공기 흡입추진기관의 미사일 적용

[사무국]

기계‧항공‧우주 분과 이태호
 
 최근에 개발되고 있는 미사일 중에는 공기 흡입 추진기관, 대표적으로 램제트 추진기관을 사용한 미사일이 관심을 끌고 있다. 
아주 최근인 2023년 7월에 러시아에서 우크라이나의 오데사를 공격할 때 사용한 미사일도 램제트 추진기관을 사용한 미사일로 고체연료 부스타에 액체 연료 램제트 추진기관을 사용한 Yahkont 미사일로 알려졌다.

 우리는 로켓이라고 하면 연료의 구성에 따라 흔히 고체 로켓, 또는 액체 로켓이라고 하며 이러한 로켓들이 우주발사체나 미사일에 적용하고 있는 것을 알고 있다. 그러나 여기서 한 걸음 더 나아가 보면, 로켓 원료는 순수한 의미의 원료와 산화제로 구성되며, 고체의 경우에는 산화제 성분이 80% 가까이 되어 원료의 효율 면에서 보면 매우 비효율적임을 알 수 있다. 따라서 이 문제를 해결하고자 하는 노력이 당연히 대두되었을 것이고 이에 한 방안으로 개발된 것이 공기 흡입추진기관이다. 공기 흡입추진기관이란 말 그대로 비행 중에 흡입되는 공기를 산소 원으로 사용하는 것을 의미한다. 

 자동차 엔진의 연소에 공기가 사용되는 것과 유사한 면이 있으나, 미사일은 고속의 고추력을 내야 하는 목표가 있어 이에 대한 기술적 과제가 뒷받침되어야 한다. 고추력을 얻기 위해서는 충분한 양의 산소(공기)가 공급되어야 하므로 비행 속도가 빨라야 하고, 이를 위해서는 빠른 속도를 낼 수 있는 고추력이 생산되어야 하는 상호 보완적 관계가 있다. 이렇게 빠르게 흡입되는 공기와 연료가 잘 혼합되어 연소가 이루어져야 하는데, 언급한 대로 흡입 공기는 빠른 속도로 들어오기 때문에, 가만히 있는 촛불은 꺼지지 않고 타지만 바람이 세게 불면 꺼지듯이, 연소가 정상적으로 잘되지 않고, 실화(blow off)의 위험 부담이 있다.

 한편으로는 고체 추진기관의 경우 추진제가 충전된 곳에서 연소되어 그 자체가 연소관이 되는데, 공기 흡입 추진기관의 경우에는 연료가 증발하여 이동하고, 공기는 흡입되어 유동하면서 이들이 혼합되어 연소가 진행되므로, 추가적인 연소실이 필요하게 된다. 또 발사 초기에는 비행 속도가 없어 흡입되는 공기를 사용할 수 없어 공기 흡입 장치는 작동하지 않고 있다가, 적당한 시기에 공기 흡입장치가 작동하도록 하고 있다. 이러한 기술적인 면을 고려해 보면 기존의 추진기관과 3가지 다른 기술을 포함하고 있다. 연소 안정화를 위한 방법, 추가적인 연소관, 공기 흡입 장치 등이다.

 언급한 Yahkont 미사일은 램제트가 작용하기 위한 비행 속도를 얻기까지는 고체 부스터를 사용하고 목적한 비행 속도에 도달하면, 부스터는 비행체에서 분리되어 이탈하고 동시에 공기 흡입장치로 공기가 흡입되며 연료도 분사되어 램제트 추진이 시작되는데 여기에 사용한 연료는 액체이다. 러시아의 Yahkont 미사일은 대함 미사일로 개발되었으나. 현재는 지상 발사를 포함 다양한 발사가 가능하게 되어있다. 이 외에 활발하게 작동 중인 램제트를 사용한 미사일로는 프랑스의 ASMP( air-sol moyenne portée) 공대지 미사일이 있는데, 추진기관은 고체 로켓 부스터와 액체 램제트(kerosene)로 구성되었다. 지상 발사가 아님에도 비행기(라팔, 미라지)에서 고체 로켓이 발사된 후 5초 정도 후에 마하 2 정도에 도달한 후, 부스터는 분출되어 나가고 액체 램제트가 작동하여 마하 수 3까지 가속된다. 핵탄두 탑재가 가능하게 되어있는 것으로 프랑스의 해군과 공군에 편대로 구성되어 배치되어 있으며, Yahkont가 수출되기도 하나 ASMP는 자국에만 가지고 있다.

필자소개
미 워싱턴 주립대 기계공학 박사
(전)국방과학연구소 추진기관 연구개발 부장
금오공과 대학교 기계공학부 초빙교수
캄보디아 NPIC 기계공학부 교수

 (사)한국 추진공학회 초대, 2대 회장 현 명예회장.