초음속 비행 기술이 실험실에서 하늘로 이동하고 있다

한 시간 만에 세계의 한 지역에서 다른 지역으로 날아갈 수 있다고 상상해 보세요, 하루 전체를 걸리는 대신. 흥미롭지 않나요? 

바람만 같은 생각처럼 느껴질 수도 있지만, 새로운 연구가 초음속 비행을 현실에 한 걸음 더 가깝게 만들면서 머지않아 가능해질 전망입니다.

Nature Communications에 발표된 이 연구는 초음속 난류 이해에 대한 획기적인 발견¹을 상세히 다루며, 이는 장거리 여행을 혁신할 수 있습니다. 

초음속 비행에 있어서는 항공기 설계가 성공의 핵심입니다. 이러한 고속 차량을 설계하려면 공기역학적 항력과 열 전달을 정확히 예측해야 하며, 이를 위해서는 이러한 극한 속도에서의 난류에 대한 물리적 이해가 필요합니다.

그 이해를 얻기 위해, 스티븐스 공과대학의 연구원들은 레이저 기반 크립톤 실험을 통해 초음속 속도에서의 난류가 예상보다 느린 흐름과 더 유사하게 행동한다는 것을 제시했습니다.

극한 속도에서의 난류가 낮은 속도에서와 크게 다르지 않을 수 있다는 결과는 초음속 차량 설계를 단순화하고 설계 과정을 효율화하며 초고속 여행을 현실화하는 진전을 가속화할 수 있습니다.

만약 이것이 공상 과학의 영역을 넘어 현실이 된다면, 초음속 비행은 전 세계 여행 방식을 완전히 바꿀 수 있습니다. 현재 10~20시간이 걸리는 장거리 노선도 1시간 정도의 짧은 통근 거리로 변할 수 있습니다.

“정말 지구가 작아지는 느낌입니다,” 라고 스티븐스 공과대학 기계공학부의 공동 저자 니콜라우스 파르지알레가 말했습니다. “여행이 더 빠르고, 더 쉽고, 더 즐거워질 것입니다.”

파르지알레의 연구 초점은 초음속 비행을 현실화하는 데 있습니다. 이는 대략 56마일(약 90km) 이하 고도에서 음속의 5배 이상 속도로 비행하는 것을 의미하며, 이를 마하 5라고 부릅니다.

마하 1은 단순히 음속, 즉 시속 761마일을 의미합니다. 연구자들은 비행 시간을 크게 단축하기 위해 마하 10까지 비행하는 항공기를 개발하려 하고 있지만, 물론 이렇게 높은 속도에서는 공기가 저속일 때와는 다르게 행동합니다.

과학적으로, 마하 1 이하의 저속에서는 비압축성 흐름이 존재합니다. 이는 공기 밀도가 거의 일정하게 유지되어 항공기 설계가 단순해짐을 의미합니다.

하지만 고속에서는 가스가 압축될 수 있기 때문에 압축성 흐름이 발생합니다. 이는 압력과 온도의 변화로 인해 공기 밀도가 크게 변하고, 이러한 압축이 항공기의 비행 방식에 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

“압축성은 공기 흐름이 몸체를 둘러싸는 방식을 바꾸며, 이는 이착륙이나 비행 유지에 필요한 양력, 항력, 추력 등에 영향을 미칩니다,” 이는 모두 항공기 설계의 핵심 요소입니다.

‘낮은 마하’ 수치에서는 엔지니어들이 이러한 공기 흐름이 항공기에 어떻게 작용하고 영향을 미치는지 잘 이해하고 있습니다. 그러나 높은 마하 수치에서는 그 이해가 부족합니다.

하지만 모르코빈 가설이 있습니다. 이 가설은 초음속 및 초음속 압축성 난류에 대한 이해의 기초이며, 가설에 따르면 “우리는 이러한 초음속 전단 흐름의 본질적인 역학이 비압축성 패턴을 따를 것이라고 확신할 수 있다”고 합니다.

반세기 전 마크 모르코빈이 만든 이 가설은 마하 5~6에서 난류 행동이 낮은 속도와 크게 다르지 않다고 제시합니다. 빠른 흐름에서는 공기 밀도와 온도가 더 변하지만, 가설에 따르면 난류의 기본적인 “거친” 움직임은 대부분 동일하게 유지됩니다.

“기본적으로, 모르코빈 가설은 저속과 고속에서 난류 공기의 움직임이 크게 다르지 않다는 것을 의미합니다. 가설이 옳다면, 우리는 이러한 높은 속도에서 난류를 이해하기 위해 완전히 새로운 방식을 필요로 하지 않으며, 느린 흐름에 사용하던 개념을 그대로 적용할 수 있다는 뜻입니다.”

– 파르지알레

이는 또한 크게 다른 설계 접근법이 필요 없음을 의미하므로 초음속 항공기의 설계를 단순화합니다.

하지만 현재까지 가설을 뒷받침할 충분한 실험적 증거가 없었습니다. 따라서 파르지알레와 그의 팀은 도전에 나서 약 10년 동안 이를 위한 실험 장치를 구축했습니다.

그들의 연구 “초음속 난류 양이 모르코빈 가설을 지원한다”에서, 팀은 무색·무취·무미이며 가장 가벼운 비활성 기체인 크립톤을 사용했으며, 이는 대기 중에 극소량만 존재합니다.

레이저를 이용해 파르지알레 팀은 먼저 크립톤을 이온화했습니다. 이 가스를 풍동 내부의 기류에 주입하면 원자들이 일시적으로 빛나는 선을 형성했습니다. 처음에는 직선이었지만, 풍동의 공기를 통과하면서 형광 크립톤 선은 휘어지고 꼬였습니다. 팀은 초고해상도 카메라로 그 움직임을 촬영했습니다.

“그 선이 가스와 함께 움직일 때, 흐름의 주름과 구조를 볼 수 있으며, 이를 통해 난류에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다,” 라고 파르지알레가 말했습니다. “그리고 우리가 발견한 것은 마하 6에서 난류 행동이 거의 비압축성 흐름과 비슷하다는 것입니다.”

연구에 따르면, 실험 데이터는 초음속 및 초음속 압축성 난류에 대한 이해의 근본인 모르코빈 가설을 뒷받침합니다.

모르코빈 가설이 완전히 확인된 것은 아니지만, 이는 중요한 성과입니다. 초음속 비행을 위해 완전히 새로운 설계 접근법이 필요 없다고 제시함으로써 설계를 단순화하고 초음속 비행에 한 걸음 더 다가가게 합니다.

“오늘날 우리는 컴퓨터를 사용해 비행기를 설계하고, 마하 6에서 비행할 비행기를 설계하기 위해 모든 미세한 세부 사항을 시뮬레이션하는 것은 불가능합니다,” 라고 파르지알레가 말했습니다. “모르코빈 가설은 간소화된 가정을 가능하게 하여 초음속 차량 설계에 필요한 계산량을 보다 실현 가능하게 합니다.”

고속 비행에 영향을 미치는 유체역학 연구로 대통령 초기 경력 과학자 및 엔지니어 상을 받은 파르지알레에 따르면, 연구 결과는 우주 운송을 혁신할 수 있습니다. 그는 다음과 같이 말했습니다:

“초음속 속도로 비행하는 항공기를 만들 수 있다면, 로켓을 발사하는 대신 이를 우주로 날려 보낼 수 있어 저궤도 궤도 진입 및 탈출이 쉬워집니다. 이는 지구뿐 아니라 저궤도에서도 교통에 큰 변화를 가져올 것입니다.”

초음속 비행, 이동성 및 방위 해제 경쟁

초음속 비행은 아직 실현되지 않았지만, 최초의 초음속 여객기인 콩코드가 1976년에 첫 상업 운항을 시작했습니다. 영국과 프랑스가 공동으로 개발한 콩코드는 음속보다 빠르게 비행할 수 있는 초음속 상업용 항공기로, 럭셔리와 속도로 유명했으며 대서양 노선을 운항하며 비행 시간을 절반으로 단축했습니다.

하지만 5만 회 이상의 비행 후, 2003년에 치명적인 추락 사고와 승객 수 감소, 높은 유지비용으로 은퇴했습니다. 이 초기 고속 항공 역사는 향후 노력에 대한 가능성과 한계를 제시했습니다.

콩코드가 실패했지만, 대서양을 몇 시간 만에 횡단할 수 있음을 보여주었고, 현재 조직들은 연료 효율성을 높이고 고속을 달성할 수 있는 항공기 설계에 집중하고 있습니다. 새로운 세대의 제트기도 초음속 비행의 약속을 실현하기 위해 노력하고 있습니다.

상업용 항공기는 아직 극한 속도에 도달하지 못했지만, 군용 항공기는 이미 음속의 약 3배, 즉 마하 3 정도로 비행하고 있습니다. 한편, 많은 초음속 비행 실험이 마하 5보다 훨씬 높은, 심지어 마하 10에 이르는 속도로 진행되었습니다.

이러한 이정표는 초음속 운동이 가능한 최초의 물체까지 거슬러 올라갑니다. 초음속 비행을 위해 제작된 최초의 물체는 1949년의 범퍼 로켓으로, 약 마하 6의 속도에 도달했습니다. 그러나 재진입 시 파괴되었습니다.

이러한 속도를 항공기에서 유지하고 제어하기 위해 새로운 추진 솔루션이 필수적이었습니다.

초음속 비행을 위한 핵심 기술 중 하나는 스크램젯입니다. 초음속 연소 램젯, 즉 스크램젯은 램젯 공기흡입 제트 엔진의 변형으로, 초음속 기류에서 연소가 이루어져 전통적인 램젯보다 초음속 비행에 더 효율적입니다.

고급형 공기흡입 제트 엔진인 스크램젯은 마하 5 이상에서 작동합니다. 움직이는 부품이 없으며, 항공기의 전진 운동을 이용해 연소를 위한 공기를 압축합니다.

스크램젯 이전에, 램젯은 마하 3에서 마하 5까지 가장 효율적인 경로를 제공했으며, 많은 초음속 시스템의 하위 단계로 사용되었습니다. 램젯과 스크램젯 사이에는 마하 3에서 마하 8까지 비행을 가능하게 하는 듀얼모드 램젯이 있어 하나의 엔진에서 두 모드를 전환합니다.

그 다음은 터보 기반 복합 사이클(TBCC) 엔진으로, 전통적인 터보젯과 램젯/스크램젯의 하이브리드입니다. 터보젯은 마하 2~3까지 작동하지만, 더 높은 속도에서는 램젯/스크램젯 모드로 전환됩니다.

다른 종류의 엔진으로는 대기 중 산소와 탑재된 산화제를 사용해 연료를 연소시키는 공기-터보-로켓(ATR) 엔진, 연속 회전 폭발 파동을 이용한 회전 폭발 엔진(RDE), 그리고 프리쿨러를 사용해 초음속 공기를 주변 온도로 냉각시킨 후 로켓 모드로 전환하는 반응 엔진사의 SABRE형 복합 사이클 엔진이 있습니다.
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이러한 혁신은 야심찬 상업적 개념의 길을 열었습니다. 예를 들어, A-HyM Hypersonic Air Master는 마하 7.3에서 운항하는 상업용 항공기를 구상합니다. 이 미래형 제트기 개념은 런던에서 로스앤젤레스까지의 여행을 단 90분 만에 완료할 수 있는 상업용 항공기를 목표로 하며, 약 170명의 승객을 수용할 수 있을 것으로 추정됩니다.

엔진 시스템은 경사 폭발 엔진(ODE), 램젯, 터보젯 기술을 결합한 복합 사이클 구성을 사용할 것입니다. 또한 수소 엔진으로 구동됩니다. 게다가 A-HyM은 티타늄과 탄소 섬유 구조를 갖추며, 소음 문제를 해결하기 위해 음속 폭풍 완화 시스템을 도입할 예정입니다.

음속 폭풍은 물체가 음속보다 빠르게 이동할 때 발생하는 천둥 같은 소음입니다. 단일 ‘붐’이 아니라 물체가 초음속으로 비행하는 동안 지속적으로 발생하는 소리입니다.

그 다음은 베너스 에어로스페이스가 제안한 재사용 가능한 초음속 우주비행기 개념인 스타게이저입니다. 이 개념은 마하 9 정도의 속도와 약 5,000마일의 거리, 100,000피트 이상의 순항 고도를 목표로 하여 전 세계 여행을 위한 초고속 플랫폼으로 자리매김하고 있습니다.

최근, 록히드 마틴 (LMT ) 벤처스는 초음속 미사일 개발 가속을 위한 경쟁이 심화되는 가운데 로켓 추진 스타트업에 전략적 지분을 인수했습니다.

베너스 에어로스페이스는 지속적으로 회전하는 폭발 충격파를 이용해 추력을 생성하는 회전 폭발 로켓 엔진(RDRE) 추진 시스템을 개발했으며, 올해 초 2,000파운드 추력 RDRE의 비행 시험을 완료했습니다. 공개되지 않은 자금은 회사가 ‘대규모 제공 및 엔진 배치를 위한 역량’을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.

따라서 민간 우주항공 기업들은 재사용 가능한 초음속 플랫폼을 가속화하고 있지만, 이들만이 아니라 전 세계 정부 기관들도 첨단 초음속 연구에 투자하고 있습니다.

NASA 엔지니어들은 공군 연구소(AFRL)와 호주 방위 과학기술 조직(DSTO)과 협력해 마하 8 목표 속도를 위한 듀얼모드 램젯/스크램젯을 시험하는 초음속 국제 비행 연구 실험 프로그램(HIFiRE)을 진행하고 있습니다.

호주 정부는 최근 현지 우주항공 기업인 Hypersonix Launch Systems(HLS)에 1천만 달러의 지분 투자를 약속했으며, 이 기업은 마하 12 이상에서 비행하고 수소 연료로 구동되는 항공기를 개발 중입니다. 이들의 독점 스크램젯 엔진은 “SPARTAN”이라 불리며 재사용 가능하고 3D 프린팅되었습니다.

지난 달, GE Aerospace는 미국 국방부의 방위 생산법(Title III) 프로그램 하에 회사의 새로운 고체 연료 램젯으로 구동되는 시연기 ATLAS를 비행 테스트했습니다.

유럽 우주국(ESA)도 자체 초음속 비행 기술을 개발하기 위해 INVICTUS라는 연구 프로그램을 시작했습니다. 이 프로그램은 지속적인 초음속 비행을 위한 핵심 기술을 시연하고, 마하 5에서 비행 가능한 완전 재사용 차량을 목표로 합니다.

초음속 비행 기술에 투자하기

록히드 마틴 코퍼레이션은 첨단 기술 시스템을 설계, 제조, 통합 및 지원하는 항공우주 및 보안 회사입니다. 다음 부문을 통해 운영됩니다:

• 항공
• 미사일 및 화재 제어 (MFC)
• 회전 및 임무 시스템 (RMS)
• 우주 부문

이 회사는 주로 군용 항공기, 공중·해상·지상 기반 미사일 방어 시스템, 군용 및 상업용 헬리콥터, 유인 및 무인 지상 차량, 위성, 우주 운송 시스템 및 에너지 관리 솔루션 개발에 참여합니다.

NASA와 협력하여 록히드 마틴은 음속 폭풍 문제를 구체적으로 해결하기 위해 X-59를 개발했습니다.

길게 늘어난 동체를 특징으로 하는 X-59는 음속 장벽을 돌파할 때 충격파를 재분배하도록 설계되었습니다. 지상에서 인지되는 소음은 약 75데시벨로 감소했으며, ‘자동차 문을 닫는 소리’ 정도의 음향 ‘쿵’만을 발생시킵니다.

지난 달 말, X-59는 스컹크 워크스 팔므데일 시설에서 NASA의 암스트롱 비행 연구 센터까지 최초 비행을 성공했으며, 록히드 마틴은 이를 ‘비행의 미래가 그 어느 때보다 빠르고 조용해질 수 있음을 증명하는 모멘텀’이라고 설명했습니다.

길이는 100피트 미만, 날개 길이는 약 30피트, 높이는 약 14피트입니다. 약 55,000피트 고도에서 순항하며, 마하 1.4, 시속 925마일의 속도에 도달할 수 있습니다.

“X-59는 항공기의 독특한 설계가 생성하는 조용한 음속 폭풍에 대한 수용성을 평가하기 위해 지역 사회 반응 데이터를 수집하는 데 사용될 것입니다. 이 데이터는 NASA가 규제 기관에 상업 초음속 비행에 대한 적절한 소음 기준을 마련하는 데 필요한 정보를 제공하여 육상 초음속 여행 금지를 해제하는 데 도움이 될 것입니다,” 라고 회사는 말합니다. “이 획기적인 진전은 항공기 제조업체에게 완전히 새로운 글로벌 시장을 열어주며, 승객들이 오늘보다 절반의 시간에 전 세계를 여행할 수 있게 할 것입니다.”

록히드 마틴은 NASA와 함께 X-59를 개발했을 뿐만 아니라, 약 마하 6을 목표로 하는 SR-72도 개발 중입니다. SR-71 블랙버드의 개념적 후속 모델에 대해 알려진 바는 적지만, SR-72는 정보, 감시, 정찰용으로 설계되었으며 일반적으로 “블랙버드의 아들”이라고 불립니다.

이 항공기는 2030년대에 서비스에 투입될 수 있는 초음속 항공기로 위치하고 있습니다.

시가총액 1,090억 달러를 가진 록히드 마틴 주식은 현재 470.78달러에 거래되고 있으며, 52주 범위는 410.11달러에서 546.00달러입니다. EPS(TTM)는 17.95, P/E(TTM)는 26.22입니다.

록히드 마틴은 2.93%의 배당 수익률을 지급합니다. 지난 달 초, 주당 3.45달러의 4분기 배당금을 승인했으며, 이는 이전 분기 배당금 대비 5% 증가한 금액입니다. 또한 회사는 2024년 3분기에 배당 및 자사주 매입을 통해 주주에게 18억 달러를 반환했으며, 이는 20억 달러 증가해 총 90억 달러가 되었습니다.

이 기간 동안 매출은 186억 달러, 순이익은 16억 달러(주당 6.95달러)를 기록했습니다. 영업 현금 흐름은 37억 달러였으며, 자유 현금 흐름은 33억 달러였습니다.

록히드 마틴은 또한 1,790억 달러의 사상 최대 주문 잔고를 보고했으며, CEO 짐 타이클렛은 “이는 고객이 우리에게 부여한 신뢰를 강조하고 회사의 장기 성장 전망을 뒷받침한다”라고 말했습니다. 그는 또한 “전례 없는 수요로 인해 우리는 다양한 사업 부문에서 생산 능력을 크게 확대하고 있다”라고 언급했습니다.

최신 록히드 마틴 코퍼레이션 (LMT) 주식 뉴스

결론

초음속 비행은 더 이상 먼 영역이 아니라 검증 가능한 엔지니어링 과제로, 추진 시스템의 획기적인 발전, 재사용 가능한 고속 차량에 대한 전 세계적인 투자, 그리고 수십 년 된 가설을 검증하는 새로운 실험을 통해 현실에 점점 가까워지고 있습니다.

참고 문헌

1. Segall, B. A., Keenoy, T. C., Kokinakos, J. C., Langhorn, J. D., Hameed, A., Shekhtman, D., & Parziale, N. J. “초음속 난류 양이 모르코빈 가설을 지원한다.” Nature Communications 16, Article 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4