■ 우주 발사체, 여러번 활용 재사용 엔진 개발

 

■ 우주 발사체, 여러번 활용 재사용 엔진 개발

 

● 1회용인 첫 한국형 우주발사체 누리호의 한계를 극복

 

한국이 세계 우주 로켓 시장의 대세인 ‘재사용’ 엔진 개발에 성공했다. ‘1회용’인 첫 한국형 우주발사체 ‘누리호’의 한계를 극복해 미국의 스페이스X 등의 첨단 로켓과 경쟁할 수 있는 원천 기술을 확보한 성과로 평가된다. 한국항공우주연구원(KARI. 항우연)은 최근 위성 다중 발사와 발사체 재활용의 핵심 기술을 확보하기 위해 개발한 9t급 엔진 검증 시제의 재점화 연소 시험에 성공했다고 2021년 11월 24일 밝혔다.

 

● 미국의 스페이스X처럼 누리호 뒤이을 첨단 로켓 기술 확보

 

항우연은 2016년부터 엔진 재점화 기술을 연구해 왔으며, 이번에 처음으로 검증 시제를 제작해 320초간 엔진을 가동한 후 껐다가 370초 후에 다시 점화하는 실험을 성공적으로 마쳤다. 기존에 항우연이 개발해 2021년 10월 21일 누리호 발사 때에 사용한 7t급, 75t급 엔진의 경우 1회 점화만 가능하여 효율적인 활용과 다양한 임무 수행, 재사용 등이 원천적으로 불가능했다. 또 이번에 실험한 9t급 엔진은 보다 진보한 기술인 다단 연소 사이클 방식이 적용됐다. ‘거꾸로 타는 보일러’처럼 터빈을 돌리고 나온 가스를 다시 연소기에 넣어서 태우는 방식이다. 기존 7t급, 75t급 엔진이 터빈을 돌린 가스를 곧바로 배출하는 ‘가스발생기’식 개방형 사이클 방식을 사용하는 데에 비해 다단 연소 사이클 방식은 5-7% 이상 연료 효율이 높다.

 

● 로켓 재사용 및 효율적 활용 가능해져 경제성 획기적 개선

 

항우연은 이 기술들을 앞으로 누리호 성능개량 및 차세대 발사체 개발에 활용할 계획이다. 엔진 재점화가 가능하게 되면, 발사체의 성능이 획기적으로 개선되어 경제성을 확보할 수 있다. 엔진을 껐다가 켰다가 하면서 1회 발사에서 하나의 궤도가 아닌 여러 궤도에서의 임무 수행이 가능하다. 연료를 적게 쓸 수 있어 위성 투입 능력도 늘릴 수 있다. 무엇보다 로켓 재활용을 위한 핵심 기술이다. 현재, 미국 스페이스X의 팰컨9 로켓, 미국 블루오리진의 우주 관광용 로켓 ‘뉴셰퍼드호’ 등이 엔진 재점화 및 추력 조절 기술을 이용해 임무 수행 후 방향 전환 및 착륙 속도를 줄여서 귀환하는 방법을 채택하고 있다.

 

이로 인해 우주 발사체를 여러 번 활용할 수 있게 되어 1회당 발사 비용을 최소 2,000만 달러대까지 낮출 수 있다. 한영민 항우연 발사체엔진 개발부장은 "이번 실험 성공으로 재점화 엔진 기술 확보를 위한 기술 연구의 절반 정도는 달성했다고 본다. 앞으로 재점화는 물론 추력 조절까지 가능한 엔진을 개발해 2022년 이후에 진행될 예정인 누리호 고도화 사업에 적용할 계획이다" 라고 말했다.

 

● 날아가던 로켓이 불뿜으며, 도로 착륙 가능 엔진 개발

 

재활용 로켓을 만들려면, 엔진, 공력, 구조, 시스템 등 기술이 결합해야 한다. 이번 시험 성공은 엔진 부분에 국한된다. 엔진은 엔진 재점화와 추력(推力) 조절 기술이 핵심이다. 추력은 로켓이 연료를 연소해 얻는 힘을 일컫는다. 엔진을 재점화하고, 방향을 전환하거나 착륙 속도를 줄이려면, 힘 조절이 이뤄져야 한다. 미국 스페이스X 로켓 팰컨9은 멀린 엔진 9기를 사용하는 로켓이다. 1단부 멀린 엔진 1기 진공 추력은 96t급이고, 2단 엔진은 진공 추력 98t 수준이다. 이 엔진은 처음 출발할 땐 100% 출력을 내지만, 착륙하거나 방향을 조절할 땐 추력을 조절한다. 한국항공우주연구원이 향후 엔진 재점화 기술을 고도화할 경우, 날아오른 로켓이 땅으로 착륙하는 모습을 구현할 수 있다.

 

현재 우리나라 로켓은 지구 저궤도에는 위성을 실어나를 수 있지만, 정지 궤도에는 도달할 수 없다. 유럽 우주국(ESA)은 지구 저궤도를 우주 고도 160km에서 1,000km 이내 상공으로 정의한다. 정지 궤도는 약 3만 5,000km 우주 상공이다. 앞으로 재점화 엔진 기술 등이 고도화하면, 우리 로켓으로 위성을 지구 저궤도뿐만 아니라 정지 궤도에 안착시킬 수 있다. 항우연은 9t급 액체 엔진을 점진적으로 100t급 추력을 내는 재사용 로켓으로 만들어갈 예정이다. 미국 스페이스X 로켓 팰컨9 로켓 수준을 구현하려면, 엔진 재점화를 3-4번 이상 할 수 있어야 한다. 향후 5회 이상 재점화를 목표로 기술을 개발하고 있다.

 

항우연은 2010년부터 2021년까지 한국형 발사체 누리호(KSLV-II)를 개발해왔다. 누리호를 들어 올리는 1단부는 75t급 액체 엔진 4기 묶음이다. 총 300t급 추력이다. 2단부와 3단부는 각각 75t급과 7t급 액체 엔진으로 이뤄져 있다. 그동안 개발해온 엔진은 1번 연소해서 하늘로 날아오르면 재사용할 수 없었다. 항우연은 2016년 '다단 연소 사이클 엔진' (재점화 엔진) 개발을 시작했다. 2021년 재점화 연소 시험을 두 차례 실시했고, 앞으로도 검증을 거쳐 재점화 기술을 고도화한다는 계획이다.