마하 6의 속도를 내는 X-51A WaveRider hypersonic 시험 비행을 앞두고 Air Force Flight Test Center 소속 B-52 Stratofortress 폭격기에 탑재하여 지난 7월 17일 Edwards 공군기지에서 비행시험을 실시하였습니다.

미국 오하이오 테이턴에 있는 미공군 연구소와 보잉사가 함께 제작하고 있는 항공기 X-51 WaveRider는 hypersonic scramjet로 추진하는 신개념 항공기로, 일반 제트 연료로 마하 6 이상의 속도를 낼 수 있는 것으로 알려졌습니다. 
오는 12월 Pacific Ocean에서 시험비행을 실시할 예정인 X-51A WaveRider hypersonic flight test vehicle는 Air Force Research Laboratory, DARPA, Pratt & Whitney Rocketdyne 그리고 Boeing이 참가하여 개발중입니다

이 비행체가 사용하는 hypersonic scramjet는 기수부의 흡입구를 통해 공기를 빨아들이는 부분까지 기존의 제트엔진 원리와 같지만 유입된 공기를 압축하는 압축블레이드가 없는 점이 다릅니다. 극초음속으로 비행하는 속도를 이용해 공기를 압축하기 때문인데 초음속 상태로 공기흡입구로 유입된 공기는 외부에서 유입되는 공기로 인해 고압상태로 변하면서 기온이 섭씨 1500~1700도로 압축됩니다. 이렇게 고온 고압 상태의 공기중 산소를 연료로 사용하는 수소와 혼합되어 연소가 이루어지는 방식에 의한 막대한 추진력을 얻으므로 마하 15 이상의 속도가 가능할 것으로 NASA는 예상하고 있습니다. 

오는 12월 2일 예정된 비행시험은 Air Force Flight Test Center의 B-52에 의해 X-51A는 Pacific Ocean 시험장의 고도 50,000 feet까지 상승하여 투하되며 미육군 전술미사일 시스템에서 가져온 고체연료 로켓부스터로 마하 4.5까지 가속된 후 supersonic combustion ramjet propulsion system이 점화되어 5분안에 마하 6에 다다르게 됩니다. 2010년까지 4회에 걸쳐 시험을 실시하며 이때 사용하는 연료는 일반적인 JP-7를 사용하여 액체수소가 필요했던 X-43에 비해 간단한 구조로 상용화될 경우에도 문제없이 조달할 수 있습니다

앞서 X-51A WaveRider hypersonic 비행체 개발은 2003년 초에 미공군연구소(AFRL)은 EFSEFD(Endothermically Fueled Scramjet Engine Flight Demonstrator)라는 스크램제트엔진 비행실증기 프로그램을 마련하였는데 이 프로그램은 DARPA에서 ARRMD (Advanced Rapid Response Missile Demonstrator) 라는 프로그램의 일부로서 진행되었던 웨이브라이더(waverider)에 대한 초기연구를 보다 효과적으로 계속하기 위한 것입니다.

이 프로그램은 현재 SED-WR(Scramjet Engine Demonstrator - WaveRider) 라는 프로그램으로 변경되었습니다. 2004년에 AFRL은 기체제작으로 보잉사를, 엔진제작으로 프랫휘트니 사를 선정하였고 SED-WR 극초음속 스크램제트 실증기를 제작토록 하였다. 2005년 9월에 AFRL의 추진위원회는 SED-WR 프로그램의 실증기 이름을 X-51A 라고 명명하였습니다. 이 X-51A 는 극초음속 스크램제트 실증기(demonstrator) 로서 스크램제트 엔진 성능과 작동을 테스트하게됩니다

왜 scramjet인가?
스크램제트 엔진은 산화제를 나를 필요가 없어 전통적인 로켓이나 미사일보다 가볍게 할 수 있고 더 많은 페이로드 탑재능력을 가질 수 있으며 공기흡입을 통한 장거리 비행의 지속적인 추진 등으로 인해 군 및 민간 적용분야가 높다고 할 수 있습니다. 2001년 출범한 미 정부의 NAI (National Aerospace Initiative) 는 극초음속 추진에 대해 NASA, 국방부와 함께 협력하고 있는데 단기적으로는 초음속/극초음속 미사일에 주력하고 중장기적으로는 “global reach"를 할 수 있는 극초음속 폭격기와 우주접근을 위한 재사용 발사체를 목표로 두고 있습니다

NASA는 Hyper-X 프로그램 하에서 하이드로진 연료 공기흡입 초음속 연소엔진인 스크램제트를 이용해 X-43 시리즈를 통해 마하 7이상으로 비행하고자 하는 계획을 진행하여 2001년 6월 처음 비행에서 구조적 결함으로 실패를 했으나 개선된 X-43 시리즈를 통해 비행 시험을 실시하였습니다

여기에는 공군의 HyTech 스크램제트 엔진을 이용한 X-43C 비행체와 액체 하이드로진 연료로 냉각되는 이중연소 X-43D가 있습니다. 그리고 제 3세대 재사용 발사체 프로그램을 위해 로켓기반 혼합사이클(rocket-based combined cycle, RBCC ) 또는 터보제트 기반 혼합사이클(turbojet-based combined cycle, TBCC)을 연구 중에 있으며 여기에는 Aerojet 사, Boeing 사 Pratt & Whitney, Rocketdyne 사가 참여하고 있다. TBCC는 RBCC 엔진보다 12배나 더 많은 specific impulse 를 가질 수 있지만 터보제트와 스트램제트를 위한 별도의 flow-path를 가져야 하는 반면에 RBCC 경우에는 하나의 flow-path 가 필요하며 무게와 복잡성을 줄일 수 있는 장점이 있다고 합니다

미 육군은 극초음속 미사일이나 ‘gun-launched’ 발사체를 위한 가능성 있는 파워플랜트로서 초음속 연소 램제트인 스크램제트 엔진 테스트 계획을 진행하고 있는데 항공 미사일 사령부는 6년간의 극초음속 엔진 입증 계획을 회계년도 2004(FY 2004) 에 시작하고자 합니다. 현재 미 육군의 발사 플랫폼과 호환(compatible)될 수 있는 마하 10까지 이르는 미사일용 축대칭 하이드로진 연료 엔진에 초점을 두고 있는데 미 육군 군수품 연구개발센터(ARDEC : Armament Research and Developmenr Center) 는 탱크에서 발사되는 로켓지원 발사체(RAP : rocket-assisted projectile) 로서 120 밀리 탄을 마하 5에서 10까지 도달하기 위한 하이드로카본 연료 스크램제트에도 집중하고 있습니다

미 공군도 혁신적인 극초음속 추진 시스템의 도약을 위해 HyTECH ( hypersonic technology) 스크램제트 엔진에 관심을 가지고 공군연구소(AFRL)가 제안한 EFSEFD (Endothermically Fuelled Scramjet Engine Flight Demonstation) 프로그램에는 5번의 비행을 실시할 예정입니다. HyTECH 스크램제트 엔진 시험비행을 통해 하이드로카본 연료를 사용하여 마하 6.5와 7이상의 속도까지 가속시키고자 하는 이 HyTECH 시스템은 일명 “wave rider" 설계로 불리우는 직사각형 형태이며 엔진내부의 아음속과 초음속 흐름에 대해서도 연소를 할 수 있는 이중 연소모드(dual combustion mode)를 가지고 있습니다.

이 HyTech 엔진 프로토타입으로 현재 GDE(ground demonstration engine) 을 통해 구조적 강도와 내구성 테스트 및 하이드로카본 연료의 구조물 냉각 등이 진행하였습니다. 오비탈사의 수정된 페가수스 부스터가 스크램제트가 점화할 수 있는 필요한 속도까지 비행체를 가속시키는 방식입니다. X-43C 프로그램 성공후에는 X-43B 프로그램을 예상하고 있는데 이것은 로켓 또는 터빈 추진과 스크램제트가 연결되어있는 혼합 사이클 엔진(combined cycle engine)에 대한 연구로 2010년 전후부터 시작할 예정이라거 합니다.

미 DARPA 와 해군연구소는 NAI(National Aerospace Initiative) 하에서 극초음속 비행(HyFly: Hypersonic Flight) 실증 기술프로그램을 협력하고 있습니다. 2002-2006 년까지 약 4년간 진행될 이 프로그램은 항공기나 잠수함 해상선박에서 발사될 수 있는 저렴한 장거리 극초음속 전략 미사일 개발에 초점을 두고 이중연소, 램제트 기반의 극초음속 타격미사일 개념을 성숙시키는 것을 목적으로 하고 있는데 DARPA와 미해군, 보잉사, Aerojet사, 존 홉킨스 대학의 응용물리학 연구실, NASA 가 파트너로 참여하였습니다.

HyFly 프로그램 하에서 하이드로카본 연료 이중연소모드 스크램제트 지상 테스트가 2002년에 랭글리 센터에서 고도 9만 피트, 마하 6.5 속도 조건에서 성공적으로 시뮬레이션 되었으며 HyFly 프로그램을 위해 보잉사는 DARPA로부터 92.4 백만 달러를 받고 Aerojet 사와 협력하여 마하 6의 속도로 항속거리 1,100km를 넘는 hypersonic strike missile demonstratin vehicle 를 개발중인데 이를 위해 극초음속 가속과 극초음속 순항을 유지하기 위한 액체 하이드로카본 연료를 사용하는 이중연소 램제트 DCR(dual combustion ramjet) 개발을 포함하고 있습니다. Aerojet 사는 이전의 ARRMD(Affordabel Rapid Response System Missile Demonstrator) 프로그램을 통해 이 분야에서 확고한 위치를 차지하고 있습니다.

스크램제트 엔진은 이론적으로 마하 15 정도까지 가능하므로, 이륙과 고도상승비행 30분, 하강비행과 착륙 30분, 그리고 그 사이 고도 약 40㎞에서의 순항비행 1시간을 포함해 지구 어느 곳에도 2시간 이내에 주파할 수 있습니다. 또 인공위성을 발사할 때 대기권 안에서는 스크램제트 엔진을 사용하고 산소가 없는 우주공간에서는 산소통을 단 기존의 로켓 엔진을 사용하면 현재의 인공위성 발사비용을 10분의 1 정도로 줄일 수 있습니다.

게다가 비행시간 내내 최고 출력을 유지하는 기존 로켓과 달리, 추력을 변화시킬 수 있어 더 안전하다는 장점도 있습니다.
그러나 극초음속 비행이 실용화되려면 앞으로 수십년이 더 걸릴 것이라는 예상이 압도적인데 우선 초음속으로 흐르는 공기를 자유자재로 다루는 일이 매우 어려운 일일 뿐더러, 점화됐을 때 3000도 정도의 고온을 견딜 수 있는 재료가 개발돼야 엔진을 만들 수 있기 때문입니다.

알     림 : 위 자료는 미국 야후... 미육군 군사 밀리터리 게시판에 올라온 자료를 번역을 한것임을 알립니다