기본 콘텐츠로 건너뛰기

성공적인 테스트를 마친 보잉 X - 51




 미 공군, DARPA, 플랫앤 휘트니 로케다인사, 보잉사가 협력해서 개발하는 실험용 극초음속 무인 스크램제트 항공기 Boeing X - 51 이 예정되었던 4 번째 테스트 비행을 성공적으로 마쳤다고 보잉사 및 미 공군이 밝혔습니다. X- 51 WaveRider 는 1990 년대부터 개발이 추진되었던 수소 연료 기반 스크램제트 엔진 SJX61의 개량형인 탄화 수소 연료 기반 스크램제트 엔진 (hydrocaron fueled scramjet engine) 을 테스트 하기 위한 기체였습니다.  



(X - 51A Waverider 의 비행 컨셉 아트  Credit : USAF )   


 나사는 초음속 항공기를 개발하기 위한 Hyper - X 프로그램의 일부로 X-43 시리즈를 개발하고 있었는데 이전에도 소개한 바 있는 페가수스 로켓을 이용해서 수소 연료 기반 초음속 비행 능력을 테스트 하는 것이 목표 였습니다. 2004 년 3 번째 X-43A 발사 테스트에서는 34000 미터 고도에서 마하 9.68 을 기록하는데 성공하는 등 진전이 있기는 했지만 실제적으로 소형 무인 테스트기가 아닌 실용화할 수 있을 만한 크기의 기체를 만드는 것은 아직 미래의 일이라고 하겠습니다. 


 아무튼 미 공군은 현재는 추가 개발이 중지된 나사의 X- 43 에 관심을 보이면서 공군용 초음속 스크램제트 엔진 개발에 착수했는데 이를 위해 플랫 앤 휘트니 로켓다인 (Pratt & Whitney Rocketdyne) 사의 SJY61 엔진을 개량해 수소가 아닌 탄화 수소로 작동이 가능한 보다 실용적인 초음속 비행체를 개발하는 X - 51 연구가 시작되었습니다. 


 이전 SSTO 에 대해서 설명할 때 언급한 바와 같이 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100087541030 ) 일반적인 제트 엔진에 사용되는 터빈 혹은 회전 압축기는 마하 2-3 정도의 초음속 영역에서는 오히려 거추장 스러운 존재가 되고 있습니다. 왜냐하면 이 속도에서는 회전 압축없이도 램효과를 이용해서 공기 압축이 가능하기 때문입니다. 그러나 내부 연소실에 압축기가 없는 램 엔진은 정지 상태에서는 스스로 추진력을 낼 수 없기에 현재 널리 사용되지는 못하고 있습니다.  



(일반적인 터보팬 엔진. 회전하는 압축기 (Compressor) 가 공기를 압축하여 연소실(Combustion chamber) 로 보내 연소 시켜 추진력을 얻음. 그러나 초음속/극초음속 영역에서는 오히려 터보팬이 공기를 빨아들이는데 방해가 됨  CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  Richard Wheeler (Zephyris)  ) 




(램제트 엔진의 구조 : 램제트 엔진은 엔진안으로 들어오는 공기가 스스로 압축하는 램현상을 이용해 압축을 한다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  Vector image made by Cryonic07. Source png-drawing was made by Emoscopes and later slighly modified by Wolfkeeper)


 램제트 엔진은 공기를 흡입하는 덕트가 앞뒤에서 죄어지는 덕트의 형태로 되어 있어 공기가 들어오는 것 만으로도 속도가 떨어지면서 압력이 높아져 압축이 일어나는 효과를 이용하므로 공기 저항을 일으키는 압축기가 필요 없고 고속에서 높은 추력을 얻을 수 있어 마하 3-5 정도에서 최적의 효과를 낼 수 있습니다. (물론 아음속 램제트 엔진도 있음) 구조가 단순해 사실 제트 엔진보다 더 빨리 실용화 될 수도 있었지만 정지 상태에서 추력을 낼 수 없는 단점 때문에 널리 사용되지는 않고 있습니다. (쉽게 말해 순수한 램제트 엔진 만으로는 이륙을 못함)  


 한편 마하 5-6 이상의 극초음속에서는 통상적인 램제트 엔진 역시 효율이 떨어지게 됩니다. 그래서 초음속 연소에 적합한 개량이 이루어졌는데 이것이 스크램제트 엔진 (Scramjet engine = 초음속 연소 램젯(Supersonic Combustion Ramjet) ) 입니다. 램제트 엔진과의 가장 큰 차이는 초음속 연소로 램제트 엔진에서는 초음속으로 유입된 공기가 아음속으로 속도가 떨어지면서 압축된 후 연소되나 스크램제트 엔진은 초음속으로 들어온 공기가 초음속으로 연소되어 분사됩니다. 



(스크램 제트 엔진의 구조도 - 초음속으로 들어온 공기가 초음속 상태에서 연소되어 초음속으로 가스가 분사된다.  CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시, 저자 en:User:Emoscopes)


 X - 43 및 X - 51 은 모두 스크램 제트 엔진을 테스트 하기 위한 용도로 전자가 우주 항공기 개발을 위한 것이라면 후자는 군용기 및 스크램제트 미사일을 연구하기 위한 기초 연구로 볼 수 있습니다. 미 공군의 요구는 보관이 까다롭고 다루기 위험한 수소 연료 대신 효율은 다소 떨어져도 보다 안전한 전통적인 탄화 수소 연료를 사용하고 (X-51A 는 연료로 JP-7 을 사용, 최대 120 kg 탑재) 초음속에 도달하기 위한 로켓 부스터도 저렴하고 군용으로 이미 사용되는 것 - X - 51 의 경우 MGM-140 ATACMS 의 고체 로켓 부스터를 사용 -  으로 교체하는 것이었습니다. 


 X - 51 은 이 요구에 맞춰 개량되었는데 발사는 동일하게 B - 52 의 날개에서 진행되었습니다. 발사는 X- 43 과 동일하게 마하 5 정도의 초음속에 도달하기 위해 (스크램 제트 엔진 단독으로는 그 속도에 도달할 수 없으므로) 고고도에서 B - 52 의 날개에서 분리된 후 고체 로켓에 의해 가속되어 마하 5 정도에 이르면 로켓 부스터는 떨어지고 그 때부터 초음속 스크램 제트 엔진 연소에 의해 극초음속 비행을 시작합니다. 그리고 수분후 연료가 떨어지면 회수하지 않고 파괴된 후 그대로 잔해는 바다로 떨어져 폐기됩니다. (소형 테스트 기체라 회수는 하지 않음) 


 첫번째 테스트 비행은 2010 년 5월 25일 있었으며 계획된 마지막 4 번째 테스트 비행은 2013 년 5월 1일 있었습니다. 이 테스트 비행에서 X-51A 는 B-52H 에서 분리된 후에 로켓 부스터로 마하 4.8 에 도달했고 이후 스크램제트 엔진이 정상적으로 작동하여 마하 5.1 에 도달 연료가 소진될 때까지 240 초간 초음속 비행하는데 성공했습니다. 총 6 분 (370 초) 테스트 기간 동안 이동 거리는 230 해리 혹은 426 km 정도였다고 합니다. 참고로 1/4 번째 테스트는 성공이었고 2/3 번째 테스트는 부분적으로 실패였습니다. 


 X - 51A 자체는 부스터 포함 7.62 미터 길이에 무게 1814 kg 에 불과한 소형 기체로 무장은 탑재할 수 없으며 그냥 테스트 기체 입니다. 최고 속도 자체는 X - 43A 의 기록인 마하 9.8 보다 느리지만 이는 로켓 부스터 및 연료 특성에 의한 것으로 의도된 것입니다. X - 43 의 목표는 저지구 궤도에 진입할 수 있는 빠른 비행체이지만 X - 51 은 초음속 항공기 및 미사일 개발이기 때문에 좀더 현실적인 조건에서 테스트 한 것으로 볼 수 있습니다. 참고로 이번 4 번째 비행에서 X-51A 가 기록한 240 초 스크램 제트 비행은 스크램제트 엔진 연소 비행 사상 최장 시간입니다. X-43A 는 12 초가 최대 연소 시간이었습니다. 


  
    
(지상 실험실에서 인공적으로 만든 마하 5 상황 에서 연소 테스트 중인 SJX61-2 엔진   In this image, the SJX61-2 successfully completed ground tests simulating Mach 5 flight conditions at NASA's Langley Research Center, Hampton, Va.  Credit : NASA ) 


(테스트 직전의 X - 51A. B-52H 주익에 매달린 상태    Credit : USAF ) 


 향후 미 공군이 이를 이용해서 무엇을 할지는 확실히 밝힌 바가 없지만 가장 유력하게 생각되는 것은 스크램제트 엔진 사용 미사일로 일단 1 단은 고체 로켓 부스터로 가속한 후 2 단 스크램제트 미사일이 마하 5 이상에서 초음속 비행을 해 장거리 목표물을 공격하는 것입니다. 또 높은 운동 에너지를 이용한 벙커 버스터 방식의 무기를 개발도 가능합니다. 방어하는 측에서는 고고도에서 극초음속으로 진입하는 스크램제트 미사일은 그 고도와 속도 때문에 요격이 쉽지 않습니다. 마지막 단계에서는 본래 마하 5 이상의 속도에다 지상으로 하강하면서 그 에너지가 더해져 더 빠른 속도로 목표에 도달하게 됩니다.  


 물론 탄도 미사일도 이런 공격이 가능하지만 스크램 제트 미사일은 다른 장점이 하나 있습니다. 제트 엔진의 가장 큰 장점은 산화제를 따로 가지고 다니는 대신 공기중의 산소를 사용해서 연소하기 때문에 같은 연료라면 로켓보다 더 먼 거리를 갈 수 있습니다. 사실 이점이 이전 SSTO 에 대해서 설명할 때 로켓에 비해 스크램제트 엔진이 가지는 가장 큰 장점이었습니다. 스크램제트 미사일은 통상 고체 및 액체 로켓에 비해 비싸긴 하겠지만 비슷한 크기의 로켓보다 더 멀리 있는 목표를 정밀 타격하는데 유리할 것으로 생각됩니다. 물론 미래에 개발할 초음속 항공기 엔진 연구에도 도움이 될 것으로 보입니다. 다만 항공기의 경우 마하 5 의 속도에 이르기 전까지 가속해 줄 별도의 엔진이 필요하다는 단점이 있습니다. 


 앞으로 여러가지 기술적 난제를 해결해야 하는 만큼 스크램제트 비행기나 미사일이 곧 실용화 되지는 않겠지만 언젠가 미래에 스크램제트나 이를 응용한 새로운 형식의 복합 엔진 항공기가 등장할 날이 있을지도 모르겠습니다.    
  


 참고 




  

댓글

이 블로그의 인기 게시물

통계 공부는 어떻게 하는 것이 좋을까?

 사실 저도 통계 전문가가 아니기 때문에 이런 주제로 글을 쓰기가 다소 애매하지만, 그래도 누군가에게 도움이 될 수 있다고 생각해서 글을 올려봅니다. 통계학, 특히 수학적인 의미에서의 통계학을 공부하게 되는 계기는 사람마다 다르긴 하겠지만, 아마도 비교적 흔하고 난감한 경우는 논문을 써야 하는 경우일 것입니다. 오늘날의 학문적 연구는 집단간 혹은 방법간의 차이가 있다는 것을 객관적으로 보여줘야 하는데, 그려면 불가피하게 통계적인 방법을 쓸 수 밖에 없게 됩니다. 이런 이유로 분야와 주제에 따라서는 아닌 경우도 있겠지만, 상당수 논문에서는 통계학이 들어가게 됩니다.   문제는 데이터를 처리하고 분석하는 방법을 익히는 데도 상당한 시간과 노력이 필요하다는 점입니다. 물론 대부분의 학과에서 통계 수업이 들어가기는 하지만, 그것만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 대학 학부 과정에서는 대부분 논문 제출이 필요없거나 필요하다고 해도 그렇게 높은 수준을 요구하지 않지만, 대학원 이상 과정에서는 SCI/SCIE 급 논문이 필요하게 되어 처음 논문을 작성하는 입장에서는 상당히 부담되는 상황에 놓이게 됩니다.  그리고 이후 논문을 계속해서 쓰게 될 경우 통계 문제는 항상 나를 따라다니면서 괴롭히게 될 것입니다.  사정이 이렇다보니 간혹 통계 공부를 어떻게 하는 것이 좋겠냐는 질문이 들어옵니다. 사실 저는 통계 전문가라고 하기에는 실력은 모자라지만, 대신 앞서서 삽질을 한 경험이 있기 때문에 몇 가지 조언을 해줄 수 있을 것 같습니다.  1. 입문자를 위한 책을 추천해달라  사실 예습을 위해서 미리 공부하는 것은 추천하지 않습니다. 기본적인 통계는 학과별로 다르지 않더라도 주로 쓰는 분석방법은 분야별로 상당한 차이가 있을 수 있어 결국은 자신이 주로 하는 부분을 잘 해야 하기 때문입니다. 그러기 위해서는 학과 커리큘럼에 들어있는 통계 수업을 듣는 것이 더 유리합니다. 잘 쓰지도 않을 방법을 열심히 공부하는 것은 아무래도 효율

R 스튜디오 설치 및 업데이트

 R을 설치한 후 기본으로 제공되는 R 콘솔창에서 코드를 입력해 작업을 수행할 수도 있지만, 보통은 그렇게 하기 보다는 가장 널리 사용되는 R 개발환경인 R 스튜디오가 널리 사용됩니다. 오픈 소스 무료 버전의 R 스튜디오는 누구나 설치가 가능하며 편리한 작업 환경을 제공하기 때문에 R을 위한 IDE에서 가장 널리 사용되어 있습니다. 아래 링크에서 다운로드 받습니다.    https://www.rstudio.com/  다운로드 R 이나 혹은 Powerful IDE for R로 들어가 일반 사용자 버전을 받습니다. 오픈 소스 버전과 상업용 버전, 그리고 데스크탑 버전과 서버 버전이 있는데, 일반적으로는 오픈 소스 버전에 데스크탑 버전을 다운로드 받습니다. 상업 버전의 경우 데스크탑 버전의 경우 년간 995달러, 서버 버전은 9995달러를 받고 여러 가지 기술 지원 및 자문을 해주는 기능이 있습니다.   데스크탑 버전을 설치하는 과정은 매우 쉽기 때문에 별도의 설명이 필요하지 않을 것 같습니다. 인스톨은 윈도우, 맥, 리눅스 (우분투/페도라)에 따라 설치 파일이 나뉘지만 설치가 어렵지는 않을 것입니다. 한 가지 주의할 점이라면 R은 사전에 반드시 따로 설치해야 한다는 점입니다. R 스튜디오만 단독 설치하면 아무것도 할 수 없습니다. 뭐 당연한 이야기죠.   설치된 R 스튜디오는 자동으로 업데이틀 체크하지 않습니다. 따라서 업데이트를 위해서는 R 스튜디오에서 Help 로 들어가 업데이트를 확인해야 합니다.     만약 업데이트 할 내용이 없다면 최신 버전이라고 알려줄 것이고 업데이트가 있다면 업데이트를 진행할 수 있도록 도와주게 됩니다. R의 업데이트와 R 스튜디오의 업데이트는 모두 개별적이며 앞서 설명했듯이 R 업데이트는 사실 기존 버전과 병행해서 새로운 버전을 새롭게 설치하는 것입니다. R 스튜디오는 실제로 업데이트가 이뤄지기 때문에 구버전을 지워줄 필요는

R 패키지 설치 및 업데이트 오류 (1)

 R 패키지를 설치하거나 업데이트 하다보면 여러 가지 문제가 생기는 경우들이 있습니다. 이 경우 아예 R을 재설치하는 것도 방법이지만, 어떤 경우에는 이렇게해도 해결이 안되고 계속해서 사용자는 괴롭히는 경우도 있습니다. 이런 경우 중 하나를 소개합니다.  새로운 패키지를 설치, 혹은 업데이트 하는 과정에서 같이 설치하는 패키지 중 하나가 설치가 되지 않는다는 메세지가 계속 나왔는데, 사실은 백신 프로그램 때문이었던 경우입니다.   dplyr 패키지를 업데이트 하려고 했는데, 제대로 되지 않아 다시 설치를 진행했습니다. 그런데 일부 패키지가 제대로 설치되지 않는다는 메세지가 나왔습니다.  > install.packages("dplyr") Error in install.packages : Updating loaded packages > install.packages("dplyr") Installing package into ‘C:/Users/jjy05_000/Documents/R/win-library/3.4’ (as ‘lib’ is unspecified) also installing the dependencies ‘bindr’, ‘bindrcpp’, ‘Rcpp’, ‘rlang’, ‘plogr’ trying URL ' https://cran.rstudio.com/bin/windows/contrib/3.4/bindr_0.1.1.zip ' Content type 'application/zip' length 15285 bytes (14 KB) downloaded 14 KB trying URL ' https://cran.rstudio.com/bin/windows/contrib/3.4/bindrcpp_0.2.2.zip ' Content type 'application/zip' length 620344 b