한국항공우주연구원

  NASA에서는 지속적으로 심우주 탐사에 힘을ㅤ쏫고 있다. 최근에 계획되고 있는 것은 2022년에 발사 예정인 토성(Saturn)의 위성인 타이탄(Titan) 탐사 미션이다(이하 TOPS: Titan Orbiter Polar Surveyor). 타이탄은 태양계에서 두 번째로 큰 위성이다. 큰 위성이라 두터운 대기와 구름을 가지고 있고, 강수량이 있어 호수와 강이 있기 때문에 과학자들이 매우 탐사하고 싶은 위성이라고 한다. 타이탄 탐사는 태양계를 이해하기 위한 매우 중요한 위성이라고 볼 수 있다.

  < 그림 1. TOPS 미션을 위한 위성탑재체 > 첨부파일 참고
  다만, 큰 문제거리는 타이탄까지 가야 한다는 것이다. 타이탄까지 가기위해서는 5887 m/s로 10.5년 정도 가야 한다. 초등학교 1학년 때 쏘면 고등학교 1학년 때 도착하는 것이다. 이 긴 시간동안 위성탑재체(또는 발사체)는 연료를 아끼고 아끼면서 토성까지 가야한다. 추가적으로 최대한 빨리도 가야하겠다.

  이 미션을 위해서 위성탑재체는 7번의 메인엔진 점화를 해야한다. 아래 표에서 언제 엔진이 점화되고, 그때의 엔진 점화 시간, 연료사용량을 확인할 수 있다. 마지막 엔진 점화는 무려 발사 후 3,117일 후에 33분이나 지속된다.

< 표 1. TOP 미션 시간표 > 첨부파일 참고

  이 미션에 사용되는 연료는 액체수소이고, 산화제는 액체산소이다. 액체수소는 20 K의 온도, 액체산소는 약 90 K의 온도를 가지고 있는 극저온 액체들이다. 액체수소와 액체산소의 조합은 발사체의 높은 추력을 내기 때문에, 효율이 좋지만, 우주의 배경온도가 아무리 낮다고 하지만, 무려 3,117일 후에 엔진 점화를 사용하기 위해서는 뭔가 특별한 장치가 필요하겠다.
  극저온 액체를 오랜 시간 저장하기 위해서는 무엇보다도 단열, 열침입로 차단이 중요하고, 외부 열유입을 철저하게 계산하여 탑재 중량을 맞추는 것이 최고로 중요하겠다. TOPS 미션을 위해서 최고의 Multi Layer Insulation(MLI)를 사용하고, 액체수소 탱크와 액체산소 탱크를 서로 닿지 않게 구조적으로 분리, 최소한의 지지대로 위성탑재체를 만드는 방법이 있겠다. 그리고 발사 시에 액체수소를 과냉각하여 충전하는 방법도 있다. 액체수소(20 K)를 약 15 K으로 과냉각하여 열이 들어와도 상변화를 방지할 수 있게 한다. 액체수소를 과냉각하는 방법은 액체헬륨(4 K)과 열교환하는 방법, 또는 극저온 냉동기를 사용하는 방법, 마지막으로 Thermodynamic Cryogen Subcooler(압축-줄톰슨팽창 과정)이 사용될 수 있다고 한다. 액체산소는 심우주에서는 자연 과냉각하여, 증발 가능성이 적다고 한다. 문제는 액체수소인데, 지상에서의 과냉각 충전과 열전달 경로를 잘 차단하여 설계한다고 하니, 우리는 이를 추후에 참고해야 할 것이다.
  액체수소와 액체산소를 이용하면 기존 고체엔진보다 무려 43%나 질량을 감소시킬 수 있다고 하니, 극저온 열전달 설계를 잘하면 추후에 우리도 타이탄에 도착할 수 있지 않을까.

< 그림 2. TOPS 발사체 열전달 해석 결과 > 첨부파일 참고

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.
Cryogenic propulsion for the Titan Orbiter Polar Surveyor (TOPS) mission, S. Mustafi et al. Cryogenics 74 (2016) 81-87