"마하5이상 극초음속 비행기 2020년께 상용화"

마하 5 이상의 속력을 내는 극초음속 항공기는 모든 항공 엔지니어들의 꿈이다. 바로 이 꿈이 머지않아 현실화될 수 있을 전망이다. 최대 마하 15의 속도를 낼 수 있는 스크램제트(scramjet) 엔진의 실용화가 가시권 내에 들어섰기 때문이다.

지난 2004년 스크램제트 엔진을 장착한 미 항공우주국(NASA)의 X-43A가 마하 9.6을 기록한 데 이어 X-51A, HTV-3X 등 미 공군의 차세대 극초음속 항공기들이 시험비행을 앞두고 있는 등 관련 기술이 실증 단계에 접어들고 있는 것.

오는 2020년께 이들의 상용화가 이뤄지면 전세계 어느 곳이든 2시간 내 이동이 가능해져 전시(戰時) 전략과 전술의 개념이 완전히 바뀌게 된다.

마하 5의 벽을 넘어라

최근 ‘X-1’으로 불리는 스크램제트 엔진이 세계의 이목을 집중시키고 있다. 프랫앤휘트니로켓다인(PWR)사가 개발하고 있는 X-1에 각국의 시선이 쏠리고 있는 이유는 명확하다. 스크램제트 엔진의 개발은 곧 아음속과 초음속에 이은 극초음속(hypersonic) 항공기의 탄생을 의미하기 때문이다.

사실 로켓만큼 빠른 항공기, 즉 마하 5 이상의 속도를 낼 수 있는 극초음속 항공기는 지난 수십년간 모든 항공 엔지니어들의 꿈이었지만 아직까지 난공불락의 영역으로 남아 있다.

스크램제트 엔진은 이 같은 불가능을 현실화시킬 비장의 카드다. 이론상 최대 마하 15(시속 1만8,000㎞) 속도의 항공기 개발이 가능하기 때문이다. 특히 X-1이 내년 중 미 공군의 차세대 극초음속 무인전투기에 탑재돼 시험비행에 나설 예정에 있는 등 스크램제트 엔진 관련 기술이 연구개발 단계를 넘어 실증 단계에 돌입함에 따라 극초음속 항공기의 출현도 한층 가시화되고 있다.

일반적으로 항공기에 장착되는 제트 엔진은 크게 터보제트와 램제트, 그리고 스크램제트로 구분할 수 있다. 하지만 터보제트 엔진은 마하 3, 램제트 엔진은 마하 5의 속도가 극한치다. 극초음속 비행의 실현을 위해서는 스크램제트 엔진에 목을 맬 수밖에 없다는 얘기다.

실제 터보제트 엔진으로 마하 3 이상의 속도를 내면 터빈의 회전날개가 제트연료의 열기를 견디지 못하고 녹아내려 추락하게 된다. 램제트 엔진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 무(無)터빈 공기흡입 방식을 채택하고 있지만 엔진의 효율적 작동을 위해서는 엔진에 흡입되는 공기의 속도를 초음속에서 아음속으로 낮춰야 한다. 이에 따라 램제트 엔진의 항공기가 낼 수 있는 속도는 마하 5를 넘기 어렵다.

반면 스크램제트 엔진은 공기의 유입 속도를 제어하는 확산장치(diffuser)가 없어 엔진 내에서 공기가 초음속으로 이동, 극초음속 비행이 가능하다.

엔진 작동시간이 현안


하지만 극초음속 항공기의 개발이 말처럼 쉬운 일은 아니다. 마하 5 이상의 속도에서 엔진 연소의 균형을 잡는 일은 허리케인 속에서 성냥을 켜는 것처럼 힘겨운 난제다.

지난 2002년 호주 퀸즐랜드 대학 극초음속연구센터(UQCH)가 세계 최초의 스크램제트 비행에 성공한 이래 미 공군과 해군, 고등연구계획국(DARPA), NASA 등의 관련 연구기관이 공식ㆍ비공식적으로 공조체제를 구축하고 있는 이유가 여기에 있다.

이 같은 노력에 힘입어 2004년 NASA의 X-43A 극초음속 무인항공기가 마하 9.6의 속도 도달에 성공했으며 지난해 6월에는 호주 국방과학기술국과 DARPA가 공동 개발한 스크램제트 로켓이 마하 10의 벽을 돌파하기도 했다. 적어도 속도에 있어서는 스크램제트의 실용성이 입증된 셈이다.

이제 남은 문제는 작동시간. 이륙 후 시험비행을 마치고 귀환하려면 최소 100초 이상 엔진이 가동돼야 하는데 지금까지는 10초를 넘기지 못하고 있는 상태다. 이에 따라 지금까지의 시험비행은 별도의 모선(대형 항공기)에 극초음속 항공기를 부착하고 올라가 공중 투하하는 방식으로 이뤄졌다.

하지만 X-1을 탑재한 X-51A에 의해 이 또한 곧 해결될 전망이다. X-51A의 목표는 마하 6 이상의 속도에서 5분간의 극초음속 비행인데 PWR과 미 공군은 목표 달성을 확신하고 있다. PWR의 커티스 버거 박사는 “5분이라는 목표는 X-1의 한계가 아닌 연료탱크의 용량 때문”이라면서 “용량만 늘어난다면 5분이 1시간이 되는 것은 시간문제”라고 말했다.

2020년께 상용 모델 등장

미 공군의 지원을 받아 DARPA가 개발 중인 HTV-3X는 별도의 모선 없이 자체 이착륙 능력을 갖춘 최초의 극초음속 무인항공기로서 스크램제트기 시대를 본격 개화시킬 주역으로 꼽힌다.

HTV-3X는 2012년 에드워드 공군기지에서 이착륙 능력 및 극초음속 능력 확인을 위한 처녀비행에 나설 예정이다. 전문가들은 이 같은 기술개발 추이를 감안, 이르면 2020년께 극초음속 항공기의 상용 모델을 볼 수 있을 것으로 예상하고 있다.

이렇게 극초음속 항공기가 현실화되면 가장 먼저 군사적 관점에서 전시(戰時) 전술ㆍ전략의 개념이 완전히 바뀌게 된다. 지구촌 어느 곳이든 2시간 내에 이동이 가능해지기 때문이다.

실제 미 해군은 DARPA와 함께 스크램제트 엔진을 활용, 해군 특수부대를 적지에 신속히 파병할 수 있는 마하 10의 극초음속 수송기 ‘핫 이글(Hot Eagle)’을 개발 중이기도 하다.

또한 이 기술을 대륙 간 탄도미사일ㆍ순항미사일 등에 적용하면 멀리 떨어진 대륙의 목표물도 순식간에 파괴할 수 있는 막강한 무기로 변신하게 된다.

버거 박사는 “스크램제트 엔진과 극초음속 항공기는 이제 실용화 수순에 접어들었다”며 “언젠가는 군사용에 이어 민간용 극초음속 여객기의 개발도 이뤄질 수 있을 것”이라고 밝혔다.

양철승 파퓰러사이언스 기자 csyang@sed.co.kr

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