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문제 정의
- 본 논문에서는 미국, 중국, 러시아, 일본, 인도, 유럽에서 개발했거나 현재 개발 중인 극초음속 활공 비행체의 특성, 비행시험 사례 및 연구개발 동향에 대해 조사/분석하였다.
제안 방법
- 2017년 11월에 실시된 2번의 비행시험은 DF-17(둥펑-17) 미사일에 DF-ZF를 탑재하는 시험으로써 내몽골 주취안(Jiuquan) 위성발사센터에서 발사하여 신장(Xinjiang) 지역에 있는 목표물에 도달함으로써 성공리에 수행되었다. 2017년 11월 1일 비행시험은 DF-ZF가 부스터에서 분리되어 마하수 10 정도로 대기권 재진입 후 약 60km 고도에서 11분간 1,400km를 활공하였다[37].
- DARPA는 Falcon 프로그램의 후속으로 HTV-2의세 번째 비행시험 성격도 띄면서 신속 글로벌 타격 무기와 극초음속 비행기 개발에 필요한 기술 검증을 위해 IH(Integrated Hypersonics) 프로그램을 계획했다[21]. 공기역학, 제어, 열설계 분야에서 HTV-2 비행시험으로부터 얻는 경험을 바탕으로 Fig. 8과 같이 HX(Hypersonic X-plane) 활공 비행체 형상을 개념설계 했으며, HTV-2보다 비행체 공력과 제어 능력을 증대하기 위해 양향비(L/D)를 20% 크게 하고 비행 제어 능력을 2배 증가시키며, 또한 25% 이상 마진을 가진 열보호 시스템으로 개선하려고 하였다. 또한 비행체 외피(aeroshell) 가열을 감소시키고 비행경로 각을 완화하기 위해 즉, 높은 원지점(apogee)에서 하강 및 이어지는 근지점(perigee)에서 급격한 상승(pull-up)을 피하기 위해 Fig.
- 0로 증가시킨 날개(winged) 형상, 마하수 20에서 견딜 수 있는 비행체 외피용 내열재료, 기동성(maneuverability), 극초음속 순항 및 재진입시 장거리 통신 등의 검증이 주목표이었다. 그러나 HTV-1비행체의 선단부를 일체형 탄소/탄소(C/C) 복합재로 제작 중에 층간 박리되어 HTV-1 비행체는 제작하지 않고, 그 대신에 HTV-2 비행체 선단부를 날카롭고, 얇은 여러 조각의 복합재로 제작하였다[13,15].
- 미국 DARPA와 공군 주도 하에 진행된 Falcon(Force application and launch from continental United States) 프로그램은 극초음속 순항 비행체(Hypersonic Cruise Vehicle, 이하 HCV) 및 HCV를 순항속도까지 가속시키거나 소형 인공위성(450kg)을 저궤도(185 km)에 진입시킬 수 있는 저비용 소형 발사체(small launch vehicle)에 요구되는 핵심기술 개발과 검증을 목표로 2003년에 시작되었다[13]. 극초음속 기술 실증기 HTV(Hypersonic Technology Vehicle)를 이용한 단계적 비행시험을 계획하였으며, 이와 관련하여 극초음속 비행체의 개발 단계와 주요 기술 및 용도는 Fig. 2와 같다.
- 러시아는 2011년부터 Zircon 극초음속 미사일(마하수 6~8, 고도 30~40km, 스크램제트)을 개발하여 2017년 4월과 2018년 12월 비행시험(최대 마하수 8)에 성공했으며, 2023년경에 군에서 운용할 예정이다. 또한 Iskander 미사일을 개량한 Kinzhal 극초음속 미사일(마하수 10, 고체로켓)을 개발하여 MiG-31K 전투기에 탑재하였다[6,7].
- 비행시험 결과 선단부 구조물은 우수한 내열 특성을 보이었다. 또한 능동 냉각을 위해 질소를 냉각재로 사용하는 다공성 C/C(기공율 12%, 밀도 1,400kg/m3)를 적용한 분출냉각(transpiration cooling) 용 판넬(AKTiV)을 제작하여 선단부 측면에 장착하였고, 높은 냉각 효율을 확인하였다[55-57].
- 8과 같이 HX(Hypersonic X-plane) 활공 비행체 형상을 개념설계 했으며, HTV-2보다 비행체 공력과 제어 능력을 증대하기 위해 양향비(L/D)를 20% 크게 하고 비행 제어 능력을 2배 증가시키며, 또한 25% 이상 마진을 가진 열보호 시스템으로 개선하려고 하였다. 또한 비행체 외피(aeroshell) 가열을 감소시키고 비행경로 각을 완화하기 위해 즉, 높은 원지점(apogee)에서 하강 및 이어지는 근지점(perigee)에서 급격한 상승(pull-up)을 피하기 위해 Fig. 6에서 보듯이 대기권을 재진입하는 HTV-2 궤적(청색) 대신에 대기권내 평형 활공(equilibrium gliding) 궤적으로 바로 진입(녹색)하도록 부스터 발사 시스템을 개선하려고 하였다. 또한 사거리 증대를 위해 활공 비행체에 작은 로켓(가스발생기)을 탑재하여 Fig.
- 6에서 보듯이 대기권을 재진입하는 HTV-2 궤적(청색) 대신에 대기권내 평형 활공(equilibrium gliding) 궤적으로 바로 진입(녹색)하도록 부스터 발사 시스템을 개선하려고 하였다. 또한 사거리 증대를 위해 활공 비행체에 작은 로켓(가스발생기)을 탑재하여 Fig. 9에서 보듯이 순항 비행 동안에 주기적으로 재상승(reboost)시키는 다중연소 추진시스템을 고려하였다. IH 프로그램은 열방호 시스템과 고온 구조물, 공기역학, 유도-항법-제어(GNC), 사거리와 측정시스템(실시간 온도, 삭마 등), 추진기관 등 5가지 기술 영역에서 극초음속 기술 향상에 목적을 두었으나 IH 프로그램은 착수되지 않았다.
- 첫 번째 비행시험의 경우 극한 받음각(최대 89°)에서 비행 능력을 검증하려고 계획하였으나 예상보다 큰 Yaw가 Roll과 결합되어 비행체 플랩(flap)의 제어 범위를 초과했고, 이에 대한 개선책으로 비행체 무게중심(CG) 조정, 받음각(AoA) 감소, 제어 능력 증대를 위한 RCS 등 3가지를 두 번째 비행시험에 적용하였다.
대상 데이터
- “Project 4202” 하에서 제작된 활공 비행체인 Yu71을 장착한 SS-19 ICBM의 첫 번째 비행시험은 2011년 12월에 카자흐스탄의 Baikonur 발사장에서 실시되었다.
- AHW 활공 비행체는 다양한 내열금속(티타늄, 텅스텐 등)과 복합재(탄소섬유, 실리카 등)로 제작되었다. 1개 리튬 이온 액추에이터 배터리 및 2개 리튬이온과 5개 니켈 망간 수소화물 배터리(1.4~27.3kg/개)로 전원을 공급받으며, 압축 질소가스(약 1.4kg), 무선주파수 트랜스미터(5~20W), 무선주파수 펄스(최대 400W), 10개 소형 전기기폭장치 등을 탑재하고 있다[24,26].
- 2014년부터 2016년까지 7번의 비행시험은 중국 서부 산시성(우자이) 타이위안 위성발사센터에서 수행한 DF-ZF 개발시험이었다. 2017년 11월에 실시된 2번의 비행시험은 DF-17(둥펑-17) 미사일에 DF-ZF를 탑재하는 시험으로써 내몽골 주취안(Jiuquan) 위성발사센터에서 발사하여 신장(Xinjiang) 지역에 있는 목표물에 도달함으로써 성공리에 수행되었다.
- C-HGB의 비행시험 1호기는 2017년 10월에, 비행 시험 2호기는 2020년 3월 19일에 하와이의 Kauai에서 발사되어 극초음속 활공으로 목표지점에 도달함으로써 계획된 비행시험에 성공하였다. 육군은 Fig.
- SHEFEX(SHarp Edge Flight EXperiment)는 독일항공우주센터(DLR) 주도로 대기권 재진입 능력을 가진 우주캡슐, 극초음속 비행체, 우주 비행기의 소재(복합재), 능동/수동냉각, 비행제어, 항법 등을 검증하기 위해 포물선 궤적으로 비행하면서 대기권 내 하강 구간 (100~20km)에서 팔각형의 날카로운 선단부(octagonal sharp leading edge)를 가진 비행체의 극초음속 특성을 연구하는 저비용 재진입 비행시험 프로젝트이다. SHEFEX I은 2005년 10월에, SHEFEX II는 2012년 6월에 2단형 고체 부스터에 의해 발사되어 포물선 궤적으로 각각 고도 200km, 180km에 올라간 후 마하수 5.6(@80km)~6.2(@26km), 10.2(@101km)~9.3(@30km)으로 하강하면서 온도, 압력, 열유속 등 측정 데이터 및 영상을 획득했으며, SHEFEX III은 2021년에 발사할 예정이다[54,55].
- 첫번째 연구용 활공 비행체는 102E로, 이를 탑재한 시스템은 15Yu70 또는 Yu-70으로 칭하였다. 부스터로는 UR-100NUTTH(SS-19) ICBM이 사용되었고, HGV 는 SDI 미사일 방어체계로부터 탐지되지 않도록 하기 위해 약 70~80 km의 고도를 비행하면서 기동성을 가지게 설계되었다. 1990년 초에 비행시험을 2회 수행하여 Kamchatka에 있는 시험장에 성공적으로 도달하였으나 비행시험 중에 HGV를 부스터에서 분리하지 않았다.
- ) 섬유로 된 유연한 단열재로 덮여져 있다. 비행체 길이는 4.40m, 폭은 1.36m, 무게는 1,073kg이며, 항법은 IMU(Inertia Measurement Unit)를, 자세제어는 RCS와 elevon 액추에이터를 사용하였다. 비행체에는 온도 센서(87개), 압력 센서 (29개), 스트레인 센서(4개), 플라즈마 측정을 위한 Reflectometer 안테나(2개) 등이 장착되었고 비행시험 동안에 유용한 데이터를 획득하였다[48,49].
- Figure 23은 SHEFEX II 활공 비행체 및 일부 구성품 형상을 보여준다. 비행체 선단부의 열보호 판넬용으로 ASTRIUM 등에서 개발한 C/C-SiC(밀도 1,900 kg/m3)가 적용되었고, 선단부 판넬 체결용 볼트, 너트, 와셔 등도 CMC(Ceramic Matrix Composite)로 제작되었다. 비행시험 결과 선단부 구조물은 우수한 내열 특성을 보이었다.
- 36m, 무게는 1,073kg이며, 항법은 IMU(Inertia Measurement Unit)를, 자세제어는 RCS와 elevon 액추에이터를 사용하였다. 비행체에는 온도 센서(87개), 압력 센서 (29개), 스트레인 센서(4개), 플라즈마 측정을 위한 Reflectometer 안테나(2개) 등이 장착되었고 비행시험 동안에 유용한 데이터를 획득하였다[48,49].
- 소련은 미국의 SDI(Strategic Defense Initiative)에 대응하기 위한 연구를 1985년에 시작하였고, 이러한 연구의 일환으로 NPOMash(NPO Mashinostroyeniya, Chelomey Design Bureau)가 “Gliding Winged Reentry Vehicle”이라고 불리는 HGV 연구를 처음으로 제안하고 Albatross 프로젝트 통해 수행하였다. 첫번째 연구용 활공 비행체는 102E로, 이를 탑재한 시스템은 15Yu70 또는 Yu-70으로 칭하였다. 부스터로는 UR-100NUTTH(SS-19) ICBM이 사용되었고, HGV 는 SDI 미사일 방어체계로부터 탐지되지 않도록 하기 위해 약 70~80 km의 고도를 비행하면서 기동성을 가지게 설계되었다.
- HTV-2 구조물은 내열금속(티타늄, 텅스텐 등)과 복합재(탄소섬유, 실리카 등)로 제작되었다. 탑재체로는 4개의 리튬이온과 리튬 티오닐 염화물 배터리(0.5~18.5kg/개), 약 1.4kg의 압축 질소가스, 5~20W 무선주파수 트랜스미터, 최대 900 W 무선 주파수 펄스, 소형 C급 전기기폭장치(10개) 등이 있다[17,19].
성능/효과
- 1) 미국은 높은 양향비를 가진 날개 형상의 HTV-2 HGV를 개발하여 비행시험을 2회 수행했지만 대기권재진입 직후 예상보다 큰 Yaw와 Roll 발생으로 비행제어가 불가능하여 모두 실패하였고, 이와 비슷한 시기에 개발된 원뿔 형상의 AHW HGV는 비탄도 활공 궤적에 따라 극초음속으로 3,700km 거리를 30분간 성공적으로 비행함으로써 극초음속 활공 비행 가능성을 확인하였다. 최근에는 TBG, C-HGB 등 HGV 자체 개발뿐만 아니라 부스터와 결합된 지상/함정 (잠수함)/공중 발사 미사일인 LRHW, ARRW 등을 개발하고 있다.
후속연구
- 3) 극초음속 활공 비행체 개발 관련 핵심기술로는 대기권내에서 공기 마찰로 인해 야기되는 약 2,000℃ 고온에 견디는 비행체 내열 설계와 소재(복합재료), 대기권 진입 직후의 비행 공력, 극초음속으로 활공하는 넓은 운용 영역에서 작동 가능하고 비행체를 둘러싸고 있는 플라즈마에 영향을 받지 않는 센서, 항법, 유도, 제어 시스템 등이 있으며, 향후에도 이러한 핵심기술을 더욱 더 발전시키기 위한 많은 연구가 진행될 것으로 예상된다.
- 또한 V-max(Véhicule manoeuvrant expérimental) 프로젝트로 마하수 5 이상의 공중발사 극초음속 활공 비행체를 개발하여 2021년 말까지 첫 비행시험 예정이다.
- 중국은 고속 비행체(미사일, 항공기 등) 기술시험을 위해 극초음속 지상시험설비를 보강하고 있으며, 근래에는 기보유한 풍동 JF-12(마하수 5~9, 전온도 1,500~3,500K), FD-21(마하수 10~15) 등보다 빠른 마하수 25까지의 극초음속 비행환경을 모사할 수 있는 전장 265m의 대형 극초음속 풍동(hypersonic wind tunnel)을 건설 중이며 2020년에 완공할 예정이다. 이는 세계에서 가장 빠른 속도를 지상에서 묘사할 수 있는 풍동시험 설비이며, 중국은 극초음속 연구에 보다 박차를 가할 것으로 보인다. Fig.
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