우주
램-로터 데토네이션 엔진(RRDE)으로 극초음속 비행 다시 생각하기
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항공기 추진의 제3세대
라이트 형제 이후 항공기 추진 기술은 크게 발전했습니다. 프로펠러는 공기를 뒤로 가속해 추력을 만들며, 제1·2차 세계대전을 거치면서 엔진과 프로펠러의 성능이 향상되었습니다. 이를 단순히 공기를 압축하는 기술이라고 설명하는 것은 정확하지 않습니다.
1939년에는 제트 엔진을 탑재한 하인켈 He 178이 비행했습니다. 터보제트는 압축기로 공기를 압축하고 연료를 연소시킵니다. 뜨거운 가스는 터빈을 구동하고 노즐로 분출되어 추력을 만듭니다.
출처: Wikipedia
램제트는 비행 속도에 따른 흡입 공기의 압축을 이용합니다. 기계식 압축기가 필요하지 않지만, 정지 상태에서 스스로 충분한 추력을 내기 어렵습니다. 고속에서는 터보제트도 흡입 온도와 압축기·터빈의 작동 한계에 직면합니다.
출처: Tech Brief
스크램제트는 연소실에서도 초음속 공기 흐름을 유지하는 램제트의 한 형태입니다. 특정 극초음속 조건에 적합하지만, 모든 속도에서 더 효율적인 것은 아닙니다.
NASA X-43A의 첫 시험 비행은 2001년에 시도되었으나 부스터 문제로 실패했습니다. 2004년 3월에는 마하 6.8, 같은 해 11월에는 마하 9.6의 성공적인 스크램제트 비행을 달성했습니다.
이 성과는 고속 공기흡입식 추진의 가능성을 보여 주었습니다. 한편, 20세기의 프로펠러 추진과 마찬가지로 기존 제트 추진도 운용 조건에 따른 한계가 있습니다.
이에 따라 연구자들은 회전 데토네이션 엔진 등 다른 연소 방식을 연구하고 있습니다.
회전 데토네이션 엔진
데토네이션은 충격파와 결합된 초음속 연소로, 일반적인 아음속 연소인 폭연과 구별됩니다. 적절한 조건에서는 압력 상승 연소를 통해 열역학적 효율을 개선할 가능성이 있습니다.
그러나 이러한 연소를 안정적으로 유지하면서 엔진의 구조와 열 부하를 관리하는 것은 어렵습니다.
회전 데토네이션 엔진에서는 고리 모양 연소실을 따라 데토네이션 파가 연속적으로 이동하도록 설계합니다. 빠르게 반복되는 연소가 비교적 연속적인 추력을 만듭니다.
NASA는 2020년에 관련 회전 데토네이션 로켓 엔진 시험을 수행했습니다. 이는 전 세계에서 해당 개념이 처음 시험되었다는 의미는 아닙니다.
이 방식은 효율 향상의 잠재력이 있지만, 개선 폭은 설계와 비교 대상에 따라 달라집니다. 로켓형과 공기흡입식 엔진은 구분해야 하며, 모든 회전 데토네이션 엔진에서 압축기를 없앨 수 있는 것은 아닙니다.
고온, 반복적인 충격파, 산화성 환경을 견디는 재료와 냉각 기술은 핵심 과제입니다. 첨단 재료와 제조 기술의 발전이 이러한 연구를 뒷받침합니다.
데토네이션을 이용한 램제트?
회전 데토네이션 엔진의 성능은 공급 압력, 혼합기, 연소실 형상 등에 좌우됩니다. 모든 엔진이 램제트처럼 초음속 비행을 먼저 해야 작동하는 것은 아닙니다. 예를 들어 로켓형은 외부 공기 흡입에 의존하지 않습니다.
베이징 칭화대학교 연구진은 램-로터 데토네이션 엔진(RRDE)이라는 개념을 제안했습니다. 연구는 Chinese Journal of Aeronautics에 「Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine」라는 제목으로 발표되었습니다.
램-로터 데토네이션 엔진(RRDE)
RRDE의 핵심은 고속 회전자 내부에서 데토네이션 파를 안정화하는 것입니다. 회전자의 유로가 혼합기를 압축하도록 설계하여 유입 조건에 대응하는 것을 목표로 합니다. 어떤 흡입 속도에서도 작동이 입증되었다는 뜻은 아닙니다.
회전자에 대한 유동과 파동의 상대 속도를 조절해 데토네이션 파의 위치를 유지하는 개념입니다.
설계상 데토네이션 파가 회전자 날개에 대해 일정한 위치에 머물도록 합니다.
RRDE 장점
유연성
회전자가 혼합기를 압축하므로, 항공기 자체의 속도에 크게 의존하는 일반적인 램제트와 다른 작동 범위를 목표로 합니다.
이는 폭넓은 작동 조건을 지향하는 설계 개념입니다. 실제 운용 범위를 넓히려면 흡입구, 가변 디퓨저, 안내 날개, 노즐 등을 적절히 결합해야 하며 전 속도 영역에서의 독립 운용이 입증된 것은 아닙니다.
다른 추진 장치와 결합하는 방안도 고려할 수 있습니다. 구체적인 구성과 전환 방식에는 추가 연구가 필요합니다.
극초음속 비행기 엔진
데토네이션 파는 미연소 혼합기에 대해 초음속으로 전파됩니다. 파동의 상대 마하수는 항공기의 비행 마하수와 다릅니다.
따라서 내부 파동의 속도만으로 RRDE 항공기가 마하 5 이상으로 비행할 수 있다고 결론 내릴 수 없습니다. 극초음속 추진에 활용하려면 엔진 전체의 성능과 기체 통합을 검증해야 합니다.
실제 효율이 개선된다면 같은 연료로 항속거리를 늘리거나 필요한 연료량을 줄일 수 있습니다. 이는 아직 개발 목표이지 실증된 항공기 성능은 아닙니다.
이론에서 실천으로
기사 작성 시점의 RRDE는 이론 분석과 수치 시뮬레이션을 중심으로 연구된 개념입니다.
실용 시제품과 상용 대량생산까지는 추가 검증과 개발이 필요합니다.
시뮬레이션에 충분히 반영되지 않은 실제 문제를 해결해야 합니다. 특히 고속 회전자 안에서 데토네이션 파를 안정적으로 유지하는 것이 중요한 과제입니다.
회전자 날개는 높은 회전 속도에 적합하면서도 열, 압력, 반복 충격을 견뎌야 합니다. 냉각, 피로 수명과 재료 강도 역시 검토해야 합니다.
회전 데토네이션 엔진 관련 기업
NASA, 미 공군, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA) 등 공공 연구기관과 우주·방위 관련 조직이 데토네이션 추진을 연구해 왔습니다.
민간 기업의 사례로는 2023년에 회전 데토네이션 연소를 이용한 램제트 시험 장치를 시연한 GE Aerospace가 있습니다. 유일한 민간 연구 기업이라는 의미는 아닙니다.
GE 가격 차트
GE의 사업 분리 과정에서 GE HealthCare는 2023년에 분사했고, 2024년에는 GE Vernova가 분사하면서 GE Aerospace(GE ), GE HealthCare(GEHC ), GE Vernova(GEV )의 독립 기업 체제가 완성되었습니다.
사업 분리는 각 회사가 해당 분야의 운영과 자본 배분에 집중하도록 하기 위한 조치였습니다.
GE Aerospace는 항공 엔진과 관련 서비스의 주요 공급업체입니다. 탑승객 수나 운항 점유율에 관한 회사의 설명은 특정 집계 범위와 시점에 따른 수치이므로 전체 항공 시장 점유율과 혼동해서는 안 됩니다.
출처: GE Aerospace
회사는 장기 연구개발을 통해 연료 효율을 높이는 차세대 기술을 개발하고 있습니다. 민간·군용 엔진의 목표 개선율은 서로 다른 프로그램과 비교 기준에 해당하며, 모든 기존 엔진에 동일하게 적용되는 수치가 아닙니다.
출처: GE Aerospace
엔진 외에도 항공 전력 시스템용 탄화규소 기술과 항공전자 장비를 제공합니다.
회사의 매출은 민간 항공 엔진·서비스 사업이 큰 비중을 차지하며 방위·추진 사업도 포함합니다. 2023년 사업 부문 매출은 각각 약 239억 달러와 90억 달러로 보고되었습니다.
엔진 정비와 수리 등 서비스는 중요한 수익원입니다. 반복적인 수요가 있어도 운항량, 비용, 계약 조건에 따른 위험이 사라지는 것은 아닙니다.
출처: GE Aerospace
회사는 적층제조 등 미래 기술에도 투자합니다. GE Additive의 금속 적층제조 기술은 부품 설계와 생산을 지원하지만, 경쟁 업체가 없는 유일한 종합 공급업체라고 단정하기는 어렵습니다.
출처: GE Aerospace
GE의 회전 데토네이션 엔진
GE는 앞서 언급한 초음속 유동에서 회전 데토네이션 연소를 결합한 극초음속 이중모드 램제트 시험 장치를 2023년 12월 발표했습니다. 당시 회사는 이를 세계 최초로 여겨지는 시연이라고 설명했습니다.
GE는 세라믹 기지 복합재, 적층제조와 열 관리 등 관련 기술을 개발하고 있습니다. 각 기술이 해당 시험 장치에서 맡은 역할과 상용 적용 단계는 구분해야 합니다.
회사는 당시 결과가 개발 방향에 대한 자신감을 높였다고 밝혔습니다.
GE는 해당 시연까지 약 12개월이 걸렸으며, 다음 해에 더 큰 규모의 이중모드 램제트·회전 데토네이션 연소 장치를 시연하는 목표를 제시했습니다. 이는 2023년 발표 당시의 계획입니다.
Mark Rettig — GE Aerospace Edison Works 사업·기술개발 부문 부사장 겸 총괄 책임자
이러한 엔진은 군용 고속 비행체에 먼저 활용될 가능성이 있습니다. 민간 극초음속 항공기에 적용될지는 기술적·경제적 검증과 규제 등의 조건에 달려 있습니다.
GE Aerospace의 항공 추진 기술과 서비스 사업은 투자 판단의 요소입니다. 새로운 추진 개념의 실용화 일정과 수익성에는 여전히 불확실성이 있습니다.
