극초음속 비행체 최신 개발 동향
2020-01-23
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김채형(avalonkch)
극초음속 비행체는 마하수(음속 대비 비행체 속도) 5 이상으로 비행하는 물체를 말한다. 일반적으로 탄도 미사일이나 지구 궤도를 벗어나는 우주 발사체, 지구 궤도 재도입 시의 물체들은 마하수 5 이상의 극초음속 비행을 한다. 탄도 미사일을 제외하고 최근에 개발중인 극초음속 비행체는 크게 두 가지로 분류 가능하다. 첫 번째는 극초음속으로 비행 가능한 엔진을 장착하여 비행하는 방법이다. TSTO(Two Stage To Orbit) 개념으로 시작되었으며, 단일 로켓 발사에 드는 비용을 줄이기 위해 지상에서 소형로켓이나 터보제트 엔진을 사용하여 초기 가속을 하여 고고도에서 극초음속 비행을 하는 방법이다. 극초음속으로 비행 가능한 엔진은 대표적으로 램제트, 스크램제트 엔진, 듀얼모드 램제트 엔진이 있다. 램제트 엔진은 비행체가 고속으로 비행하게 되면 공기의 압축성 효과로 인해 공기들이 고밀도로 압축이 된다. 따라서 공기가 희박한 고고도에서도 일정 속도 이상으로 비행하게 되면 램압축 효과에 의해 연소에 필요한 공기를 얻을 수 있다. 램제트 엔진은 극초음속 비행체 초기에 개발된 엔진으로 연소기 입구에서의 강한 충격파로 연소기로는 아음속의 공기가 들어오게 되어 연소가 이루어지게 된다. 하지마 강한 충격파로 인해 램제트 엔진의 비행속도는 마하수 5 이상을 넘어가게 되면 효율이 떨어지거나 엔진자체가 불안정해지게 되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 개발된 엔진이 스크램제트 엔진이다. 스크램제트(SCRAMjet) 엔진은 초음속 연소 램제트(Supersonic Combustion RAMjet)의 약자이며 연소기로 유입되는 공기는 초음속으로 들어오기 때문에 엔진 내부에서의 강한 충격파에 의한 효율 저하는 감소하게 된다. 듀얼모드 램제트 엔진은 램제트 엔진과 스크램제트 엔진을 같이 가지고 있는 엔진으로 낮은 마하수에서 램제트 엔진으로 가동이 되다가 극초음속 비행에서는 스크램제트엔진이 가동되는 방식이다. 두 번째는 지구궤도에서 비행하다가 지구로 재진입 하는 방법이다. 퇴역한 Space Shuttle을 대신할 우주비행체로 지구 준궤도에서 우주 비행을 하다가 지구로 재진입하며 최대 마하 25까지 가속이 된다. 이와 같은 지구 재진입 방법은 우주 공간 비행을 통한 대륙간 비행 거리 감소, 우주 관광과 같은 민간적인 목적과 인공위성 파괴나 우주에서 공격하는 우주 무기 개발의 목적으로 연구가 진행되고 있다. 극초음속 비행체는 수치해석 방법, 지상 시험 등을 통해 다양하게 연구가 되고 있지만 보고서에서는 최근에 비행 시험이 성공한 사례들을 위주로 극초음속 비행체의 최신 개발 동향을 제시하고자 한다.