극초음속(Hypersonic) 비행기와 스크램제트 엔진 (Scramjet Engine)

소개글

극초음속(Hypersonic) 비행기와 스크램제트 엔진 (Scramjet Engine)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

離圈:이온권)이며, 따라서 이 비행기의 목적은 전리층의 연구에 있는 것으로 알려져 있다. 엔진은 추력(推力) 23t 정도의 액체로켓 엔진으로, 그 외형은 비행기라기 보다는 날개가 있는 로켓이라 할 수 있다.
◈ 스크램제트 엔진 (Scramjet Engine)
X-15 극초음속 시험기는 추진기관으로서 로켓엔진을 사용했다. 이에 비해 지난 3월 엔진가동 시험에 성공한 X-43A의 스크램제트 엔진은 이제까지의 로켓엔진과는 판이하게 다른 형태이다. 현재 극초음속을 내는 비행체는 대부분 로켓엔진을 이용하고 있다. 군사용 미사일에서는 고체 추진체 로켓엔진을, 인공위성 발사나 우주왕복선 발사에는 액체수소, 엑체산소의 혼합 액체추진제 로켓엔진을 사용하고 있다. 그런데 군사용이든 인공위성 발사용이든 가능한 무게가 가벼운 발사체를 사용하면 비행속도가 더 빨라지고 발사비용도 저렴해진다. 스크램제트 엔진은 기존의 로켓에서 주요한 연료 하나를 생략할 수 있게 함으로서 발사체의 무게를 줄일 수 있었다. 바로 산소통이 사라진 것이다.
산소가 없는 우주공간에서야 기존의 로켓처럼 따로 산소를 싣고 가야하겠지만 대기권을 벗어나기 이전에는 공기 중의 산소를 흡입해 산화제로 사용한다면 훨씬 경제적일 수 있다. 만약 비행장에서부터 출발해 고도 약 60km 정도까지는 공기 중의 산소를 이용하는 스크램제트 엔진을 이용하고 대기권 밖에서는 기존의 로켓엔진을 이용한다면 현재의 인공위성 발사비용이 1/10 정도로 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.
게다가 고도가 높아질수록 공기가 희박해지므로 극초음속으로 비행할 때 받는 저항도 줄어들게 된다. 반면 연소에 필요한 산소가 부족해지기 때문에 스크램제트 엔진을 이용할 수 있는 고도는 25~50km 사이가 될 것으로 추정되고 있다.
또 스크램제트 엔진은 이론적으로 마하 약 15까지 가능하므로, 이륙과 상승비행 30분, 하강비행과 착륙 30분, 그리고 그 사이 고도 약 40km에서의 순항비행 1시간을 포함해 지구 어느 곳에도 2시간 이내에 주파할 수 있다는 계산이 나온다. 군사적으로는 약 1000km의 적진까지 10분 이내에 도달할 수 있는 강력한 무기가 된다. 그래서 전세계의 열강들이 이미 1950년대부터 스크램제트 엔진에 대한 연구를 해왔으나 현재까지는 막대한 연구비와 불투명한 상업성, 그리고 기존 형식의 로켓발사에 대한 선호 때문에 발전 속도가 상당히 느렸다.
◈ 터빈이 없는 스크램제트 엔진
현재 대형 여객기에 이용되는 터보제트엔진(Turbo Jet Engine)은 터빈을 고속으로 돌려 공기를 흡입, 압축한 다음 복잡한 과정을 거쳐 연소실에서 연료와 혼합시켜 태우게 된다. 그 결과 나오는 배기가스의 배출속도로 터빈을 가속시켜 비행체의 추력을 얻는다. 이에 비해 스크램제트 엔진을 장착한 비행체는 마하 2이상의 속도로 날아가기 때문에 터빈을 돌려 공기를 흡입하거나 압축할 필요가 없다.
비행기가 음속을 돌파할 때는 주변공기가 만든 파동이 서로 뭉처져 V자형의 강한 충격파가 발생한다. 스크램제트 엔진에 들어온 공기는 비행기의 기수 혹은 공기흡입구의 흡입 쐐기판 등에서 발생되는 충격파에 의해 자연적으로 압축된다. 이렇게 압축된 공기는 깔때기 모양의 연소실로 들어가면서 속도가 줄어들고 잇따라 들어오는 공기가 여기에 더해지면서 압력이 상승하게 된다. 즉 기존의 터보제트엔진에서 터빈과 같은 기계적 압축기 역할을 여기서 수행하는 것이다.
마하 7 이상의 극초음속 비행체에서는 1500~1700℃의 고온 고압축된 공기가 마하 2~2.5의 속도로 연소실로 흘러 들어간다. 이 공기는 연소실에서 분사되는 수소연료나 탄화수소연료를 자연적으로 점화시켜 지속적으로 연소하게 만든다. 배기가스는 좁은 연소실에서 다시 넓은 엔진 후반부로 가면서 팽창되는데, 말하자면 초음속 노즐을 통과하는 셈이다. 그 결과 강력한 추력이 발생하게 된다.
◎ 초음속 노즐
압력에너지를 속도에너지로 변화시킨다.
초음속노즐
NOZZLE FLOW DIA GRAM
◈ 스크램제트 엔진의 장점
스크램제트 엔진에서는 기존의 터보제트 엔진에 비해 약 1백배 정도의 추력을 발생시킬 수 있는 반면, 기계적인 압축기와 터빈이 필요 없으므로 엔진이 매우 간단해진다. 공기날개가 돌지 않으므로 진동과 소음도 절대적으로 줄어든다. 참고로 기존의 터보제트엔진에서는 초속 20~30m의 속도로 공기가 연소실고 유입되고 여기에 안정된 화염을 유지시키는 것인데, 이 기술도 선진국 몇 개국만 갖고 있다. 그러므로 스크램제트 엔진 기술은 그야말로 최첨단의 항공기술인 것이다.
◈ 결론
스크램제트 엔진의 역사는 생각보다 오래되었다. 램제트엔진 및 스크램제트 엔진의 개념은 1918년부터 찾아볼 수 있으며, 1951년 프랑스는 램제트 엔진으로 마하 2.1의 비행시험을 성공한 바 있다. 프랑스뿐 아니라 독일, 소련, 미국, 영국 등이 2차 세계대전 전부터 이 개념을 실증하기 위해 많은 노력을 해왔다. 우리나라도 늦은 감이 있지만 세계주요 국가들과 공동으로 스크램제트 엔진을 개발하고 있다고 한다. 최근 100년간의 역사를 보면 첨단 과학기술을 보유한 국가가 그렇지 못한 국가들을 지배하고 간섭해왔다. 최근의 국제정세 또한 이를 보여준다. 이제 한국도 자체적인 과학기술을 발전시켜 세계 열강의 대열에 올라서야 할 때이다. 지구대기권 밖에서 아무리 빠른 속도로 움직여도 설령 마하 25가 넘는 인공위성이라도 이것을 극초음속비행이라고 부르지 않는다. 극초음속비행은 대기가 있는 대기권안에서 이루어져야 비로소 의미가 있는 것이다. 결국 남의 나라 첨단 기술을 모방하는 식으로의 기술발전은 아무런 의미가 없다. 한국안에서 한국인에 의한 순수 국산기술만이 한국을 세계최강의 나라로 만들어 줄 것이다. 그리고 나 자신도 그런 공학자의 한 사람이 되었으면 하는 것이 나의 작은 바램이다.
◈ 사진자료들
- The end -
※ 참고자료
사진자료 : NASA (http://www.nasa.gov)
기사자료 : 과학동아 (http://www.dongascience.com)
그 외 자료 : 네이버 (http://www.naver.com)
야후 (http://kr.yahoo.com)

키워드

극초음속,   비행기,   스크램제트