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음속 돌파하는 전투기가 우주에 못 가는 이유 

 

 

 

우리나라 공군의 주력 전투기 F-15K(슬램 이글)는 F-15 계열 전투기 가운데 가장 강력한 공 격력을 보유하고 있습니다. 최고 속도가 마하 2.3(시속 2,815㎞=0.76 km/s)에 달하죠. 현존 최강의 스텔스 전투기로 불리는 미국의 F-22A(랩터)는 이보다 더 빠른 마하 2.5(시속 3,060 ㎞=0.82 km/s)를 자랑합니다. 거의 1초에 1㎞의 거리를 주파하는 무시무시한 속도인데요. 이 정도 강력한 힘과 속도라면 창공을 뚫고 우주까지 날아갈 수 있지 않을까요? 왜 비행기로는, 심지어 소리보다 2~3배 더 빠른 초음속 전투기로는 우주에 갈 수 없는 걸까요?

 

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현존하는 항공기 가운데 가장 빠른 속도를 자랑하는 미국의 전략정찰기 SR-71. 최고 속도 마하 3.5를 자랑하지만, 우주까지는 날아갈 수 없다.

<사진 출처=U.S. Air Force>   

 

 

 상상 속으로는 갈 수 있습니다. 다시 지구로 돌아올 뿐이지

 

F-15K나 F-22A 보다 더 빠른 비행기도 있습니다. 록히드 마틴에서 개발한 미국의 전략정찰 기 SR-71(블랙버드)인데요. 공식 최고 속도로 마하 3.5(시속 4,284 ㎞=4284 km/h=1.16 km/s)까지 찍은 적이 있다고 합니다. 현존하는 항공기 가운데 가장 빠른 속도로 기록되어 있죠.

 

블랙버드에 탔다고 생각해봅시다. Area51에서 출발한다고 치고, 또는 김포공항에서 출발한다 치고. 이것들을 타고, 우주에는 갈 수 있습니다. 먼저 활주로에서 벗어나, 아파트 15층 정도도 날 수 있고, 63빌딩 위로, 롯데월드타워 위로, 미세먼지 위로, 그다음 구름 위로 갈 수 있지 요. 구름 위로 더 높이도 갈 수 있습니다. 이때 속도는 최고 속도 Mach 3.5를 유지하지요. 최 고속도로 Mach 3.5를 타고 지구 10 km 위를 타고 다닐 수도 있고, 20 km 위로 갈 수도 있지요. 지속적으로 문제없이 엔진이 추력을 발생해 준다면, 문제없이 30 km 위로도 갈수 있고 50 km 도 갈수 있고 1000 km 도 갈수 있고 100,000 km 위로도 갈수 있지요. 여기서 중요한 것은 지속적으로 문제없이 가속도를 발생해 주어야 한다는 전제가 있습니다.

 

여러분이 잘 아시겠지만 문제는 엔진입니다. 전투기나 민항기에 사용하는 엔진은 제트 엔진인데요. 외부의 공기를 흡입해 연료를 연소시키며 추진력을 얻는 방식입니다. 연료도 다르고 공기의 압축 정도도 다르지만, 연료와 공기(산화제)를 사용한다는 점에서는 도로를 운행하는 자동차와 거의 같은 셈이죠. 외부의 공기를 공급받지 못하면 엔진은 시동이 꺼집니다. 전투기나 민항기와 같은 항공기는 대부분 공기가 충분한 대류권에서 운항합니다. 성층권만 넘어가도 공기 밀도가 희박해 연료를 연소시킬 수 없습니다. 게다가 날개로 하늘을 나는 비행기는 양력이 있어야 뜰 수 있습니다. 공기가 없으면 양력도 얻을 수 없습니다. 그런데 우주라니요. 당연히 어림도 없겠죠? 결국은 다시 지구로 돌아올 수밖에 없는 이유입니다.

 

 

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대기권을 벗어나  지구궤도, 혹은 완전히 우주로 나가기 위해서는 로켓을 사용해 야 한다. 로켓 엔진은 우주로 가는 유일한 운송 수단이다.

<이미지 출처=pixabay> 

 

 

 우주로 가는 유일한 운송수단, 로켓 엔진

 

로켓은 우주선과 인공위성을 먼 우주로 보낼 수 있는 최첨단 운송 수단입니다. 하지만 그 원리는 이미 17세기에 밝혀졌죠. 뉴턴의 제3 운동 법칙, 다시 발해 모든 운동에는 똑같은 크기의 반작용이 존재한다는 ‘작용-반작용의 법칙’입니다. 페트병으로 만든 물 로켓의 원리와 같습니다. 페트병 안에 물을 반 정도 채우고 나머지 부분에 공기를 채워 발사하면, 페트병 안의 공기가 물을 밀어내면서 멀리 날아갑니다. 로켓은 연소실에서 연료와 산화제를 연소시켜 높은 압력과 온도의 가스를 만듭니다. 이 연소 가스가 노즐을 통해 밖으로 빠져나오며 추력이 발생(작용)하죠. 이때 가스가 배출하는 힘의 반작용으로 로켓이 하늘로 치솟게 됩니다. 공기가 없는 곳까지 날아가야 하니 연료 외에도 산화제(액체산소)를 별도로 싣고 가야 합니다. 그래서 미국에서는 별도의 산화제 탱크가 있어야만 비행할 수 있는 한계 고도인 80㎞(일반적으로는 카르만 라인으로 불리는 고도 100㎞)를 넘어서야 우주비행사라는 칭호를 부여하기도 합니다.

 

 

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우주를 더 자유롭게 왕복하기 위해서는 현재의 로켓 부스터나 다단로켓 방식에서 벗어나는 것이 급선무다. 불을 내뿜고 있는 부스터,

아래의 주황색 추진제 탱크 모두 1회용이다. <사진 출처=NASA> 

 

 

우주로 가는 길, ‘가성비’를 높여라 

 

지구궤도에 인공위성을 올려놓거나 지구궤도를 완전히 벗어나 달이나 화성, 혹은 그 너머의 먼 우주로 가려면 더 강력한 힘이 필요합니다. 한국형 발사체 ‘누리호’를 비롯해 로켓 엔진을 장착한 우주발사체가 1단이 아니라 2단 이상의 다단로켓으로 만들어지는 이유도 발사체의 무게를 최대한 줄이면서도 더 강력한 힘을 내기 위해서입니다. 거대한 1단 로켓이 발사 후 연료와 산화제를 다 쓰면 버리고, 2단 로켓을 점화시켜 다시 가속하는 방식인데요. 이렇게 하면 구조 질량(발사체의 전체 질량에서 연료 질량을 뺀 나머지 질량)이 줄어 발사체의 부담을 덜 수 있습니다. 구조 질량을 줄일수록 발사체 전체 질량이 줄어들기 때문에 더 많은 페이로드(탑재물)를 실을 수 있습니다.

 

​문제는 비용입니다. 이렇게 복잡한 우주발사체의 구조 때문에 아주 적은 화물을 우주로 보내는데도 막대한 예산이 필요하죠. 현재 평균 발사 비용은 kg당 약 2천만 원 정도 지불해야 저궤도에 위성을 올릴 수 있습니다. 발사 비용이 가장 저렴하다는 스페이스 X는 팰컨9로켓으로 22,800kg을 저궤도에 올리는데 62백만 달러가 든다고 자신들의 홈페이지에 공개하고 있습니다. 1kg당 약 300만 원 미만의 금액으로 기존의 업체들보다 획기적으로 발사해 줄 수 있다는 것입니다. 그러나 실제로 팰컨 9의 발사비용이 얼마인지 확인할 방법이 없네요. 1969년 아폴로에 단 세 명의 우주비행사를 실어 달에 보내기 위해 만들어진 새턴 V 로켓은 높이 110m에 무게는 무려 3,000t에 달했습니다.

 

인류가 달에 여섯 차례밖에 가지 못하고, 1972년 이후로는 단 한 번도 가지 못한 이유이기도 합니다. 기술력이나 관련 장비가 없어서가 아니라 우주로 가는 비용이 너무 비싸기 때문이죠. 여전히 우주로 가는 것은 ‘가성비’가 매우 떨어지는 비효율적인 여행인 셈입니다. 스페이스 X처럼 로켓 엔진의 효율을 높이고, 발사체를 재활용할 수 있는 기술 개발을 하는 것도 우주여행 비용을 낮추기 위한 여러가지 도전 중의 하나인 것입니다.

 

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영화 <인터스텔라>에서 등장하는 레인저 우주선. 어느 행성에서든 비행기처럼 이착륙할 수 있고 심지어 물 위에서도 가능하다

 

 

 <인터스텔라>의 레인저 우주선이 가능하려면? 

 

뭔가 획기적이면서도 현재 기술로 머지않아 실현 가능한 방법은 없을까요? 우주 탐사나 우주 여행 비용을 크게 낮출 수만 있다면, 우리는 우주에서 더 많은 것을 찾아내고 우주의 활용도를 획기적으로 높일 수 있습니다. 심지어 아직은 공상과학(SF) 영화에서나 볼 수 있는 새로운 정착지를 개척할 수도 있을 겁니다. 갈 길이 멀지만, 우선 상상해 볼 수 있는 방법은 일단 현재의 3단 로켓 방식에서 벗어나는 것은 어떨까요? 아무리 로켓 엔진의 효율을 높이고, 수십 차례 반복해서 사용할 수 있는 재활용 기술을 완성해도 여전히 가성비가 떨어지기 때문입니다.

 

혹시 영화 <인터스텔라>에서 등장하는 우주선 레인저(Ranger)를 기억하시나요. 어느 행성에서든 비행기처럼 이착륙하는(지구에서만 다단로켓으로 발사되어 과학적 논란이 일었죠) 미래의 우주선이자 일종의 우주 비행기인데요. 다단로켓 없이도 행성의 거대한 중력을 이겨내고, 어디서든 자유롭게 이착륙을 반복할 수 있는 그야말로 꿈의 우주선입니다. 우주에서 기동할 수 있는 하이드라진 추력기에 플라즈마 제트 가속을 위한 소형 토카막 핵융합로가 연료를 대신했을 것으로 보입니다. 물론 현재 기술로는 불가능하고, 미래에도 실현 가능하다고 확답할 수 없는, 그야말로 영화에서나 볼 수 있는 상상 속의 우주선입니다.

 

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맥도널 더글라스가 1991년 개발한 단발궤도선 DC-X. 수직으로 이착륙 하는 방식이었다. <사진 출처=wikipedia>

 

 

 

초고속 우주 비행기, 단발궤도선(SSTO)을 향한 도전 

 

하지만 이 레인저 우주선이 현재 기술 개발에 나서고 있는 단발궤도선(SSTO, Single Stage to Orbit)의 미래형 모델이라면, 우주여행의 새로운 실마리를 찾을 수 있을지도 모릅니다. SSTO는 수직, 또는 수평으로 이륙한 후 별도의 부스터(또는 다단로켓) 없이 궤도에 안정적으로 진입이 가능한 비행체를 의미합니다.

 

우주 선진국의 항공우주공학자들은 지난 수십 년 동안 별도의 부스터나 로켓 없이 비행체 자체의 동력만으로 우주에 진입할 수 있는 우주 비행기 개발을 위해 악전고투를 벌이고 있습니다. 우주 비행기는 통상적으로 활주로에서 비행기처럼 이륙하거나 다른 대형 항공기에 싣고 올라가 우주선처럼 지구 궤도를 돌다가 다시 지상에 착륙할 수 있죠. 초기 시도는 맥도널 더글라스의 DC-X였습니다. 1991년 제작에 들어간 이 단발궤도선은 1993년 첫 비행에 나섰는데요. 이 로켓은 수직으로 발사되었다가 다시 수직으로 착륙하는 방식이었습니다. 하지만 첫 시험 후 이 로켓개발은 중단되었습니다.

 

 

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단발궤도선 X-33(왼쪽)과 업그레이드 버전인 벤처스타 상상도. 개발 도중 계획이 취소되어 결국 한 번도 날지 못했다.

<사진 출처=NASA>

 

 

초고속 우주 비행기, 단발궤도선(SSTO)

 

본격적인 SSTO 방식의 우주 비행기 개발은 1990년대 후반부터 시도되었습니다. 1998년 록히드마틴은 로켓처럼 수직 이륙하고, 귀환할 때는 우주왕복선처럼 활공해서 활주로에 착륙하는 형태의 X-33 실증기를 설계해 부품 제작까지 돌입했는데요. 1999년 첫 비행에 이어 2005년 페이로드를 싣고 발사한다는 계획이었지만, 엔진과 연료 탱크 문제에 발목이 잡히고 NASA가 손을 떼면서 X-33 프로젝트는 취소됩니다. 이어 록히드마틴은 미국 정부의 지원으로 X-33의 업그레이드 버전인 벤처스타 개발에 나섰는데요. 원래 목적은 우주왕복선 대신 인공위성을 궤도에 올려놓는 것이었으나, 사람도 우주로 보내기 위한 목적으로 개발되었습니다. 하지만 벤처스타 역시 엔진과 연료 탱크 문제로 한 번 도 날지 못한 채 2001년 취소되었습니다.

 

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단발궤도선 개념의 우주 비행기 스카이론(사진 위)과 스카이론에 적용하는 세이버(SABER) 엔진 개념도.

항공기의 제트 엔진과 우주발사체의 로켓 엔진을 합친 형태다. <사진 출처 =mfgtalkradio, wikipedia>

 

 

또 영국의 항공우주기업 리액션 엔진스는 1989년 일반 비행기처럼 활주로에서 날아올라 지구 저궤도를 운항하는 우주선 개념의 초음속 우주 비행기 스카이론(Skylon) 개발에 착수했습니다. 스카이론은 항공기의 제트 엔진과 우주발사체의 로켓 엔진을 합친 형태인 세이버(SABRE 임) 엔진을 이용하는데요. SABRE는 우주로 가면서 사용한 엔진을 버리는 다단로켓엔진 대신 산화제 공급 원천을 우주로 가면서 바꾸게 됩니다. 대기권에서는 대기중의 산소를 사용하고, 대기권 넘어서서는 28 km 이상에서는 선내 산화제 탱크의 산소를 사용하는 거지요.

 

첫 번째는 기존의 제트 엔진과 같은 산소 공급원으로 대기를 흡입하는 이른바 ‘공기 호흡 모드’인데요. 연소실에서 액체수소 연료와 산소가 연소되어 추력을 생성합니다. 두 번째 모드는 비행기가 대기권보다 위에 있을 때 사용하는 ‘기존 로켓 모드’입니다. 선내의 액체수소와 액체 산소를 이용해 추력을 생성하지요, 대기권 내에서는 최대 Mach 5.5까지 속도를 내고, 이후에는 Mach 27.8까지 속도를 내려고 지속적으로 엔진을 가동하겠지요. 리액션엔진사는 2019년 3월에 시험용 세이버 엔진코어의 설계를 마치고 시험시설을 완성하면 18 개월의 시험에 들어간다고 발표했으며 스카이론을 2022년 ISS에 도착시키는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

 

 

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미국의 무인 우주선 X-37B. 기존의 다단로켓에 실려 발사된다는 점에서 SSTO와는 차이가 있지만, 마하 23의 속도로 지구 궤도를 돌 수 있다.

<사진 출처=NASA>

 

 

 활주로 통해 이륙하는 우주비행기 볼 수 있나 

 

지난 2010년 4월 미국의 한 공군기지에서 정체불명의 항공기가 아틀라스 로켓에 실려 발사됩니다. 이 정체불명의 항공기는 바로 무인 우주선 X-37B이었는데요. 당시 중국, 러시아 등 경쟁국들은 X-37B가 우주 첩보기이거나 우주무기를 실험했을 가능성이 높다며 촉각을 곤두세웠습니다. 일부 전문가들은 또 X-37B의 속도가 마하 23에 달한다고 하는데 (지구 궤도에서 당연히 이정도 속도에 도달해야 뺑글뺑글 돌 수 있겠지요), 비행기 자체가 지상에서 Mach 23을 낸다는 것은 아닙니다.

 

X-37B는 지난 2015년 5월 20일 아틀라스V 로켓에 실려 지구를 떠난 뒤 718일 동안 우주에 머물다가 2017년 5월 7일 지구로 귀환했습니다. 그리고 2017년 9월 스페이스X의 팰컨9 로켓으로 발사 (지구 궤도를 돌기 위해 Falcon 9으로부터 발사됨이겠지요.) 되어 다섯 번째 임무에 들어갔습니다. X-37B는 기존의 다단로켓에 실려 발사된다는 점에서 SSTO와는 차이가 있지 만, 엔진 부분만 제외하면 미래 우주 비행기 개발의 실마리를 제공할 수도 있을 것으로 보입니다.

 

최근에는 우주 분야에 대대적인 물량을 투입하고 있는 중국도 우주 비행기 개발에 착수한 것으로 알려졌는데요. 미국과 유럽 중심에서 중국까지 가세하면서 더욱 경쟁이 치열해질 전망입니다. 중국항천과공집단공사(CASC)의 주도로 대기권과 우주를 넘나들 수 있고 재사용도 가능한 우주 비행기를 개발하는 ‘텅윈 프로젝트’를 진행 중입니다. 이 우주 비행기는 인공위성 등을 우주로 실어 나르는데 이용할 수 있을 뿐만 아니라 사람도 태울 수 있어 미래 우주여행에 도 활용될 전망입니다. 해당 기술진은 이 우주 비행기의 경우 로켓 발사 방식이 아닌 활주로에서 이륙할 수 있다는 점이 스페이스X의 재활용 로켓과 차의 가장 큰 차이점이라고 설명하기도 했습니다.

 

인류의 달 착륙 도전기를 그린 영화 <퍼스트맨>의 첫 장면은 초음속 항공기 X-15의 시험비행으로 시작합니다. X-15는 마하 6.7의 속도로 고공비행이 가능한 최초의 ‘로켓 엔진 비행기’였습니다. 초음속 항공기를 테스트하던 닐 암스트롱이 결국 우주비행사가 되어 달 착륙에 성공 한 최초의 인류로 기록되는 것은 의미심장합니다. 비록 아폴로 11호를 달까지 보낸 것은 초대형 다단계 로켓 새턴 V였지만, 언젠가 X-15와 같은 우주 비행기를 타고 달에 가는 날이 올지 모릅니다. 이에 필요한 엔진 개발부터 새로운 연료 등 풀어야 할 숙제가 산적해 있지만, 인류는 하나씩 해결해 나갈 것입니다. 우주로 가는 비행체가 활주로를 이륙하는 순간을 기대해봅니다.

 

 

 

기획제작 : 항공우주Editor 이정원

내용감수 : 발사체추진기관개발부 백승환 박사