마하(음속)는 통상적으로 초속 340m로 이동하는 매우 빠른 속도를 말한다. ‘마하 1’이라고 하면 시속 1224㎞ 이상의 속도로 움직이는 셈이다. 따라서 ‘초음속’은 ‘마하 1’ 이상의 속도를 뜻하고 극초음속(hypersonic)은 ‘마하 5’ 이상으로 적어도 시속 6120㎞에 이른다.

중국이 베이징에서 뉴욕까지 2시간 안에 주파할 수 있는 ‘마하 5’ 수준의 극초음속 항공기를 개발하고 있다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 지난 22일 보도했다. 중국 베이징과 미국 뉴욕은 1만 1000km쯤 떨어져 있는 만큼 일반 여객기를 타고 가면 14시간 정도 걸릴 거리를 마하 5’ 이상의 속도로 비행하는 극초음속 항공기로는 2시간 안에 도달 가능한 것이다.

중국과학원 산하 역학연구소의 고온기체동역학 국가중점실험실에 소속된 추이카이(崔凱) 연구팀은 이같은 내용이 담긴 논문을 과학원 소속 중국과학의 자매지 ‘물리학, 역학, 그리고 천문학’을 통해 발표했다. 추이 연구팀은 극초음속 비행체(HGV·hypersonic glide vehicle) 시뮬레이션을 위해 만들어진 극초음속 충격파(JF-12) 풍동(風洞·인공적인 바람을 발생시키는 터널 형태의 실험 장치)에서 극초음속 항공기 축소 모델로 실험을 진행했다. 이 모델은 음속보다 7배 빠른 시속 8600㎞를 주파하는데 성공했다. 극초음속 항공기는 실험실 단계에선 비행할 수 없는 까닭에 JF-12 풍동 실험을 통해 이 극초음속 비행을 가능케 하는 추진력을 얻는지, 섭씨 7000도가 넘는 초고온을 견딜 수 있는지 등 실제 비행 단계에서 생길 수 있는 여러 가지 문제점을 지상에서 점검하는 시설이다. 이 실험실의 부책임자인 자오웨이(趙偉) 부주임은 “이 시설은 HGV가 맞닥뜨리게 될 가상의 극한 환경을 만들어 실제 비행에서 일어날 여러 문제를 지상에서 해결하고자 만든 시설”이라고 설명했다.이번 축소 모델은 중국이 미국 본토를 14분 만에 타격할 수 있는 ‘마하 35’가 넘는 시속 4만 3200㎞에 이르는 극초음속 무기 개발 프로그램의 초기 단계인 비행체로 알려졌다. 극초음속 무기 프로그램은 중국이 보유한 핵탄두를 싣고 지구 한 바퀴에 해당하는 거리를 1시간 이내에 날아가 공격을 감행할 수 있을 정도로 엄청나게 빠른 속도의 비행체를 개발하는 프로젝트이다. 이 때문에 현재의 미사일 방어 체계로도 도저히 대응할 수가 없다. 중국은 지난해 마하 5~10배로 추정되는 극초음속 비행체(DF-ZF)나 마하 10에 이르는 극초음속 미사일(WU-14) 의 시험 비행을 7차례 실시했다고 SCMP가 전했다.

이에 따라 고온기체동역학 국가중점실험실은 현재 ‘마하 35’가 넘는 시속 4만 3200㎞에 이르는 HGV를 시험할 수 있는 풍동 시설을 건설하고 있다. 극초음속 열차폐(heat shields) 전문가인 우다팡(吳大方) 베이징항톈항공(北京航空航天)대 교수는 “중국의 첨단 풍동들은 HGV의 성공적인 개발에 도움을 준다”며 “중국군은 이를 활용해 극초음속 미사일과 드론 등을 개발 중”이라고 말했다. 날개 길이가 3ｍ에 이르는 비행체가 들어갈 수 있을 정도로 넓은 첨단 풍동에서는 HGV가 맞닥뜨릴 공기 흐름을 만들기 위해 산소와 수소, 질소 등이 담긴 가스통을 동시에 폭발시킨다. 이때 발생하는 에너지의 양은 무려 1기가와트(GW)에 이른다. 중국 광둥(廣東)성의 다야(大亞)만 원자력발전소 용량의 절반을 넘는다. 이 충격파가 HGV를 때릴 때 발생하는 열은 태양의 표면보다 더 뜨거운 섭씨 7727도다. 이를 감당하기 위해 HGV는 열을 분산시킬 수 있도록 특수 금속으로 외부를 감싼 냉각 시스템을 장착해야 한다. 극한의 공기 흐름을 감당하기 위해 초음속 연소에 적합한 ‘스크램젯’으로 불리는 신형 엔진도 장착해야 한다. 이런 어려움 탓에 미군이 2011년 시험한 ‘마하 20’의 무인 비행체인 ‘HTV-2’는 불과 수 분간 비행하다가 추락하고 말았다.

중국 HGV 개발을 주도해 온 이는 천스이(陳十一) 난팡(南方)과기대 총장으로 알려졌다. 자연계의 복잡한 현상중 하나로 꼽히는 난기류 전문가인 천 총장은 미국 로스앨러모스 비선형연구센터 부소장 등 고위직에 올랐지만 1999년 귀국했다. 베이징대 국가중점실험실 난류·복잡계 연구 책임자로 일하면서 중국의 HGV 개발에 이바지했다. 2015년 난팡과기대 총장에 취임한 이후 베이징(北京)대와 칭화(淸華)대, 헤이룽장(黑龍江)성 하얼빈(哈爾賓)공대, 중국과학원, 중국과학기술대, 상하이푸단(上海復旦)대 등의 해외 유학파 박사들을 끌어모아 HGV 개발에 매진하고 있다.

개발 중인 극초음속 항공기 모델은 날개가 아래위로 쌍을 지어 달린 쌍엽기처럼 생겼다. 아래 날개가 팔을 벌린 것처럼 앞을 향하고 있다. 기체 뒤쪽에는 박쥐처럼 생긴 위 날개가 달려 있어 영어 대문자 ‘Ι’의 모습과 비슷해 ‘아이 플레인’(I-plane)으로 불린다. 유선형 동체에 삼각형 날개를 지닌 기존 극초음속 항공기와는 상당히 다른 특이한 형태다. 연구팀은 “이중 날개 구조가 극초음속으로 인해 발생하는 기체 흔들림과 저항을 줄여주며, 기존 극초음속 항공기보다 훨씬 많은 화물을 싣게 해준다”며 “I-plane 크기가 일반 상업용 항공기와 같다고 가정하면 실을 수 있는 무게는 상업용 비행기의 25% 수준”이라고 밝혔다. 승객 200명과 화물 20t 정도를 실을 수 있는 보잉737 여객기 크기의 극초음속 항공기를 만들 경우 사람 50명과 화물 5t을 실을 수 있다는 얘기다. 현재 극초음속 항공기는 개발 초기의 실험 단계에 있는 만큼 실제로 사람을 태울 수 있는 극초음속 항공기는 아직 개발되지 않았다.

상황이 이런 만큼 중국이 개발 중인 극초음속 항공기가 현실화하기까지는 많은 어려움을 극복해야 한다. 무엇보다 극초음속으로 인해 발생하는 섭씨 7000도 이상의 초고온을 어떻게 견디느냐가 관건이다. 절연 물질로 기체를 감싸고 냉각 시스템을 장착하는 방안이 연구되고 있지만, 연구 단계에 불과하다. 영국과 프랑스가 공동 개발한 초음속 여객기 ‘콩코드’는 1976년부터 운항해 평균 8시간 넘게 걸리는 파리∼뉴욕 구간을 3시간대로 줄였지만, 비싼 요금에 소음도 심했다. 2000년에는 이륙 중 폭발 사고도 발생하는 바람에 결국 운항을 중단했다.

그렇지만 미국과 중국, 러시아 등은 HGV 개발에 총력전을 펼치고 있다. HGV 개발에 성공한다면 ‘극초음속 폭격기’도 가능해 기존 전쟁의 양상을 뒤흔들어놓을 ‘게임 체인저’가 될 수 있다는 것이 전문가들의 일반적인 관측이다. HGV의 경우 극히 낮은 고도로 활공하면서 목표물을 타격해 레이더의 포착과 요격이 매우 어려워 기존 미사일 방어망을 무력화하기 때문이다. 이에 미 공군은 ‘마하 6’ 이상의 속도로 비행하는 ‘X-51 웨이브라이더’, 중국은 ‘WU-14’, 러시아는 ‘지르콘’으로 불리는 극초음속 미사일을 개발하는 등 불꽃 튀는 경쟁을 벌이고 있다. 미 록히드마틴 사는 극초음속 정찰 타격기 ‘SR-72’를 개발하고 있고 2020년까지 베이징에서 뉴욕까지 7시간 이내에 도달하는 시속 1700㎞ 이상 의 여객기 ‘X-플레인’도 개발한다는 계획이다. 우다팡 교수는 “실용성을 갖춘 극초음속 항공기는 세계 어느 곳이든 두 시간 내에 도착할 수 있으며, 재활용할 수 있는 우주 기술 덕분에 우주여행 비용도 대폭 절감할 수 있다”고 말했다.

김규환 선임기자 khkim@seoul.co.kr