하이퍼소어
하이퍼소어
2003년 1월 20일 - 2004년 5월 25일 추가 참고사항
출처:
http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ac/hypersoar.htm
FAS: 미국 과학자 연맹
군사적 성격의 데이터 분석 네트워크
제목:
하이퍼소어: 무한 작전 반경을 가진 초음속 항공기
아래는 예술가의 상상도입니다:
비행 경로를 제거하면, 바로 '오로라'와 그 '물개 꼬리' 형태가 된다.
B-52급 크기의 하이퍼소어는 무한 작전 반경을 가진 정찰 및 공격용 항공기이며, 동시에 지구 어디든 타격을 가할 수 있는 폭격기이자, 방어 시스템으로부터 즉시 면역 상태를 확보할 수 있는 고도와 속도로 비행할 수 있다. 이 항공기는 연료 보급 없이도 미군 영토로 돌아와 임무를 완수할 수 있다. 항공기는 드론으로 작동할 수도 있고, 조종사와 특수 장비를 탑재할 수도 있다. 하이퍼소어는 시속 약 6,700마일(12,000km/h, 마하 10)로 비행할 수 있으며, 같은 이륙 중량을 가진 비음속 항공기보다 약 두 배의 유용 적재량을 운반할 수 있다. '하이퍼소어' 개념은 이전의 초음속 항공기 설계에 비해 열 스트레스가 덜 발생한다는 점에서 장점이 있다. 이는 과거 초음속 항공기 개발을 제한해온 '열 장벽' 문제를 해결한 것이다. 하이퍼소어는 약 130,000피트(55km)의 고도까지 상승하여 지구 대기권을 벗어난 후, 엔진을 끄고 대기권 표면으로 다시 떨어진다. 그 후 공기 중에서 작동하는 엔진을 다시 가동시켜 우주로 다시 뛰어오르는 방식을 반복하여 목적지에 도달한다. 이 과정은 물 위를 뛰는 돌처럼 이루어진다. 미국 중부에서 동아시아(일본)로 가는 임무는 약 25번의 뛰어오름을 필요로 하며, 전체 비행 시간은 1시간 30분 정도이다.
이러한 상승 및 하강 단계에서 항공기의 공기 각도는 단지 5도에 불과하다. 비행 중 상승과 하강의 정점에서는 승무원이 1.5G의 가속도를 느끼며, 궤도 상단에서는 무중력 상태를 경험한다. 이러한 가속도는 매우 낮은 수준이며, 민간 비행 시 승객에게 불편을 주지 않으며, 발사 플랫폼이나 궤도 진입용으로 사용할 경우 항공기 성능에 영향을 주지 않는다. 실제로 승객이 이러한 뛰어오름 동작 중에 경험하는 가속도는 어머니가 아기를 흔들 때 아기가 느끼는 것과 유사하다. 다만 이 움직임은 100배 느리게 진행된다. 이 프로젝트의 목표는 민간 운송 수단을 개발하는 것(안전성도 높음)이지만, 군사적 목적과 궤도 진입용으로도 활용 가능하다. 현재까지 고려된 대부분의 초음속 항공기 프로젝트는 로켓을 사용해 우주 경계까지 상승한 후, 목적지로 단순히 하강하는 방식이었다(이러한 항공기의 전신은 고대의 X-15였다). 다른 프로젝트에서는 항공기의 대기권을 벗어나게 하기 위해 추진기(엔진)를 사용하려 했다. 그러나 이러한 모든 프로젝트에서 설계자들이 직면한 문제는 정지점과 전면 가장자리에서 공기의 온도 상승이었다. 하이퍼소어는 대기권 외부에서 대부분의 비행 시간을 보내기 때문에 열 스트레스가 덜 발생한다. 또한, 대기권 내에서 뛰어내릴 때 발생한 열은 우주 공간의 '차가움'에서 부분적으로 방출될 수 있다.
JPP 주석: 우주의 '차가움'은 상대적인 개념이다. 대기권 밖에서는 전도를 통한 열 손실이 없다. 오직 복사 방출만이 가능하다. 매우 높은 고도에서는 오히려 우주가 '뜨거운 상태'(2500도)이지만, 매우 희박하다. 따라서 전도는 전혀 작용하지 않는다.
하이퍼소어 시스템은 공기를 공기 연료로 사용하는 엔진을 사용한다. 대부분의 초음속 항공기 프로젝트는 로켓 기반으로 설계되었으며, 이와 같은 속도와 '점프' 비행 방식은 고려되지 않았다. 공기를 연료로 사용하는 엔진은 로켓 엔진보다 본질적으로 더 높은 효율을 가진다. 또한 하이퍼소어는 항공기의 추진 시스템을 순수하게 가속기로만 사용하며, 항공기의 항로 비행 추진기로는 사용하지 않는다. 이는 장치를 단순화하고 기술적 위험을 줄이는 효과가 있다. 웨이버라이더(충격파를 타고 항공기의 날개를 따라 움직이는 항공기)는 설계된 마하 수에서 항공기 전면 가장자리에 충격파가 완전히 고정되도록 설계된다. 이 구조는 충격파와 날개 표면 사이에 제한된 공간에 고압 영역을 형성하여, 낮은 항공 저항과 높은 비행 효율(비행성)을 가능하게 한다. 웨이버라이더는 또한 스크램젯(초음속 연소 램제트) 추진 시스템의 공기 입구에 균일한 공기 흐름을 공급할 수 있어 추진 시스템과 항공기의 통합(Propulsion/Airframe Integration, PAI)에 유리하다.
JPP 주석: 하이퍼소어의 성능이 오로라 항공기와 유사하다. 이미 내 책에서 언급한 추가적인 개념은 '점프의 연속적인 비행'이다. 그러나 이 글은 작가들이 추진 방식이 '스크램젯'이라고 제안하면서, MHD(자기유체역학)는 완전히 무시하고 있다는 점에서 정보 왜곡으로 이어진다.
웨이버라이더와 스크램젯의 조합은 엔진의 길이와 무게를 줄이는 효과가 있다. 이는 스크램젯 설계에서 중요한 목표이다. 미국의 이 항공기 프로젝트에 사용된 연료는 액체 수소로, 높은 특성 에너지, 빠른 연소 속도, 구조적 냉각을 위한 뛰어난 열 흡수 능력을 제공한다. 연소실로 보내기 전에 액체 수소는 항공기의 고온 스트레스를 겪는 모든 부분에 공급된다. 하이퍼소어 개념은 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 수년간 연구되어 왔으며, 미국 공군과 여러 정부 기관과 협의 중이다. 리버모어 연구소는 메릴랜드 대학교 항공우주공학과와 협력하여 항공기의 형상과 궤도 최적화를 위해 노력하고 있다. 하이퍼소어 시스템의 잠재적 응용 분야는 궤도에 물체를 배치하는 것 또한 포함된다. 연구 결과, 같은 이륙 중량 기준으로 현재의 일회용 발사 시스템보다 약 두 배의 궤도 적재량이 가능하다는 것이 입증되었다. 민간 운송기로서는 지구 어디든 2시간 이내에 도달할 수 있다(거리 기준 최대 20,000km).
각 항공기의 비행 가능 거리 및 적재량
B-2는 13,000km의 비행 가능 거리를 가진 것으로 기록되어 있다(미국 → 카불 → 디에고 가르시아 폭격). 하이퍼소어는 38,623km로, 실제로는 반대편 지점까지 도달 가능하다. 이는 바로 새로운 개념이 등장하고 있음을 의미한다.
각 항공기는 현재 항공기의 1회 비행에 비해 미국에서 도쿄 방향으로 하루 4회 비행이 가능하다. 화물기로 사용할 경우, 현재 항공기보다 10배 이상 경제적으로 효율적일 수 있다. 이 프로젝트의 추진자들은 약 1400만 달러의 예산을 투입해 몇 년간 기술 개발을 진행하면, 3억 5천만 달러의 비용으로 1/3 규모의 비행 가능한 프로토타입을 제작하고 시험할 수 있을 것으로 예상한다. 실제 규모의 하이퍼소어 항공기 개발 비용은 보잉 777 개발 비용과 비슷할 것으로 추정되며, 약 100억 달러이다.
마지막으로 한 가지 주의할 점: 왜 이 항공기는 우주로 뛰어올라갈 때 공기 흡입구를 닫아야 할까? 그 이유는 무엇일까? ....
정보 출처는 1997년 9월 20일이며, 장거리 공격용 항공기 개념 연구 그룹(GR-AVCG)에서 발행한 것이다.
문서는 1998년 9월 10일에 작성되었으며, 제목은 "새로운 초음속 항공기 프로젝트에 대한 연구소 발표"이다.
이 초음속 항공기에 대한 자세한 내용은 2003년 1월, 사이언스 프론티어 축제에서 저자가 발표한 강연을 참고할 수 있다. 아래 링크를 클릭하세요:
http://www.01pixel.com:8080/ramgen/petit_sf2003.rm
출처:
영문 원문:
하이퍼소어: 초음속 글로벌 범위 정찰/공격기
B-52 크기의 하이퍼소어 초음속 글로벌 범위 정찰/공격기는 미국에서 이륙하여 지구 어디든 타격을 가할 수 있으며, 방어 시스템에 도전할 수 있는 고도와 속도로 비행한 후 연료 보충 없이 미국으로 귀환할 수 있다. 장비와 인원도 운반할 수 있다. 하이퍼소어는 시속 약 6,700마일(Mach 10)로 비행하면서, 동일한 이륙 중량의 비음속 항공기보다 약 두 배의 적재량을 운반할 수 있다. 하이퍼소어 개념은 이전의 초음속 설계보다 항공기 구조물에 발생하는 열 축적이 적다. 이는 과거 초음속 항공기 개발을 제한해온 문제였다. 하이퍼소어의 핵심은 지구 대기권 가장자리에서 물결처럼 뛰는 비행 방식이다. 미국 중부에서 동아시아로 가는 임무는 약 25회 정도의 뛰어오름을 통해 1시간 30분 만에 완료된다. 비행 중 상승 및 하강 각도는 단지 5도이다. 승무원은 각 뛰어오름의 하단에서 1.5G의 중력감을 느끼며, 우주에서는 무중력 상태를 경험한다. (1.5G는 어린이가 놀이기구에서 느끼는 감각과 유사하지만, 하이퍼소어의 움직임은 100배 느리다.) 하이퍼소어 비행의 이 물결 모양의 움직임은 일부 항공 승객에게 도전적일 수 있지만, 군사 또는 우주 발사 응용에는 영향을 주지 않는다. 대부분의 현재 초음속 설계는 로켓 엔진을 사용해 항공기를 우주 경계까지 올린 후, 목적지로 하강하는 방식이다. 다른 설계는 단순히 엔진으로 대기권을 통과하는 방식이다. 이전의 모든 개념은 대기와의 마찰로 인해 항공기 표면과 구성 요소에 열 축적이 발생했다. 하이퍼소어는 대기권 외부에서 대부분의 비행 시간을 보내기 때문에 열 축적이 덜 발생한다. 또한, 대기권으로 뛰어내릴 때 발생한 열은 우주 공간의 '차가움'에서 부분적으로 방출될 수 있다. 하이퍼소어의 또 다른 장점은 공기 연료 엔진을 사용한다는 점이다. 대부분의 전통적인 초음속 설계는 항공기를 우주 경계까지 올리기 위해 로켓 엔진을 사용한다. 하이퍼소어는 더 높은 속도로 올라가지 않고, 각 '점프'의 하단에서 대기권으로 다시 들어오기 때문에 공기 연료 엔진을 사용할 수 있으며, 이는 로켓 엔진보다 본질적으로 더 효율적이다. 또한 하이퍼소어 엔진은 가속기로만 사용되며, 일부 초음속 설계처럼 가속기와 항로 비행 엔진으로 동시에 사용되지 않기 때문에 설계를 크게 단순화하고 기술적 위험을 줄일 수 있다. 웨이버라이더는 설계된 마하 수에서 항공기 전면 가장자리에 충격파가 완전히 고정되도록 설계된 공기역학적 형상이다. 충격파 고정 조건은 충격파 뒤의 고압 영역을 구조체 하부에 제한하여 높은 양력 대 저항 비율(비행성)을 가능하게 한다. 웨이버라이더는 또한 스크램젯 입구에 일정한 균일한 공기 흐름을 공급할 수 있어 추진 시스템과 항공기의 통합(PAI)에 유리하다. 스크램젯 엔진 설계에서 연료와 공기의 혼합을 향상시키고, 연소실 길이와 엔진 무게를 줄이는 것은 중요한 목표이다. 국가 우주 항공기용 공기 연료 스크램젯 추진에는 액체 수소가 선택되었다. 선택 기준은 높은 특성 에너지, 구조 냉각을 위한 높은 열 흡수 능력, 그리고 빠르게 연소하고 높은 응축 구역에서 화염 유지가 가능하기 때문이다. 하이퍼소어 개념은 로렌스 리버모어 국립연구소에서 수년간 연구되어 왔으며, 미국 공군 및 기타 정부 기관과 논의 중이다. 리버모어는 메릴랜드 대학교 항공우주공학과와 협력하여 이 개념과 관련된 공기역학 및 궤도 기술을 개선하고 있다. 하이퍼소어 항공기의 잠재적 응용 분야에는 다음과 같은 것들이 포함된다: 우주 발사 - 하이퍼소어는 이중 단계 궤도 발사 시스템의 1단계로 사용될 수 있다. 연구 결과, 동일한 이륙 중량 기준으로 현재의 일회용 발사 시스템보다 약 두 배의 궤도 적재량이 가능하다. 승객기 - 민간용 하이퍼소어 여객기나 비즈니스 제트기는 미국 본토에서 지구 어디든 2시간 이내에 도달할 수 있다. 화물기 - 하이퍼소어 화물기라면, 미국에서 도쿄까지 하루 4회 이상 왕복 비행이 가능하며, 현재 항공기의 1회 또는 그 이하에 비해 훨씬 효율적이다. 분석 결과, 로스앤젤레스에서 도쿄까지 소포를 운송하는 하이퍼소어 항공기는 현재의 유사한 크기의 비음속 화물기보다 하루 수익이 10배 이상 높을 수 있다. 프로젝트 추진자들은 약 1400만 달러의 예산을 투입해 몇 년 내에 여러 기술을 발전시켜, 3억 5천만 달러의 1/3 규모 비행 가능한 프로토타입을 제작하고 시험할 수 있을 것으로 예상한다. 전체 규모의 하이퍼소어 항공기 개발 비용은 보잉 777 개발 비용과 비슷할 것으로 추정되며, 약 100억 달러이다.
2004년 5월 25일: 장 마르크 루데르라는 사람이 사우퀘르의 저널 "탑 시크릿"에 오로라에 관한 논문을 발표했다. 그는 내 주장과 일치하는 정보를 제시하며, 이 프로젝트에 참여한 사람들의 신뢰할 수 있는 출처를 가지고 있다고 주장한다. 그가 제시하는 기술적 데이터는 일관성 있는 것으로 보인다. 그러나 그가 제공한 정보 중 하나는 매우 이례적이면서도 타당하고 일관된 것으로 보였다. 그는 오로라가 이륙 시 매우 유해한 인프라소닉(저주파 음파)을 방출하며, 인간이나 동물 환경에 심각한 피해를 줄 수 있고, 1km 거리에 있는 사람에게는 치명적일 수 있다고 주장한다. 그러나 이러한 인프라소닉은 어디서 발생하는 것일까?
논리적으로, '반유도 노즐' 내에서의 비정상적인 유동 불안정성에서 비롯된다. 이 노즐은 약 40~80km 고도에서 정상적으로 작동하도록 설계되어 있다. 그 아래에서는 유동이 '과도하게 확장'된다. 내 생각에는 이것이 유명한 점선 형태의 연기 흔적을 만든 원인이었다. 지표면 근처에서는 유동의 불안정성이 매우 강력한 인프라소닉 방출을 유도할 것이다. 나는 이 가능성이 매우 높다고 생각한다.
루데르는 오로라의 크기를 40m 길이, 7m 두께로 제시했다. 나는 이 항공기가 소형일 수 없다고 생각한다. 전극 간격이 센티미터 수준이라는 점도 동의한다.
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