일본의 경쟁력 확보를 위한 공기 흡입식 엔진 및 스크램제트 엔진을 활용한 재사용형 우주수송시스템의 개념 설계와 연구 필요성 doc_id CNTS-00049141470_1

재사용형 우주수송시스템의 연구가 일본 내에서 활발해 지고, 공기 흡입식 엔진을 초단으로 이용하는 2단식 완전 재사용형이 하나의 목표로 생각되고 있다. 이 배경에는 일본의 발사 시스템을 담당하는 최신 H2A라도 발사 비즈니스 세계에서 미래에 언제까지 경쟁력을 유지할 수 있는가를 모르기 때문이다. 또한 종래 소모형 시스템에 대해서, 재사용형에는 시스템의 신뢰성이 높고, 보험료의 저감도 전망된다. 최근, 우주개발사업단(NASDA)의 H2와 우주과학연구소(ISAS)의 M-V 발사 실패가 연이어, 우주개발계획 전체에 악영향이 염려되고 있지만, 재사용형 우주수송 시스템의 전환을 오히려 촉진하는 좋은 기회가 될지도 모른다. 공기 흡입식 엔진을 이용한 발사시스템에는, 단순히 산소제를 필요로 하지 않는다는 장점만이 아니라, 발사 장소와 착륙장소가 달라도 자력으로 귀환할 수 있다. 혹은 수평 이착륙 할 수 있기 때문에 활주로 위에서 대기가 가능하는 등, 운용상의 제약이 적다고 하는 장점이 있다. 공기 흡입식 엔진으로서 예를 들어 ATR 엔진을 이용하여, 정지상태에서 마하 6까지 가속이 가능해지고, 실제로 2단식 발사시스템을 생각해 보면, 2단째를 소모한 시스템으로 2톤 정도의 payload를 총중량 100톤으로 발사가 가능하다고 예상된다. ATR 엔진과 함께 일본내외의 기관에서 정력적인 연구가 진행되고 있는 것이, 마하 수 10 전후까지 가속을 가능하게 하는 스크램제트엔진이다. 산화제를 가지고 있지 않고서 이 속도까지 가속이 가능하다면 발사 중량의 대폭적인 저감을 기대할 수 있다. 그 한편으로 스크램 제트를 실은 기체를 발사 장소에 되돌리기에는, 별도의 엔진에 의한 비행이라든가, 선박 등에 의한 수송을 생각하지 않으면 안 된다. 3단식의 시스템에 관해서는 예를 들어 ATR을 실은 1단째와 스크럼을 싣는 2단째를 동일 지점에 착륙시켜, 1단째가 2단째를 짊어진 상태에서 양자를 발사 장소에 되돌리는 아이디어도 주장되고 있다. 하지만 다단식 컨셉으로 스크럼 제트 엔진의 이점을 충분히 끌어내는 아이디어는 알려져 있지 않다. 일본 내에서는 항공우주기술연구소를 중심으로 요소개발이 진행되고 있지만, 스크럼 제트 엔진을 사용한 발사 시스템의 개념설계에 관한 연구도, 동시에 필요해질 것이다. 이번 결과에서 얻어진 payload비는 약 0.7%이고, 나카지마팀의 결과보다 약간 큰 수치를 얻었다. 에어로 스파이크 엔진에는 이상적인 비추력을 거의 전 영역에서 달성할 수 있지만, 이번 계산에는 X-33이 재돌입을 전제로 한 둔한 형상 때문에 공력특성이 나빠져 그 장점이 충분히 나오지 않은 것처럼 생각된다. 1단째의 공력특성 향상을 전제로 하여 보다 상세한 시스템의 검토를 이후 시행할 필요가 있을 것이다. 또한 이번 X-33을 1단째로 사용하는 payload 1톤의 시스템을 가정했지만, 재사용형 발사 시스템이 미래 발사 시스템의 주력이 되기에는 payload를 10톤 가까이까지 가능하게 할 필요가 있다. 그를 위해서는 예를 들어 X-33을 2단째로 사용하면 어떻게 될까, 라고 하는 기발한 아이디어의 검토도 필요하다. 최신 에어로 스파이크 엔진에는 종래 엔진에 대해서 기대되는 만큼 시스템상의 이점을 얻을 수 없을 경우, 로켓 base 복합 사이클 엔진(RBCC)을 이용한 시스템의 검토가 필요할 것이다. 여러 가지 복합형태가 제안되고 있지만, 자못, 공기 취수식 시스템과 로켓 base 시스템의 융합형태의 도달점이 되는 것일지도 모른다. 미국에서는 우주 프로젝트의 방침 결정시에 미국 항공우주학회에서 충분한 논의를 통해, 전문가의 합의를 형성된 경우가 있다고 들었다. NASDA와 ISAS의 전문가가 일본항공우주학회에서 논의를 통해 국가 프로젝트의 조종칸잡이를 해 가는 모습을 꼭 보고 싶다. 또한 NASDA와 ISAS의 재사용형 우주발사 시스템의 개발계획에 대해서, 대학이 공헌할 수 있다고 한다면 이번의 보고와 같은 개념 설계분야가 아닐까라고 생각된다. 학생수만큼, 여러 가지 가능성을 검토해 가면, 뿌리 좋은 아이디어에 도달할 수 있을지도 모른다. 이후 재사용형 발사기 개발 프로젝트에 관한 중심적인 논의에 계획할 수 있도록 대학측도 실력을 축적해 갈 필요가 있을 것이다.