KARI 한국항공우주연구원

한국항공우주연구원은 한국형발사체(누리호)의 심장이라고 할 수 있는 엔진을 국내 기술로 개발했다. 엔진 터보펌프에 들어가는 베어링 등 일부 부품을 제외하고는 모두 국산화에 성공했으며, 복잡한 우주발사체 액체엔진의 공학적 설계와 제작을 우리 기술로 개발했다.

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.

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.