서울∼LA 2시간 안에… 극초음속 항공기 만들어지나

각국 ‘미래형 엔진’ 개발 경쟁…항우硏, 2007년부터 연구 시작

마하 5.1의 속도로 3분 30초 동안 비행한 스크램제트 항공기 X-51A. 속도가 너무 빨라 비행 모습을 근접 촬영할 수 없어 그림으로 그렸다. 미 공군 제공

한국항공우주연구원 항공혁신기술연구소에는 30m 길이로 늘어서 있는 사람 키만큼 굵은 배기관들이 방문자를 맞는다. 이 배기관은 압축공기를 1000도가 넘는 온도로 가열해 마하 5(음속의 5배)의 속도로 뿜어 내는 초대형 열풍기로, 이 장치 속에 5분의 1크기로 만들어진 엔진을 넣고 작동 여부를 확인하는 것이다.

바로 차세대 극초음속 항공기에 들어가는 ‘스크램제트’ 엔진 개발을 위한 실험 시설이다.

양인영 항우연 선임연구원은 “음속의 5배 속도에서 수소, 항공유 등 다양한 연료로 점화시키는 실험을 했는데, 여러 번 성공했다”고 말했다.

○ 지구 반대편 2시간 안에

미래형 항공기 엔진이라는 ‘램제트’ ‘스크램제트’ 기술을 확보하기 위해 전 세계가 열을 올리고 있다. 스크램제트 엔진은 현재 마하 3∼4의 속도로 나는 초음속 비행기의 속도를 더 빠르게 만드는 특수 엔진이다. 이 엔진을 사용하면 이론적으로는 음속의 24배인 시속 2만9000km까지 낼 수 있다. 램제트 엔진은 최고 마하 15의 속도를 내는 엔진으로 스크램제트 엔진에 비해 느리지만, 스크램제트 엔진에 비해 상용화 가능성이 더 크다고 보는 기술이다.

이들 기술이 상용화될 경우 서울∼미국 로스앤젤레스 간 비행시간을 2시간 이내로 줄일 수 있고 천문학적 비용이 들어가는 인공위성 발사 비용도 10%대로 대폭 절감될 것으로 보고 있다.

한국항공우주연구원 항공혁신기술연구소에 설치된 스크램제트 엔진 실험장치. 대전=전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com

현재 세계 최고 속도로 나는 비행기는 이 같은 기술을 이용해 미국 항공우주국(NASA)이 개발한 ‘X시리즈 항공기’다. 2004년 NASA는 마하 10의 속도를 내는 실험용 비행기 X-43A를 개발했다. 최근 NASA는 속도를 좀 줄이는 대신 비행시간을 늘리는 데 연구의 초점을 맞추고 있다. 그 결과 NASA는 지난달 X-51A라는 항공기를 공개했다. 이 항공기는 마하 5.1의 속도로 3분 30초 동안 비행하는 데 성공했다.

○ 항우연, KAIST 등 선진국 바짝 추격

스크램제트 엔진 연구의 선두 주자는 미국 호주 독일 프랑스 중국 일본 등이다. 그러나 항공산업 분야가 취약한 우리나라도 최근 다양한 연구 결과를 내놓으며 선진국을 바짝 뒤쫓고 있다.

2007년부터 스크램제트 엔진 연구를 시작한 항우연은 올해부터 스크램제트 엔진과 로켓엔진을 하나로 합치는 ‘로켓기반형 융합엔진(RBCC)’ 연구를 시작했다. 스크램제트 엔진을 이용하는 비행기는 보통 일반 엔진으로 음속의 4배까지 가속한 뒤 스크램제트 엔진을 이용해 초음속으로 움직인다. 그러나 이렇게 엔진 두 개를 사용하면 비행 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이 때문에 엔진을 하나로 합치겠다는 것이다.

KAIST는 국방과학연구소(ADD) 미래추진센터와 함께 항우연과 비슷한 형태의 모의 엔진실험 시설을 도입하고 연구에 착수했다. 헬륨가스를 100기압 이상의 압력으로 압축했다가 터뜨리면서 고온, 고압의 공기 흐름을 만드는 실험 시설이다.

한국항공대도 스크램제트 엔진 연구에 뛰어들었지만 아직까지는 이론 연구에 집중하고 있는 상황이다. 그러나 신준수 성홍계 항공대 항공우주 및 기계공학과 교수팀은 지난달 30일 부산에서 열린 한국추진공학회 춘계학술대회에서 스크램제트 엔진의 원형인 램제트 엔진에 대한 수치 해석 연구 결과를 발표하기도 했다.

양인영 항우연 연구원은 “스크램제트 엔진은 우주발사체 보조동력으로도 쓸 수 있어 활용가치가 높은 만큼 국가 기반 기술 확보 차원에서 꾸준한 연구가 필요하다”고 말했다.

대전=전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com