램제트은(는) 여기로 연결됩니다.
일본의 경주마에 대한 내용은 램제트(말) 문서 참고하십시오.1. 개요
램제트(Ramjet) 엔진은 제트 엔진의 일종으로, 마하 2.5~5 사이의 초음속에서 가장 효율적인 엔진이다.
2. 상세
램제트 엔진은 일반적인 터보팬 엔진이나 터보제트 엔진과 달리 터보가 사라지는데, 즉 엔진 내부에 깃이 여럿 달린 프로펠러인 압축기와 터빈이 없다는 것이다. 일반적인 제트 엔진은 엔진 배기 가스로 엔진 뒤쪽의 터빈을 돌리고, 그 구동력으로 엔진 앞쪽의 압축기를 돌려서 공기를 빨아들이는 동시에 공기를 압축한다. 그러나 램제트 엔진은 그냥 압축기가 있어야 할 곳은 단면적이 뒤쪽으로 가면서 점점 변하는 빈공간인 대신 압축은 초음속에서 발생하는 충격파를 이용하고 (충격파를 통과하는 유체는 압력과 온도가 급격히 상승한다), 충격파로 인해 압축된 공기가 연소실로 들어오면 연료를 뿌려서 태워서 노즐로 내보낸다. 참 쉬워보이지만 설계는 말처럼 쉽지만은 않다. 연소가 이루어지면 공기는 나가려고 할텐데 압축기도 없는 마당에 역류하면 효율이 떨어지기 때문.램제트란 이름은 앞으로 달려나가면서 공기를 엔진 속에 들이박아서(Ram) 엔진 안으로 공기를 쓸어담는다는 개념에서 붙은 이름이다(Ram : 충각, 들이받다).[1][2] 좀 더 있어 보이게 인터넷 자료에서는 Rapid Air Movement (굳이 번역하자면 고속 이동 공기 정도)의 약자라고 설명하기도 하지만 전공서적쪽에서 이렇게 설명하는 경우는 없다.
여하간에, 그냥 엔진이 앞으로 달려나가면 알아서 공기가 엔진으로 쓸려 들어오니 공기를 빨아들이기 위한 압축기도 필요 없고 뭣도 필요 없으니 참 쉬울 것 같지만, 세상에 공짜는 없어서 마하 1 이하의 느린 속도에서는 엔진이 작동하지 않는다. 이는 일정한 회전 속도 이상이 돼야 동작하는 동기 전동기와 비슷하다. 참고로 완전한 초음속은 마하 1.2로, 약 1500km/h[3] 정도다.
일단 압축기가 없으니 공기가 제대로 압축되지 않고, 이러한 저압저온 상태의 공기에 연료를 뿌려봤자 연소 효율이 매우 낮다. 그나마 디퓨저(diffuser: 뒤로 갈수록 점점 넓어지는 형태의 관)를 사용하면 압력이 올라가기는 하지만, 단순한 디퓨저로 높은 압축비를 얻지 못할뿐더러 역류의 위험이 매우 높다. 역류문제는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려는 유체의 성질 때문인데, 디퓨저로 뒤쪽의 압력을 올린데다가 연소까지 일어나 압력이 더 올라가면, 배기 가스가 뒤가 아니라 그냥 뻥 뚫려 있는 앞쪽으로 빠져나와 버릴 수 있다. 그래서 램제트 엔진은 20세기 초반에 처음 아이디어가 등장한 이래 실제 항공기에 쓰인 사례가 거의 없다.[4]
하지만 초음속에서라면 이야기가 달라진다. 초음속에서는 상류의 유체가 하류에서 어떤일이 일어나는지와 상관없이 그냥 달려오기 때문에, [5] 일단 엔진의 공기흡입구까지는 역류문제 없이 공기가 밀려들어온다. 그렇게 밀려 들어온 공기가 갑자기 엔진 내부의 완전히 다른 압력과 온도에서 유량을 유지하기 위해서 (즉 질량보존의 법칙을 만족하기 위해서) 자연스럽게 충격파를 발생시키는데, 이 충격파를 통과하는 공기는 압력이 급상승한다. 이러한 충격파의 성질을 이용하여 공기흡입구의 설계를 잘 하면 제법 괜찮은 압축효율을 얻을 수 있다. 반대로 일반적인 터보팬 / 터보제트 엔진은 마하 2만 넘어가도 압축기의 블레이드에서 난사되는 충격파 때문에 압축기의 효율이 크게 떨어진다. 그래서 마하 2.5 이상에서는 충격파만으로 공기를 압축하는 램제트 형태가 터보팬 / 터보제트 엔진보다 더 효율이 높다.
이 때문에 램제트 엔진은 초음속 비행체에 한하여 종종 쓰이고 있다. 미사일 등 초음속으로 비행을 시작할 수 있는 비행체에도 쓰이고, 유인기인 SR-71의 J58 터보램제트 엔진에도 쓰인다. SR-71에 사용된 엔진은 공기흡입구쪽에 개폐식의 공기 통로가 2개가 있는데, 마하 2 근처까지는 램제트쪽의 작은 공기통로를 막고 터보제트 엔진으로 작동하다가, 그 이상이 되면 이번에는 압축기쪽의 공기통로를 막고 공기가 엔진 둘레를 흘러 바로 엔진 뒤쪽의 애프터버너로 넘어가 여기서 연소과정이 이뤄지는 램제트 엔진으로서 작동한다. 즉 애프터버너가 램제트 엔진의 연소실이 되는 셈이다. 다만 SR-71의 램제트 모드는 불안정해서 엔진이 자주 멈추었으므로, SR-71 조종사들은 필수적으로 비행중에 엔진을 재가동하는 훈련을 받아야했다.
이 외에도 각종 미사일이나 초음속 무인항공기에 램제트 엔진을 사용한다. 다만 SR-71의 터보램제트 엔진이 아닌 순수 램제트 엔진은 앞서 언급한대로 저속에서는 추력고자신세를 못 면하기 때문에, 스스로의 힘만으로는 도저히 속도 0에서 초음속까지 가속이 어렵다. 그래서 보통 이런 램제트를 사용하는 비행체들은 별도의 로켓 부스터나 재래식 터보 제트/터보 팬 엔진으로 초음속 근처까지 가속한 다음 램제트 엔진을 작동시키는 방식을 사용한다.
3. 덕티드 로켓
한편 종전의 로켓 엔진에 산소를 공급해주는 산화제를 넣는 대신, 로켓 연료와 외부에서 들어오는 공기를 섞어서 추력을 만드는 램제트 엔진과 로켓 엔진을 합친듯한 물건도 있다. 이를 덕티드 로켓, 또는 램 로켓이라고 부른다. 가스 발생기에서 고체 추진제를 1차적으로 과잉 연료 연소 상태[6]로 연소시키고, 2차 연소기로 연료 가스를 흡입공기와 연소시켜 추력을 생성하는데, 액체연료 램제트 엔진에 비해 연료 공급 계통이 매우 간단하고 고고도 / 고기동을 요하는 미사일에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. MBDA 미티어 공대공 미사일이 덕티드 로켓을 사용하는 것으로 유명하다.
4. 스크램제트 엔진
램제트 엔진은 마하 2 이상에서 좋은 효율을 보이지만, 마하 5를 넘어가는 극초음속이 되면 제 성능을 내기 어려워진다. 엔진의 연소실의 공기는 아음속(마하 1 미만)에서 이루어져야 하는데, 마하 5 이상의 속도에서 충격파를 이용하여 아음속까지 속도를 낮추려면 충격파가 너무 강력해져서 효율이 크게 떨어지거나, 내부 압력과 온도가 지나치게 올라가 버리기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 아예 연소실 내부를 지나는 공기도 초음속으로 흐르도록 하자...라고 하여 등장한 것이 스크램제트다. 스크램제트(scramjet)는 Supersonic Combustion RAMJET의 약자로, 즉 초음속 연소 램제트 엔진이다. 강력한 하나의 수직 충격파(Normal Shock)로 압축을 하는 램제트와는 달리 스크램제트는 약한 여러개의 경사 충격파(Oblique Shock)[7]를 거치면서 공기가 압축된다.
초음속 연소가 말은 쉽지만, 초음속으로 흐르는 공기에 연료를 분사하여 불을 당긴다는 것은 매우 어렵다. 비유하자면 태풍 속에서 성냥불을 켜는 격. 이렇게 빠른 공기 흐름에서는 공기 속에 뿌려진 연료가 제대로 공기와 섞이지 않고 그냥 긴 띠 형태로 흘러버리기 쉽기 때문에 공기와 연료가 제대로 섞이도록 하는 것이 관건이다. 또한 길어봐야 1~2 m 이내인 연소관 내부에서 연소과정이 이뤄지도록 하는 것도 문제이다. 1~2m 정도의 거리는 음속(340m/s)[8]이 넘는 속력의 공기가 0.002~0.004초 이내에 지나가버린다. 그렇기 때문에 연소관 내에서 빠르게 공기와 연료를 섞어서 불까지 붙이는 것이 설계의 중점. 그래서 스크램제트엔진에서 화염 안정기(flame holder)를 잘 디자인하는 것이 매우 중요하다. 실제로 스크램제트 연소의 대부분은 이 화염 안정기 뒷부분에 만들어지는 아음속 지역에서 일어난다. 이러한 최근의 설계 경향 때문에, 옛날 전공서적에서 스크램제트를 '초음속에서 연소가 일어나는 엔진'이라고 설명했던 것과는 달리, 요새는 대체로 '연소실로 들어오는 공기가 초음속인 엔진'이라고 설명하는 경향이 있다.
스크램제트 엔진은 1960년대부터 연구되어 왔으나 상용화는 되지 못했다. 냉전시기 동안 미국에서 대륙간 핵공격 수단으로 로켓과 함께 개발했지만, 로켓이 너무 잘 되는 바람에 (...) 결국 스크램제트 연구를 중단시켰다. 반면에 소련은 계속 연구를 진행하여 상당한 성과를 보았지만, 1990년대 소련이 붕괴하면서 연구비가 부족해져서 연구 중단 크리를 먹었다. 이후 2000년대가 되면서 소련의 연구 자료들이 서방 세계로 조금씩 흘러들고, 연구비에 쪼들린 러시아의 연구자들이 서방 세계와의 공동 연구에 적극 나서면서 스크램제트 연구가 다시 활기를 띄게 되었다. 그래서 현재 전세계의 거의 모든 스크램제트 프로토타입은 옛 소련의 디자인을 그대로 따라하고 있다.
스크램제트 엔진은 만들기 어렵지만, 일단 발전만 시킨다면 마하 6이상은 기본이며 마하 15의 항공기도 가능하다. 그래서 록히드 마틴이 최근에 밀고 있는 표어가 바로 '이제부터는 속도가 스텔스이다 (Speed is the new stealth)'.
스크램제트 엔진의 장점은 로켓 엔진보다 효율이 좋다는 것이다. 일단 연료와 함께 산화제까지 싣고 날아가야 하는 로켓에 비해 (즉 연료 무게가 2배), 스크램제트는 연료만 탑재하고 산화제로 공기를 빨아들인다. [11] 그래서 로켓 엔진보다 더 작고 가볍게 만들수 있고, 대량 생산이 가능해지면 가격도 더 저렴해질 가능성이 있다. 그리고 구조가 하나의 긴 관에 가까울 정도로 단순하다는 것도 장점이다.
단점으로는 작은 변화에도 쉽게 불안정해지고, 비행체의 속도와 방향이 급격히 바뀔 경우 엔진이 정지할 수 있으며, 심지어는 엔진 자체가 파괴되기도 한다는 점을 들 수 있다. 스크램제트 내부는 엄청나게 높은 온도와 압력, 그리고 여러 충격파 때문에 이미 극한 상황에 있기 때문에, 여기에 작은 불안정성이 가해져도 이것이 순식간에 증폭되어 엔진을 파괴시킬 수 있다. 엔진이 파괴되지 않더라도 한번 엔진이 정지하면서 속력이 떨어질 경우, 꺼진 엔진을 재가동하는 것은 매우 어렵다. 이러한 불안정성 문제는 스크램제트의 근간인 경사 충격파의 원리에서 오는 것이라 해결하기가 매우 힘들다. 그래서 스크램제트는 일정하게 순항하는 비행체로는 사용할 수 있어도, 급기동을 해야하는 요격미사일로는 사용할 수 없다. 또, 당연하지만 산화제가 같이 달려있는 로켓 엔진과는 달리 공기가 없는 우주에서는 사용할 수 없다.
2000년대 들어 NASA의 X-43이 이 스크램제트 엔진으로 비행에 성공하였다. 실제 스크램제트 엔진은 겨우 수 초간 작동한 것이지만..
2013년 5월 1일 보잉 X-51 웨이브 라이더가 스크램제트로 3분간 마하5 비행에 성공하였다.
최근에 중국이 스크램제트 엔진 연구에 많은 투자를 하고 있는데, 2017년 12월 언론보도에 따르면 상당히 연구가 진척된 것으로 보인다. SBS 보도자료 물론 기사의 소스가 도쿄에 기반을 둔 호주의 외교전문잡지가 익명의 미국 소식통을 인용해 중국의 비공개 실험을 보도한 내용이고, 여기에 한국 기자의 설레발이 더해진 터라 내용을 걸러서 볼 필요가 있다. 그래도 최소한 수분간 소형의 스크램제트 엔진을 비행시킬 기술력까지는 확보한 듯하다.
5. 복합 사이클 엔진
램제트 엔진이 작동하기 위해서 최소 마하 1을 상회하는 속도가 필요한 것처럼, 스크램제트 엔진이 작동하기 위해서는 마하 4~5 이상의 속도가 뒷받침되어야 한다. 이렇게 터보제트(터보팬) / 램제트 / 스크램제트 엔진은 각각 다른 속도에서 최적의 성능을 가지기 때문에, SR-71의 J58 터보램제트 엔진처럼 하나의 추진시스템으로 아음속에서 초음속까지, 초음속에서 극초음속까지 하나의 엔진으로 작동하는 하이브리드 시스템을 복합 사이클 엔진이라고 한다.5.1. 일체형 로켓 램제트
일체형 로켓 램제트(Integrated Rocket Ramjet)는 고체연료 부스터와 램제트 엔진을 일체화시킨 복합 사이클 엔진으로, 부스터를 사용하여 일정 속도 영역 이상까지 가속시킨 뒤, 램제트 모드로 전환하면서 부스터가 있던 자리를 램제트 엔진의 연소실로 사용하는 방식이다. 부스터를 외부에 장착하는 시스템에 비해 크기를 많이 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 램제트 모드로 변환하는 과정은 진동이 많이 발생하기 때문에 안정적으로 연소시키기가 까다롭다는 문제가 있다. 이 방식을 사용하는 대표적인 미사일로 MBDA 미티어와 ASM-3가 있다.
5.2. 이중연소 램제트
이중연소 램제트(Dual Combustion Ramjet)는 램제트 엔진과 스크램제트 엔진을 일체화시킨 복합 사이클 엔진으로, 두 개의 연소실을 가지고 있다는 점이 특징이다. 흡입구(Inlet)로 유입된 공기는 수직 충격파로 초음속으로 감속된 뒤 격리기(isolator)에 의해 두 개의 유로로 나뉘어지는데, 램 흡입구 쪽으로 공기가 흘러가 연료 과농 상태로 램 연소기에서 연소된 후 스크램 연소기로 공급된다. 스크램 연소기에서는 스크램 흡입구로 흘러가는 공기와 램 연소기에서 연료 가스를 적절히 섞어 연소시킨다. 항공기용 엔진으로도 사용하는 것을 염두에 둔 이중모드 램제트 엔진과는 달리 순항미사일용 엔진으로 설계되었고, 연료 또한 미사일용 탄화수소 계열 연료를 사용한다. 미 해군의 HyFly(Hypersonic Flight Demonstration) 프로그램에 채택되어 시험되었으며, 현재 국방과학연구소에서 차세대 순항미사일용 엔진으로 연구 중이다.
5.3. 이중모드 램제트
이중모드 램제트(Dual Mode Ramjet)는 하나의 연소기에서 아음속 연소와 초음속 연소를 할 수 있도록 개발된 램제트 엔진이다. 램 모드로 작동하는 마하 1~4의 속도 영역에서는 연소기 전방 격리기(isolator)에서 수직 충격파를 발생시켜 공기를 감속시키고 아음속 연소 상태로 만들어 램제트 엔진처럼 연소시키며, 스크램 모드로 작동하는 마하 4 이상으로 속도가 증가하면 격리기로 들어오는 공기도 초음속으로 변하고, 스크램제트 엔진처럼 초음속 흐름상태에서 연소가 이루어진다.
[1] "In a ramjet, the high pressure is produced by "ramming" external air into the combustor using the forward speed of the vehicle", NASA 교육자료[2] 꼭 램제트 엔진이 아니더라도 일반 제트 엔진의 공기흡입구에서도 비슷한 효과가 나오며, 이렇게 올라가는 압력을 ram pressure라 부른다. 또한 별도의 흡입기나 압축기 없이 자동차나 비행기가 앞으로 달려가면서 맞바람이 들어오는 것을 그대로 이용하는 공기흡입구를 ram air inlet이라 부른다.[3] 지상 기준, 고도 12km에서는 약 1300km/h 정도다.[4] 다만 압력에 의해 자동으로 개폐되는 셔터 비슷하게 생긴 마개로 막아 공기흡입구를 통한 역류를 방지한 엔진이 있는데, 이걸 펄스제트 엔진이라고 한다.[5] 그래서 초음속에서만 충격파가 발생하는 것이다. 하류까지 그냥 밀려온 유체가 갑작스러운 변화에 급격히 반응하다가 충격파 발생. 여기서 왜 초음속에서는 하류의 정보가 상류로 전파되지 않는지를 이해하기 위해서는 대학 4학년에서 석사과정 수준의 전공지식이 필요하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 간단하게 말하면 매질(공기)에서 파동의 속도(즉 음속)보다 매질 자체의 속도가 빨라서 그렇다.[6] 연소 장치에서 필요량 이상으로 연료를 공급해서, 연소된 상태에서도 연료가 가스 상태로 남는 것.[7] 수직 충격파와 경사 충격파를 구분하는 기준은 충격파의 각도가 유체의 진행 방향에 수직인가(normal) 아니면 경사가 졌는가(oblique)이다. '어떠한 상황에서 충격파의 각도가 바뀌는가'와 '왜 충격파의 각도가 클수록(즉 수직에 가까울수록) 충격파의 위력이 강해지는가'에 대한 대답은 학부 고학년 수준의 공기역학 수업을 들으면 대략적으로 알 수 있다[8] 정확히 말하자면 스크램제트 내부에서 음속이 340 m/s가 아니라 더 빠르다. 음속은 온도나 공기의 조성 등 환경에 따라 바뀌는데, 스크램제트의 연속관 내로 들어오는 공기는 이미 여러차례 충격파를 통과하면서 온도가 급상승했기 때문이다.[9] 다만 2019년 현재까지 발표된 록히드 마틴의 자료에 따르면, SR-72에는 스크램제트 엔진이 아니라 램제트 엔진이 사용될 것 같다.[10] 틀린 말은 전혀 아닌 것이, 마하 3.3짜리 SR-71도 일반적인 상황에서는 지대공 미사일이 따라잡지를 못해서 4,000회에 달하는 격추 시도를 모두 회피하였으며, 최고속도 마하 2.8짜리 MiG-31이 미리 타이밍을 맞춰 이륙해 접근하여 육안으로도 보일 거리인 약 2.4km 아래까지 따라잡은 것이 거의 유일한 위기였다. 마하 3.3도 이런데 마하 6이 넘는 항공기면 레이더에 잡혀도 미사일이고 전술기고 할 수 있는게 없다. SR-71만 돼도 레이더 세 번 돌면 탐지 범위에서 사라지는데, 그 이상의 물건은 뭐...[11] 참고로 마하 5가 넘어가는 속도에서 작동할 수 있는 엔진은 현재까지 로켓과 스크램제트밖에 없다. 로켓의 경우 액체로켓이든 고체로켓이든 산화제가 필연적으로 들어가서, 중량과 부피가 크게 증가하지만, 연료효율을 희생시켜 무지막지한 출력으로 늘어난 중량.부피를 커버한다.