中 과학자들, 마하 4 '에이스' 터보제트 엔진 개발…美 지배 분야 도전

중국은 전례 없는 추력, 효율성 및 속도 범위를 갖춘 적응형 사이클 엔진(ACE) 프로토타입의 지상 및 고도 테스트를 완료했다고 최근 베이징에서 열린 중국 공학회 열물리학 연례 회의에서 발표했다고 8일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

이번 회의에서 중국과학원 공학 열물리학 연구소 부소장인 쉬강은 적응 사이클 엔진 기술에 대한 팀의 연구 진행 상황을 발표했다.

이 첨단 엔진은 차세대 전투기와 미래의 초음속 민간 수송을 위한 이상적인 발전소가 되어 오랫동안 미국이 지배해 온 분야에 도전할 준비가 되어 있다.

쉬는 보고서 요약에서 그의 연구소가 "바이패스 연소 및 단계 간 혼합 가변 모드 엔진" 기술을 개척했다고 말했다.
이 획기적인 발전은 높은 고도와 속도에서 기존 터빈 엔진의 심각한 추력 감쇠를 극복한다.

이 엔진은 높은 마하 수에서 초음속 순항을 달성할 수 있으며 복합 사이클 추진 시스템의 고속 터빈 구성 요소 역할도 하여 이러한 시스템의 "추력 트랩" 문제를 해결할 수 있다.

특히, 경쟁하는 미국 접근 방식은 이중 바이패스 아키텍처를 사용하는 반면, 중국 시스템은 새로운 3스트림 설계를 특징으로 한다.

이 세 번째 스트림의 주요 특징은 더 많은 전력을 추출하고, 우수한 열 관리를 달성하고, 설치 항력을 줄이고, 입구 압력 회복을 개선하고, 배기 온도를 낮추고, 적외선 신호를 줄이는 데 사용할 수 있는 저온 공기 흐름이다.

엔진은 아음속 순항을 위해 주 연소기가 활성화되는 모드 1과 초음속 순항을 위해 바이패스 연소기가 작동하는 모드 2의 두 가지 모드로 작동한다.

쉬의 프레젠테이션 데이터에 따르면 지상 테스트에서는 비추력이 27.6% 증가한 반면 고고도 테스트에서는 47% 증가한 것으로 나타났다.

그리고 기본 엔진에 비해 연료 소비가 37.5% 감소했다.

마하 수와 수정된 공기 흐름 사이의 관계를 보여주는 차트를 분석한 결과 이 엔진은 최대 마하 4의 속도에서 작동할 수 있는 것으로 나타났다.

쉬는 오랫동안 경량 터빈 기반 항공 추진 시스템, 연소 및 전체 엔진 설계에 대한 기초 기술 연구에 종사해 왔다. 그는 여러 터보제트 및 터보팬 엔진 프로그램의 수석 엔지니어였다.

그의 작업은 여러 가지 기술적 장벽을 허물고 여러 비용 효율적인 고성능 경량 항공 엔진의 개발 및 적용으로 이어졌다.

항공 엔진 발전의 핵심 과제는 추력을 높이고 연료 효율을 개선하는 것인데, 이 두 가지 목표는 종종 서로 상충된다.

가변 사이클 엔진(VCE)은 이 문제를 극복하기 위해 고안됐다. 나중에 더 발전된 ACE로 발전했다.

VCE는 조정 가능한 배플과 내부 경로를 사용해 압력 비율, 공기 흐름 및 바이패스 비율 같은 열역학적 사이클 매개변수를 조절한다.

이를 통해 엔진은 다양한 비행 조건에서 고성능을 유지할 수 있다.

ACE는 고추력 모드와 고효율 모드 사이를 원활하게 전환할 수 있는 VCE의 개념적 진화다.

VCE의 개념은 1960년대 미국의 거대 기업인 제너럴 일렉트릭(GE)으로 거슬러 올라간다.

수십 년간의 탐사와 개발 끝에 1990년에 설계된 GE의 YF120 엔진은 YF-22 및 YF-23 전투기 프로토타입 모두에서 시험 비행을 성공적으로 완료했다.

2016년 미 공군은 F-35 전투기의 잠재적인 엔진 업그레이드를 위한 ACE 엔지니어링 프로토타입을 개발하기 위해 적응형 엔진 전환 프로그램(AETP)을 시작했다.

GE와 프랫앤휘트니는 각각 시연 엔진인 XA100과 XA101을 생산하는 계약을 체결했다.

그러나 예산 제약에 직면한 미국 의회는 2024년 예산에서 F-35 엔진 업그레이드가 F135 엔진 코어 업그레이드(ECU)와 함께 진행될 것이라고 공식 확인해 ACE 기술의 군사 배치를 사실상 지연시켰다.

중국의 마하 4 ACE 엔진 개발은 항공 추진 기술의 획기적 성과다. 미국이 수십 년간 주도해온 분야에서 중국이 따라잡거나 앞서가고 있음을 보여준다.

전문가들은 "중국이 3스트림 설계로 미국의 이중 바이패스 방식을 뛰어넘었다"며 "추력 증가와 연료 효율 향상을 동시에 달성한 것은 기술적 우위를 입증한다"고 평가했다.

고고도에서 추력 47% 증가는 놀라운 성능이다. 기존 엔진의 고속·고고도 성능 저하 문제를 극복했다.

한 항공 전문가는 "고고도에서 추력이 급격히 떨어지는 것이 기존 터빈 엔진의 고질적 문제였는데 ACE가 이를 해결했다"며 "차세대 전투기의 고속·고고도 전투 능력이 크게 향상될 것"이라고 말했다.

연료 소비 37.5% 감소는 작전 반경 확대를 의미한다. 같은 연료로 더 멀리, 더 오래 비행할 수 있다.

전문가들은 "연료 효율 향상은 전투기의 체공 시간과 작전 반경을 크게 늘린다"며 "장거리 작전 수행 능력이 대폭 강화될 것"이라고 분석했다.

3스트림 설계의 저온 공기 흐름은 다목적이다. 열 관리, 항력 감소, 적외선 신호 감소 등 다양한 이점을 제공한다.

업계는 "저온 공기 흐름으로 엔진 냉각과 스텔스 성능 향상을 동시에 달성할 수 있다"며 "차세대 스텔스 전투기에 필수적인 기술"이라고 평가했다.

마하 4 작동 능력은 극초음속에 근접한다. 초음속 순항 전투기와 민간 수송기 개발의 기반이 된다.

전문가들은 "마하 4는 SR-71 블랙버드급 속도"라며 "중국이 차세대 고속 정찰기나 전략폭격기 개발에 나설 수 있다"고 전망했다.

미국의 ACE 배치 지연은 중국에 기회다. 예산 문제로 미국이 주춤하는 사이 중국이 실용화에 먼저 도달할 수 있다.

업계는 "미국이 F-35 엔진 업그레이드를 미루면서 기술 격차가 좁혀지고 있다"며 "중국이 먼저 ACE를 전투기에 탑재하면 공중 전력 균형이 변할 수 있다"고 분석했다.

민간 초음속 수송 응용도 주목할 만하다. 군사용을 넘어 차세대 콩코드형 초음속 여객기 개발로 이어질 수 있다.

전문가들은 "ACE 기술이 성숙하면 마하 2~3급 초음속 비즈니스 제트나 여객기 개발이 가능하다"며 "항공 운송의 혁명을 가져올 것"이라고 전망했다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com