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식어버린 관심, 우리나라의 항공우주기술 어디까지 왔을까? 

한국형발사체 ‘누리호’의 엔진 시험발사체 : 에너지와 재료를 중심으로 

15기 김상재 

 우리나라는 2013년 나로호 발사의 성공으로 자국에서 자국 발사체로 자국 위성을 쏘아올린 국가를 의미하는 스페이스클럽에 이름을 올렸습니다. 전 세계에서 11개국 뿐인 스페이스클럽에 가입한 일은 축하 받아 마땅할 일이지만 발사체의 핵심인 1단 로켓을 러시아가 만들었고 이에 대한 기술 이전을 받지 못했기 때문에 나로호는 100% 국산이 아니라는 지적도 있었습니다. 이 지적은 곧 나로호의 결정적인 한계점이었으며 이를 극복하고 우리나라가 완전한 우주발사국으로 인정받기 위해 순수 우리나라 기술로 발사체를 개발할 수 있는 능력의 필요성을 인정하였습니다.

 이를 위해 한국형 발사체 KSLV-2의 개발 계획을 발표하였고, 2021년도에 완전히 우리나라의 기술로만 이루어진 한국형발사체 ‘누리호’를 쏘아 올리겠다는 큰 프로젝트를 실행하고 있습니다. 현재 상황은 엔진 시험발사체 발사 성공까지 진행된 상태입니다.

 이 기사에서는 요새 관심이 떨어진 우리나라의 우주기술을 다시 한번 알리고 시험 발사체의 엔진을 중심으로 재료, 에너지 관련 내용을 소개해보려고 합니다. 

 2018년 11월 28일 오후 4시, 대한민국의 나로우주센터에서 순수 국내기술로 개발중인 한국형발사체(KSLV-2)’누리호’의 시험발사체가 최대고도 209Km를 기록하면서 성공적으로 임무를 마쳤습니다.

 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 시험발사체의 엔진 연소시간을 성패 기준으로 삼았는데, ‘누리호’ 2단부에 해당하는 목표 연소시간 140초를 11초 넘긴 151초를 달성하였고 이 시점에서 시험발사체의 고도는 75km까지 상승한 것으로 확인하였습니다.

 이번 시험발사체의 발사 성공으로 대한민국은 세계 7번째로 75톤 액체엔진 성능 검증에 성공하였다고 발표하였습니다. 이 시험발사체의 성공은 ‘누리호’ 개발을 위한 기술준비가 차질없이 진행되고 있다는 것을 증명하였으며 발사체의 핵심기술이자 가장 고난이도의 기술인 75톤급 액체엔진 성능 검증이 성공적으로 이루어졌다는 데에 중요한 의미를 가집니다.

 한국형발사체 ‘누리호’ 사업은 1.5톤급 실용위성을 지구 상공 600~800Km의 저궤도에 투입할 수 있는 대한민국의 독자적 우주발사체를 개발하는 것을 목표로 하고 있으며 이번 시험발사체 발사의 성공으로 ‘누리호’ 3단계 사업에 돌입하여 3단형 발사체 시스템 기술개발을 마치고 2021년 2월, 10월 각각 2회의 시험발사를 거쳐 10년에 걸친 한국형발사체(KSLV-2)개발사업을 마칠 계획이라고 예고하였습니다.

 먼저 한국형발사체와 시험발사체에 대한 내용을 정리하고 에너지와 재료적 측면을 알아보도록 하겠습니다.

 한국형발사체는 1,500kg의 탑재중량, 600~800km의 투입고도, 200톤의 총중량, 47.2m의 총길이, 3.5m의 최대직경을 가집니다. 이에 비교하여 이번에 발사에 성공한 시험발사체의 기본제원은 총중량 52.1톤, 총길이 25.8m, 최대직경 2.6m로 각각 한국형발사체에 비해 약 25%, 약 54%, 약 74%정도 작게 만들어졌습니다.

구분

시험발사체

한국형발사체

탑재중량

-

1,500kg

투입고도

-

600~800km

총중량

52.1t

200t

총길이

25.8m

47.2m

최대직경

2.6m

3.5m

발사시기

2018.11.28(성공)

2021.02/2021.10(예정)

[표 1 : 시험발사체와 한국형발사체의 제원 비교]

 시험발사체의 경우 1단 75톤급 액체엔진 1기와 발사체 상단부에 중량 시뮬레이터를 장착하고 있습니다.

 한국형발사체의 경우 3단으로 구성되며, 1단에는 75톤급 액체엔진 4기가 묶음으로(clustering), 2단에는 시험발사체의 1단에 해당하는 75톤급 액체엔진 1기가, 3단에는 이미 연구개발에 성공한 7톤급 액체엔진 1기로 이루어져 있습니다.

[사진 1 : 시험발사체와 한국형발사체의 구조 비교]

 구조에 대한 정리를 마치고 최근 발사에 성공한 시험발사체의 핵심적인 기술인 75톤급 액체엔진을 중심으로 에너지와 재료적 측면을 소개해보도록 하겠습니다.

 한국형발사체 기술의 핵심인 75톤급 액체엔진시스템은 약 -183도에 이르는 극저온의 액체산소를 산화제로 상온의 케로신을 연료로 사용하며 엔진의 주요 구성품은 연소기, 터보펌프, 가스발생기 등으로 이루어져 있습니다. 연소기에서는 약 3,300도의 연소가스가 발생되고 터보펌프를 구동시키는 가스발생기에서는 약 630도의 연소가스가 발생됩니다.

 이처럼 액체엔진시스템에서는 동시다발적으로 극저온환경과 고온환경이 발생하므로 엔진시스템을 구성하고 있는 구성품들이 정상적으로 운용되고 작동할 수 있도록 적절한 단열재를 사용하는 것이 일반적입니다. 단열재를 제작할 땐 주 단열 재료와 그에 따른 열전달과 복사열을 적절하게 처리할 수 있고 탈부착이 가능한 단열재 외피를 모두 고려해야 합니다. 

[사진 2 : 시험발사체 75톤급 액체엔진]

 첫 번째 단열재로는 Cryogel Z, 단열재 외피로는 AL coating Glass cloth가 있습니다.

 이 경우 cryogel은 극저온 단열에서 우수한 성능을 보여주었지만 엔진 구성품의 표면 접착성, 제작성의 어려움, 분진 문제를 보인다고 보고되었습니다. 하지만 단열재 외피로 쓰이는 AL coating Glass cloth의 경우 극저온과 400정도까지의 고온으로부터 열복사를 막아주며 방수기능이 있어 극저온에서 생긴 성에나 결빙이 녹아 엔진 구성품으로 유입되는 것을 보호합니다.

 두 번째 단열재로는 Eglass AL Felt, 단열재 외피로는 AL coating Glass cloth가 있습니다.

단열재 외피는 첫 번째 경우와 같고, Eglass AL Felt는 cryogel 못지 않은 단열성능을 보여주었고 cryogel에 비해 접착성과 제작성이 우수한 소재로 액체엔진시스템에서 주된 단열재로 사용될 가능성을 보여주었습니다.

 세 번째 단열재로는 Eglass AL Felt, 단열재 외피로는 PTFE 원사가 있습니다.

 단열재 외피로 PTFE를 사용하였는데, AL coating Glass cloth에 비해 고온에는 약하지만 제작성과 조립성이 우수하다는 장점을 보입니다. Eglass AL Felt, PTFE 원사 모두 적당한 단열성능과 제작성과 조립성에서 우수성을 보이고 있기 때문에 액체엔진시스템에서 적절한 부분에 사용하면 효과를 거둘 수 있을 것이라고 전망하였습니다.

 [사진 3, 4, 5 : cryogel Z , Eglass Al Felt , Al coating glass cloth]

액체엔진시스템에서는 동시다발적으로 극저온환경과 고온환경이 발생하므로 엔진시스템을 구성하고 있는 구성품들이 정상적으로 운용되고 작동할 수 있도록 적절한 단열재를 사용해야 하며 단열재를 적용할 땐 단열성능 뿐만 아니라 재료의 제작성, 조립성에서도 우수한 성능을 보여야 실제 엔진시스템에 사용할 수 있다는 점을 상기해야 할 것입니다 .

 또한 액체엔진시스템에서 주목해야 할 구성품은 3,300도에 이르는 고온의 연소가스가 발생되는 연소기 부분이라고 할 수 있습니다. 엄청난 고온이 액체로켓 연소기 챔버에서 발생하기 때문에 단열은 매우 중요합니다. 엄청난 고온, 구조적 안정성 유지라는 두 특성으로 인해 열차폐 코팅이라는 기술을 이용하며 이 기술은 연소가스와 접하는 연소기 내측구조물 벽면에서 온도를 감소시켜 열손상을 방지하고 냉각채널에서 발생하는 구조 변형을 감소시킴으로써 연소기 챔버의 수명과 구조 안정성을 증가시키는데 기여합니다. 열차폐 코팅은 액체로켓 연소기 뿐만 아니라 항공기용 가스 터빈 엔진에도 쓰이는 기술이며 국내에서는 Air Plasma Spray 방식으로 NiCrAlY-ZrO2 코팅을 적용하고 있습니다.

 [사진 6 : 열차폐 코팅이 적용된 연소기 챔버의 배치상태 ]

 마지막으로 한국형발사체 엔진 개발에서는 엔진의 경량화에 기여할 수 있는 고강도, 높은 충격흡수 에너지를 가진 극저온용 구조 재료가 필수적입니다. 이 문제를 해결하기 위해 항공우주연구원에서 개발한 고강도-고인성 스테인리스강에 대해 소개하도록 하겠습니다. 

 기사 앞에서도 많이 언급했지만 극저온의 산화제와 케로신을 연료로 사용하며 연소시 고온, 고압상태에 놓이는 매우 급격한 온도, 하중 조건이 발생하게 됩니다. 이런 온도 변화와 큰 하중을 견디기 위해서는 고강도의 재료가 필요하며 액체 산소와 접하는 극저온의 환경에서는 재료가 취화되기 때문에 균열이 발생할 우려가 있어 구조물의 안정성을 위해 충격흡수 에너지나 파괴인성이 높은 소재를 사용하는 것이 매우 중요합니다.

세계에서 액체로켓엔진 개발을 위해 다양한 재료들(Inconel 718, A286, 듀플렉스 스테인리스강 UNS S31803, 오스테나이트 스테인리스강 UNS S31603)등이 쓰이고 있으며 항공우주연구원에서 개발한 고강도 스테인리스강 재료는 강도, 충격흡수에너지에서 다른 재료들에 못지 않은 상당한 강점을 보였기 때문에 한국형발사체 엔진의 경량화에 기여했다고 평가되고 있습니다. 

 지금까지 이번 기사에서 누리호의 재료와 에너지 측면에 대해 다양한 참고자료들을 바탕으로 알아보았습니다. 한국형발사체 ‘누리호’의 시험발사체 발사 성공은 75톤급 액체 엔진 성능, 각종 배관, 밸브, 추진체 탱크 등의 성능, 추적 시스템 등 지상 시스템 성능을 성공적으로 검증했다는 것에 의미가 있습니다. 또한 위성 자력발사 능력 확보로 국가우주개발계획의 안정적이고 독자적인 수행, 1.5톤급 위성 발사 인프라 개발 그리고 누리호의 시스템 및 핵심기술 확보의 초석을 다졌다는 관점에서도 의미가 있다고 할 수 있습니다.

 하지만 최종적 목표인 3단으로 구성된 ‘누리호’의 발사 성공을 위해서는 아직 나아가야 할 과제들이 남아있습니다. 항공우주연구원에서는 1단에 75톤급 액체엔진 4개가 들어가는 점을 주목하면서 이 4개의 엔진이 작은 오차도 없이 하나의 엔진처럼 작동해야 하는데 엔진들을 묶는(clustering) 기술이 엔진을 만드는 기술 못지 않게 어렵다고 보고 있습니다. 더하여 1단, 2단, 3단 기체를 정교하게 조립하는 기술에 대한 연구도 추가적으로 진행해야 할 것으로 보인다고 보고하였습니다.

 여러 어려움이 있겠지만 이 ‘누리호’의 발사를 통해 독자적 우주수송 능력을 확보하여 우주강국으로 도약하고 안정적으로 우주개발을 실현할 수 있게 되었으면 좋겠습니다.

 이 우주기술 사업 뿐 아니라 현장에서 진행되고 있는 기술의 연구개발에는 여러 분야의 공학적 지식이 많이 필요하다고 언급이 많이 되고 있습니다. 특히 우주기술의 연구개발에는 에너지공학, 환경공학, 기계공학, 전자공학, 물리학, 화학공학, 항공우주공학 등 각 분야의 전문가들이 모여 끊임없는 노력을 바탕으로 빛을 보고 있다고 생각합니다. 

 현재 다른 에너지 관련 문제와 환경 이슈가 겹쳐 2019년 하반기에 접어든 지금까지도 우주기술에 대한 언론과 대중의 관심이 좀 식었다는 생각이 들었습니다. 이번 기사를 통해 사람들에게 우리나라의 독자적 항공우주기술의 발전이 에너지, 환경, 기상 등 다양한 분야의 새로운 전환점을 마련해줌과 동시에 여러 과학 분야에 큰 발전을 가져올 수 있는 잠재력이 있다는 점을 다시 한번 알릴 수 있는 기회가 되었으면 좋겠습니다.  

 

참고문헌 및 인용자료

https://www.kari.re.kr/kor.do : 한국항공우주연구원 공식홈페이지

https://kslvii.kari.re.kr/contents/siteMain.do : 한국형발사체 ‘누리호’ 공식홈페이지

임병직, 김문기, 김종규, 최환석 (2016). 한국형발사체 75톤급 액체로켓엔진 가스발생기 개발현황. 한국추진공학회 학술대회논문집, 886-887.

한상엽 (2012). 전 세계 발사체 액체로켓엔진 기술개발 현황. 항공우주산업기술동향, 10(1), 132-144.

김종규, 김현준, 강동혁, 최환석 (2016). 한국형발사체 75톤급 엔진 연소기 개발현황. 한국추진공학회 학술대회논문집, 883-885.

김영준, 조원국, 정은환 (2016). 액체로켓엔진의 극저온과 고온의 단열 분석. 한국추진공학회 학술대회논문집, 808-810.

유철성, 이금오, 김홍집, 최환석 (2009). 열차폐 코팅이 재생냉각 챔버에 미치는 열/구조적인 영향. 한국추진공학회 학술대회논문집, 421-425.

이금오, 류철성, 최환석 (2012). 한국형발사체 엔진을 위한 고강도 스테인리스강 개발 결과. 한국항공우주학회 학술발표회 논문집, 2313-2318

 

 

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