Nomenclature
ADD : agency for defence development
AP : ammonium perchlorate
ARC : atlantic research corporation
BRL : u.s. army ballistic research laboratory
CARS : coherent anti-stokes raman spectroscopy
DLR : german aerospace center
DUT : delft university
ERCA : extended range cannon artillery
FOI : swedish defense research agency
GIT : georgia institute of technology
HTPB : hydoxyl-terminated poly butadiene
IIS : indian institute of science
IIT(1) : israel institute of technology
IIT(2) : indian institute of technology
KAIST : korean advanced institute of technology
LDV : laser doppler velocitimeter
NAWC : u.s. naval air warfare center
NSWC : u.s. naval surface warfare center
NPS : u.s. naval postgraduate school of usa
USAR : u.s. army research
NAWC : u.s. naval air weapon center
NJU : nanjing university of science and technology
NWC : u.s. naval weapon center
ONR : office of naval research
PE : polyethylene
PIV : particle imaging velocimetry
PMMA : polymethylmetacrylate
PP : polypropylene
PSU : pennsylvania state university
PTFE : polytetrafluoroethylene
PU : purdue University
RWMS : rhein metall waffe munition schweiz
SFD : stanford university
SFRJ : solid fuel ramjet
THU : national tsing hwa university
TNO : defense, safety and security, the netherlands
USAR : united state army research
3SM : supersonc strike missile
1. 배 경
1908년 프랑스 르네 로린에 의해 램제트 엔진이 고안된 이후, 소수의 연구가에 의해 고속 비행 조건에서의 고체연료 램제트 추진의 고효율성에 대한 개념을 제안하였지만 받아들여지지 않았다. 30년의 세월이 경과 된 1938년에 이르러 독일에서 Fig. 1과 같이 피토관 형상을 가진 초음속 흡입구와 고체 추진제를 연료로 사용하는 총기 발사형 탄에 대한 개념이 제안되었고, 대공포를 이용하여 마하 2.5의 속도로 발사하게 된다[1]. 이후에 제2차 세계 대전이 끝날 무렵 수많은 램제트 추진기관에 관한 연구가 수행되었고, 그중 일부는 상당한 성공을 거두었다[2].
이후에 계속된 연구에서는 액체연료를 이용한 램제트 추진기술에 관한 연구가 대부분을 차지하였으며, 성공적인 결과로 이어지게 되었다[3]. 그러나, 고체연료를 이용하는 방식은 액체연료를 이용하는 방식과 비교하여 연료 공급 및 조절계통을 가지고 있지 않아 구조가 단순하여 제작이 쉬우며, 생산 단가가 저렴하다는 우수성이 알려져 있음에도 관련 연구는 상대적으로 많지 않았다. 이러한 이유는 체계로 연동시키기에는 이론적으로 알려진 높은 비추력에도 불구하고 현실에서 해결해야 할 많은 선행 연구가 필요했다는 점에 있다[2]. 이는 단순한 구조를 가지면서 침식 및 확산 연소에 의존하는 연소기의 특성으로 기화 및 연소가 쉽고, 구조적 안전도를 만족하는 연료의 개발과 높은 연소 효율을 가지는 연소기 형상의 연구가 선행되어야 했기 때문이다. 따라서 이보다 시스템의 구조가 다소 복잡했더라도 시스템의 요구성능을 만족시키기에 상대적으로 쉬웠던 액체 램제트 또는 덕티드 로켓을 먼저 선택한 것으로 판단된다. 또 다른 이유는 전통적으로 액체연료 또는 고체연료를 이용하여 추진기관을 개발하는 기업 또는 연구소가 보유한 연구 역량으로 각각의 추진기관이 가진 단점을 극복하기 위한 선택이 제한적이었다는 것이다. 액체연료를 사용하는 터보제트 연구 인력과 시설은 액체 램제트 개발로의 전환이 상대적으로 쉬었으나 고체연료를 사용하는 램제트 추진기관을 대안으로 선택하기는 쉽지 않았고, 이는 그 반대의 경우에도 마찬가지였다는 점이다.
세계적인 추세와 우리 군의 요구는 더 높은 속도, 비행거리, 그리고 저비용의 무기체계를 요구하고 있다[3,4]. 이는 과거로부터 지속되어왔던 요구사항이며, 현재까지 액체 램제트 및 덕티드 로켓을 통해 그 요구를 충족시켜왔다. 그러나, 현재의 요구 수준은 미래의 전장을 고려하여 더 높은 수준을 요구하고 있다. 고체 로켓 기반의 기술은 진보된 성능을 기대하는 것이 그 한계에 도달했다고 알려져 있고[5], 액체 램제트 및 덕티드 로켓은 오랜 연구를 통해 그 성능의 장점과 한계에 대해 알려져 있다[6]. 이에 비하여 SFRJ는 현재까지 획득한 기술적 성과를 기반으로 더 높은 요구를 만족시킬 수 있는 미래의 대안으로 제시되고 있다[2].
최근까지의 자료를 통해 분석된 의견에 따르면, SFRJ 연구가 본격적으로 시작된 1940년 이후부터 현재까지 체계에 적용 가능한 기술로써 충분한 가능성을 입증하였다고 소개하였다[2]. 아울러 이러한 실례로써 미 육군에서 추진하고 있는 XM1155 램제트 포탄 개발과 관련한 계획에 대해 언급하였다[7]. 이 기술은 현재 선진국에서 미래의 체계에 적용 가능한 고성능 기술로 인식하고 활발한 연구를 수행하고 있으며, 이는 과거 축적된 기술을 기반으로 고도화된 기초연구를 자체적으로 수행하거나[8,9], 일정한 수준의 기술을 가진 국가가 서로 동맹하여 응용연구를 수행하고 있다[10,11]. 그러나, 국내의 SFRJ 기술 연구는 다른 추진기관 기술과 비교하여 상대적으로 매우 낮은 수준에 머물러 있다[12].
탈냉전(1991∼2008)기에 SFRJ 연구가 축소되었던 기술 선진국은 신냉전(2008∼)이 도래함에 따라 그동안 축적된 기술을 기반으로 다시 기술개발에 역량을 집중시키고 있다. 현재 신냉전 시기와 맞물려 한국 무기체계의 우수성이 알려지며 전 세계로 수출이 이어지고 있다. 그러나 이는 기술 선진국의 탈냉전기의 축소된 연구 및 생산 역량과 무관하지 않다. 같은 이유로 미래의 무기체계에 대한 기술적 우위를 유지하기 위해서는 기술 경쟁력에 뒤처지지 않아야 한다. 이에 80년간 수행한 기술 선진국의 SFRJ에 관한 연구 결과를 분석하였고, 우리의 나아갈 방향을 제시하게 되었다.
2. 기술 동향
2.1 기초연구
자료조사 결과에 따르면 SFRJ의 초기 연구는 2차 세계 대전 중에 독일을 중심으로 시작된 연구가 종전 후에 미국과 유럽의 승전국으로 연구의 중심이 이동하였다. 따라서 승전국을 중심으로 수행된 연구 결과물을 확인함으로써 초기의 연구 동향을 살펴보았다.
먼저 미국에서는 NPS, ARC, GIT, PSU, NWC, NAWC, NSWC, USAR, PU에서 수행된 연구에 주목할 필요가 있다. 가장 많은 연구 결과를 제시한 기관은 NPS로서 연소에 관한 기초연구로부터 응용까지 넓은 영역에 걸쳐 다양한 주제를 다루었다. NPS의 초기 연구는 연소기의 형상과 연소성능과의 관계를 다루었고[13,14,15], 이어진 연구에서는 추진기관 성능을 더욱 정확하게 예측할 수 있는 모델 개발에 중점을 두었다[16,17,18,19]. 실험 연구에서는 유입 공기의 스월[20] 및 바이패스 공기에 의한 연소 효율 증대를[21] 위한 연구가 있고, 보론 및 마그네슘과 같은 금속 입자의 연소기 내에서의 거동과[22,23,24], 이를 연소기 형상에 따른 점화 및 보염 한계[25], 그리고 연료 온도에 따른 특성과 연소 효율과의 관계를 파악하기 위한 연구로 이어졌다[26]. ARC에서는 보론의 점화 및 연소 모델을 개발하였고, 이를 활용하여 보론이 함유된 연료의 연소 특성을 예측하는 데 활용하였다[27,28,29]. 이어 플루오린화 리튬(LiF) 코팅을 통한 보론 연료의 점화 및 연소 특성에 관한 연구를 추가로 수행하였다[30,31]. GIT는 전형적인 SFRJ의 후면 스텝형 형상에서, 증발 연료의 운동을 모의하기 위한 이론, 실험 연구를 수행하였고[32], 이 연구는 k-ε 난류 모델을 적용한 Navier-Stokes 해와 비교하여 매우 일치된 결과를 보였다[33]. 이 연구는 수소 가스를 이용한 반응 유동장에서의 유동 특성을 분석할 수 있도록 확대되었다[34]. PSU는 ONR의 지원으로 수행한 연구에서, 보론을 포함하고 있는 추진제의 열분해, 점화 및 연소 특성에 관한 연구하였으며, 연구 결과는 HTPB 바인더에 소량의 보론(중량 기준 5∼10%)을 첨가하게 되면, 순수 HTPB 연료보다 연료 표면의 보론이 점화원으로 작동하여 더 낮은 온도에서 자동 점화할 수 있고, 연소 속도가 증가하는 결과를 보였다[35]. PU는 고압 연소 시험실을 건설하고[36], 이를 활용하여 2-D 슬래브형 연소기에 비접촉 측정 기법을 적용하여 SFRJ 연소 유동장의 특성을 관측하였고[37], 바이패스에 의한 연소성능을 개선하기 위한 실험 연구를 수행하였다[38]. USAR은 황, 다 황화물을 첨가한 연료를 이용하여 구조적 성능 증대와 열분해 온도를 낮추는 연료 조성에 관한 연구를 수행하였고[39,40], 후속 연구에서는 항력에 대한 추력, 순수 역적, 총 역적, 그리고 공기역학 기준 면적과 흡기구 면적의 비율로 새로 정의된 성능 매개변수에 대한 몇 가지 관계식을 제안하였다[41]. NWC, NAWC는 보론 카바이드가 많이 함유된 덤프형 연소기에서 당량비와 공기의 단위 질 유량(mass flux)에 따른 연소 효율의 영향도를 확립하기 위해 실험 연구가 수행되었다[42]. SFRJ 추진기관 적용을 염두에 두고 HTPB 기반의 연료에 R45-M 수지, 카본 블랙, 보론, 알루미늄, 마그네슘, PTFE를 첨가한 다양한 연료 조합에 대하여, 점화원으로 CO2 레이저와 산소 및 질소 교차 흐름을 특징으로 하는 소규모 장치를 사용하여 고체연료의 점화성에 관한 정량화 연구를 하였다[43]. 시험 결과 마그네슘과 PTFE가 보론의 점화 및 연소를 촉진하는 것으로 나타났다. NSWC는 산화제의 종류에 따른 연료의 연소율에 관한 실험적 연구를 하였고, 산소의 농도가 매우 지배적 역할을 하는 것으로 나타났다[44]. 최근에 NAWC는 남부 유타대학교와의 연구에서 HTPB-보론-마그네슘 연료를 기반으로 연료 표면에서의 입자 거동과 연소 특성에 관한 연구를 하였고, 보론 연소 촉진을 위한 마그네슘 함량의 한계를 제시하였다[45]. 유사한 연구로 ONR의 지원을 받은 SFD에서는 HTPB 바인더에 비극성 올레오일 염화물(Oleoylchloride)를 이용하여 보론 입자 분포의 균질화를 통해 기계적 물성 및 연소 특성이 크게 증대됨을 확인하였다[46].
유럽에서의 연구는 스웨덴, 네덜란드, 독일이 주도하였고 관련 기관은 FOI, TNO, DUT, RWMS, DLR이 있다. FOI는 PE 및 HTPB를 주 연료로 하여 다양한 첨가제를 적용한 지상연소시험을 수행하였는데, 관련 연구에 대해서는 내부 보고서로 비공개되어있다. TNO는 DUT와 공동으로 연소기 형상에 관한 연구를 수행하기 위하여 직접 연결식 지상 연소 시험장치를 Fig. 2와 같이 개발하였고[47], 이 장치를 이용하여 고체연료의 연소율 및 연소 거동을 측정하기 위한 시험을 하였다[48,49]. 이와 동시에 Navier-Stokes 해석을 통해 획득한 연소 유동장의 특성을 실험 결과와 비교 분석하였다[50,51,52,53,54,55,56,57,58]. 연소기 내에서의 연료 열분해 과정은 하이브리드 추진기관 및 SFRJ 추진기관 모두에서 중요한 요소로 밝혀졌으며[59,60], 같은 기간에 다양한 연료와 첨가물에 따른 연소 특성을 확인하고, 비행 성능을 예측하는 데 활용하였다. 독일에서의 연구는 2차 세계 대전에서 패전 이후에 1980년대 중반에 들어서 본격적으로 나타났다. DLR은 PE, HTPB 연료를 사용하여 DC 시험장치에서 연료의 연소율 및 화염 안정화 한계에 대해 공기 온도 및 연소기 형상을 관계 변수로 하여 구체적인 수치를 제시하였다[61,62,63]. 같은 실험 장치를 이용하여 선회 흐름과 연료의 조성에 따른 보론의 연소 효율에 대한 실험을 수행하였다. 시험결과 최대 40%의 보론 또는 보론 카바이드가 포함된 HTPB 연료에 대하여 화학 분석과 배기가스의 표본을 획득하였는데, 시험 결과 선회 흐름에 의해 연소 효율이 크게 향상되고, 20% 이상의 보론이 추가되면 연소 효율이 감소한다는 결과를 보였다[64,65,66]. 주목할 만한 내용은 연소실에서 PE 연료의 열전달 특성을 확인하기 위한 시험을 하였고, 이론적 연구와 비교하였다는 점이다[67]. 아울러 공기 조건에 따른 입자가 포함된 연료의 연소성능에 대한 전반적인 특성을 확인하기 위하여 시험연구를 수행하였다[68]. 이 연구에서는 슬랩(Slab)형 추진제를 이용하여 침습 방식의 열전대 프로브와 슐리렌, LDV, PIV 및 CARS 온도계와 같은 다양한 비 침투식 측정법을 적용하였다. 주로 덕티드 추진기관 적용을 목적으로 연구되었지만, 보론의 단일 입자 연소 모델에 관한 연구도 주목할 만한데 이는 PSU의 모델에 대한 확장된 결과를 보여주었다[69,70].
아시아에서의 연구는 이스라엘, 인도, 중국, 그리고 한국에서의 연구가 주목할 만하다. 먼저 이스라엘은 IIT(1)의 Gany, Natan교수에 의해 수행된 연구가 대부분을 차지하고 있다. Gany 교수는 NPS에서 Netzer 교수와 함께 다양한 연구를 수행하였고, 1980년대 중반부터 IIT(1)에서 광범위한 연구를 수행하였다. 보론을 포함한 연료에 대하여 2D 연소기를 이용하여 보론 입자의 연료 표면에서의 거동을 영상 장비를 이용하여 관측하였다[71]. 이 연구는 보론 입자의 점화 및 연소에 관한 수치적 모델 연구와 바이패스 공기에 의한 연소 특성에 관한 연구로 계속되었다[72,73,74,75]. 이어 연소기 내에서의 연소율 데이터를 확립하기 위하여 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PMMA 및 HTPB를 기반으로 하는 다양한 고분자 연료에 대한 실험이 수행되었다. 또한 SFRJ 연소기의 스케일 효과에 대한 이론적 분석 방법을 통해 가스터빈이나 액체 램제트에 적용된 것과 유사하게 탄화수소계 연료를 사용하는 SFRJ에도 pD 스케일링이 적용될 수 있다는 것을 보였다[78]. 보론 및 보론 카바이드가 적용된 추진제의 연소 효율을 높이기 위하여 보론 코팅, 바이패스, 후기 연소기를 적용한 연구를 수행하였다[79,80,81,82,83,84]. 이러한 연구를 통해 보론을 사용한 연료가 보론 입자의 점화 지연과 열화학적 관점에서 연소 유지의 한계를 이유로 들어 실제 시스템 적용에 있어 한계가 있다는 의견을 제시하였다[85,86]. 추력 조절을 가능하게 하는, 바이패스에 의한 연료 연소율 조절 방법에 관한 이론 연구를 진행하였으며[87], 이를 광범위한 비행 마하수와 고도 조건에서 실험적 연구를 통해 활용 가능함을 보였다[88]. 알루미늄 입자가 포함된 연료의 연소율과 비추력 특성에 관한 연구[89], 보론을 포함한 연료와 바이패스 시스템을 가진 시스템의 성능에 관한 이론적 연구, 그리고 Fig. 3과 같이 팽창되는 그래파이트를 연료에 추가하는 방법으로 연료의 열전도율을 높이고, 이를 통해 연료의 연소율을 증가시키는 광범위한 연구를 하였다[90]. 인도에서는 IIS, IIT(2), DRDO가 연구를 주도하였다. IIS는 AP를 추가한 폴리에스터를 연료로 하여 AP의 첨가 특성으로 인한 점화 및 보염 특성의 개선을 보였고[91], IIT(2)는 금속연료의 효율적인 연소와 연소기 설계에 관한 전반적인 자료를 넓게 분석한 결과를 제시하였다[92]. DRDO는 내부 유동과 연소과정을 1차원으로 가정하여 램제트 발사체 비행모의 모델을 개발하였는데, 이는 6 자유도로 확장되어 SFRJ 포탄 연구에 활용되었다[93,94,95]. 중국에서는 THU, NJU의 연구가 주목할 만하다. THU는 1990년대 초반에 PMMA 슬랩형 그레인을 이용한 2D 연소기 시험을 하였고, 공기의 유속, 온도, 연소기 스텝의 높이가 다른 형상에 대해 점화 전후의 연소율 특성에 관해 연구하였다[96]. 이어 계속된 연구에서 Fig. 4와 같이 스텝의 다양한 형상에 대하여 점화 지연, 보염성, 연소율에 관한 결과를 제시하였다[97]. 실험 결과 스텝의 형상이 난류 강도와 역류 흐름율에 큰 영향을 주었는데, 역류 유동률은 점화 지연, 보염 특성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 실험을 보완하기 위한 해석적인 연구가 추가로 수행되었는데, 다공성 벽을 통해 서로 다른 속도로 주입되는 가스가 있는 연소기의 유동을 모의하였다[98,99]. 이 연구는 연소기 스텝부에서의 이미지를 측정하여 유동장의 점화 천이 특성을 확인하기 위한 실험 연구로 계속되었다[100,101]. NJU는 초음속 공기 흡입구에서의 카울립 형상에 대한 중요성을 인식하고, 램제트 포탄에 적용을 목적으로 Fig. 5의 모델과 같이 해석과 실험을 통해 모델의 내부/외부 유동에 대한 특성을 비교분석 하였다[102,103,104]. 유사한 연구로 BRL의 75 mm 전차용 탄에 적용한 흡입구 유동 특성에 대해 해석을 통해 실험과 비교하였고[105], 이를 3차원 형상으로 확장하여 받음각 조건에서의 해석을 수행하였다[106]. 축대칭 형상의 SFRJ 반응 유동장을 다루기 위하여 연소 가스로부터 추진제로의 열전달 문제를 함께 고려하였고, 난류, 압축성 비정상 반응 유동장을 고려한 Navier Stokes 모델이 개발되었다. 개발된 모델을 PE 연료를 이용한 실험 결과와 비교하였다[107,108]. 결과를 살펴보면 Fig. 6과 같이 연료의 연소율에 대한 이론, 시험 결과가 매우 유사한 특성을 보임을 알 수 있는데, 이는 SFRJ 연소기 내의 매우 복잡한 연소, 열전달, 운동역학의 통합적인 물리적 현상에 대한 실험적 검증 예로써 고무적인 결과라고 할 수 있다. 이 모델은 3차원 문제로 확장되었다[109]. 이어 수행된 고도화된 연구에서는 고밀도 PE에 스월러에 의한 해석, 실험 연구를 수행하였는데 스월러에 의해 점화 지연과 재순환 영역 길이가 감소하고, 열전달, 연소율, 혼합율 및 연소 효율이 증대됨을 보였다[110,111]. 이 연구는 더 많은 수치해석과 흡입구 공기 온도, 스월 강도에 대한 실험을 포함하여 수행되었다[112,113,114,115]. 같은 연소기를 사용한 이 연구들은 과염소산암모늄, 마그네슘, 보론이 첨가된 HTPB연료에 대한 실험적 연구로 확장되었다[116,117]. 대한민국은 ADD, KAIST의 연구가 주목할 만하다. ADD는 1992년에 PMMA를 이용하여 보염 및 연료 연소율에 관한 연구를 하였고[118], 순수 HTPB와 보론 카바이드가 혼합된 연료를 이용하여 반복적인 연소에 따른 연소 효율에 관한 특성을 제시하였다[119]. 이어 같은 연료 조합에 대하여 흡입 공기 온도에 따른 연소 효율과의 관계를 도출하였다[120]. KAIST에서는 과산화수소를 이용한 고온의 공기공급 시험장치를 이용하여 보론, 알루미늄이 첨가된 연료의 점화 및 연소 특성에 대한 실험 연구를 하였다. 실험 결과 0.5mm/s의 연료 연소율과 80% 이상의 연소 효율을 보였다[121,122]. 이어 NC/BKNO3를 포함하는 점화 보조제와 고밀도 PE를 주 연료로 하는 시험에서 점화 지연 개선에 관한 연구를 수행하였다[123,124].
2.2 응용연구
기초연구와 동시에 다양한 체계 적용을 목적으로 하는 연구가 수행되었다. 이에 대하여 앞 절과 같은 방법으로 국가, 그리고 연대기별로 정리하였다.
먼저 미국에서 유도탄 및 소형 탄을 목적으로 연구된 사례가 있다. 1950년대에 NAWC에서 주도한 CROW는 직경 200mm, 비행거리 150km를 목표로 하여, SFRJ을 유도탄에 적용하는 기술 실증 프로그램이다. 유도탄의 형상은 Fig. 7과 같이 부스터와 SFRJ 서스테이너를 직렬식으로 연결하여 제작하였고, 비행시험 결과 SFRJ의 추진성능을 입증하였다[125]. 1980년대에는 BRL에 의해 40, 60, 75mm 소구경 탄에 SFRJ를 적용하여 비행 조건에서의 성능을 검증하였다[126,127,128,129]. 비행시험 전 DC 시험을 통해 확인했던 추진기관 성능은 비행시험에서 스핀에 의한 특성으로 충분히 기대한 결과를 얻지 못하였으나, 더 개선된 연료를 적용하여 자발 점화 및 높은 추진성능을 획득하였다. 유사한 시기에 NPS에서는 5 “함포에 적용된 SFRJ 연구가 수행되었고[130], 미 육군에서 8”로 크기가 늘어난 탄으로 연구가 확대되었다[131]. 이후에 미국에서는 1990년 후반부터 2000년 초반기에 램제트 추진에 관한 연구 활동에 대해 포괄적으로 다른 논문들이 제출되었으나[132,133,134,135,136,137], 실질적인 연구는 2010년 후반기에 이르러 대구경 포탄 및 전술 유도탄으로의 연구를 통해 이루어졌다. 대구경 포탄에 적용된 연구는 미 육군에 의해 주도된 ERCA 프로그램이 있는데, 비행거리 100km 이상을 목표로 SFRJ 추진을 적용한 연구이다. 이 연구는 현재 1단계 사업 후, 2단계 사업에서 Boeing과 Nammo가 최종 사업자로 선정되었고, 탄 형상은 Fig. 8과 같다. 2023년에 비행거리 검증 시험을 성공적으로 완료하였으며, 정밀 유도장치를 통합한 기술 검증을 계획하고 있다[138,139]. NAWC는 Fig. 9와 같이 SFRJ 기반 장거리 전술 유도탄의 기술 실증사업을 수행하였고, ‘22년 8월 비행을 통하여 부스터 통합형 SFRJ의 안정적 천이, 진보된 공기 분사 방법, 추력 조절 성능을 통하여 획기적인 비행거리 증대를 확인하였다[140]. 스웨덴의 FOI에서는 1980년대 후반에 40mm 대공포에 SFRJ를 적용한 연구가 있는데, 이 연구에서는 높은 가속도로 인한 HTPB 연료의 구조적 한계를 극복하고, 점화 및 보염 성능을 입증하였다[141]. 그러나 이후의 연구에서는 지속적인 추력을 통한 비행 속도 유지의 한계를 넘어서지 못하였다. 이 연구는 1995년에 네덜란드 TNO와의 공동 연구로 확장되었다. 발사시험에서 탄 이탈 속도가 마하 4.0 수준이었고, 10km 비행을 하는 동안 구조적, 기능적 문제를 극복하였으나 심각한 점화 문제가 발생하여 사업은 정상적으로 추진되지 못하였다[2]. TNO는 2000년대 RWMS와 협력하여 35mm 회전 안정화 탄에 관한 기술 실증사업을 수행하였다. 시험은 비교적 짧은 비행거리와 시간에 이루어졌지만, 짧은 점화 지연, 초기의 1,400m/s의 발사 속도를 지속해서 유지할 수 있는 추력 발생을 입증하였다. 이 실험 결과를 통해 SFRJ가 실현 가능한 기술로 판정하였다[142,143].
1990년대 초에 남아프리카공화국의 Denel에서는 Fig. 10과 같이 SFRJ 추진기관 기반의 유도탄에 적용하여 적용 기술 실증사업을 수행하였으나 기술적 도달 수준에 대해서는 명확히 알려진 바가 없다. 그러나 SFRJ 기술은 76mm 운동에너지 관통탄 개발로 이어져 추력 성능을 입증하였고, Fig. 11과 같이 155mm 포탄으로 적용되어 구조적 안정도 확보 및 일부 추진성능을 확인할 수 있었다[144,145]. 그러나 남아공의 국가 내부 및 관련 업체의 여러 가지 사정으로 인해 관련 연구는 중단되었고, 독일의 RWMS로 흡수되었다.
이스라엘은 IIT(1)에서 4m 길이에 100kg 수준의 SFRJ 적용 비행체에 대한 설계 및 비행시험을 수행하였고[146], 방산 업체나 전문 연구기관을 통해 알려진 체계연구 사례는 알려지지 않았다. 인도에서도 램제트 포탄을 목적으로 다양한 연구가 시도되었고, 이론 수준의 연구가 시도되었으나[147,148,149] 시험 결과에 대해 알려진 바가 없다. 대한민국 ADD는 Fig. 12와 같이 40mm 탄에 관한 연구가 있으며, 탄 발사시험을 통해 탄의 구조 안정도 및 점화 특성을 확인하였으나, HTPB 기반의 연료를 사용하는 시험에서는 높은 추력을 달성하지 못하였다[150-151].
3. 동향 분석
기술 동향 분석은 역사적 사건과 연동한 연대기적 관점, 지역 정세에 따른 연구 중심의 공간적 이동, 그리고 기술의 발전 단계에 따른 단계적 변화의 관점에서 살펴보았다.
먼저 연대기와 공간적 관점을 동시에 고려하여 살펴보면, SFRJ 연구는 2차 세계 대전이 발발한 1940년도부터 시작되었다고 볼 수 있다. 이후 유럽과 미국의 승전국을 중심으로 하여 냉전기(1947∼1991)에 많은 연구가 있었다. 이 당시의 연구는 주로 연료의 조성, 연소 특성, 그리고 연소기의 형상 및 유동 조건에 따른 연료의 연소율 및 연소 효율에 관한 기초연구에 집중되어 있었고, 체계적 관점에서는 소구경 탄으로의 기술 적용 가능성에 관한 연구를 수행하였다. 탈냉전기에 이르러 유럽에서의 연구는 확연하게 축소되었고, 그나마 미국과 이스라엘에서의 연구가 명맥을 유지하였으나 냉전기 대비 많이 축소되었다. 기초연구에서는 금속연료 및 다양한 첨가물에 의한 연소율 및 연소 특성에 관한 연구로 확대되었다. 이후 신 냉전기에 이르러 군사 강대국(미국, 중국, 러시아)에서의 연구가 다시 급격히 증가 하였다. 다양한 체계 적용을 염두에 둔 응용연구가 활발하게 진행되었다. 공간적 관점에서 연구 중심의 이동은 과거 유럽과 미국 중심에서 아시아 국가인 이스라엘, 중국, 인도, 한국으로 이동하는 경향을 보였고, 2000년대에 이르러 유럽에서도 노르웨이, 네덜란드, 독일을 중심으로 관련 연구가 다시 활성화되고 있다.
기술 단계별로 살펴보면 기초연구로 출발하여 응용연구로 진행되는 기본적인 절차를 준수하고 있지는 않은 것으로 보인다. 이는 2차 대전 중에 개념적 연구가 제안되었음에도, 기초연구 및 대공탄으로의 응용연구가 거의 동시대에 수행되었고, 이러한 경향은 최근의 연구에도 나타나고 있다. 냉전기에 더 심화한 기초연구는 연료와 연소기 형상에 관한 연구에 집중되었는데 복잡한 연소 현상을 해석할 컴퓨터 자원의 부족으로 실험 연구가 대부분을 차지하였다. 1980년대가 되어서 연소를 고려하지 않은 유동 해석과 연소율 특성을 단순하게 가정한 확산 연소해석이 등장하기 시작하였다. 이 당시의 실험 연구는 PE, PP, PMMA, HTPB 바인더와 일부 첨가물에 대한 연료의 에너지 밀도, 열분해 특성, 그리고 기계적 특성 개선에 있었고, 특정 연료를 연소기에 적용하여 연소기 형상에 따른 점화, 연소율, 보염 한계, 연소 효율 증대를 위한 연구로 확장되었다. 간혹 보론, 보론 카바이드, 마그네슘, 알루미늄과 같은 금속 입자 자체의 연소 모델링과 이들의 혼합물에 대한 연소기에서의 거동에 관한 연구가 있었는데 이에 대한 측정 기술의 한계로 연소율, 연소 효율과 같은 거시적 특성을 추정하는데 국한되어 있었다. 1985년대에 이르러 광학 기술과 비접촉식 측정 기술의 발전으로 바인더와 입자로 구성된 연료의 열분해에 따른 입자 거동, 연소공간에서의 입자의 운동 및 연소 특성에 관한 미시적 관점에서의 분석을 하게 되었다. 이후에 컴퓨팅 능력이 획기적으로 증대됨에 따라 연료의 열전달, 화학 반응, 비정상 유동에 관한 통합된 해석으로 고도화되었고, 이 결과를 실험적 연구와 결합하여 매우 정확도가 높은 결과를 제시하고 있다. 2020년 최근의 자료에 따르면 연료에 관한 연구도 금속 입자의 기능화를 통하여 연료의 구조적 성능 개선과 연소열 증대와 같이 고도화된 연구로 발전하였고[152], 기술 수준이 성숙함에 따라 체계 적용을 염두에 둔 응용연구로 본격적으로 확장되었다. 이에 관한 구체적 사례는 앞 절에서 언급한 ERCA, THOR-ER 프로그램이 대표적이며, THOR-ER을 통해 획득한 기술을 기반으로 2024년부터 체계 개발 계획을 제안한 3SM 프로그램이 있다[153]. 여기서 주목할 만한 점은 기술 선진국에서 전술 유도탄의 추진기술 선택에 있어 SFRJ를 가장 우선순위에 놓고 연구를 수행하고 있다는 점이다.
4. 발전 방향
4.1 선진국 발전 방향
기술 선진국은 과거의 연구를 기반으로 지속하여 핵심 기술과 체계 응용연구를 동시에 진행하고 있다. 여전히 계속되는 핵심 기술 연구 분야는 1) 충격파-충격파, 충격파-경계층 간섭에 대한 정밀한 해석기술, 2) 고체연료로 대류(및 복사) 열전달 및 연료의 기화 특성 연구, 3) 고물성, 고에너지 연료 조성 및 공정 연구, 4) 침식, 확산 연소 해석의 고도화 및 연소 효율 증대, 5) 추력의 능동 제어 기술로 나눌 수 있다. 응용연구 분야는 대공포, 함포의 소구경 탄약부터 대구경 탄약으로, 그리고 전술 유도탄에 이르는 많은 범위로 확대하고 있다.
4.2 국내 기술 현황 및 발전 방향
국내에서 앞서 언급한 것과 같이 SFRJ과 관련하여 40mm 소구경 탄을 대상으로 한 개념연구, 그리고 산학 주도하에 기초연구를 수행한 경험이 있으며, 공기 흡입구 설계 및 시험, 고체연료의 조성 및 성능 시험과 같은 간접적인 연구 경험을 보유하고 있다. 이는 SFRJ를 염두에 둔 연료의 조성, 연소기의 형상에 따른 기본 특성(보염, 연료 연소율, 연소 효율)과 같이 기초연구를 체계적으로 수행한 경험이 없다는 의미이며, 아울러 이를 체계 적용을 목적으로 선행되어야 하는 연료의 구조/노화 특성, 비행 특성에 의존하는 특성을 가진 추진기관의 체계 통합설계, 추력 능동 조절과 같은 연구가 시도된 바가 없다는 것이다. 더구나 연료는 운용하는 체계의 비행 고도, 마하수, 그리고 탄의 직경에 따라 상이할 수 있다. 이는 연료의 연소율 및 연소 효율이 공기의 전온도, 공기의 단위 질유량과 같은 특성에 의해 지배되기 때문이다.
따라서 연구의 난이도와 기술 연구 현황을 고려할 때 상대적으로 낮은 고도 및 마하수, 그리고 소구경 체계를 염두에 두고, 이에 적합한 연료와 연소기 형상에 관한 연구를 선행할 필요가 있다. 이는 낮은 공기 전온도와 유량에 해당하여, 연소기의 크기, 시험 시설 활용 관점에서 유리하기 때문이다. 이를 기반으로 고 마하수 및 대구경으로 확장을 고려하여 연료 조성과 연소기 형상의 연구를 후속하여 수행하고, 추력 조절 및 연소 효율 증대를 위한 연구는 별도로 병행하여 추진하는 것이 연구 개발을 위한 기본 데이터 획득과 빠른 응용 기술을 획득해 나아가는 방법으로 판단된다.
5. 결 언
SFRJ 추진기술과 관련하여 80년간 발전해 온 다양한 국가의 연구 동향을 살펴보았다. 기술 선진국을 중심으로 발전한 과거의 기술은, 신 냉전 시대가 도래하여 더 많은 국가로 연구가 확대되었고, 현재는 기술의 구현 가능성에 대한 확신을 기반으로, 다양한 체계로의 응용을 위한 연구로 확대되고 있다. 고체연료를 사용하는 SFRJ는 구조적 단순함, 저가, 그리고 높은 비추력 성능이라는 장점으로 향후의 체계를 위한 연구는 지속해서 확대될 것으로 기대된다. 본 동향 분석에 큰 도움을 준 TNO의 Veraar 박사의 도움에 감사드린다.
