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로켓 기반 사이클 엔진(RBCC)의 개발 동향

김채형 (한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부)

냉전 이후 우주 발사체의 가장 큰 이슈는 비용 절감이다. 우주 발사체에서 낭비되는 비용을 비유하면 서울에서 부산까지 최고급 세단을 타고 부산에 도착해서 세단을 그냥 바다에 버리는 정도로 비용 낭비가 크기 때문이다.

현재 SpaceX의 Falcon 발사체 등 재사용 발사체가 성공을 이루고 있지만, 그 이전에 이런 발사체의 비용 절감을 위해 제안된 방법들 중의 하나가 복합 사이클(combined cycle) 기관이다. 복합 사이클은 지구 저궤도(LEO, low earth orbit)에 위성을 보내는 데 있어 로켓과 공기흡입 기관을 혼합하여 최대한 재사용 가능한 부분을 늘리는 것이다.

공기흡입 기관은 공기가 희박한 성층권(고도 12km~50km)에서 마하 5 이상의 극초음속 비행이 가능해야 한다. 공기흡입 기관은 공기 중의 산소와 연료를 연소 시켜 발생하는 추진력을 얻는 기관이다. 공기가 희박한 곳에서는 매우 빠른 속도로 비행하게 되면 공기들은 압축이 되며 이를 가시화 장치로 볼 수 있는 것이 충격파(shock)이다. 이와 같이 고속에서의 공기 압축을 램 압축(ram compression) 이라고도 하며 마하 2-5까지의 강한 수직 충격파를 통해 압축된 공기를 연소에 사용한 추진기관이 스크램제트(Scramjet: supersonic –combustion ram jet) 엔진이며 복합 사이클 기관의 공기 흡입 추진의 핵심 부분이다.

여기서 복합 사이클 기관은 크게 로켓 기반 복합 사이클(RBCC, rocket-based combined cycle), 터빈 기반 복합 사이클(TBCC, turbine-based combined cycle)로 구분이 된다. 해당 보고서에서는 로켓 기반 복합 사이클을 기반으로 하는 최근 개발 동향 및 기술 정보를 서술하고자 한다.

로켓 기반 복합 사이클은 스크램제트 엔진이 작동하는데 필요한 속도를 얻기 위해 로켓 부스터(또는 이젝터)를 사용하는 방법이다. 지상, 고공, 해상에서 발사가 가능하며 고도 20~30km에서 스크램제트 엔진 구동이 가능하다. 앞서 서두에서 이야기한 것처럼 우주발사체가 목적이라면 로켓 기반 복합 사이클은 지상에서 Falcon과 같은 1단 발사체에 우주 왕복선 같은 극초음속 비행체가 탑재될 것이다. 이때 극초음속 비행체는 별도의 극저온 산화제가 필요 없기 때문에 로켓 발사체에 사용되는 산화제 탱크 등에 의한 중량 증가가 없어지게 된다. 성층권에서 스크램제트 엔진 모드로 극초음속 비행을 하고 지구 외기권에서는 소형 고체 로켓 부스터나 이젝터로 지구 저궤도의 진입이 가능하다. 지구 저궤도에 위성을 배송하거나 인간이 탑승 가능한 유인 발사체라면 우주 궤도 비행이 가능하다. 궤도 비행을 통해 다시 지구로 재진입을 하게 되면 스크램제트 모드로 비행이 가능하고 원하는 지역에 착륙이 가능하다. 이와 같은 유인기나 위성 발사용 대형 로켓 기반 복합 사이클은 가까운 미래에 실현 가능한 기술이며, 현재 로켓 기반 복합 사이클은 전략 무기 차원에서 미국, 러시아, 중국이 개발하여 실전배치 단계에 있다.

먼저 러시아의 경우 M22 Zircon 프로젝트를 2012년에 시작하여 현재 시험 운용 중이다[1].

길이 8~10m이며 대함선, 지상 공격용으로 잠수함이나 선박에서 발사 가능한 극초음속 미사일이다. 운용 거리는 저고도에서는 500km, 준대륙간 탄도 궤도에서는 750km이며, 언론매체를 통해 공식적으로 발표된 사거리는 1000km 이상이다. 비행고도는 28km, 비행 마하수는 8-9이다.

고체 로켓을 사용한 1단과 스크램제트 엔진을 사용하는 2단으로 구성되어 있다. 2021년 올해 Kirov급 전함 Admiral Nakhimov에 실전 배치될 예정이며, 2022년에는 Pyotr Velikiy에 배치될 예정이다. 특이 사항은 비행시 Zircon의 배기가스는 플라즈마 구름을 형성하여 라디오 주파수(radio frequencies)를 흡수하기 때문에 레이더에 포착되지 않는 특징이 있다.

Zircon의 이미지[Fig 1]를 보면 미 공군이 2010년에 마하 7 비행 시험에 성공했던 X-51 Waverider와 형상이 매우 흡사하다.

미국은 X-43, X-51, HiFire 등 2010년대까지 극초음속 비행시험을 공식적으로 발표하였으나 이후 극초음속 관련 시험 자료는 극비가 되다 보니 후속 공개된 연구 결과들은 없었다. 최근에 미 육군과 해군, 공군은 일련의 극초음속 무기 개발 성공을 언론 매체를 통해 공개하고 있으며, 모두 로켓 기반 복합 사이클을 기본으로 하고 있다.

AGM-183 ARRW(Air-launched Rapid Res 미 공군이 개발하고 있는 로켓 기반 복합 사이클 무기이다[2]. AGM은 미 공군이 사용하는 공대지 미사일, Air to Ground Missile의 약자이다. 명칭에서 알 수 있는 것처럼 공대지 미사일에 스크램제트 엔진 비행체를 장착한 것으로 2018년 미 공군이 록히드 마틴과 공대지 초음속 무기 개발을 시작하였으며, 2019년 6월 B-52 폭격기에 장착하여 비행시험을 수행했다.

AGM-183A의 모습[Fig 2]에서 알 수 있는 것처럼 AGM(고체로켓)을 통해 가속이 되면 극초음속 비행체는 분리되어 비행을 하게 된다. 최고 속도는 마하 20까지 기록한 바가 있으며, 전체 길이는 6.5m, AGM-183A 본체길이는 1.7m이며 사거리는 1600km이다. 여기서 2010년에 미 공군이 수행했던 X-51a의 비행시험과 동일한 패턴의 형상이지만 그 당시 최고 비행속도는 마하 10을 겨우 넘는 수준이었다.

여기서 추측해 볼 수 있는 부분은 X-51a 시험에 사용했던 로켓은 페가수스라는 위성을 요격할 수 있는 미사일이었으며, AGM-183A의 경우 극초음속 비행체는 로켓 부스터의 페어링에 쌓여 있다. 따라서 로켓 부스터는 지구 외기권까지 발사되어 극초음속 비행체는 분리되고 지구 재진입을 통해 활강하면서 극초음속 비행을 하는 것으로 예상된다. 로켓과 스크램제트로 구성된 로켓 기반 복합 사이클이 대기권에서 로켓 부스터나 스크램제트 엔진만으로 마하 20까지 가속하기에는 엔진 성능이 부족하거나 많은 연료가 소비되기 때문이다.

미해군과 미육군은 미공군과 달리 ‘일반 극초음속 활공체(C-HGB, Common Hypersonic Glide Body)’ 프로젝트로 지상에서 발사하는 방식으로 극초음속 비행시험을 진행하고 있다[3].
2020년 3월 19일 하와이에서 첫 비행시험이 성공하였으며, 마하 17까지 비행이 가능하며 14인치 크기의 표적에 명중한 바가 있다. 미 육군은 2022년까지 지상 발사 시스템을 구축하여 운용할 예정이며, 미 해군은 2020년 후반까지 Block V Virginia급 잠수함에 실전 배치할 예정이다. DARPA는 극초음속 활공체 시험에서 2010년대까지 HTV-2 모델을 시험하였다[4].

HTV-2 극초음속 활공체는 웨지 형태로 양력 몸체(lifting body)를 가지는 납작한 형태였지만 C-HGB는 로켓과 비슷한 축대칭 원뿔형상이다. 10년 전에 공개된 자료에서는 하와이 근처 태평양 상공에서 마하 17-20사이 자세제어 시험을 주로 했으며 양력 몸체는 우주왕복선처럼 단순한 활강시에는 양력을 받기 때문에 작은 벡터힘으로 미세한 자세제어가 가능했다. 하지만 HTV-2의 경우는 레이더나 위성 탐지를 피하기 위해 큰 방향전환을 해야 하는데 납작한 양력 몸체는 자세 제어 시 강한 공력 저항으로 기체가 뒤집어 지거나 제어 불능이 발생하면서 몇 번의 시험이 실패 했었다. 그래서 상대적으로 제어가 용이한 축대칭 원뿔형상으로 바뀐 것으로 추측해본다.

C-HGB의 내부 구조는 공개되지 않아 추측만 할 수 있지만 일반적인 축대칭 스크램제트 엔진(하지만 외형만 공개된 사진(Fig 3)에서는 흡입구를 찾을 수가 없다)일 것으로 예측할 수 있다. 극초음속 활공체의 특징은 고고도에서 자유 낙하하는 에너지를 사용하여 속도를 내기 때문에 추력 발생을 위해 많은 연료가 필요하지 않다는 장점이 있다. 그리고 C-HGB는 전형적인 극초음속 비행체 형상을 하고 있는 미공군의 AGM-183 ARRW와 다른 형상으로 많은 궁금증을 가지고 있는 로켓 기반 복합 사이클 극초음속 미사일이다.

로켓 기반 사이클 엔진의 연소 방식과 추력 방향 제어는 최근에 발표된 리뷰논문[5]에서 확인을 할 수 있다. 로켓 기반 사이클 엔진에서 주로 사용하는 방식 중의 하나가 로켓 이젝터를 사용하는 방식이다. 이때 사용하는 로켓은 하이브리드 로켓을 사용하며 액체로켓처럼 추력과 재점화가 가능하다는 장점이 있다.

로켓 이젝터를 사용한 EJ-CAMUI의 외형, 비행시험결과, 덕트에서의 이젝터 초음속 연소에 대한 이미지를 Fig 4에 나타내었다. 전체 외형은 로켓과 같은 형상을 가지지만 후미 쪽은 로켓 이젝터 기반 스크램제트 엔진이다. 초기에 로켓을 사용하여 고도 3km까지 발사되고 활강을 하면서 후미 덕트 부분으로 공기가 유입이 되며 2차 연료(secondary fuel)가 분사되면서 제트엔진의 애프터버닝(afterburning)처럼 2차 연소가 이루어진다.
고속으로 유입되는 공기와 로켓 이제터의 고온 가스로 2차 연소는 강렬하게 유지된다. 후미 노즐을 통해 배기 가스의 속도는 초음속이 되며 해당 시험에서는 마하 3.5까지 도달하였다. 흡입구 형상에 대한 자료가 없지만 일반적인 램제트 흡입구를 하고 있기에 속도는 마하 4 이하로 유지된 것으로 판단된다. 흡입구가 극초음속 형상으로 제작된다면 극초음속 비행이 가능할 것이다.

제트 전환의 다이나믹 로켓 이젝터 (dynamic rocket ejector)의 개념도(Fig 5)를 보게 되면 주유동 방향에 대해 가스 분사 방식에 따라 노즐 출구의 흐름이 바뀌는 것을 볼 수 있다. 노즐의 물리적인 방향 제어 장치가 필요 없기 때문에 극초음속 비행에서 적절한 추력 벡터 제어 방법으로 사료된다. HTV-2 비행 영상에서는 위성 자세 제어처럼 고압의 가스 분사 방식으로 자세를 제어하였으며, 최근에 개발된 극초음속 미사일들도 아직까지는 구조적으로 간단한 고압분사 방식으로 비행시 자세 제어를 하고 있을 것으로 추측해 본다.

로켓 이젝터를 사용하는 로켓 기반 복합 사이클 기관의 작동 원리에 대해서 참고논문[8]을 통해 자세히 알아보겠다. 로켓 이젝터 복합 사이클의 주요 작동 모드는 Fig 6과 같다.
이젝터 모드에서는 로켓(선행) 분사 가스와 흡입구를 통해 유입되는 소량의 공기와 후류부에서 분사되는 연료가 2차 연소를 하게 된다. 이 경우 열질식(thermal choking)에 의해 출구 마하수는 1이 된다. 팽창 노즐을 통해 배기 가스는 초음속으로 분사가 된다.

비행 마하수가 증가함에 따라 로켓 이젝터는 점화기 역할을 하게 되며 흡입구를 통해 유입된 공기는 램압축을 하게 된다. 강한 충격파에 의해 후류부에서 연료 분사에 의한 2차 연소가 발생하며 램제트 엔진의 전형적인 연소 형태로 연소기에서는 아음속 연소가 이루어진다.
노즐 부위에서 열질식에 의해 후류는 초음속 분사가 발생한다. 스크램제트 엔진 모드에서는 로켓 이젝터에서 주연료가 분사되면서 초음속 연소가 이루어진다. Fig 6에서는 표시가 되지 않았지만 흡입구는 초음속이나 극초음속이냐에 따라 입구 면적과 면적 팽창률이 달라지게 되며 이는 블리딩(bleeding)이나 기계적으로 흡입구 위치를 변형시켜야 한다.

하지만 초음속 이상의 공력이 작용하는 공간에서의 물리적 제어는 많은 어려움이 있기에 이에 대한 부분은 아직도 연구가 진행 중이다. 지구 외기권에서는 공기 흡입구는 닫히게 되며 로켓연소만을 통해서 우주 비행이 가능해진다.

이젝터 방식의 로켓 기반 사이클의 이상적인 열역학적 사이클에 대해서 기술하면 Fig 7의 온도-엔트로피(T-s) 선도와 같다. 추진제는 가압 시스템을 통해 가압이 된다(0-a), 로켓 이젝터를 통해 연소가 되며(a-b), 로켓 출구로 고온, 고압의 배기가스가 노즐을 통해 확산 분사가 된다(b-c). 이렇게 배기된 로켓 분사 가스는 유입되는 공기와 혼합이 된다(1-2, c-2). 2차 연료와 유입된 공기와 로켓 분사 가스의 혼합 기체는 정압 연소를 하며(2-3), 노즐을 통해 확산 배출이 된다(3-4). 노즐 출구에서 배기 가스의 열은 주변 공기 중으로 열전달이 발생한다(4-0).

국내에서도 국방과학연구소에서 극초음속 무기 개발용으로 로켓 기반 복합 사이클 기관에 대한 개발을 시작하고 있지만 아직까지는 기초연구 수준이다. 미공군의 AGM-183 ARRW와 같은 로켓 부스터와 극초음속 비행체로 구성된 방식으로 개발될 가능성이 높다. AGM-183A의 형상은 일반적으로 스크램제트 엔진의 지상 시험을 통해 기술 축척이 되어 기본 비행체 모델이 정해졌을 때 수행되는 비행 시험의 일반적인 형상이기도 하다.
따라서 비행시험이 성공한다면 AGM-183A 형상처럼 실제로 사용되고 있는 공대지, 함대함 미사일의 탄두 부분 개조를 통해 바로 실전 배치가 가능하다. 이런 이유로 개발 면에서 경제적이고 기술적 난이도가 낮다고 할 수 있다.

로켓 기반 복합 사이클 기관은 로켓을 사용하여 가속하거나 연소가 가능하기에 재사용 가능한 우주발사체로 많은 연구가 진행되었다. 하지만 최근의 개발 경향성은 저고도, 고고도에서의 비행이 가능하고 극초음속 비행으로 인해 요격이 힘들며 자세제어가 가능하고 경량화로 인해 언제, 어디에서든 발사가 가능하다는 장점으로 극초음속 무기로 개발이 되어 실전 배치단계에 이르렀다.

대륙간 탄도 미사일 같은 경우 발사되어 외기권에서 비행하다가 자유 낙하시 가속하여 목표물을 타격하기 때문에 추적이 어렵다. 하지만 발사되는 지점과 발사체 크기만 알면 탄도비행 추적이 쉽기 때문에 외기권에서 요격이 가능하다.
하지만 극초음속 비행체는 소형이며 위성이나 지상 레이더의 추적을 피해서 비행이 가능하며, 잠수함, 함선, 이동형 로켓 발사대를 통해 시간과 장소의 제약 없이 발사가 가능하다.

미국의 트럼프 전 대통령이나 러시아의 푸틴 대통령이 신형 극초음속 무기 개발 성공에 대해 극찬하는 이유도 어디서 발사 되는지 모르고 미사일의 존재를 확인하기도 전에 표적이 격파되기 때문이다. 미국, 중국, 러시아가 실전 배치 단계에 들어갔지만 아직까지 로켓 기반 복합 사이클 기관은 초음속 연소의 안정성(또는 효율 증대), 극초음속 비행에서의 비행 제어, 열공력에 따른 구조 문제 등 해결해야 하거나 개선해야 하는 숙제가 많은 편이다.

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