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[고든 정의 TECH+] 극초음속 미사일 시험 성공한 미국, 차세대 미사일 나올까?

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▲ 극초음속 미사일 시험 성공한 미국, 차세대 미사일 나올까? / 록히드마틴

최근 미국 국방고등연구계획국(DARPA)과 공군연구소, 록히드마틴, 에어로젯 로켓다인은 스크램제트 엔진 기반 극초음속 미사일 시험발사에 성공했다고 발표했습니다. 이 시험발사는 ‘극초음속 공기흡입 무기체계’(HAWC) 프로그램의 두 번째로 첫 번째 시험발사는 레이시온과 노스럽그루먼 컨소시엄이 개발한 스크램제트 기반 극초음속 비행체였습니다.

여기서 주목할 점은 HAWC가 스크램제트(Scramjet) 엔진을 사용한다는 것입니다. 스크램제트 엔진은 램제트(Ramjet) 엔진의 일종으로 음속 5배 이상의 초음속 비행을 위해 고안됐습니다. 스크램제트 엔진을 설명하기 위해서는 먼저 제트 엔진, 램제트 엔진의 원리에 대한 간단한 설명이 필요합니다.

일반적인 터보 제트엔진은 공기를 압축하기 위한 압축기와 압축기를 돌리기 위한 터빈이 있어 공기를 압축해 연소시킵니다. 하지만 음속보다 훨씬 빠른 속도로 비행하는 경우 압축기 없이 흡입되는 공기만으로도 연소에 충분한 압력에 도달할 수 있습니다. 이렇게 압축기를 제외한 엔진을 램제트 엔진이라고 하며 흡입 확산기, 연소기, 노즐로 된 단순한 구조를 하고 있습니다. 흡입 확산기는 초음속으로 흡입되는 공기를 충격파를 통해 감속해 압력을 높이는 역할을 하는데, 구조가 매우 단순하고 회전을 하지 않기 때문에 효율이 우수합니다.

마하 2에서 5까지 초음속 비행에서는 램제트 엔진이 효율이 일반적인 터보 제트엔진보다 우수합니다. 따라서 미국은 일찍부터 램제트 엔진의 상용화에 투자해 이미 1960년대에 SR-71 같은 초음속 비행기를 개발했습니다. SR-71에 사용된 프랫 & 휘트니 J58은 완전한 램제트 엔진은 아니고 터보제트 엔진과 램제트 엔진을 혼합한 터보램제트 엔진입니다. 램제트 엔진은 자체적으로 공기를 압축할 수 없어 정지 상태에서는 비행할 수 없기 때문에 터보제트 엔진의 도움이 필요하기 때문입니다.

사실 이런 단점 때문에 램제트 엔진은 초음속에서 뛰어난 성능에도 불구하고 항공기에는 널리 사용되지 못하고 있습니다. 현재는 주로 미사일에 사용되고 있는데, 항공기나 부스터 로켓을 이용하면 별도의 터보제트 엔진 없이도 램제트 엔진 가동에 필요한 속도를 얻을 수 있기 때문입니다. 구조도 단순해 미사일에 적합합니다.

하지만 램제트 엔진도 음속의 5배가 넘으면 효율이 급격히 떨어지게 됩니다. 유입되는 공기의 속도가 너무 빨라 연소실 내부로 유입되는 공기의 속도도 초음속이 되기 때문입니다. 초음속 상태에서 연료를 연소시키는 것은 태풍 속에서 성냥불을 유지하기만큼 어렵습니다. 더구나 너무 빠른 속도 때문에 연료가 제대로 공기와 혼합되기도 전에 연소실을 빠져나갈 수 있습니다. 이 문제를 극복하기 위해 개발된 것이 초음속 연소 램제트(Supersonic Combustion RAMJET) 줄여서 스크램제트 엔진입니다.

▲ 터보제트(a), 램제트(b), 스크램제트(c)의 구조. / 위키피디아

스크램제트 엔진 역시 오래전부터 개발되어 왔으나 안정적으로 초음속 연소를 유지하기가 쉽지 않다는 문제와 높은 열과 압력을 견딜 수 있는 내열 소재의 개발 등 여러 가지 문제 때문에 실용화가 쉽지 않았습니다.

이 문제에 돌파구를 열었던 것 역시 DARPA가 이끈 컨소시엄이었습니다. 스크램제트 시험기인 X-51A 웨이브라이더(Waverider)가 그 주인공으로 2013년 시험 비행을 통해 스크램제트 엔진으로 마하 5.1의 속도를 달성하는 데 성공했습니다. 그러나 X-51A 웨이브라이더는 길이만 7.62m에 달해 대부분의 현역 전투기에서 운용하는데 어려움이 있었기 때문에 좀 더 실용적인 스크램제트 미사일이 요구되었습니다. HAWC은 이를 위한 연구 개발이라고 할 수 있습니다.



HAWC 프로젝트의 세부 사항은 거의 공개된 것이 없습니다. 시험발사에 성공했다고 발표했지만, 구체적으로 뭐가 성공했는지는 모두 베일에 가려 있습니다. 하지만 이것이 스크램제트 미사일 시험발사에 성공했다는 이야기라는 점은 의심의 여지가 없습니다. 현재 제트 엔진 기반의 미사일로는 불가능한 마하 5 이상의 극초음속 미사일 시험발사에 성공했다는 이야기입니다.

물론 이것이 실전 배치가 가능한 수준의 연구 개발이 이뤄졌다는 이야기는 아닙니다. 지금까지 많은 무기가 시험발사에는 성공했어도 양산 및 실전 배치에는 실패했습니다. 다만 HAWC 개발에 성공한다면 미 공군과 해군이 장거리 정밀 타격이 가능한 초음속 미사일을 확보할 수 있게 될 것입니다.

1960년대부터 제안된 스크램제트 엔진의 실용화가 이뤄진다면 군사적인 목적은 물론이고 항공 우주 산업 전반에 획기적인 발전이 있을 것으로 예상됩니다. 제트 엔진의 개발이 더 빠른 전투기에서 끝나지 않고 항공 산업 전체를 발전시킨 점에서 볼 수 있듯이 엔진 기술의 개발은 해당 산업을 크게 발전시킬 것입니다. HAWC의 미래가 주목되는 이유입니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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