 사항을 만족시키는 우주항공기 개발을 진행하고 있다. 즉 재래식 활주로에서 수평 이착륙이 가능하며, 공기흡입식 추진기관(airbreathing engine)을 이용하며, 음속의 25배 속도로 저고도 지구궤도에서 진입해 임무를 수행하며, 완전 재사용할 수 있는 우주항공기 개발을 서두르고 있다.

우주항공기는 공기로부터 양력과 산화제를 얻는다. 따라서 재래식 발사체보다 필요한 추진력과 탑재할 산화제의 양이 감소돼 비행체가 작아지며 수송비용이 절감된다. 또한 일반 활주로를 사용해도 되므로 훨씬 쉽게 이용할 수 있다. 이러한 이점과 더불어 극초음속의 고속성을 갖고 있는 우주항공기는 워싱턴과 서울 사이를 두시간에 비행할수 있는 극초음속 여객기(Orient Express), 군사적인 목적의 정찰기와 폭격기 등 21세기의 수송수단에 중요한 역할을 담당하는 선도기들로 응용될 예정이다.
 

세가지 장벽

그러나 이러한 우주항공기를 개발하기 위해서는 많은 장벽을 극복해야 한다. 해결해야 할 가장 중요한 세가지는 △추진시스템의 고안 △새로운 소재의 개발 △극초음속비행체 주변의 유동장(流動場)의 파악이다.

지상에서 지구궤도까지, 마하 0에서 마하 25까지의 광범위한 속도영역에서 효율적으로 작동하는 추진시스템이 개발돼야 한다. 한종류의 공기흡입식 엔진으로 전 속도 영역을 담당할 수 없으며 적어도 두종류 이상의 엔진을 갖추어 속도에 따라서 추진모드가 원활히 변경되도록 해야 한다.

현재의 터보제트는 마하3 이상에서는 거의 사용할 수 없으며 마하 2와 마하 6사이에서는 압축기와 터빈 없이 램압력으로 추력을 발생하는 램제트 엔진이 사용된다. 그러므로 램제트 엔진의 흡입구는 흡입된 공기가 감속돼 효율적으로 압축되도록 설계돼야 한다. 그러나 마하6 이상에서는 공기가 아음속으로 감속되면서 압력과 온도가 더 이상 열을 추가할 수 없을 만큼 높아져서 추력이 증가되지 않는다.

마하 6에서 최소한 마하 14까지는 초음속 연소 램제트 즉 스크램제트(scramjet, supersonic combustion ramjet)엔진이 작동 가능한데, 이의 연소실은 램제트엔진의 연소실과는 달리 수축부와 노즐목이 없고 확산부만 있으며 공기흐름은 감속되지 않고 초음속으로 연소된다. 고속으로 엔진에 흡입되는 공기는 엔진내에 약 0.1초 동안만 있는데 이 사이에 고공의 희박한 산소로 연소가 이루어져야 한다.

개별 속도영역에 알맞는 엔진을 개발하는 것에는 큰 어려움이 없으나 속도에 따라 제각기 다른 추진모드를 선택해 정상적인 연소를 유지하는 복합적인 엔진을 개발하는 것이 어려운 것이다.

로켓으로 수직발사되는 발사체와는 달리 우주항공기는 상대적으로 낮은 고도에서 매우 높은 속도로 비행하게 되므로 높은 동압을 가지며 공기역학적 가열로 표면온도가 높아진다. 이러한 고온 환경을 이겨내며 구조적 형상과 강도를 유지할 수 있는 새로운 소재를 개발해야 한다. 또한 냉각법과 표면보호를 위한 코팅 등이 연구돼야 한다. 구조적인 측면에서 비행체 표면온도를 감소시키기 위해 공기의 밀도가 낮은 높은 고도에서 운항하는 것이 바람직하지만, 공기흡입식 엔진은 산소량 때문에 고도에 제한을 받으므로 압력과 온도를 최적범위내로 하기 위해 속도와 고도에 제한을 받는다.

공기 흡입식 추진시스템으로 궤도진입을 달성하려면 비행체의 이륙 중량에 대한 구조 중량의 비가 0.15정도가 돼야 하는데, 현존하는 고속 비행체의 경우 구조중량비가 0.3정도나 된다. 그러므로 고온에서 단위밀도당 강도가 현재 소재의 최소한 2배를 넘는 소재를 개발해야 한다.

마하 5이상의 공기는 더 이상 완전가스로 취급될 수 없으며 마하 8이상에서는 공기 특성이 온도에 따라 변하며 해리(dissociation)가 일어난다. 이러한 상태에서의 비행체 주변 유동장해석은 이주 복잡해 비행체의 항력, 추진효율 및 열전달 등을 정확하게 예측하기 어렵다. 더군다나 아직은 마하 8 이상의 공기현상을 실험할 수 있는 풍동이 없으므로 이 영역에서는 컴퓨터 시뮬레이션에 의존해야 한다. 슈퍼 컴퓨터와 전산유체 역학 해법의 발달로 이러한 어려움이 점차 극복되고 있으나 아직까지 완벽하다 할 수 없다.

지상에서의 제한된 풍동실험이나 추진기관시험 및 전산시뮬레이션 결과는 실제 궤도 진입까지의 비행시험을 통해서만 검증될 수 있다. 이러한 이유로 실용적인 우주항공기가 개발되기전에 기술검증을 목적으로 하는 시험 연구기가 우선 개발되고 있다.

X-30, 초기비행 1997년에

미국의 우주항공기(NASP) 개발계획은 1985년 미국방부와 미항공우주국(NASA)의 주관으로 시작됐다. 우선 장래의 실용적인 우주항공기에 필요한 요소기술을 개발해 X-30이라는 연구기를 제작, 시험함으로써 그 기술을 실증하는 것이다. 기체제작 3사와 엔진 제작 2사가 용역업체가 돼 각기 X-30 기체와 추진시스템을 독립적으로 설계했다. 그 결과로 얻은 총 여섯가지 형상을 검토해 새로운 X-30 기본형상을 설계했다. 이륙중량이 1백25t이며 길이가 45~60m 날개폭 15m인 2인승 X-30연구기는 가변사이클 스크램제트엔진과 로켓 엔진을 가지고, 재래식 항공기와 마찬가지로 동력이착륙을 하도록 설계됐다. 로켓엔진은 궤도진입을 위한 최종추력을 제공하며 궤도이탈 및 대기권으로 회귀하는데 사용된다. 아울러 비행시험 동안에 스크램제트 엔진이 실패할 경우 보조 추진체 역할을 한다. X-30의 연료는 액체 수소보다 밀도가 높고 온도가 낮은 슬러시(slush)수소로서 연료중량은 이륙중량의 70%정도다.

기본기체의 소재는 다섯 용역업체가 공동으로 개발한, 고강도 실리콘 카바이드 섬유로 보강된 티탄 합금 복합소재다. 온도가 3천℉ 까지 올라가는 동체 앞부분과 날개의 앞부분, 전방동체 하복부 등에는 탄소-탄소 복합 소재가 외피에 추가된다.
초기 계획보다 2년반 지연돼 1993년 봄에 기술의 성숙도를 평가해 X-30 연구기 2대를 제작할 것인가를 결정할 예정이다. 초기 비행시험은 97년에 시작된다.

젱거, 수평이착륙의 분리형

독일이 1988년부터 국가계획으로 추진하고 있는 젱거(Sänger, 사람이름)우주항공기는 총중량 3백34t, 길이 84.5m로 크기와 중량면에서 보잉 747점보여객기와 비슷하다. 젱거는 일반공항을 수평으로 이착륙하며 완전 재사용이 가능하다. 몸체가 2백42t이나 되는 하단 비행체가 92t 밖에 안되는 작은 상단 비행체 호러스(HORUS Hypersonic Reusable Orbital Upper Stage)를 등에 업고 있는 형태로서 고도 30km, 마하 6.6에서 분리된다. 이륙에서 부터 고도 20km, 마하 3까지는 터보제트로 추진되며 그후 마하 6.6까지는 램제트로 추진되는 유인하단비행체는 호러스를 분리시킨 후 공항으로 수평착륙한다. 상단비행체는 승객 4명과 화물 3t을 실을 수 있는 유인비행체 HORUS-M형식과 7.5t화물을 운반할 수 있는 무인 비행체 HORUS-C형식이 있는데, 모두 로켓엔진으로 궤도에 진입하여 임무수행후, 공항으로 활공 귀환한다. 상단비행체의 임무기간은 48시간으로 1년에 1백회 이상 사용 가능하고 하단비행체는 1년에 5백회 사용할 수 있도록 설계된다. 하단 비행체의 설계기술을 검증하기 위하여 우선 마하 5.5급 유인기술시범기 하이텍스(Hytex, Hypersonic Technology Experimental Vehicle)를 유럽공동으로 개발해 2000년경에 비행시험할 계획이며 상단비행체 개발에는 에르메스 우주왕복선에 사용한 기술을 활용할 예정이다.

젱거는 마하5 내지 7까지만 공기흡입식 엔진을 사용하는 2단식 궤도진입 개념이기 때문에 미국우주항공기(NASP)의 가변사이클 스크램제트 엔진보다 훨씬 간편한 터보램제트 엔진을 사용할 수 있다. 그러므로 기술적인 면에서 젱거 개발이 NASP 개발보다 쉽다.

젱거 하단비행체는 쉽게 대륙간 극초음속 여객기로 개발될 수 있게 돼있다. 승객 2백 30명, 화물 10t을 싣고 고도 25km에서 마하 4.4로 프랑크푸르트와 도쿄 사이를 3시간 이내에 비행할 수 있다. 경제성도 보잉 747 점보여객기와 비교될 수 있을 정도인 것으로 알려져 있다.
 

호톨, 화물선으로 시작

영국의 브리티시 에어로스페이스사가 추진하는 HOTOL(Horizontal Take-off and Landing)은 길이가 콩코드와 비슷한 62m이며 충중량은 2백50t이다. 수평 이착륙이 가능한 무인 비행체로서 저고도 지구궤도에 7~10t의 화물을 종래비용의 3분의 1로 진입시킬 수 있다.

HOTOL의 추진기관은 공기흡입식 엔진과 로켓엔진이 결합된 새로운 개념의 복합엔진이다. 추진제로는 액체수소가 사용되며, 산화제로는 이륙후 고도 30km 마하5정도에 달하는 처음 10분간은 공기중의 산소를 이용하고 로켓모터 모드로 변환한 후는 탑재한 액체산소를 사용한다.
영국정부의 지원으로 개념 검증을 끝냈으나 기술개발 단계에서 지원이 취소됐다. 이 때문인지 브리티시 에어로스페이스사는 단독으로 연구를 진행시키며 공동개발할 지지자를 찾고 있다.

소련은 미국 독일 영국 일본 등과 공동으로 궤도진입용 극초음속기를 개발해 2015년경 부란우주왕복선을 대체하기를 희망하고 있다. 한편 부란을 운반하도록 개발된 대형 수송기 An-225를 공중발사대로 사용해 궤도기를 발사시키는 구상을 하고 있다. 대형 외부연료탱크가 부착돼 있으며 로켓엔진으로 추진되는 궤도기를 사용할 경우, 2명의 승무원과 7t의 화물을 2백km 궤도에 진입시킬 수 있다.

1990년 7월 브리티시 에어로스페이스사와 소련은 An-225를 사용해 HOTOL을 고도 9km에 마하 0.8에서 공중발사해 7t화물을 저고도 궤도에 진입시킨 후, 활공으로 일반 활주로에 수평착륙하는 무인 비행체 개념을 공동으로 검토하도록 계약을 맺었다. 공중에서 발사되므로 이경우 HOTOL의 양력은 적어도 된다. 따라서 HOTOL의 날개 크기가 작아지며 또한 순수 로켓 엔진을 사용해도 되므로 원래의 복합사이클 엔진을 개발하지 않아도 되는 장점이 있다.

일본은 1986년부터 20년 계획으로 미국의 NASP개념과 유사한 우주항공기 개발을 준비하고 있다. 현재 일본국립항공우주연구소의 연구원 중 거의 절반이 우주항공기 관련 연구에 종사하고 있으며 이미 우주항공기의 개념설계와 기본형상(마하 7, 2인승 극초음속 연구기)을 발표했다. 90년대 말에 연구기를 시험 비행시킬 예정이며 21세기 초에는 국제협력으로 스크램제트로 추진되는 우주 항공기를 개발할 예정이다.

일본은 신소재 개발과 액화공기 사이클 엔진 개발에 상당히 앞서 있으며 우주항공기를 위해 개발한 신소재를 이미 다른 산업분야에 응용하고 있는 실정이다.
 

램제트(ram jet)

램제트 엔진에는 터보제트 엔진에 설치돼 있는 공기압축기나 터빈이 없다. 따라서 구조가 극히 간단하며 고속비행에 적합하다. 터보제트는 비행속도 또는 전진속도가 0이라도 공기를 흡입·압축해 엔진을 가동시킬 수 있지만, 비행기의 속도가 빨라지면 램압력(고속의 공기가 물체에 부딪침으로써 높아지는 압력)이 높아져 나중에는 공기압축기가 거추장스러운 존재가 된다.

그러나 램제트에서는 공기를 흡입시키는 도관(duct) 자체를 좁게 설계해, 터보제트에서 공기압축기가 공기를 압축한 것과 같은 결과를 얻는다. 램제트는 구조가 간단하고 중량도 가벼워 마하 3〜4의 초음속 비행에서 효율이 좋아진다. 그 반면 일정속도에 도달할 때까지는 다른 엔진의 도움을 필요로 하며, 소음이 크고, 연료가 많이 든다는 단점이 있다.