제트 파워와 로켓 파워가 결합하면…
지구 반 바퀴를 돌아가는 비행기에 탑승한다고 상상해 보세요. 747 기종으로는 약 20시간이 걸리는 여정입니다. 하지만 마하 5를 넘는 속도로 비행하는 초음속 항공기 덕분에 단 4시간 만에 목적지에 도착할 수 있습니다.
이 이야기가 공상과학 소설처럼 들릴지 모르겠지만, SABRE 엔진을 동력으로 하는 이러한 여행은 머지않아 경제적으로 실현 가능한 현실이 될 것입니다.
SABRE™(Synergetic Air Breathing Rocket Engine)는 고속 항공기와 우주선 모두를 추진하기 위해 개발 중인 새로운 유형의 엔진입니다. SABRE 엔진은 제트 엔진의 연비 효율성과 로켓의 추진력 및 고속 비행 능력을 동시에 갖춘 점이 특징입니다.
음속의 3배인 마하 3까지만 차량을 추진할 수 있는 제트 엔진과 달리, SABRE 엔진은 공기 흡입 모드에서 마하 5.4의 속도를 낼 수 있어 지구 일주를 할 수 있으며, 로켓 모드에서는 마하 25의 속도를 낼 수 있어 궤도 진입이 가능합니다.
게다가 SABRE는 전통적인 제트 엔진 역학과 로켓 추진 기술을 결합하여 수평 이착륙이 가능하도록 설계되었기 때문에, 미래의 우주항은 차세대 항공기와 우주선을 수용할 수 있게 될 것입니다. 또한, 대부분의 로켓은 일회용으로만 사용될 수 있는 반면, SABRE의 독특한 설계 덕분에 지구로 귀환하여 또 다른 비행을 위한 동력을 공급할 수 있으며, 이를 반복해서 수행할 수 있습니다.
발명 = 단순한 제품이 아니라 과정
SABRE 설계의 핵심은 리액션 엔진스(Reaction Engines)가 초경량 열교환기(프리쿨러)를 개발함으로써 이룬 항공우주 엔진 기술의 획기적인 발전으로, 이를 통해 고속 비행 시 엔진 부품의 과열을 방지할 수 있게 되었습니다.
이 획기적인 기술을 향한 여정은 수년 전, 리액션 엔진스(Reaction Engines)의 몇몇 연구개발 전문가들의 머릿속에서 시작되었습니다. 하지만 진정한 마법 같은 일이 시작되기 전에, 이 선구적인 발명가들은 완전히 새로운 추진 방식의 가능성을 입증할 시제품을 설계해야 했습니다.
첫 번째 단계는 초경량이면서도 강도가 높은 금속과 소재를 찾아낸 다음, 이를 어떻게 결합할지 결정하는 것이었습니다. 이 독보적인 엔진을 개발하려면, 극한 환경을 견딜 수 있도록 소재를 준비하기 위해 금속학적 특성이 획기적으로 다른 금속과 비범한 열 사이클이 필요했습니다. SABRE 개발자들은 700회 이상의 테스트를 통해 자신들의 원리를 입증하는 동시에, 실현 가능한 엔진 개념을 구현하는 데 필요한 세심한 공정을 정의하고 개선해 나갔습니다.
거대한 규모의 혁신
리액션 엔진스(Reaction Engines)가 이 프로젝트에 필요한 공정과 장비를 산정하는 과정에서 한 가지 사실이 분명해졌습니다. 초미세하면서도 놀라울 정도로 견고한 금속 튜브로 구성된 복잡한 시스템인 엔진의 프리쿨러를 제조하려면, 매우 특수한 용광로가 필요하다는 것이었습니다. 이 용광로는 정교한 브레이징 공정을 정밀하게 제어하여, 독보적인 형태와 기하학적 구조, 그리고 금속학적 특성을 성공적으로 구현할 수 있어야 했습니다.
SABRE는 프리쿨러, 엔진 코어, 추력실이라는 세 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 마하 5 이상의 속도를 달성하는 데 필수적인 프리쿨러는 냉각수를 운반하는 수천 개의 얇은 벽을 가진 튜브로 이루어져 있습니다. 이는 매우 정교한 시스템으로, 벽 두께가 머리카락 굵기의 절반에 불과한 미세 튜브가 약 2,000킬로미터에 달합니다. 그리고 모든 이음매는 완벽하게 밀봉되어야 하며, 이를 통해 프리쿨러는 1,000°C에 달하는 공기 온도를 1초도 채 안 되는 시간 안에 -150°C까지 낮출 수 있습니다. 이 과정에서 공기로부터 약 400MW의 에너지를 흡수하는데, 이는 소형 발전소 한 곳의 출력에 해당합니다!
정밀한 사양을 수립하고, 최적의 소재와 야금 공정을 선정하며, 그 누구도 시도해 본 적 없는 열처리 공정을 구상한 후, 리액션 엔진즈(Reaction Engines)는 인덕토텀 그룹(Inductotherm Group) 계열사인 콘사크(Consarc)에 의뢰했습니다. 진공 및 제어 분위기 용해 분야에서 반세기에 걸친 경험을 보유한 콘사크는 이 고객의 특별한 요구 사항을 충족할 수 있는 맞춤형 용광로를 설계하고 제조할 수 있는 유일한 파트너였습니다.
영국에 본사를 둔 Consarc는 수십 년에 걸친 귀중한 전문 지식은 물론, 탄탄한 연구개발(R&D) 팀과 소속 엔지니어, 기술 컨설턴트, 설치 전문가들을 투입하여 Reaction의 구체적이고 전례 없는 요구 사항을 충족하는 맞춤형 용광로 기술을 설계했습니다. 진공 성능부터 온도 제어에 이르기까지 용광로의 모든 요소는 오차 여지가 거의 없이 정밀하게 계산되어, 기존 어떤 용광로도 따라올 수 없었던 정확하고 재현 가능한 결과를 보장했습니다. 이는 진정한 이 분야의 대가만이 해낼 수 있는 일이었습니다.
그렇게 Reaction Engines에서 소규모 팀의 실험으로 시작된 이 프로젝트는, Consarc의 전문가 팀이 여러 가지 가능한 해결책을 찾아 제시함에 따라 규모가 6배로 확대되었습니다. 용광로에 대한 계획이 커짐에 따라 전문가 그룹도 함께 확대되었으며, Consarc의 영국 시설에 소속된 엔지니어링, 제조 및 설치 팀은 모두 Reaction의 맞춤형 장비 설계 및 제작 과정에서 결정적인 역할을 수행했습니다.
이들의 협력 결과, 극도로 섬세한 튜브가 대량으로 포함된 모듈식 조립체를 빠르고 정확하게 가열 및 냉각할 수 있는 독보적인 용광로가 탄생했으며, 이 모든 과정이 엄격하게 제어되고 일관되게 재현 가능한 조건 하에서 이루어집니다. 이 가열로의 가열 구역 적재 용량은 직경 2.5m, 높이 1.5m로, 동종 제품 중 세계 최대 규모에 속합니다. 이러한 거대한 규모 덕분에 이 가열로는 프리쿨러의 시험용 부품뿐만 아니라, 향후 SABRE의 본격적인 양산 버전을 구성하게 될 부품들까지 수용할 수 있습니다.
시험장
현장에 완전히 맞춤형으로 제작된 Consarc 진공 브레이징로를 설치한 Reaction Engines는, 최종 SABRE 프리쿨러의 선구자가 될 열교환기 기술을 생산하는 데 필요한 까다로운 제조 공정을 수년에 걸쳐 세심하게 다듬어 왔습니다.
SABRE의 모듈식 설계 덕분에 각 구성 요소를 독립적으로 제작하고 지상 시험을 실시할 수 있습니다. 대표 기술(HTX로 알려진)에 대한 시험은 2018년 말, 콜로라도주 왓킨스 인근 프론트 레인지 공항에 곧 완공될 시험 시설에서 시작될 예정입니다. 이 시설에서의 시험은 SABRE가 마하 5 속도에서 직면하게 될 고온 기류 조건을 시뮬레이션하고, 프리쿨러 기술의 성능을 검증할 것입니다.
영국 버킹엄셔주 웨스트콧에 건설 중인 또 다른 시험 시설에서, 리액션(Reaction) 팀은 2020년부터 핵심 하위 시스템과 SABRE 엔진 코어를 평가하기 위한 시험을 시작할 예정입니다. 이 모든 지상 시험이 성공적으로 완료되면, SABRE가 비행 시험체에 동력을 공급하여 하늘로 날아오르고 항공 역사에 새로운 장을 열 수 있도록 하는 과정이 이어질 것입니다.
하늘은 더 이상 한계가 아니다
리액션 엔진즈(Reaction Engines)는 항공 여행에 혁명을 일으킬 것입니다. 국방 분야부터 상업용 항공편에 이르기까지 차세대 항공기에 동력을 공급할 ‘SABRE’는 오늘날의 기존 제트 엔진보다 두 배 빠른 속도를 내며, 더욱 효율적인 여행을 가능하게 할 것입니다. 또한, 이중 기능을 갖춘 이 차세대 엔진은 지구 대기권 내에서뿐만 아니라 그 너머에서도 작동할 수 있어 우주 진출 비용을 대폭 절감할 것이며, 이는 궁극적으로 우주 여행에 대한 더욱 야심 찬 가능성을 뒷받침할 것입니다.
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