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램제트

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1. 개요

램제트는 터보젯과 달리 압축기와 터빈 없이 공기흡입구, 연소실, 배기구로 구성된 단순한 구조의 제트 엔진이다. 고속 비행 시 램압을 활용하여 압축 과정을 거치며, 미사일과 같이 고속을 요구하는 비행체에 적합하다. 램제트는 마하 0.5 이하에서는 효율이 낮지만, 초음속 순항 시에는 다른 제트 엔진보다 연료 효율이 높다. 램제트는 액체 또는 고체 연료를 사용하며, 초기 가속을 위해 부스터가 필요하다. 램제트의 변형으로 공기증강 로켓, 고체연료 통합형 로켓 램제트, 덕티드 로켓 등이 있다. 램제트 엔진은 미사일에 많이 사용되며, 대한민국 역시 램제트 엔진 기술을 개발하여 극초음속 미사일 개발에 활용하고 있다.

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램제트
지도 정보
기본 정보
종류제트 엔진
작동 방식공기 흡입, 압축, 연소 및 배기
속도 범위~
작동 고도지상~대기권
역사
개발1913년 프랑스 발명가 르네 로린에 의해 개념 구상
최초 사용제2차 세계 대전 말기 독일의 V-1 로켓에 탑재
주요 개발국미국, 소련, 프랑스, 영국
구조 및 작동 원리
공기 흡입구고속으로 유입되는 공기를 압축하는 역할
연소실압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 곳
노즐연소 가스를 배출하여 추력을 발생시키는 부분
작동 원리엔진 자체의 압축 장치 없이 고속으로 유입되는 공기 압력을 이용해 작동
특징구조가 단순하고, 고속 영역에서 효율이 높음
단점저속에서 작동 불가, 초음속 영역에서 효율 감소
활용
초기 활용미사일, 표적 드론 등에 주로 사용
항공 우주항공기 추진, 우주 발사체에 활용 시도
미래 기술초음속 항공기, 극초음속 미사일 개발에 응용
관련 기술
스크램제트램제트 엔진의 개량형, 초음속 연소 방식
참고 문헌
도서Tools of Violence: Guns, Tanks and Dirty Bombs (Osprey Publishing, 2008)
잡지 기사Here Comes the Flying Stovepipe (TIME, 1965)

2. 구조와 원리

램젯 구동 시 엔진 내부 유동의 마하수를 보여주는 그림


전형적인 램제트


램젯은 공기흡입구, 연소실, 배기구로 구성되어 구조가 단순하다. 터보젯이 터빈에서 동력을 얻어 압축기로 공기를 압축하는 데 반해, 램젯은 고속 비행으로 인한 기압, 즉 램압(ram pressure)으로 공기를 압축하여 압축기와 터빈이 필요 없다.[19] 램젯 엔진은 터보젯이나 터보팬 엔진에 비하여 작고 간단하며, 초음속 순항일 경우 다른 제트 엔진보다 연료 효율이 높다. 하지만 정지 상태에서는 작동되지 않거나 낮은 속도에서는 효율이 떨어져, 램젯 추진기관을 장착한 비행체를 초기에 초음속에 도달시키기 위해 다른 추진기관을 이용해야 한다.

램제트의 첫 번째 부분은 확산기(압축기)이며, 여기서 램제트의 전진 운동을 이용하여 연소에 필요한 작동 유체(공기)의 압력을 높인다. 공기는 압축되고 연소에 의해 가열된 후, 브레이턴 사이클로 알려진 열역학 사이클에서 팽창하여 노즐을 통과하여 초음속으로 가속되어 전진 추력을 생성한다.

확산기는 흡입구에 접근하는 공기의 고속을 연소에 필요한 높은 정압으로 변환한다. 높은 연소 압력은 열 추가 과정에서 엔트로피 증가를 최소화하며,[20] 이는 배기 가스에서 낭비되는 열에너지를 최소화한다.[21]

아음속 및 저초음속 램제트는 흡입구에 피토관(pitot tube) 형태의 개구부를 사용하며, 이후 연소기에 필요한 낮은 아음속 속도를 얻기 위해 내부 통로(아음속 확산기)가 넓어진다. 저초음속에서는 흡입구 앞에 정상(평면) 충격파가 형성된다.

더 높은 초음속에서는 충격파를 통한 압력 손실이 과도해지므로 돌출된 스파이크 또는 콘을 사용하여 흡입구 입구 가장자리에서 발생하는 최종 정상 충격파 앞에 사선 충격파를 생성한다. 이 경우 확산기는 흡입구 외부에 충격파가 있는 초음속 확산기와 내부 아음속 확산기의 두 부분으로 구성된다.

더 높은 속도에서는 초음속 확산의 일부가 내부에서 일어나야 하므로 외부 및 내부 사선 충격파가 필요하다. 최종 정상 충격파는 목(throat)이라고 알려진 최소 유량 영역 근처에서 발생해야 하며, 그 뒤에 아음속 확산기가 있다.

다른 제트 엔진과 마찬가지로 연소기는 연료를 연소시켜 공기 온도를 높인다. 이 과정은 작은 압력 손실을 동반한다. 연소기에 유입되는 공기 속도는 화염 안정 장치가 제공하는 보호된 영역에서 연속적인 연소가 일어날 수 있을 만큼 충분히 낮아야 한다.

램제트 연소기는 화학양론적 연료-공기 비율로 안전하게 작동할 수 있다. 이는 등유의 경우 약 2,400,000 정도의 연소기 출구 정체 온도를 의미한다. 일반적으로 연소기는 비행 속도와 고도에 맞춰 넓은 범위의 스로틀 설정에서 작동할 수 있어야 한다. 보통 보호된 주 연소 영역은 항공기가 선회하는 동안 흡입구가 높은 요/피치 각도를 가지더라도 연소가 지속되도록 한다. 다른 화염 안정화 기술은 연소기 캔부터 평판까지 디자인이 다양한 화염 안정 장치를 사용하여 화염을 보호하고 연료 혼합을 개선한다. 연소기에 과도한 연료를 공급하면 확산기의 최종 (정상) 충격파가 흡입구 입술 너머로 앞으로 밀려나가 공기 흐름과 추력이 크게 감소할 수 있다.

추진 노즐(propelling nozzle)은 배기 가스의 흐름을 가속하여 추력을 발생시키기 때문에 램제트 설계에서 매우 중요한 부분이다. 아음속 램제트는 노즐(nozzle)을 사용하여 배기 가스의 흐름을 가속하며, 초음속 비행에는 일반적으로 컨버전트-다이버전트 노즐(De Laval nozzle|convergent–divergent nozzle)이 필요하다.

일반적으로 제트 엔진은 충분한 출력을 얻으려면 흡입한 공기를 압축해야 한다. 하지만 어느 정도 고속이 된 상황에서는 유입 공기는 램압만으로도 연소에 충분할 정도로 압축된다.

램제트 엔진은 외연기관이라고 오해되기 쉽지만, 기관 내부에서 연소를 수행하고 고온의 연소 가스를 분사하여 추력을 얻기 때문에 속도형 내연기관으로 규정된다. 원자력 램제트는 예외이며 외연기관이다.

램제트 엔진 전단부에는 충격파가 설치되어 있으며, 초음속 기류는 스파이크(spike)와 인렛(inlet) 사이의 틈을 통과하는 과정에서 압축된다. 이때 스파이크는 충격파를 발생시켜 초음속 공기 흐름을 아음속까지 감속시키는 역할도 한다. 압축은 거의 등엔트로피 과정이 되어 매우 높은 동압이 정압으로 변환된다. 연소실에서는 아음속 공기 흐름 중에 연료 분사에 의해 연소가 일어나고 온도가 상승하여 가스 체적이 증가한다. 연소실 내에서는 압력 상승은 없다 (이 점은 일반적인 터보제트 엔진의 연소실과 동일하다). 체적이 증가한 가스는 연소실을 기준으로 진행 방향 쪽에 스파이크 콘(spike cone)과 높은 램압이 존재하기 때문에 배기구 쪽으로 분출한다. 그 분출에 의한 반동을 스파이크 콘 바닥이 받쳐주기 때문에 추력이 발생한다. 가스 흐름은 배기구 쪽으로 흐르고 있으며, 일반적으로 역류는 발생하지 않지만, 램압이 급격히 저하될 경우 역류가 발생할 수 있다. 압축기가 없기 때문에 터빈도 없다.

3. 비행 속도

램제트 엔진은 마하 0.5 이하에서는 추력을 얻기 어렵고, 마하 2에서 마하 4 사이에서 효율이 극대화된다. 대기권 내에서는 로켓보다 우수한 성능을 발휘한다.

45m/s 정도의 느린 속도에서도 작동은 가능하나, 마하 0.5 이하에서는 압력비가 낮아 추력이 거의 발생하지 않고 효율이 매우 낮다. 이 속도 이상에서는 램제트가 자체적으로 지속 작동한다. 그러나 흡입되는 공기의 온도가 높아져 엔진이나 기체에 손상을 줄 수 있으므로, 연료 제어 시스템을 통해 속도와 공기 흡입 온도를 안정화해야 한다.

화학량론적 연소 온도 때문에, 고속(약 마하 2~3)에서는 효율이 좋지만, 저속에서는 낮은 압력으로 인해 터보제트로켓보다 성능이 떨어진다. 일반적으로 음속의 절반 이하에서는 추력이 거의 없거나 전혀 없으며, 낮은 압축비 때문에 1000km/h를 초과할 때까지 비효율적이다(비추력이 600초 미만).[22]

최소 속도 이상이더라도, 저속에서 고속, 저고도에서 고고도까지 넓은 비행 범위는 설계상의 타협을 필요로 하며, 하나의 설계 속도와 고도에 최적화된 경우(포인트 디자인) 가장 잘 작동한다. 그러나 램제트는 일반적으로 가스터빈 기반 제트 엔진 설계보다 성능이 뛰어나며, 특히 초음속(마하 2~4)에서 가장 잘 작동한다.[28] 저속에서는 비효율적이지만, 최소 마하 6까지 유용한 작동 범위 전체에서 로켓보다 연료 효율이 더 높다.

기존 램제트의 성능은 마하 6 이상에서 떨어지는데, 이는 유입되는 공기가 연소를 위해 아음속으로 감속될 때 충격파로 인한 해리와 압력 손실 때문이다. 또한 연소실 입구 온도가 매우 높아져 일정 한계 마하수에서 해리 한계에 도달한다.

초음속 유입 기류가 필요하기 때문에 램제트 엔진은 마하 3~5 정도의 영역에 적합하다고 여겨진다.[41]

4. 역사

램젯 엔진은 1913년 프랑스의 르네 로랭(René Lorin)이 고안하였으며, 그의 장치에 대한 특허(FR290356)를 받았다.[4] 그러나 당시 항공기는 램제트가 제대로 작동할 만큼 빠른 속도를 낼 수 없었기 때문에 그의 발명품을 시험할 수 없었다.[4]

르뒤 010


르네 르뒤(René Leduc)는 주목할 만한 성과를 이루었다. 1949년, 그가 설계한 르뒤 0.10(Leduc 0.10)은 최초의 램제트 추진 항공기 중 하나였다.[42] 1955년에는 터보램제트 엔진을 장착한 노르 1500 그리폰이 첫 비행을 하였고, 1958년에는 마하 2.19 (시속 약 2,660km)에 도달했다.

Kh-31 미사일 램제트 배기구


1915년, 헝가리 발명가 알베르트 포노(Albert Fonó)는 포병 사거리를 늘리기 위해 램제트 추진 장치를 결합하는 방법을 고안했지만, 오스트리아-헝가리 군에 의해 거절당했다.[8] 이후 1928년, 포노는 "공기 제트 엔진"을 설명하는 독일 특허를 출원했고, 1932년에 특허를 획득했다.[9]

소련에서는 1928년 보리스 스테치킨이 초음속 램제트 엔진 이론을 제시했다. GIRD 3여단장 유리 포베도노스트세프가 연구를 수행했고, 1933년 4월 최초의 엔진인 GIRD-04가 시험되었다. 1939년 메르쿨로프는 R-3라는 2단 로켓을 사용하여 램제트 시험을 더 진행했고, 1940년 12월에는 세계 최초로 램제트 추진 비행기 비행이 이루어졌다.

제2차 세계 대전 중, 일본의 가와사키 항공기 회사 기후 공장에서는 램제트 엔진 여러 대가 설계, 제작 및 지상 시험을 거쳤다.[10] 1936년, 독일의 헬무트 발터는 천연가스를 동력으로 하는 시험 엔진을 제작했고, BMW, 융커스, DFL에서 이론 연구가 수행되었다.[11] 1941년, DFL의 우겐 젠거는 연소실 온도가 높은 램제트 엔진을 제안하고, 대형 램제트 파이프를 제작하여 연소 시험을 실시했다.[11]

미군이 처음으로 실전 배치한 램제트 엔진을 사용한 미사일, AQM-60 킹피셔


미국은 "고르곤(Gorgon)"이라는 이름으로 여러 종류의 공대공 미사일을 개발했고, 1948년과 1949년에 램제트 엔진을 사용한 고르곤 IV를 시험했다. 1950년대 초, 록히드 X-7 프로그램을 통해 마하 4+급 램제트 엔진을 개발했고, 이는 록히드 AQM-60 킹피셔를 거쳐 록히드 D-21 정찰 드론으로 이어졌다. 1950년대 후반, 미 해군은 RIM-8 탈로스라는 장거리 함대공 미사일 시스템을 도입했다.

블러드하운드 미사일의 상부 엔진은 램제트 엔진이다


영국은 1950년대 후반, 1960년대, 그리고 1970년대 초에 여러 종류의 램제트 미사일을 개발했다. 블루 엔보이 프로젝트는 취소되었지만, 블러드하운드라는 단거리 램제트 미사일 시스템이 2차 방어선으로 설계되었다. 1960년대에 영국 해군은 씨 다트를 개발하여 배치했다.

1950년에는 YH32 호넷이라는 램제트 추진 헬리콥터가 시제작되었지만, 항속거리와 은밀성의 문제로 도입되지 않았다.

5. 램젯 기반 엔진

스크램젯(SCRamJet;Supersonic Combustion Ramjet)은 유입공기가 엔진 전체를 거치면서 초음속을 유지하는 램젯 엔진이다. 비행체가 극초음속에 도달하여 공기 유입 온도가 높아지면 항공유가 연소될 수 있기 때문에 현재로서는 수소 연료가 쓰인다.[16] 보잉 X-43은 소규모 실험용 램제트였으며,[29] X-51A 웨이브라이더에서 5Mach의 속도를 200초 동안 달성했다.[30]

'''복합 싸이클'''(combined cycle) 램젯 엔진은 램젯의 한계를 극복하기 위한 엔진이다. Air Turbo Ramjet(ATR)은 음속 이하에서는 터보젯처럼 운전되고 마하 6 이하에서는 팬과 함께 램젯으로 운전된다. Reaction Engines SABRE|리액션 엔진 SABRE영어 엔진은 예냉기를 사용하며, 그 뒤에 램제트와 터빈 기계류가 있다.

핵추진 램젯은 연소가 아닌 핵 반응으로 공기를 가열하여 추진하는 방식이다. 냉전 기간 중에 미국은 '플루토 계획'이라는 이름으로 핵추진 램젯을 연구하였다. 대륙간 탄도미사일(ICBM)이 개발되어 목적하고자 했던 성능을 달성하여 이 계획은 취소되었다.[31]

6. 램젯 탑재 미사일

램젯 엔진은 작고 가벼우며 고속 비행에 적합하여 미사일에 많이 사용된다. 램젯을 탑재한 미사일은 초기의 가속을 부스터(Booster)나 비행체로부터 얻어 발사된다.

옛 소련의 Krug 미사일은 1967년에 개발되었는데, 고체 연료 로켓을 부착하여 초기에 가속하여 발사하는 방식이었다. 미사일이 정상적인 속도에 다다르면 액체 연료를 사용하는 램젯 엔진이 목표물을 향해 비행하게 된다. 최대 마하 4까지 속도를 낼 수 있었고, 사정거리는 50~55km, 운항 고도는 100m~27km였다.

미국의 Bonarc 미사일은 비행기의 날개에 장착하여 발사되었고, Marquardt 램젯 엔진으로 가속 순항하였다. 추력은 44kN(A형)과 62kN(B형)이 있었다. Bonarc 미사일은 1959년부터 1972년까지 북아메리카 방어 시스템으로 사용되었다.

영국의 Bloodhound(현재 퇴역)나 Sea dart 대공 미사일도 램젯 엔진을 사용한 미사일이다.

1950년대 후반 미 해군은 RIM-8 탈로스라는 장거리 함대공 미사일 시스템을 도입했다. 이 미사일은 베트남 전쟁 중 적 전투기를 성공적으로 격추했으며, 적 항공기를 전투에서 격추한 최초의 함대공 미사일이었다. 1968년 5월 23일, USS ''롱비치''에서 발사된 탈로스 미사일은 약 약 104.61km 거리에서 베트남의 MiG기를 격추했다. 또한 지대지 무기로도 사용되었으며, 지상 레이더를 파괴하도록 개조되었다.[14]

1960년대에 영국 해군은 함선용 램제트 추진 지대공 미사일인 씨 다트를 개발하여 배치했다. 이 미사일은 약 64~128km의 사거리와 마하 3의 속도를 가졌다. 포클랜드 전쟁 중 여러 유형의 항공기와의 전투에서 성공적으로 사용되었다.

지금도 많은 미사일 개발 계획에서 램젯 엔진을 탑재한 가볍고 연료 효율이 우수하며, 즉 사정거리가 긴, 초음속으로 비행하는 미사일을 개발하고 있다. 영국의 MBDA 미티어(Meteor) 공대공 미사일이나 러시아-인도 합작의 초음속 순항 미사일인 BrarMos가 그 예이다.

램젯 엔진을 사용하거나 사용했던 미사일은 다음과 같다.

미사일 이름국가비고
2K11 크루그(2K11 Krug)옛 소련
2K12 쿠브(2K12 Kub)옛 소련
ASM-3일본
블러드하운드 미사일(Bloodhound (missile))영국
브라모스(BrahMos)인도, 러시아
CIM-10 보마크(CIM-10 Bomarc)미국
오비탈 사이언스 GQM-163 코요테미국
슝펑 3호(Hsiung Feng III)대만
Kh-31러시아
MBDA ASMP프랑스
MBDA 메테오(MBDA Meteor)영국 외
P-270 모스키트(P-270 Moskit)러시아
P-800 오니크스(P-800 Oniks)러시아
R-77PD러시아
R-77ME러시아
벤딕스 RIM-8 탈로스미국
시 닷(Sea Dart)영국
노스아메리칸 SM-64 나바호미국
고체연료 덕트 램제트(Solid Fuel Ducted Ramjet)
YJ-12중국


참조

[1] 서적 Tools of Violence: Guns, Tanks and Dirty Bombs https://archive.org/[...] Osprey Publishing 2016-02-12
[2] 뉴스 Here Comes the Flying Stovepipe https://web.archive.[...] Time Inc. 2024-03-05
[3] 웹사이트 Savien Cyrano de Bergerac https://web.archive.[...] Kuusankoski Public Library
[4] 서적 Fundamentals of gas dynamics John Wiley and Sons
[5] 웹사이트 1941 ''Flight'' article http://www.flightglo[...]
[6] 웹사이트 Aviation: From Sand Dunes to Sonic Booms: A National Register of Historic Places Travel Itinerary http://www.nps.gov/n[...]
[7] 웹사이트 Lorin Ramjet https://www.enginehi[...]
[8] 학술지 Albert Fono: A Pioneer of Jet Propulsion http://iaaweb.org/ia[...] International Astronautical Federation/IAA
[9] 서적 Ramjets American Institute of Aeronautics and Astronautics
[10] 간행물 Research at Kawasaki Aircraft Co., Gifu, Japan, including Ram-Jet Type Engines Allied Technical Intelligence Group 1945-12-10
[11] 서적 Aeronautical Research in Germany Springer
[12] 서적 Aviation Week 1950-02-06 http://archive.org/d[...] Aviation Week 1950-02-06
[13] 학술지 Propulsive Efficiency from an Energy Utilization Standpoint https://archive.org/[...] Cornell University 1951-03
[14] 웹사이트 RIM-8 Talos https://weaponsystem[...] 2024-04-20
[15] 웹사이트 Tactical High-speed Offensive Ramjet for Extended Range (THOR-ER) Team Completes Ramjet Vehicle Test https://www.defense.[...]
[16] 웹사이트 Breakthrough Hypersonic Dual-Mode Ramjet with Rotating Detonation Combustion https://www.nextbigf[...] 2023-12-16
[17] 웹사이트 Missed Swiss https://content.time[...] Time Inc. 2017-08-27
[18] 웹사이트 Underwater Jet https://content.time[...] Time Inc. 2017-08-27
[19] 웹사이트 Does Iran harbour high-speed anti-ship-missile ambitions? https://www.iiss.org[...] 2020-03-13
[20] 서적 1st Annual Meeting American Institute of Aeronautics and Astronautics 1964-06-29
[21] 학술지 Propulsive Efficiency from an Energy Utilization Standpoint http://archive.org/d[...] American Institute of Aeronautics and Astronautics 1976-04
[22] 웹사이트 Ramjet Primer http://www.alt-accel[...]
[23] 학술지 A Century of Ramjet Propulsion Technology Evolution 2004-01
[24] 웹사이트 Yvonne Brill https://www.thecanad[...] 2024-03-04
[25] 뉴스 Aérospatiale studies low-cost ramjet 1995-12-13
[26] 뉴스 Hughes homes in on missile pact 1996-09-11
[27] 간행물 Nozzleless Boosters for Integral-Rocket-Ramjet Missile Systems AIAA/SAE/ASME 1980-06-30
[28] 웹사이트 11.6 Performance of Jet Engines http://web.mit.edu/1[...]
[29] 웹사이트 Boeing: History – Chronology 2002–2004 http://www.boeing.co[...]
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[31] 웹사이트 Project Pluto https://msts.sites.n[...] 2024-03-05
[32] 학술지 Application of the MITEE Nuclear Ramjet for Ultra Long Range Flyer Missions in the Atmospheres of Jupiter and the Other Giant Planets https://arc.aiaa.org[...] 2003
[33] 트윗 Update from a source: Russia's Burevestnik nuclear-powered cruise missile has a NATO designator — SSC-X-9 SKYFALL. (USIC also calls this missile the KY30.) 2023-01-24
[34] 웹사이트 Russian nuclear engineers buried after 'Skyfall nuclear' blast https://www.aljazeer[...] 2023-01-24
[35] 웹사이트 Preliminary survey of propulsion using chemical energy stored in the upper atmosphere https://ntrs.nasa.go[...]
[36] 논문 Article title https://apps.dtic.mi[...]
[37] 학회발표 SR-71 Propulsion System P&W J58 Engine (JT11D-20) http://www.enginehis[...] 2020-01-18
[38] 특허 Recover Bleed Air Turbojet 1967-10-03
[39] 웹사이트 FLASHBACK: Triplesonic Interceptors: The F-103, F-108 & YF-12A https://www.afmc.af.[...] 2020-01-16
[40] 웹사이트 Avialogs: Aviation Library - XRJ55-W-1 Ramjet Aircraft Engine Characteristics Summary - 16 July 1956 https://www.avialogs[...]
[41] 문서 마하 3 초과시 터보제트 엔진의 단열압축 문제
[42] 문서 2차 세계대전 말기 석탄 연료 사용 시도
[43] 문서 국립과학박물관의 람제트 및 회전익 유닛 시험용 분사 노즐 전시
[44] 서적 最強 世界のミサイル・ロケット兵器図鑑 https://books.google[...] 学研パブリッシング 2015-04-28
[45] 웹사이트 平成21年度 政策評価書(事後の事業評価) https://www.mod.go.j[...] 2018-12-20
[46] 웹사이트 The heart of the SR-71 "Blackbird" :The mighty J-58 engine http://aerostories2.[...] 2016-04-25
[47] 웹사이트 Pratt & Whitney J58 Turbojet http://www.hill.af.m[...] Hill Air Force Base 2016-04-25
[48] 서적 イラストでよむハイテク兵器のしくみ 日刊工業新聞社



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