College Of Engineering
서울공대 이야기
과학동아 2007년 09월호 - 이런 전공 어때요
항공우주추진기술
극초음속 여행시대를 연다
| 글 | 정인석 서울대 항공우주공학부 교수 ㆍenjis@snu.ac.kr |
서울대에서 ‘항공우주추진연소공학’으로 박사학위를 취득했다. 현재 서울대 항공우주추진, 연소연구실(apcl.snu.ac.kr)을 이끌며 미국 스탠퍼드대, 일본 도쿄대와 함께 ‘대학 초소형 인공위성’(University Nano-Sat) 프로그램을 수행 중이다.
‘하이샷 3’의 비행시험을 한 호주 우메라 발사장. 스크램제트 엔진은 로켓 제일 앞부분에 장착됐다. 맨 오른쪽이 정인석 교수.
1903년 미국의 라이트 형제가 제작한 쌍발복엽기가 약 50초간 동력비행에 성공한 뒤 100여년이 지났다. 그 동안 콩코드 여객기의 초음속비행, 보잉747이나 에어버스380 같은 점보여객기의 상용화를 통한 항공우주기술 덕분에 인류의 생활에서 신속한 대량운송이 가능해졌다.

100년 전만 해도 비행기는 지금의 자동차보다 느렸지만 이제 비행기의 속도는 음속의 몇 배인가로 표시한다. 여행객이 주로 사용하는 대형여객기는 마하 0.9, F-15, F-16 같은 전투기는 마하 2.5, 로켓엔진 비행기는 마하 7, 지구의 저궤도 위성은 마하 25 이상이다. 만약 화성 우주여행을 한다면 속도가 마하 35 정도인 우주선이 필요하다.

마하 10으로 시소 타듯 비행한다

그러나 인류는 당장 지구에서 안전하고 신속하게 여행하기를 기대한다. 미국의 극초음속비행시험기(Hyper-X-43)나 호주의 ‘하이샷 스크램제트’(HyShot SCRamjet, Supersonic Combustion Ramjet), 유럽의 ‘랩 캣’(LAPCAT, Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies)은 한층 현실적인 극초음속 항공여행을 가능하게 하는 연구 프로젝트다.

길이가 5m에 불과한 극초음속 비행시험기는 대기권에서 공기를 흡입한 뒤 2.3m 길이의 초음속연소램제트엔진으로 연료를 태워 4분간 마하 8~10의 가속비행을 할 수 있다. 이 속도면 서울에서 LA까지 1시간에 갈 수 있으며, 실제로 상용화돼도 이륙시간과 착륙시간 각각 30분을 합쳐 2시간이면 여행시간으로 충분하다. 이론적인 최대 비행속도 마하 15로는 지구 어느 곳에도 2시간이면 도착할 수 있다. 아마 2030년대 후반쯤이면 초음속항공기가 상용화돼 현재 항공기보다 7~8배 많은 화물을 싣고도 태평양을 2시간만에 횡단할 수 있다.

이 초음속항공기를 탔다고 생각해보자. 고도 32km~64km에서는 스크램제트엔진을 이용해 하늘을 난다. 이는 전체 비행의 4분의 1정도다. 나머지 4분의 3은 관성을 이용한 탄도비행과 중력을 이용한 활공비행을 한다. 이륙과 착륙을 할 때는 서서히 가속과 감속을 하므로 초음속전투기 조종사가 겪는 고통은 느낄 수 없다. 하지만 탄도비행과 중력비행을 하는 동안은 시소를 타는 듯 오르락내리락하는 기분을 느낄 수도 있다. 특히 탄도비행에서 활공비행으로 바뀌는 비행의 정점 부근에서 무중력 상태를 체험할 것이다.


2030년 극초음속 여행 가능

유럽 ‘LAPCAT’에서 개발 중인 극초음속 비행기 이미지. 마하 8의 속도로 고도 25km 상공을 날 수 있다.
1998년부터 호주가 주도하는 하이샷 프로젝트에는 미국항공우주국(NASA), 독일항공우주연구소(DLR), 일본항공우주연구소(JAXA) 같은 6개국 관련 기관이 국제공동연구 형태로 참여한다. 한국에서는 서울대 ‘항공우주추진?연소연구실’이 함께했다.

하이샷은 스크램제트엔진을 개발하는 프로그램이다. 극초음속항공기 개발 외에도 우주왕복선 발사 비용의 10분의 1 가격으로 우주로 비행체를 발사할 수 있도록 연구한다. 서울대는 지난 2000년부터 정식으로 가입해 2001년 호주 우메라 발사장에서 실시한 최초 시험비행부터 총 4차례의 시험비행에 모두 참가했다. 스크램제트엔진의 원리는 조금 복잡하다. 비행기가 초음속으로 날 때 공기가 전방하부동체에 있는 엔진의 흡입구로 들어온다. 이때 흡입구 앞에 V자 모양의 충격파가 생겨 연료가 저절로 연소할 수 있는 압력까지 공기가 압축되며 온도가 올라간다. 즉 기존 제트엔진의 압축기를 충격파가 대신하는 방식이다.

그 뒤 1700°C의 연소실에 수소연료나 탄화수소를 분사하면 압축공기와 함께 연소해 엔진 뒷부분의 노즐로 흘러나가며 강력한 추진력을 발생시킨다. 이륙한 뒤 일단 마하 5정도의 초음속으로 진입하면 마하 7~10의 속도로 계속 비행할 수 있다. 스크램제트엔진 개발은 쉽지 않았다. 미국은 2001년 6월 B52 폭격기에 로켓발사체를 부착해 극초음속 비행시험기를 시험했지만 실패했다. 이때 총 1억8000만 달러의 비용이 들었다.

호주도 같은 해 하이샷 1차 발사시험을 실패했다. 하지만 다음해인 2002년 하이샷 2차 발사시험에는 성공했다. 스크램제트엔진을 로켓에 장착해 고도 314km로 수직 발사한 뒤 땅으로 수직 하강시켜 고도 35~23km 구간에서 초음속연소를 시도했다. 초음속연소는 5초 동안 일어났으며 세계 최초로 실제 비행고도에서 초음속연소에 성공하는 기록을 수립했다. 이때 소모된 비용은 150만 달러에 불과했다.

이 계획은 더 발전해 2007년 6월 15일 미국 국방성 산하 고등연구기획국(DARPA)과 호주 국방과학기술기구(DSTO)는 스크램제트엔진을 사용해 마하 10의 벽을 넘는 데 성공했다. 또 미국 공군과 호주 국방연구소는 앞으로 5년간 7400만 달러를 투자해 총 10회의 비행시험을 구상하고 있어 2012년 이후에는 실용적인 초음속연소 엔진개발이 등장할 것으로 기대된다.

그러나 냉각 문제와 내구성 문제 같은 기술적 난관과 경제성이 해결되기 전까지는 극초음속 미사일이나 저궤도위성 발사에 응용될 것이다. 일반인이 극초음속으로 여행을 즐길 수 있는 때는 2030년대 말쯤이 아닐까.


첨단 기술 선도하는 항공우주공학

항공우주공학은 비행체가 안전하게 비행할 수 있도록 하는 전통적인 항공공학을 기초로 여러 다른 학문 분야와 융합해 발전한다. 더 가벼우면서도 강한 압력과 높은 온도를 견디는 재질을 개발하는 데는 재료공학이, 비행체를 더 빠르고 오차 없이 제어하는 데는 전자공학이, 조종사와 항공기가 일체가 돼 자신의 몸처럼 조종할 수 있게 만드는 데는 인간공학이 필요하다. 이 외에도 신에너지 개발 공학, 배기환경공학, 종합시스템공학 같은 다양한 분야가 동원된다.

그래서 선진국은 항공우주산업을 선도하면 공학 전 분야의 경쟁력을 유도할 수 있기 때문에 이를 이용해 최첨단 공학 기술을 발전시키는 원동력으로 활용한다. 이미 전공을 선택했지만 항공우주공학에 뛰어들고 싶다면 걱정하지 말자. 어떤 전공이라도 그 분야의 전문가가 된다면 항공우주공학에 이바지할 수 있다. 항공우주공학을 공부하는 데 필요한 요소는 편협한 전공지식이 아니라 신선한 꿈과 진취적인 개척정신이기 때문이다.
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