| 극초음속 무기의 군사적·상업적 잠재력 | |
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극초음속 비행은 무기 선진화에 있어 가장 최신의 기술이다. 중국, 러시아, 미국이 테스트하고 있는 형태는 여전히 초기 단계에 머무르고 있다. 그러나 더 멀리 본다면, 이 기술의 핵심은 극.. |
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극초음속 비행은 무기 선진화에 있어 가장 최신의 기술이다. 중국, 러시아, 미국이 테스트하고 있는 형태는 여전히 초기 단계에 머무르고 있다. 그러나 더 멀리 본다면, 이 기술의 핵심은 극초음속 무기에만 그 잠재력이 국한되는 것이 아니라, 상업용으로도 거대한 혁명을 가져올 수 있다는 데 있다. 어떤 점들이 획기적인 것일까? 앞으로 이용 가능한 것으로 예상되는 것들은 무엇일까? 군사 전략가, 소비자, 투자자들에게는 어떤 의미가 있을까?
현재 미국은 러시아와 중국이라는 슈퍼 파워 국가들보다 분명 우월한 항공 경쟁력을 갖고 있다. 러시아의 수호이 SU-57과 중국 J-20 전투기는 F-22와 비교할 수 있지만, 이 전투기들은 이제야 배치 단계에 있다. 러시아는 미국과 비교할 수 있는 대륙간 탄도미사일(ICBM)과 잠수함대를 보유하고 있다. 하지만 중국과 러시아 모두 전 세계를 대상으로 군사력을 펼치는 데 필요한 항공모함, 수송기, 스텔스 폭격기를 갖추지는 못하고 있다.
이를 보완하기 위해, 두 국가는 ‘극초음속 무기’의 초기 분야에서의 진전을 발표했다. 정의에 따르면, 이러한 극초음속 무기는 탄도 미사일의 예측 가능한 궤도에 갇히지 않으면서도 음속의 최소 5배의 속도로 비행할 수 있다.
극초음속 무기에는 ‘극초음속 활공체(hypersonic glide vehicle)’와 ‘극초음속 순항 미사일’이라는 두 가지 형태가 떠오르고 있다. 러시아와 중국이 발표한 무기는 모두 극초음속 활공체다. 극초음속 활공체는 로켓의 상부에 장착되어 발사 후 대기권 위로 활공한다. 이 활공체는 엔진이 없는 비행기와 같으며 100,000피트 이상을 비행할 수 있다.
중국의 DF-ZF 부스트 글라이드 무기, 러시아의 아방가르드(Avangard) 극초음속 활공체, 미국 TBG와 ‘핵쇼(Hacksaw)’ 프로젝트는 모두 극초음속 활공체이다. 이들은 힘을 공기 역학적으로 활용하여 안정성을 유지하고 비행하며 기동한다. 탄도 미사일과 달리 극초음속 활공체는 간의 기동성이 있다. 즉, 비행의 마지막 몇 초까지 목표를 비밀로 유지할 수 있다.
아메리카 애로우(America’s Arrow)와 핵쇼 프로젝트와 같은 ‘극초음속 순항 미사일’은 소위 스크램 제트(SCRAMJET)를 사용하여 목표물까지 동력을 공급받는다. 스크램 제트는 초음속 기류 속에서 연료를 연소시켜 추진력을 얻는다. 즉, 초음속의 속도로 공기를 엔진에 밀어 넣어 추력을 일으키는 것이다. 다만 스크램 제트의 가장 큰 문제 중 하나는 느린 속도로는 작동할 수 없다는 데 있다. 즉, 부스터 단계가 일반적으로 스크램 제트 엔진이 가동할 수 있는 속도와 고도까지 운반을 책임져야 한다.
극초음속 순항 미사일은 매우 빠르고 기동성이 있다. 그리고 이 미사일은 최대 100,000피트 높이의 고도에서 날 수 있다. 이 순항 미사일이 대서양을 횡단한다면, 공격이 시작되고 타격까지 걸리는 시간은 단지 몇 분에 불과하다. 더군다나 극초음속 순항 미사일은 기존 순항 미사일과 같이 기동할 수 있어 방어자들이 이 미사일의 움직임에 대해 끊임없이 추적이나 추정을 하도록 만들 수 있다.
그러나 지금까지 아무도 순항 미사일이나 다른 응용 무기를 위한 신뢰할 수 있는 극초음속 엔진을 만들 수 없었다. 그러나 상황은 빠르게 변화하고 있다. 유럽우주국(European Space Agency)에 의해 예비 설계 검토를 통과한 후, 새로운 공기-흡입 극초음속 엔진이 마침내 18개월 안에 주요 테스트를 수행할 준비가 되어 있다. 이 세이버 엔진(SABRE, Synergistic Air-Breathing Rocket Engine)은 영국의 리액션엔진(Reaction Engines) 사에서 개발 중이다.
세이버 엔진은 두 가지 모드로 전환할 수 있다. 항공기 엔진 모드에서는 대기의 산소를 사용하고, 로켓 엔진 모드에서는 액체 수소 연료와 함께 탑재된 산화제를 연소시킨다. 실질적인 혁신은 항공기 엔진 모드와 관련이 있다. 세이버 엔진은 1시간에 2,500마일의 속도를 내는 테스트를 마쳤다. 이 테스트는 대형 극초음속 엔진을 승객 수송용 제트기에 장착하여 승객들을 전 세계로 단 몇 시간 만에 이동시킬 수 있음을 의미한다. 이로 인해 상품 배송도 더 저렴해질 수 있다. 다음 테스트 단계에서 세이버 엔진 기술은 4,200마일의 속도에 도전한다.
지금까지 극초음속 엔진 설계는 엄청난 온도와 관련된 물리적 스트레스로 인해 실패했다. 그러나 세이버 엔진 연구원들은 소위 ‘예냉기(precooler)’로 이 문제를 해결했다. 예냉기는 항공기 엔진을 녹여버리는 뜨거운 공기를 회피하여 항공기가 극초음속으로 비행할 수 있게 한다. 이를 위해 열교환기가 매우 높은 온도의 공기 흐름을 관리하고, 궁극적으로 세이버 엔진의 기반을 형성한 것이다.
현재까지 리액션 엔진 사는 세이버 엔진의 예냉기를 마하 3.3의 시뮬레이션 속도로 작동하도록 관리했다. 이 테스트를 위해 콜로라도 지상에 테스트 시설을 건설하고 GE J79 터보 제트 엔진을 사용하여 엔진이 극초음속에서 경험할 수 있는 조건을 재현했다.
예냉 기술은 엔진에 유입되는 공기의 온도를 1,000도(또는 1,832°F) 이상에서 20분의 1초 만에 상온으로 낮춰준다. 또한 이륙에서 음속의 5.5배에 이르기까지 대기에서 산소를 흡수하여 로켓 연소실로 공급한다. 이를 통해 세이버 엔진은 ‘공기 흡입 로켓 엔진’으로 작동한다. 즉, 기존 로켓 로켓보다 산화제가 적어 훨씬 가볍다.
이것은 낮은 고도와 속도(시속 4200마일에 이르기까지)에서는 제트기처럼 비행하고 대기로부터 유입되는 공기 흐름에서 연료를 연소시킨다는 의미이다. 이후, 높은 고도와 속도에서는 내부로 운반되는 액체 산소와 연료를 결합하여 완전 로켓 모드로 전환된다.
특별한 점은 이 새로운 항공 우주 엔진이 활주로 위의 정지 상태에서 대기 중 음속의 5배 이상의 속도로 항공기가 움직이도록 할 수 있다는 것이다. 이후 로켓 비행 모드로 전환하여 음속의 25배에 해당하는 궤도 진입 속도까지 이를 수 있다.
리액션 엔진 사는 30년 전 롤스 로이스(Rolls Royce)에서 이러한 과제를 수행한 세 명의 과학자들이 설립한 회사다. 당시에는 이 엔진에 필요한 기술까지 갈 길이 멀었지만, 이 세 과학자들은 겁내지 않았다. 유럽??우주국과 여러 유관 기관의 도움으로 이들은 계속 연구를 수행했고, 2012년에 확실한 예비 결과를 이끌어 냈다.
이후 2015년 11월, BAE 시스템즈(BAE Systems)는 이 회사 지분 20%를 2,060만 파운드에 매입했다. 그리고 2016년 7월, 유럽우주국과 1천만 파운드의 계약이 체결되었고 영국우주국 (UK Space Agency)과는 5천만 파운드의 거래가 이어졌다. 2018년 4월, 리액션 엔진은 롤스 로이스와 보잉, 호라이즌엑스(HorizonX) 벤처로부터 2,650만 파운드의 투자를 받았다.
리액션 엔진은 2018년에는 미 국방고등연구기획국(DARPA, U.S. Defense Advanced Research Projects Agency)과의 계약 덕분에 콜로라도에서 획기적인 테스트를 수행했고, 현재 영국에 건설 중인 새로운 시설에서 2020년에 최초의 통합 세이버 엔진 코어를 테스트하는 것을 목표로 하고 있다.
현재 세이버 엔진은 ‘비용’과 ‘안전성’이 성능보다 중요한 여객기 산업에서는 수십 년 정도 떨어져 있다. 그러나 극초음속 순항 미사일과 군용 항공기 분야에서는 게임체인저가 될 것으로 보인다. 극초음속 무기와 발전과 연구에 있어 급속한 발전을 기대할 때, 우리는 앞으로 다음과 같은 예측을 내릴 수 있을 것이다.
첫째, 2025년까지 미국은 최초의 극초음속 순항 미사일을 도입하고 극초음속 전투기에 대한 개발 작업을 시작할 것이다.
F-117 스텔스 전투기가 록히드 스컹크 워크(Lockheed Skunk Works)에서 비밀 프로젝트로 개발된 것처럼, 이러한 혁신은 그것이 본격적으로 전개될 준비를 마칠 때까지는 공개되지 않을 것이다. 다만, 미 국방고등연구기획국의 리액션 엔진 테스트 프로그램 지원은 미군이 이 엔진의 잠재력을 잘 알고 있음을 나타낸다.
둘째, 제트 엔진에 대한 전후 군사 연구가 보잉 707과 더글라스 DC-8의 길을 닦았듯이, 극초음속 엔진에 대한 군사 연구는 2035년까지 극초음속 상용 항공기의 길을 열게 될 것이다.
가장 큰 도전은 비행 안전성과 소닉 붐이다. 극초음속 상용 항공기가 콩코드와 같은 고급 틈새시장으로 제한될지 아니면 항공 산업의 보편화로 확대될지는 시간만이 알 수 있을 것이다.
셋째, 세이버 엔진은 2040년까지 우주 비행기가 활주로에서 지구 궤도로 이동할 가능성을 열어 줄 것이다.
활주로에서 우주 정거장까지 곧바로 비행하는 것이 기술적으로 가능해질 것이다. 그러나 상용 극초음속 항공 여행과 마찬가지로 경제적으로 의미가 있는지는 확실하지 않다.
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References List :
1. Space.com. April 18, 2019. Tereza Pultarova. Air-Breathing Rocket Engine Gets Green Light for Major Tests.
https://www.space.com/sabre-rocket-engine-cleared-major-tests.html
2. The New York Post. April 8, 2019. Charlotte Edwards. ‘Spaceplane’ that could fly from NYC to London in 1 hour makes breakthrough.
https://nypost.com/2019/04/08/spaceplane-that-could-fly-from-nyc-to-london-in-1-hour-makes-breakthrough/
3. New Atlas. April 8, 2019. David Szondy. SABRE hypersonic jet/rocket hybrid engine passes key precooler test.
https://newatlas.com/sabre-hypersonic-engine-precooler-test/59204/
4. IEEE GlobalSpec. April 25, 2018. Eric Olson. SABRE: A Hypersonic Precooled Hybrid Air-breathing Rocket Engine.
https://insights.globalspec.com/article/8642/sabre-a-hypersonic-precooled-hybrid-air-breathing-rocket-engine
Unleashing the Potential of Hypersonic Flight
Today, the United states has clear air superiority over its great-power adversaries, Russia and China. While the Russian Sukhoi SU-57 and the Chinese J-20 fighters are comparable to our F-22, they are just beginning to be delivered. And while Russia has comparable ICBM and submarine fleets, neither country has the aircraft carriers, airtankers, and stealth bombers needed to project military power around the world.
To compensate, they’ve announced progress in the embryonic field of “hypersonic weapons.” By definition, hypersonic weapons can travel at least five times the speed of sound, without being locked into the predictable trajectories of ballistic missiles.
There are two types of hypersonic weapons emerging: hypersonic glide vehicles and hypersonic cruise missiles. The announced Russian and Chinese weapons are all hypersonic glide vehicles. Hypersonic glide vehicles are placed on top of rockets, launched, and then glide on top of the atmosphere. They are like airplanes with no engines on them, which can fly above 100,000 feet. China’s DF-ZF boost-glide weapon, Russias Avangard hypersonic glide vehicle, and the American TBG and “Hacksaw” projects, discussed in our July 2018 issue, are all hypersonic glide vehicles. They use aerodynamic forces to maintain stability, to fly along, and to maneuver. And, unlike a ballistic missile, a hypersonic glide vehicle is somewhat maneuverable. That means it can keep its target a secret up until the last few seconds of its flight.
“Hypersonic cruise missiles” such as America’s Arrow and HAWC projects are intended to be powered all the way to their targets using so-called SCRAMJETs. SCRAMJETs use the vehicle’s forward motion to shovel air at supersonic speeds into the engine, causing thrust. One big problem with scramjets, is their inability to operate at slower speeds. That means, a booster stage typically carries them to a velocity and altitude where the scramjet engine can take over. Hypersonic cruise missiles are very fast and maneuverable.
And they can fly at altitudes up to 100,000 feet. Defenders may have just a few minutes from the time a trans-Atlantic attack is launched until the time it strikes. And the hypersonic cruise missile can maneuver just like a conventional cruise missile, keeping defenders guessing about its intentions.
Until now, no one has been able to build a reliable hypersonic engine for cruise missiles or other applications, but that’s quickly changing. After passing a preliminary design review by the European Space Agency (or ESA) a new air-breathing hypersonic engine is finally ready for a major round of testing in the next 18 months.
The Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (or SABRE) is being developed by a U.K.-based company called Reaction Engines. This engine can switch between two modes. In aircraft-engine mode, it uses oxygen from the atmosphere. In rocket-engine mode, it burns an oxidizer carried onboard together with its liquid hydrogen fuel. The real breakthrough involves the aircraft-engine mode, which has already been tested at airspeeds up to 2500 miles an hour. This test indicates that large-scale hypersonic engines could be fitted to passenger jets to ferry passengers around the world in hours and other aircraft to deliver goods into orbit inexpensively. During the next stage of tests, the SABRE technology will be tested at 4,200mph.
Until now, hypersonic engine designs have failed because of the enormous temperatures and physical stresses involved. But the researchers have solved this problem with a so-called pre cooler.
The pre-cooler, allows the aircraft to travel at hypersonic speed without hot air causing the engine to melt. To do this, a heat-exchanger manages very high temperature airflows and could ultimately form the basis for the SABRE engine to provide low-cost repeatable access to space.
To date, Reaction Engines has managed to make SABRE’s pre cooler work at a simulated speed of Mach 3.3. For that test, they built a testing facility on the ground in Colorado and used a General Electric J79 turbojet engine to replicate the conditions that an engine will experience at hypersonic speeds.
The pre-cooling technology lowers the temperature of the air coming into the engine from more than 1,000°C (or 1,832°F) to room temperature in one twentieth of a second. From take-off to 5.5 times the speed of sound, it would take oxygen from the atmosphere, which would be fed into a rocket combustion chamber. This will let the SABRE engine act as an air breathing rocket engine. As such, it would carry significantly less oxidizer than a conventional rocket, making it much lighter.
That means that at low altitude and speeds up to 4200 miles per hour, it would behave like a jet, burning its fuel in a stream of air scooped from the atmosphere. Then, at higher speeds and higher altitudes, it would transition to full rocket mode, combining the fuel with the liquid oxygen carried inside.
What’s really special is that this new class of aerospace engine will enable aircraft to operate from standstill on a runway to speeds of over five times the speed of sound in the atmosphere. It can then transition to a rocket flight mode, allowing spaceflight at speeds up to orbital velocity, equivalent to 25 times the speed of sound.
Reaction Engines was founded 30 years ago by three scientists who had worked on these challenges at Rolls Royce. At the time, the necessary technology was far way, but these scientists weren’t daunted. With support from the European Space Agency and others, they continued their work, leading to solid preliminary results in 2012.
Then, in November 2015, BAE Systems bought a twenty percent stake in the company for ￡20.6 million. That was followed by a ￡10 million contract with the European Space Agency in July 2016, along with ￡50 million in grants from the UK Space Agency. And in April 2018, Reaction Engines received ￡26.5 million in investments from Rolls-Royce and Boeing HorizonX Ventures.
In 2018 thanks to a contract from the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (or DARPA) it conducted the breakthrough testing in Colorado. And now, Reaction Engines aims to test the first integrated SABRE engine core in 2020 at a new facility under construction in the U.K.
Today, SABRE is decades away from use in passenger jets, where cost and safety trump performance. But it may be a game-changer for hypersonic cruise missiles and manned military aircraft.
As such, SABRE promises to unleash a wave of rapid progress in hypersonic aviation research.
Given this Trend, we offer the following forecasts for your consideration.
First, by 2025 the U.S. will introduce the first Hypersonic cruise missile and initiate work on a hypersonic fighter plane.
Just as the F-117 stealth fighter was developed as a “black project” in the Lockheed Skunk Works, these innovations are unlikely to be unveiled until they are ready to deploy. DARPA’s support of Reaction Engines’ testing program indicates that the U.S. military is keenly aware of the potential. As usual, expect the Chinese and Russians to emulate these achievements.
Second, just as post-War military research on jet engines paved the way for the Boeing 707 and Douglas DC-8, military research on hypersonic engines will pave the way for Hypersonic commercial aircraft by 2035.
The big challenges will be flight safety and sonic booms. Only time will tell whether hypersonic commercial aircraft are limited to a high-end niche like the Concorde or become the default for intercontinental fights. And,
Third, SABRE will open-up the possibility of spaceplanes traveling from runways to low-earth-orbit (or LEO) by the 2040s.
The sort of trips from runways to space stations envisioned in the film 2001: A Space Odyssey will become technically feasible. But as with commercial hypersonic air travel, it’s unclear whether it makes economic sense.
References
Resource List:
1. Space.com. April 18, 2019. Tereza Pultarova. Air-Breathing Rocket Engine Gets Green Light for Major Tests.
https://www.space.com/sabre-rocket-engine-cleared-major-tests.html
2. The New York Post. April 8, 2019. Charlotte Edwards. ‘Spaceplane’ that could fly from NYC to London in 1 hour makes breakthrough.
3. New Atlas. April 8, 2019. David Szondy. SABRE hypersonic jet/rocket hybrid engine passes key precooler test.
https://newatlas.com/sabre-hypersonic-engine-precooler-test/59204/
4. IEEE GlobalSpec. April 25, 2018. Eric Olson. SABRE: A Hypersonic Precooled Hybrid Air-breathing Rocket Engine.