스크램제트

3. 특징

스크램제트 엔진은 초음속 연소를 통해 높은 추력을 얻는 엔진이다. 공기가 흡입구에서 충격파를 형성할 때 압력 손실이 발생하는데, 이는 엔진 추력 감소로 이어진다. 램젯 엔진은 공기를 아음속으로 감속시켜 연소시키기 때문에 속도에 제한이 있지만, 스크램제트 엔진은 공기를 초음속으로 유지하여 연소시키므로 더 빠른 속도에서도 압력 손실을 줄일 수 있다. 이론적으로 마하 15 이상의 속도를 낼 수 있다.^[45]

스크램제트는 산소를 외부에서 흡입하여 사용하고, 회전 부품이 없어 터보제트보다 제조가 용이하다. 또한, 로켓 엔진보다 높은 비추력(추진제 단위당 운동량 변화)을 가지며, 더 빠른 속도는 미래 우주 접근 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.^[45]

하지만 스크램제트는 극초음속으로 대기 중을 비행하므로 열 제어가 어렵고, 냉각 시스템이 필요하여 복잡성과 무게가 증가한다. 또한, 테스트 및 개발이 어렵고 비싸며, 매우 높은 초기 추진 속도가 필요하다는 단점도 있다.

3. 1. 터보젯 및 터보팬과의 비교

3. 2. 로켓과의 비교

3. 3. 램젯과의 비교

3. 4. 장점

3. 5. 기술적 어려움

4. 역사

재사용 유인 우주 왕복선의 대기권 내 항행용 엔진으로 스크램제트 엔진의 이용이 고려되고 있다. NASA의 X-15 시대부터 이미 스크램제트 엔진용 소재 연구 실험이 시작되었다.

X-43A 실험기는 스크램제트 엔진을 장착하고 있으며, NB-52B에서 투하된 후 페가수스 로켓에 의해 마하 4.5까지 가속된 다음, 로켓과 분리되어 X-43A에 탑재된 스크램제트 엔진을 10초 동안 작동시켰다. 2004년 11월 16일에는 마하 10에 육박하는 마하 9.68이라는 제트 엔진 비행 속도 기록을 세웠다.^[57]

2013년 9월 19일, 오스트레일리아의 퀸즐랜드 대학교는 2단 로켓에 스크램제트를 장착한 Scramspace^영어를 발사했지만, 로켓이 실험 시작에 필요한 고도인 340km에 도달하지 못해 실패했다. 스크램제트에 점화하면 마하 8까지 가속할 계획이었다.^[57]

일본에서도 스크램제트 엔진 연구가 진행되고 있다.^[58][59] Hy-V 계획은 관측 로켓에 스크램제트를 탑재하여 마하 5로 비행 실험을 하는 것이 목표이다.

4. 1. 2000년대 이전

4. 2. 2000년대

• 2002년 7월 30일, 하이샷(HyShot) 프로젝트는 스크램제트 연소를 성공적으로 시연했다. 그러나 이 엔진은 실제로 기체를 추진하도록 설계된 것은 아니었고, 기술 시연을 위한 것이었다.^[10]

• 영국의 방위 산업체인 큐네틱(Qinetiq)과 퀸즐랜드 대학교의 영국-호주 공동 연구팀은 대기 중에서 스크램제트 작동을 시연한 최초의 그룹이었다.^[11]

• 2004년, NASA의 하이퍼-X(Hyper-X) 프로젝트는 X-43A를 이용하여 공기역학적 조종면을 갖춘, 추력을 생성하는 스크램제트 동력 비행체의 첫 비행을 성공시켰다.^[12][13] 세 번의 X-43A 스크램제트 시험 비행 중 마지막에는 잠시 동안 마하 9.6을 달성했다.^[14]

• 2007년 6월 15일, 미국 국방 고등 연구 계획국(DARPA)은 호주 국방 과학 기술 기구(DSTO)와 협력하여 로켓 엔진으로 시험 비행체를 극초음속으로 가속, 마하 10에서 스크램제트 비행을 성공시켰다고 발표했다.^[15][16]

• NASA 랭글리 연구 센터의 랭글리 아크 가열 스크램제트 시험 시설(AHSTF)에서는 시뮬레이션된 마하 8 비행 조건에서 일련의 스크램제트 지상 시험이 완료되었다. 이 실험은 HIFiRE 비행 2를 지원하기 위해 사용되었다.^[17]

• 2009년 5월 22일, 우메라(Woomera)에서는 HIFiRE(Hypersonic International Flight Research Experimentation, 극초음속 국제 비행 연구 실험)의 일환으로 극초음속 항공기의 첫 시험 비행이 성공적으로 이루어졌다. 이것은 계획된 10번의 시험 비행 중 하나였다. 이 비행은 국방 과학 기술 기구와 미 공군 간의 공동 연구 프로그램의 일부였다.^[18] HIFiRE는 극초음속 기술과 스크램제트 동력 우주 발사체에의 적용을 연구하고 있으며, 보잉 X-51 스크램제트 시연을 지원하는 동시에 빠른 우주 발사 개발 및 극초음속 "신속 타격" 무기를 위한 비행 시험 자료를 구축하는 것을 목표로 한다.^[18]

• X-43A 실험기는 스크램제트 엔진을 장착하고 있으며, NB-52B에서 투하된 후 페가수스 로켓에 의해 마하 4.5까지 가속된 다음, 로켓과 분리되어 X-43A에 탑재된 스크램제트 엔진을 10초 동안 작동시킨다. 2004년 11월 16일에는 마하 9.68이라는 제트 엔진 비행 속도 기록을 세웠다.

• 2013년 9월 19일, 오스트레일리아 퀸즐랜드 대학교는 2단 로켓에 스크램제트를 장착한 Scramspace^영어를 발사했지만, 로켓이 실험 시작에 필요한 고도인 340km에 도달하지 못해 실패했다. 스크램제트에 점화하면 마하 8까지 가속할 계획이었다.^[57]

• 일본에서도 스크램제트 연구가 진행되고 있다.^[58][59]

• Hy-V 계획은 관측 로켓에 스크램제트를 탑재하여 마하 5로 비행 실험을 하는 것을 목표로 한다. 2009년에 발사될 예정이었으며, 듀얼 모드 스크램제트(DMSJ)의 첫 번째 천이 비행이 될 예정이었다. 또한, 처음으로 스크램제트 실험기를 계획적으로 회수할 예정이었다. 듀얼 모드 스크램제트는 아음속 또는 초음속 중 하나 또는 두 모드 모두에서 연소하며, 실험기는 모드가 천이하면서 마하 5까지 도달한다.

• 이 계획에는 버지니아 대학교, 버지니아 공과대학교, Old Dominion University|올드 도미니언 대학교^영어, Hampton University|햄프턴 대학교^영어, 윌리엄 앤 메리 대학교의 학부생과 대학원생들이 참여하고 있으며, [http://www.vsgc.odu.edu/ 버지니아 우주 보조금 컨소시엄]의 멤버도 참여한다. 항공 우주 산업, NASA, 미국 국방부가 이 계획을 주도한다.

4. 3. 2010년대

4. 4. 2020년대

5. 설계 원리

스크램제트 엔진은 추력을 얻기 위해 연료와 산화제의 연소 반응을 이용하는 제트 엔진의 한 종류이다. 일반적인 제트 엔진과 달리, 스크램제트는 대기 중의 산소를 흡입하여 산화제로 사용한다. (연료와 산화제를 모두 싣는 로켓과는 다르다.) 이러한 방식 때문에 스크램제트는 대기 중 산소 함량이 연소를 유지하기에 충분한 환경, 즉 아음속 대기 추진에 국한된다.

스크램제트는 세 가지 주요 부분으로 구성된다.

• 수렴 입구: 들어오는 공기를 압축한다.
• 연소기: 기체 연료가 대기 중 산소와 연소하여 열을 발생시킨다.
• 발산 노즐: 가열된 공기를 가속하여 추력을 만든다.^[34]

DMSJ 연소기 내의 상태를 재현하기 위해, 스크램제트 실험기의 치수는 실물 크기의 DMSJ 연소기의 복사본이 될 예정이다.

6. 이론

스크램제트는 램제트와 유사하게 작동한다. 일반적인 램제트 엔진은 흡입구에서 공기를 아음속으로 감속시킨 후, 노즐을 통해 다시 초음속으로 가속하여 추력을 얻는다. 이러한 감속 과정은 수직 충격파에 의해 발생하며, 이는 램제트 엔진의 작동 속도 상한을 제한하는 총 압력 손실을 유발한다.

스크램제트 엔진의 경우, 엔진으로 들어오는 공기의 운동 에너지는 연료(예: 수소)와 공기 중 산소의 반응으로 방출되는 에너지와 거의 비슷하다. 마하 2.5에서 연소로 방출되는 열은 작동 유체 총 엔탈피의 약 10% 정도이다. 연료에 따라 다르지만, 대략 마하 8 정도에서 공기의 운동 에너지와 잠재적인 연소 열 방출량이 같아진다. 따라서 스크램제트 엔진 설계는 추력 극대화뿐만 아니라 항력 최소화도 중요하게 고려해야 한다.

이러한 고속 환경은 연소실 내의 흐름을 제어하기 어렵게 만든다. 흐름이 초음속이기 때문에 연소실 내에서 하류의 영향이 자유 흐름 내로 전파되지 않는다. 또한, 추력 노즐 입구의 스로틀링(throttling)은 사용할 수 있는 제어 기술이 아니다. 실제로 연소실에 들어가는 가스는 연료와 혼합되어 점화 및 반응에 충분한 시간을 가져야 하며, 이 모든 과정은 연소된 가스가 추력 노즐을 통해 팽창되기 전에 초음속으로 연소실을 통과해야 한다. 이는 흐름의 압력과 온도에 엄격한 조건을 부과하며, 연료 분사 및 혼합이 매우 효율적이어야 함을 의미한다.

스크램제트 엔진 내에서 사용 가능한 동압은 에서 범위이며, 여기서

:$q\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\backslash rho\; v^2$

• ''q''는 가스의 동압
• ''ρ'' (로)는 가스의 밀도
• ''v''는 가스의 속도

• 첫째, 초음속 흐름이 압축되면 속도가 느려지므로, 압축 수준이 충분히 낮거나 초기 속도가 충분히 높아야 한다. 가스가 마하 1 이하로 느려지면 엔진은 "초크(choke)"되어 연소실에서 아음속 흐름으로 전환된다.
• 둘째, 연소에 의한 가열은 가스 내의 음속을 증가시켜 (마하 수를 감소) 연소실 내 기류 속도를 마하 1 미만으로 낮출 수 있는데, 이를 "열적 초크(thermal choke)"라고 한다.

7. 군사적 이용

스크램제트 엔진은 기술적 난이도가 높아 실용화에 어려움이 많아, 램제트 엔진에 비해 군용 미사일에 채택될 가능성이 낮다. 그러나 러시아가 개발 중인 극초음속 대함 미사일인 3M22 치르콘(Циркон, 3M22 Zircon^영어)은 스크램제트 엔진을 탑재하여 음속의 5~6배(시속 약 6100km~7400km)의 속도로 순항하며 항공모함을 일격에 파괴할 수 있다고 알려져 있다.^[60][61]

블라디미르 푸틴 러시아 연방 대통령은 2021년 11월 3일, 2022년부터 치르콘을 해군에 배치하기 시작할 것이라고 밝혔다.^[62]

러시아 중원자력 미사일 순양함 "표트르 대제"에 탑재될 예정이었으나,^[60][61] 2024년 3월 러시아의 우크라이나 침공 전쟁에서 치르콘이 키이우 공격에 사용되면서, 우크라이나군에 의해 격추된 잔해를 통해 스크램제트 엔진이 아닌 램제트 엔진임이 확인되었다.^[63]

8. 결론 및 전망

초음속 연소(Supersonic combustion)를 하는 램제트 엔진의 일종인 스크램제트는, 마하 5부터 이론상 마하 15까지 넓은 범위에서 높은 효율을 유지할 것으로 기대된다. 압축기나 터빈 없이 압축을 실현하는 간단한 구조이지만, 초음속 기류 내에서 연소를 유지해야 하고, 고열 문제 등 여러 기술적 난제가 존재한다.^[56] 주로 수소를 연료로 사용하는데, 연소 속도가 빠르고 냉각에도 유리하지만, 액체 수소 유지를 위해 값비싼 냉각 시스템을 갖춰야 한다.

이러한 기술적 어려움 때문에, 스크램제트 엔진은 실용화되더라도 당분간 군용 미사일에 채택될 가능성은 낮다. 램제트는 이미 일부 군용 미사일에 쓰이고 있지만, 스크램제트는 아직 실험 단계이다.

NASA의 X-43A 실험기는 스크램제트 엔진을 장착하고 마하 9.68의 비행 속도 기록을 세웠으며, 오스트레일리아와 일본^[58][59] 등에서도 관련 연구가 진행되고 있다. 재사용 유인 우주 왕복선의 대기권 내 항행용 엔진으로 사용하는 방안도 고려되고 있다.

참조

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