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  1. 2008.12.29 미사일보다 빠른 극초음속 제트기 (40)
공상과학 영화나 전쟁영화를 무척 좋아하는 필자는 공중전을 하는 장면을 보면 어려서부터 항상 궁금한 것이 하나 있었다. 왜 비행기는 로켓보다 빨리 날 수 없는 걸까? 로켓으로 추진되는 미사일보다 빠른 비행기가 있다면 미사일로 격추되지 않고 신나게 날아다닐 수 있지 않을까 하는 물음이었다. 과연 그런 비행기가 있을까?

답을 먼저 얘기하자면 지난 2007년에 NASA는 마하 수 10으로 비행할 수 있는 강력한 스크램제트(scramjet) 엔진을 탑재한 무인항공기를 시험적으로 사용하여 실험 비행에 성공하였다. 1903년 라이트 형제가 인류 최초로 동력 비행에 성공한 이후, 1931년에 Whittle경이 터보제트 엔진을 발명하기 전까지, 항공기는 피스톤 엔진을 사용하여 추력을 발생시키는 방식이었다. 그러나 터보제트 엔진의 발명과 계속적인 발전에 따라 초음속 비행도 가능하게 되었으며 현재의 대부분 항공기는 터보제트 엔진을 사용하고 있다.



터보제트 엔진은 공기를 흡입하여 압축 후 연소한 다음 고온 가스를 분출시켜서 터빈을 회전시키는 원리로 움직인다. 이때 배출되는 가스를 이용하여 추진력을 얻는 것이다. 과정을 자세히 살펴보면, 우선 엔진으로 들어온 공기 속도를 감속시키는 확산기와 터빈이 함께 연결되어 회전하면서 공기의 압력을 높이는 압축기를 통과한다. 이 때 압력이 높아지면서, 연소실로 들어온 공기는 연료와 혼합․연소하여 열을 발생하며, 연소가스는 매우 높은 에너지상태로 변하게 된다. 그후 터빈을 통과하는 동안 터빈을 회전시켜 일을 발생시키며, 일차적으로 에너지 상태가 낮아진다. 연소가스는 다시 엔진의 노즐을 통과하면서 운동에너지로 변환되어 추력을 발생시키게 된다.

그러나 제트 엔진을 사용하여 얻을 수 있는 비행속도는 최대 마하 수 3 정도로 제한된다. 터보 제트 엔진을 이용할 때 비행속도가 제한되는 것은 두 가지 이유 때문인데 첫째는 압축기와 터빈이 회전하기 때문이고 두 번째는 연소실에서 상대적으로 연소가 느리게 진행하기 때문에 공기의 흐름 속도가 연소 가능한 속도로 감속되어야 하기 때문이다.(대체적으로 60~70m/sec 정도임)

비행속도가 빨라질수록 터빈과 압축기의 회전도 빨라지며 회전 속도(tangential velocity)가 초음속보다 커지게 된다. 이에 따라 충격파(shock wave)가 발생하고 터빈과 압축기의 효율이 급격하게 낮아진다. 따라서 비행속도가 3 이상인 경우에는 압축기와 터빈이 더 이상 엔진에 필요 없게 되며 이렇게 압축기와 터빈 없이 작동하는 엔진을 램제트 엔진(Ramjet engine)이라 한다. 그러나 여전히 공기를 압축하기 위한 장치가 필요하게 되는데, 엔진의 입구에 충격파가 발생하도록 확산기 입구를 설계하면 충격파에 의해 공기의 압력을 높일 수 있어 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.

하지만 렘제트 엔진을 사용하여도 마하 수 5 이상의 속도로 비행하는 것은 불가능하다. 이것은 연소실에서 연소가 원활하게 이루어질 수 있는 느린 공기속도를 유지하여야 하기 때문이다. 엔진으로 유입된 공기를 가능한 한 매우 낮은 속도로 감속시켜 연소가 가능하도록 해야 하기 때문에, 발생된 에너지의 일부분은 공기속도를 초음속으로 가속시키는 데 사용된다. 따라서 마하 수 5 이상의 비행속도로 가속하는 데 사용되는 에너지의 양이 적어져 비행속도가 제한된다.

비행속도를 마하 수 5 이상으로 하기 위해서는 연소실에서 초음속으로 공기가 흘러가면서 연소가 진행되도록 해야 한다. 이러한 연소를 초음속 연소(supersonic combustion)라 하고, 램제트에 사용되면 스크램제트 엔진(Super-sonic Combustion Ramjet engine)이라 한다. 따라서 스크램제트 엔진의 핵심 기술은 연소실에서 초음속 유동을 유지하면서 공기와 연료가 혼합되고 화학반응이 발생하여 연소가 유지되도록 만드는 기술이다.

세계 여러 나라에서 스크램제트 엔진에 대한 연구와 실험을 진행해 왔으며, 지난 2004년 NASA는 X-43A 스크램제트 엔진을 사용하여 마하 수 9.6의 비행에 성공했다. 또한 2007년 10월에는 X-43B 엔진을 사용하여 비행속도가 마하 수 10을 넘는 비행을 수행하는 데 성공했다. 1954년 최초의 초음속 전투기가 실전 배치된 지 50여 년 만의 일이다.



현재 세계의 여러 나라에서 사용하고 있는 미사일은 각각의 임무에 따라 매우 다양하지만 대부분의 추진 시스템은 고체추진로켓이며 비행속도는 마하 수 5 정도가 최대 속도이다. 우주왕복선이나 델타 로켓 등과 같은 우주발사체의 비행속도는 발사 후 가속되어 고도 100km의 상공에서 대략 마하 수 10 정도이다. 따라서 마하 수 10 정도로 비행할 수 있는 스크램제트 엔진을 장착한 극초음속(hypersonic) 항공기가 실용화되면 현재 사용하고 있는 미사일보다 더 빨리 비행할 수 있기 때문에 미사일을 사용하는 것이 무의미해 질지 모르는 일이다.

앞으로 50여 년 후 미래의 항공기와 미사일은 어떤 종류로 발전해 있을지 정말 궁금해진다. 그때의 미사일은 여전히 항공기를 격추할 수 있을 만큼 빠르게 날 수 있을지?

글 : 이창진 교수(건국대 항공우주공학과)

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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  2. 글쎄  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    원자력 발전소 까지는 안가겠죠..지금도 산업 현장에서는 레이져로 쇠를 자르고 있으니...레이져로 장시간 쏘고 있을것도 아니고..미국에서 스타워즈 구상은 괜히 한것은 아닐것입니다..시간으로는 1초 정도만 쏜다 하더래도...그 레이져를 맞은 비행기는 마하 10까지는 낼수 없을 것입니다 ...레이져 지름이 1미터짜리를 쏠것이라는 생각 부터가 선입견인것 같습니다(이말씀은 안하셨지만...원자력 발전소 얘기를 하셔서 먼저 지레짐작 해 봤습니다)

    2008.12.30 11:02
  3.  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    레이져로 미사일을 무력화시킨다는 이야기 아닐까요?
    현제에도 사용되고 있는 기술이라고 들었습니다.

    2008.12.30 11:40
  4. KJS  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    미사일은 스트림제트보다 구조적으로 속도를 더 내기 쉽습니다.. 단지 미사일이 마하5인 것은 마하 1~3 정도의 비행기를 잡기 위해 그런 것이고... 마하 9 비행기가 나오면 마하 20 미사일을 만들면 됩니다.. 램제트 특성상 초음속에서만 엔진 시동이 되기 때문에 다른 비행기에 얹혀서 출발할 수 있습니다. 따라서 램제트, 스트림제트 비행기가 상용화 될 가능성은 낮습니다. 개인적으로는 액체연료 추진 비행기가 더 상용화할 가능성이 높아보이는 군요..

    2008.12.30 11:47
    • 가스터빈  댓글주소  수정/삭제

      액체연료 추진 비행기는 현재 비행기가 다 액체연료를 씁니다만...무슨 소리이신지..--;

      액체 로켓을 말씀하신것이라면 로켓의 한계를 전혀 이해하지 못한 상태라고 말씀드리고 싶내요.

      로켓이 배행기같은 중량의 무게를 가지고 고속을 내려면
      아마 지금비행기의 몇배는 큰 부피와 무게를 가져야 한다는것은 아실런지....

      SR-71이 터보젯엔진과 램젯 엔진을 혼용한 엔진을 쓰듯
      스크렘젯도 혼자서 스크램젯상태까지 도달할수 있도록 개발하면 될것입니다.

      2008.12.30 16:48
    • KJS  댓글주소  수정/삭제

      To 가스터빈.

      기술의 한계를 너무 단정하시는 군요.

      2008.12.31 07:58
  5. Favicon of http://ㅇㅈㄷㄹ BlogIcon ^6^  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    마하10 ㅋ ㅋ 그속력의 미사일은 발명된지 오래...ㅋ

    2008.12.30 12:10
  6. 미사일에 그 엔진 달면 되지.  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    미사일에 그런 엔진 다는게 편하겠냐? 비행기에 그런엔진 다는게 편하겠냐? 바보 아니야?

    2008.12.30 12:31
  7. 나도 한마디  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    레이져무기 말고는 대안 없죠. 공상과학영화보며 왜 레이져총을 쏘는데 안맞는 놈이 있나 이상했죠. 스코프로 보고 조준이 된 그순간 버튼을 살짝누르면 바로 맞은건데 어떻게 빗나가는건지... 레이져 말도 안된다는 분들 너무 비관적인 사고방식이신데 50년후면 껌전지하나에 50암페어 정도 넣을 수 있을것 같은데요...?

    2008.12.30 13:12
    • 극초음속으로 움직이는 물체를  댓글주소  수정/삭제

      맞추기가 쉬울 거라고 생각하시는 건가요?
      아무리 레이저라지만?
      또한 레이저에 맞는다고 바로 떨어지는 것 아닙니다.
      레이저는 총알이 아닙니다.

      2008.12.30 17:58
  8. 호구  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    비행기에 단 엔진 미사일에 달면 미사일이 더 빨라 지져 비행기에 비해 부가 장비(조정 탈출 탑재연료..)가 적으니까여
    ==미사일 보다 빠른 비행기 결론은 없다..==

    2008.12.30 14:40
  9. 그럴땐  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    lock on 당하면 걍 플레어랑 채프 뿌리고 회피기동 하면 되는겨... 살려달라고 님께 빌고...
    근데 요즘 미사일기술도 많이 진보해서... 살수 있을런지???

    2008.12.30 14:59
  10. 가스터빈  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    가스터빈엔진에 관심이 많아서 다니던 대학 도서관의 관련책은 거의 다 읽었죠...

    미국은 60년대에 속도는 마하8이상의 유인비행체를 실험했다고 들었습니다.
    물론 당시 그것은 로켓형태였죠...

    이번에 성공한 스크램젯은 서울대학교에서 참여한것으로 알고 있는데...
    나사에서 예전에 성공했던것이나 이번 성공이나...문제는 속도가 아닙니다.

    시작이니까 어찌 보면 당연한것인데...스크램젯으로 추진한 시간이...몇초입니다.-0-;;
    그이상 가능하겠지만 그랬다간 실험체가 망가질수 있으니...

    일단 스크램젯은 소닉붐을 이용해서 공기를 압축하는데...이미 그압축된공기가
    1700도가 넘는다고 알고 있습니다. 일반 항공기 연소실 내부온도와 마찬가지니...

    정말 어려운 기술이죠...아직 저렇게 고온을 버티면서 저렴한 소재개발도 쉽지 않구요.

    가장 문제는 유인기로 쓰기 쉽지 않습니다. 직선으로 가기만 해야죠...
    SR-71이 남부 켈리포니아에서 선회를 시작했는데...
    조종사에게 내려지는 G포스를 크게 받지 않는범위에서..
    선회를 완료하니 멕시코 상공이랍니다. --;;

    가압우주복같은 슈트를 입는 SR-71이 저정도인데...극초음속으로 선회라도 했다간...
    내부에 사람에겐 엄청난 양의 G포스가 가해질겁니다.

    더군다나 발생하는 소닉붐때문에 초고고도에서나 항해가 가능하겠죠.

    콩코드기가 초음속을 낼수 있는 곳은 일반항공기보다 훨씬 더 높은 고도에서
    지상에선 마하1정도이고 바다에서나 2.5정도를 냈다고 합니다.
    극초음속으로 비행하면...그 소닉붐이 어느정도일지는...상상이 안되죠..--;

    2008.12.30 16:42
  11. 사진이..  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    실기 사진이 아니고 시뮬레이터 사진 같네요;;

    2008.12.30 16:55
  12. ㅇㅇ  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    미국의 경우 아직까지 고체연료를 사용하는 미사일만 만들었지만
    러시아의 경우 렘제트엔진을 쓰는 미사일을 만들었습니다.

    다만 스텔스 시대로 접어들었으므로 속도 경쟁 은 별로 효과적이지가.....

    2008.12.30 17:17
    • ㅋㅋ  댓글주소  수정/삭제

      혹시 썬번?ㅋㅋㅋ러시아 애들은 무서움...미국이 마하10짜리 비행기 만들면, 정말 마하20짜리 장거리 공대공 미사일을 만들어버릴지도 ㅋㅋ

      2008.12.30 17:39
  13. 누가타  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    마하 10이면 머해
    그걸 버틸 인간이 없는데

    2008.12.30 17:57
  14. 빨라져봐야  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    미사일도 빨라지지 않을까

    2008.12.30 18:09
  15. 직선 비행이 문제가 아닐텐데...  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    마하 10 에서 회피 기동이나 전술 기동이 가능하리라고 보는가? 마하 1의 헤리어가 요격 되지 않는 이유가 뭐라고 생각하나? 소회전이다 탄두를 피하는 방법은 여러가지이다 고기동력 확보하던지 말한데로 최고속을 높이는 방법 그리고 아예 탐지가 되지 않는 방법 어느게 가장 비용대비 효율이 높을지를 판단하면 답은 나온다 SR-71이 퇴역하고 스텔스기들이 속속 개발되는걸 보면 답은 간단하지

    2008.12.30 18:26
  16. ㅋㅋ  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    ㅋㅋㅋㅋ 레이져라구? 거울가져와 ㅋㅋㅋㅋㅋ (개솔이었슴...)

    2008.12.30 20:35
  17. ㅋㅋ 50년후에는....  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    지구가 멸망할 것이네...

    2008.12.30 23:03
  18. -----------전문가들 집합소-----------  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    ㅇㅅㅇ

    2008.12.30 23:40
  19.  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    근데요 그때 되면 그거 따라잡는 미사일 나오지 않을까요?

    2008.12.31 01:02
  20. NBR-156(남정권)  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    물리적으로 봐도 흡입된 공기를 열로서 팽창/가속시키는 가스터빈 기관과 램제트, 스크램제트 등은 오직 연료만을 분사시켜 가속을 얻는 로켓보다 고속을 발생시키는 데 불리합니다. 이러한 원리를 추력저하율이라고 하죠. 쉽게 예를들면 50km/h로 진행하는 보트에서는 노를 진행반대방향으로 50km/h 이상의 속도로 젓지 않으면 F=ma에 의해 물이 뒤로 가속되지 않기 때문에 추진력(F)을 발생할 수 없습니다. 이러한 원리로 가스터빈 기관의 배기가스의 배출속도가 일정할 때 항공기의 진행속도가 빨라지면 추력이 저하되는 것이죠. 하지만 50km/h의 속도로 진행하는 보트에서 보트에 싣고 있던 벽돌을 진행반대방향으로 50km/h 또는 이하의 속도로 던지더라도 F=ma에 의해 추력이 발행합니다. 즉 로켓은 현재 진행속도에 관계없이 연소/기화된 연료를 분출하는 한 추진력이 발생하게 됩니다. 그렇기 때문에 화성탐사선 패스파인더가 공기의 저항이 없는 우주공간에서 마하 100 미만의 분출속도로 마하100의 속도까지 가속시키는 것이 가능했던 것입니다. 만약 대기중에서 공기의 저항을 무시한다면 스크램제트로 마하 100의 속도를 내기 위해서는 최소한 배출가스의 속도가 마하 100이상은 되어야 하죠. 이런 물리적인 원리 때문에 가스터빈 기관이나 스크램제트와 같은 기관은 로켓보다 빠른 속도를 내기에 불리합니다. 단, 로켓의 단점은 연료소모가 엄청나게 빠르다는 것입니다. 참고로 저는 공군에서 부사관으로 가스터빈 기관을 정비했었고, 독학으로 엔진을 공부했었습니다.

    2008.12.31 10:15
  21. Favicon of http://ggholic.tistory.com BlogIcon 달콤 시민  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    무기는 점점 발전하는데, 기분은 씁쓸하네요. ^^;
    전 왠지 무서운걸요..ㅎㅎ
    좋은 글 많이 봤습니다.
    더불어, 무인항공 관련된 트랙백 하나 살포시 엮고 가겠습니다.
    즐거운 하루 되세요 ^^

    2010.04.27 18:17 신고

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