작성일 : 21-02-08 17:14
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한국의 경우 미국, 프랑스, 러시아, 일본과 같은 강대국들에 비해 극초음속 관련 기술 개발에 있어서 후발주자에 속하지만 90년대 이후에 기초적인 연구가 본격적으로 개시하면서 개발국 대열에 합류했다.
프랑스와 독일이 공동창립한 생 루이 연구소(Institde of Saint-Louis, ISL)
1997년 12월, 서울대에서 초음속 연소기와 램가속기에 대한 수치적 연구를 시작한 것에 이어 1999년 부터 프랑스-독일의 공동연구소인 생 루이 연구소와 공동으로 램가속기에 관한 시뮬레이션 연구를 진행했다. 2000년 부터 일본의 도쿄대와 호주 국립대의 초음속 연구 프로젝트에도 참여했다.
한국과학재단의 지원 아래에 1998년 부터 초음속 연소에 대한 기초적인 실험 및 수치 해석이 진행된 것에 이어 2000년 부터 부산대-인하대-울산대-충남대의 공동연구 아래에 연료공기 혼합 및 연소파장에 대한 수치 해석과 초음속 내부 유동의 추력 측정 기법에 대한 기초적인 연구도 진행되었다. 미 공군의 지원아래에 시행한 공동 연구에선 스크램제트 엔진 내의 연소 과정에서 발생하는 분사제트의 비정상 거동 현상에 의한 초음속 연소 불안정 문제가 최초로 연구되었다.
2006년, 시험 발사되는 HyShot III 발사체. 마하 7.6의 속도로 비행했다. 사진 출처 http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4832254.stm
호주의 퀸즐랜드 대학(University of Queensland)의 극초음속 연구센터와 호주 국방부, 영국의 방산기업 키네틱(Qinetiq) 등의 주도로 시행된 HyShot 초음속 발사체 프로젝트 연구 과정에 한국도 참여할 수 있었다. Hyshot I, II 프로그램에서 한국은 스크램제트 엔진의 공기 흡입구 및 연소 유동장 해석을 수행했고 HyShot III의 지상 시험 및 비행 시험에 참여해 호주의 극초음속 기술을 체계적으로 습득할 수 있게 되었다.
한국항공우주연구소와 국방과학연구소(ADD) 그리고 삼성테크윈(주)(현 한화테크윈) 등의 연구소와 기업에서도 스크램제트와 램제트 추진기관에 대한 연구를 본격적으로 진행하기 시작했다.
국방과학연구소는 2003년, 액체 램제트의 연소 현상을 연구하기 위해 소형 직접 연결식 장치에 대한 개념 연구를 시행하였다. 해당 논문에서 설계한 실험 장치는 공기 저장 탱크, 감속기, 차압식 유량계, 공기가열기, 흡입관, 연료공급장치, 냉각장치, 안정장치 등으로 구성되어 있으며 해당 실험 장치를 통해 연소 과정 중 발생하는 불안정 현상에 대한 데이터를 습득할 수 있었다.
이미지 출처-쉘든의 밀리터리(https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=jhst3103&logNo=220950799926&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
그리고 2004년 부터 2007년 까지 실시한 연구에서 액체 램제트 연소 시험을 통해 추진 기관을 비롯한 핵심부품에 대한 설계 기술을 마련하는데 성공했다. 이렇게 액체 램제트 추진 기관에 대한 핵심 기술을 확보한 ADD는 2010년 부터 HYPAR 퓨전형(이중연소 램제트) 극초음속 핵심기술 응용 연구 과제를 시행하면서 본격적인 극초음속 미사일 관련 핵심기술 확보에 나설 수 있게 되었다. 그렇게 연구 개발을 2012년에 완료한 뒤 2013년에 특허로 제출할 수 있었다. 그리고 2011년 부터 2017년 까지 초고속 공기흡입엔진 특화연구실 설치도 이루어졌으며 스크램제트 엔진 모의 엔진실험 시설도 도입했다.
2013년 국과연에서 특허로 제출한 최소 마하 2 이상의 속도를 자랑하는 이중연소 램제트 추진체 이미지 출처-https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=jhst3103&logNo=220950799926&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
(이미지 출처-http://www.dt.co.kr/contents.htm?article_no=2008112602010251731002
한국항공우주연구원(KARI)도 본격적인 개발에 나서 2008년, 마하 6.7의 스크램제트 엔진의 핵심부품을 설계 및 제작하여 일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 극초음속 추진기관 시험설비를 통해 40여 차례 시험을 마치는 데 성공했다.
(이미지 출처-https://m.blog.naver.com/rgm84d/222012947863
2009년 6월, 항우연은 마하 5의 속도를 모사할 수 있는 30m 길이 규모의 독자적인 풍동 시설을 구축하는데 성공했고 2013년, 공기 흡입구 테스트와 2종의 탄화수소 엔진 연소 시험이 시행되었다.
2010년대 들어서 국방과학연구소는 극초음속 미사일에 관한 핵심기술들을 본격적으로 개발하기 시작했다. 2015년 부터 2018년 까지 액체 추진체 시제품(HPTF*-1, HPTF-2)의 개발 및 시험분석평가를 실시한 데 이어 HPTF를 낮은 가격에 제조하는 기술을 개발해 특허로 제출하였다.
*THTCP(Tera-hydro-tricyclo-pentadiene)이라 불리는 포화탄화수소 물질을 첨가해 에너지 밀도를 높인 특수연료.
열보호 소재 개념 및 연구 과제 이미지 출처-https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=jhst3103&logNo=220655494990&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
극초음속 미사일은 단순히 추진 기관만 개발한다고 해서 완성할 수 있는 것이 아니다. 극초음속으로 물체가 비행할 경우 공기와 마찰을 빚게 되면서 섭씨 천 단위의 고온으로 가열되게 되는데 이에 따라 고온에도 견딜 수 있는 소재가 따로 필요하다. 국방과학연구소는 그래서 2011년 부터 2013년 까지 진행된 경사기능 복합재료 개발을 통해 습득한 기술로 2016년 부터 2019년 까지 극초고온 내열복합재, 비대칭구조 열방어 복합재, 극초고온 직물형 레이돔 제조 기술을 개발했다. 이러한 연구 개발 덕에 레이돔, 날개, 비행체의 단열에 관한 핵심 기술을 확보할 수 있게 되었다.
(이미지 출처:https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=jhst3103&logNo=220950799926&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
2010년대 후반 이후부터 한국의 극초음속 미사일 관련 기술 개발이 점차 윤곽을 드러내기 시작했다. 국방과학연구소와 대학교들이 2000년대 초반 부터 꾸준히 진행한 개발 사업의 성과가 누적됨에 따라 극초음속 관련 핵심 기술 연구가 거의 막바지에 도달한 상황이다.
건국대에서 진행한 극초음속 흡입구 유동 특성 연구 ; 이미지 출처-한송이(항공우주정보시스템공학과 항공우주정보시스템공학전공), 3차원 극초음속 흡입구 선두부 형상에 따른 흡입구 유동 특성, 건국대학교 대학원, 2021
이미지 출처-https://www.news1.kr/articles/?4017783
2020년 8월 5일, 정경두 (전) 국방부장관은 국방과학연구소 창립 50주년 기념 행사에서 극초음속 미사일 개발 의사를 공식적으로 천명했다. 주변 강대국들이 극초음속 미사일 경쟁을 하는 상황에서 한국도 뒤쳐질 수 없다는 판단에 최초로 극초음속 미사일 개발을 공식적으로 밝힌 것이다.
또한, 북한의 핵과 미사일 개발로 인해 전략적으로 불리한 환경을 일거에 평형상태로 만들 수 있기 때문이다. 한국은 IAEA와 미국의 엄중한 감시 아래에 철저한 비핵화 정책을 추진해야 하는 국가이므로 북한의 핵개발에 맞대응 성격으로 핵무기를 개발할 수 없다. 그렇기에 한국형 3축 체계(킬 체인, KAMD, KMPR)로 북한의 핵전력을 무력화시키는 대북억제력을 마련하려고 하고 있다. 그러나 우리군이 탐지에 1분, 분석에 1분, 결심에 3분, 타격에는 25분으로 총 30분의 시간을 할애하고 있는 상황에서 사격 진지를 바꾸려고 기동하는 북한의 탄도미사일 TEL(이동식 발사차량)을 기존의 현무 탄도미사일을 비롯한 타격 수단으로 30분 내에 타격하는 것은 힘든 상황이다.
이는 425 사업으로 마련하게 될 5기의 저궤도 정찰 위성의 백업을 받는 다고 가정해도 성공 확률은 희박한 상황이다. 한국군이 현재 보유한 패트리엇 3, 천궁-II 그리고 주한미군의 THAAD라는 탄도탄 요격 수단들이 한반도를 방어하고 있지만 이들 수단만으론 북한의 핵전력을 억제할 수 있는 것도 아니다. 그렇기에 북한 본토 전 지역을 단 7분 내외로 타격할 수 있는 극초음속 미사일이 북한 이동식 탄도미사일 발사차량과 기항중인 탄도미사일 잠수함에 대한 가장 효과적인 타격 수단일 것이다.
현재 기술로도 IR 탐색기로 이동중인 목표를 충분히 포착할 수 있기 때문에 적의 이동식 발사차량을 타격할 수 있다. 현무 탄도미사일도 빠른 속도로 북한 전 지역을 타격할 수 있지만 상승단계와 재진입 단계에서 속도가 감속될 수 있으므로 극초음속 미사일보다 속도 면에서 뒤쳐질 수 밖에 없다. 또한, 이러한 극초음속 기술을 바탕으로 극초음속 공대공 미사일도 개발할 경우 탄도미사일이 가장 취약한 단계인 상승단계에서도 효과적으로 요격할 수 있을 것으로 기대된다.
상승단계에서 미사일이 격추된다면 높은 확률로 북한 본토로 잔해가 낙하해 인명 및 물리적 피해가 야기되거나 최악의 경우 핵탄두가 북한 영토에서 기폭될 수 있는 위험이 높아지므로 북한이 핵무기 사용을 꺼려하게 될 것이라는 전략적 이점도 제공된다. 실제로 상승단계 요격 미사일에 대한 연구도 진행중이다. 그리고 광학 시커를 탑재할 수 있다는 점 때문에 극초음속 대함미사일도 개발중인데 중국 해군과 일본 해상자위대를 상대로 강력한 억제력으로 작용하게 될 것이다.
한국은 이러한 연구 성과들을 바탕으로 2018년 부터 마하 5 이상의 지상발사 극초음속비행체를 개발중이며 2023년 까지 비행시험을 완료할 계획이다. 이외에도 KAIST는 2014년, 초고속비행체특화연구센터를 방위사업청의 지원 아래에 설립해 극초음속 관련 기반 기술을 습득 중이며 방산기업인 현대로템도 이중연소 램제트와 극초음속 비행체에 관한 연구를 진행중이다.
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