수소연료를 사용하는 극초음속 여객기는 시속 2,172km의 콩코드기보다 두 배 이상의 속도로 날 수 있다. 그러면서 환경에 미치는 악영향도 없다.
현대의 항공여행은 불가사의 그 자체다. 항공여행은 끊임없는 연착과 고객들의 원성, 그리고 지구를 죽이는 온실가스를 생산해 내는 근원이다.
하지만 수소연료 극초음속 여객기는 이 같은 모든 것을 바꿔놓을 것이다. 리액션 엔진(Reaction Engines)사의 항공기 A2는 승객 300명을 싣고 마하 5(시속 5,470km)로 비행하는 것을 목표로 하고 있으며, 현재 유럽연합 LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies) 프로젝트의 자금지원을 받고 있다.
LAPCAT는 브뤼셀에서 시드니까지 4시간 안에 날아갈 수 있는 비행기를 원하고 있다. 만약 A2가 제작된다면 그 꿈은 현실이 될 것이다. 탄소를 전혀 내뿜지 않고 말이다.
엔지니어들은 현재 퇴역한 초음속 여객기 콩코드의 실패 원인을 깊이 염두에 두고 있다. 리액션 엔진의 기술부장인 리차드 바빌과 그의 동료들은 콩코드 퇴역에는 두 가지 큰 원인이 있다고 보고 있다.
우선 콩코드는 멀리 날아가지 못했다. 바빌은 “환태평양 국가 중에도 초음속 여객기를 원하는 곳이 많은 등 잠재시장이 얼마든지 있었다”면서 “하지만 콩코드의 항속거리는 태평양 횡단비행을 하는데 턱없이 모자랐다”고 말했다.
그리고 두 번째 원인은 콩코드 엔진의 경우 마하 2 정도에서만 효율적이었다는 것. 이는 육상비행을 할 때 소닉 붐을 내지 않기 위해 속도를 마하 0.9로 떨어뜨리면 연비 역시 형편없이 떨어지게 된다는 것을 의미한다.
바빌은 콩코드의 전철을 밟지 않기 위해 A2의 엔진은 두 가지 모드로 작동될 것이라고 말했다. 즉 터보제트 엔진과 램제트 엔진을 결합한 두 가지 모드의 엔진 시스템 덕택에 A2는 저속과 고속 모두에서 높은 연료 효율을 보여줄 것이라는 얘기다. 다만 A2에는 창문이 없다. A2가 비행을 할 때 마주칠 마찰열을 견뎌낼 수 있는 스페이스셔틀용 창문은 너무 무겁기 때문이다.
우선 1단 모드에서는 4기의 시미타 엔진이 공기를 흡입해 바이패스 덕트를 통해 터빈에 보낸다. 이 터빈에서는 현재의 재래식 제트엔진과 거의 같은 방식으로 추력을 생산한다. 들어온 공기를 압축해 연료와 섞은 다음 연소시키는 것이다. 이것만으로도 마하 2.5까지 속도를 낼 수 있다.
이 속도에 도달하고 나면 A2는 두 번째 모드로 전환해 더욱 속도를 낸다. 흡입한 공기를 엔진의 중앙으로 들어가도록 경로를 바꾸면 공기의 흡입 속도만으로도 연소가 유지돼 마하 5까지 속도를 낼 수 있는 것이다.
이 정도는 모든 램제트 엔진의 기본적인 작동원리다. 하지만 시미타 엔진에는 공기를 보다 강하게 압축시키는 터빈 압축기가 달려있는 것이 기존 램제트 엔진과 다르다. 마하 5에서는 섭씨 982℃의 고온으로 공기가 유입돼 터빈 블레이드가 녹아버리기 때문에 기존 램제트 엔진은 터빈을 쓰지 않았다.
시미타(Scimitar) 엔진에서는 엔진 내부를 감싼 냉각장치가 유입된 공기를 터빈으로 들어가기 알맞은 온도로 냉각시킨다. 따라서 A2는 어떠한 속도에서도 완벽히 대응할 수 있다.
하지만 A2에서 속도보다 더 대단한 부분은 매우 적은 탄소 배출량이다. A2는 수소연료로 움직이기 때문에 수증기와 극소량의 아산화질소만을 배출한다. 물론 극초음속 항공기에 액체수소를 싣고 다니는 것이 위험해 보일수도 있지만 사실 수소연료는 일반적인 제트연료보다 폭발 위험성이 높지 않다.
버지니아 공과대학의 극초음속 추진체계 전문가인 조셉 셰츠는 A2 계획에 근본적으로 잘못된 부분은 전혀 없다고 주장한다. 하지만 이 계획이 성사될지 안 될지는 별개 문제다. 엔지니어들은 여전히 극초음속 비행에서도 높은 신뢰성을 발휘하는 열교환기를 만드는 것 같은 까다로운 설계상의 문제를 해결해야 한다.
A. 친환경 연료
A2는 액체수소로 움직인다. 연소하면 수증기와 소량의 아산화질소가 나오며, 에너지 밀도가 높아 브뤼셀에서 시드니까지의 장거리 비행도 문제없다. 하지만 완전한 친환경 항공기가 되려면 A2에 사용되는 수소연료는 원자력·태양열·바이오연료 발전소에서 생산한 전기 같이 탄소를 발생시키지 않는 전기분해법으로 생산돼야 한다.
B. 창문이 없는 설계
현재 가격 경쟁력을 갖춘 항공기용 글라스로는 극초음속 비행을 견뎌낼 수 없다. 그래서 A2의 설계에는 창문이 없다. 연구에 따르면 사람들은 창문 없는 비행기에 타기 싫어하지만 22시간의 비행을 4시간으로 단축할 수 있다면 생각을 바꿀지도 모른다.
시마타 엔진의 구조
A2의 시미타 엔진은 이착륙 및 아음속 비행을 할 때에는 일반적인 제트엔진과 마찬가지로 흡입한 공기를 바이패스 덕트를 통해 터빈으로 보낸다. 하지만 극초음속에 도달하면 공기의 흐름을 바이패스 덕트에서 엔진 중심부로 바꾸어 마하 5 속도로 비행하게 된다.
시미타 엔진은 램제트 엔진과 마찬가지로 고속비행을 할 때 빨아들인 공기를 좁은 통로로 통과시켜 높은 밀도로 압축시킨다. 이 때 뜨거워진 공기에 연료를 혼합하면 바로 점화된다. 하지만 시미타 엔진은 터빈 압축기를 장비하고 있다는 점이 기존 램제트 엔진과 다르다.
이 터빈 압축기는 흡입한 공기를 더욱 더 높은 밀도로 압축하는 역할을 한다.
램제트는 보통 터빈을 쓰지 않는데, 그 이유는 흡입된 공기가 터빈 블레이드를 녹여버릴 만큼 뜨겁기 때문이다. 시미타 엔진은 헬륨가스를 쓰는 열교환기로 공기의 온도를 낮추어 이 문제를 해결했다.
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