한국항공우주연구원

- 연소기 : 연료와 산화제의 연소반응으로 생성되는 고온, 고압의 가스를 노즐을 통해 분출시켜 추진력을 얻는 장치 - 터보펌프 : 연소실에 고압으로 연료와 산화제를 공급해주는 장치 - 가스발생기 : 고압가스 연소반응을 통해 터보펌프의 터빈을 구동 - 밸브 등 공급계 부품

담금질 하듯 엔진 성능시험 해야

액체로켓 엔진은 내부에서 맹렬한 화학반응이 일어나는 동시에 무게 대비 최고의 성능을 내도록 최소한의 무게로 제작되어야하기 때문에 수많은 위험 요소가 내재되어 있다. 따라서 새로 개발한 엔진을 로켓에 적용하려면 신뢰성 확보가 가장 중요하고 반복적인 시험이 필수적이다. 국내 기술로 개발한 누리호의 75톤급 액체엔진은 개발 초기 연소불안전 현상 등의 기술적 어려움을 극복하고 2018년 시험발사를 통해 비행과정에서의 연소성능을 확인했다. 한국항공우주연구원은 75톤급 엔진의 성능과 신뢰성을 확보하기 위해 지속적으로 엔진 연소시험을 진행했다. 75톤급 엔진은 2016년 4월 초도기 시험을 시작으로 2020년 11월까지 총 25기의 엔진을 조립해 시험을 거쳤다. 1호기와 2호기는 각 구성품의 작동성과 성능, 중요한 엔진의 각종 시퀀스를 결정하기 위해 제작됐다. 이를 바탕으로 3호기부터 비행모델과 유사한 형상을 갖추게 되었다. 이후 시험발사체 인증모델과 비행모델에 대한 수락시험을 진행해 성공적으로 발사체에 인도하고 엔진 검증시험을 지속적으로 수행하고 있다. 2020년 11월 기준으로 75톤급 엔진은 25기가 제작되었으며 총 168회 시험, 누적 연소시간은 16,690초이다. 단일 최장연소시간은 260초를 달성했다. 또한 7톤급 엔진은 2015년 4월부터 파워팩 시험을 통해 엔진시험 전 문제점 등을 파악해 초도품의 레이아웃을 설계했다. 이후 제작·조립을 통해 엔진 총조립 프로세스를 구축하고 그해 7월 첫 연소시험을 성공적으로 수행했다. 7톤급 엔진은 안정적인 제작과 시험 과정을 거쳐 3단 인증모델에 이어 비행모델 조립에 착수했다. 또한 3단 액체엔진은 1단, 2단 비행 시 작동하지 않고 진동환경에 노출되는 만큼 구조적인 안정성과 연소 시 작동성을 검증하기 위한 진동환경 시험도 완료했다. 7톤급 엔진은 11기가 개발되었으며 총 89회 시험, 누적 연소시간은 16,385.7초이다.

극한을 버텨라, 엔진 연소시험

연소시험은 엔진의 작동환경에 따라 지상 연소시험과 고공 연소시험으로 나눌 수 있다. 지상 연소시험은 누리호 1단의 작동 구간인 고도 약 50km에서 엔진이 정상적으로 작동하는지 확인하기 위한 시험이다. 고공 연소시험은 누리호 2단 및 3단의 작동 구간인 고도 약 50km 이상에서 엔진이 정상적으로 작동하는지 확인하는 것이 핵심이다. 2단 75톤급 엔진, 3단 7톤급 엔진처럼 고고도 환경에서 작동하는 추진기관은 작동 고도의 대기압이 지상보다 매우 낮고 노늘 팽창비가 크다. 이에 따라 지상에서 연소시험을 하면 노즐 유체의 흐름이 잘 흐르지 못하고 벽으로부터 떨어져 불규칙하게 나타나는 이른바 ‘유동 박리(flow separation)’ 현상이 발생해 정확한 추력을 측정하는 게 어렵다. 그래서 지상에서 추진기관의 성능을 최종적으로 입증하기 위해서는 실제 비행 환경을 지상에서 모사해 점화와 연소 등 정확한 추력 특성을 확인해야 한다.

엔진 4기 묶어 강력한 추력을, 클러스터링

누리호 1단은 75톤급 액체엔진 4기를 묶어 300톤의 추력을 내는 클러스터링(Clustering)방식을 사용한다. 클러스터링은 엔진 여러 개를 묶어 필요한 추력을 내는 방식이다. 구조적으로 안정성을 유지하면서 강력한 힘을 발휘할 수 있지만 클러스터링 방식은 1기의 엔진에 비해 제어가 어렵다. 결합하는 엔진 수가 많아질수록 제어는 더 어려워진다. 그래서 엔진 클러스터링에서는 여러 개의 엔진이 마치 하나의 엔진처럼 동일한 추력을 내야 한다. 이를 위해 연료와 산화제를 모든 엔진에 똑같은 요구 조건으로 공급해야 한다. 동일한 온도, 압력, 유량을 유지해야 4기의 엔진이 마치 하나의 엔진처럼 동일한 성능을 발휘할 수 있다. 또한 터보 펌프를 비롯해 배관, 연소기 등 각종 구성품의 신뢰성도 높아야 하며 4기 엔진 추력이 정상인지, 엔진 추력 오차가 어느 정도인지 파악할 수 있는 기술을 확보하는 것도 중요하다. 그리고 엔진 4기가 동시에 점화되어 화염을 내뿜을 때 서로 간섭하지 않도록 엔진의 수평과 균형을 유지하는 것도 신뢰성 높은 엔진 개발의 중요한 기술이다.

복합적이고 정밀한 우주 기술의 결정체

우주발사체 액체엔진은 극한 기술의 결정체로, 개발 과정에서 많은 기술적 어려움이 발생한다. 우선 극한의 온도와 높은 압력, 폭발성 높은 유체를 안정적으로 제어해야 한다. 누리호 액체로켓 엔진은 등유(케로신)와 -183°의 액체산소가 반응해 연소하며 추진력을 낸다. 연소가 시작되면 엔진 연소실 내부는 3,000℃까지 치솟는다. 엔진이라는 한정된 공간 안에 -183°에서 3,000℃의 극한 온도 차의 유체가 운용되어야 한다. 무엇보다 액체로켓엔진 개발이 어려운 이유는 구조가 복잡하기 때문이다. 또한 우주발사체 액체엔진은 시동을 걸기 상당히 어렵다. 1초가 채 안 되는 극히 짧은 시간 안에 연료와 산화제를 공급하는 여러 밸브와 부품들이 정밀하게 정해진 순서대로 정확히 작동해야만 한다. 누리호의 75톤급 엔진은 초당 255kg의 연료와 산화제를 연소시키는데 시동 순서가 조금만 어긋나도 곧바로 폭발로 이어질 수 있다. 가정에서 사용하는 가스레인지를 켤 때 스파크가 조금만 늦게 일어도 순간적으로 폭발성 점화가 일어나는 것과 같은 이치다.

다단연소 사이클 엔진 선행 연구개발

한국항공우주연구원은 누리호 개발 과정에서도 미래 우주발사체 선행연구를 진행 중이다. 기존의 개방형 사이클 액체엔진에 비해 개발 난도가 높지만, 연소 효율이 높은 추력 9톤급의 다단연소 사이클 액체엔진 개발도 병행하고 있다. 한국항공우주연구원은 미국과 러시아, 중국 등 일부 우주발사체 선진국만 이 기술을 보유하고 있는 다단연소 사이클 엔진 개발을 위해 2016년부터 현재까지 단일 최장 600초 연소시험 등 60회 이상의 시험을 완료했고, 엔진 추력을 40%까지 낮출 수 있는 성능을 확인했다. 다단연소사이클 엔진은 향후 누리호의 성능 향상에 활용될 예정이다. 누리호 이후 개발될 우주발사체에 9톤급 다단연소 사이클 엔진이 적용되면 탑재 위성 무게를 1.5톤에서 2.7톤까지 늘릴 수 있을 전망이다. 아울러 2기 이상의 위성을 여러 궤도에 투입하고 달 탐사선 발사도 가능할 것으로 보인다. 또한, 75톤급 엔진의 성능을 향상시키기 위해 기존의 75톤급 연소기 보다 높은 연소압을 견딜 수 있는 연소기도 개발하고 있다.

다단연소 사이클 엔진의 성능

액체 유동 등에 최적화된 설계·제작

발사체의 연료인 케로신과 산화제인 액체 산소는 모두 액체이기 때문에 탱크 내부에서 끊임없이 움직이고, 이 유동은 탱크에 충격을 가하게 된다. 기름을 연료로 쓰는 자동차나 대형선박에도 이러한 유동 때문에 자세제어에 어려움을 격기도 하는데, 이런 현상을 줄이기 위한 장치들이 설치된다. 누리호의 추진제 탱크도 마찬가지다. 크기가 훨씬 크고, 연료와 산화제의 양도 많기 때문에 탱크 내부에서 강력한 유동이 발생하면 치명적인 영향을 미칠 수도 있다. 이 때문에 탱크 크기와 연료 및 산화제의 양의 유동 등에 최적화된 설계와 제작 방법을 찾아 적용해야 한다. 또한 누리호는 액체산소를 산화제로 사용한다. 액체산소 온도가 -183℃로 극저온 상태이고 기화 속도도 무척 빠르기 때문에 이를 주입하고 저장할 때에도 탱크의 역할이 중요하다.