한국항공우주연구원

자막

거절당하고
해외에 엔진 시험요청

부딪히고
엔진 연소 불안정

극복하고
단 1.5초 불 붙이는데 1년

검증하기까지
엔진 비행성능 검증 완료

이제는 말할 수 있다
개발진을 잠 못들게 한
'누리호 엔진 개발 난제'

1.5초 연소로
'엔진독립의 날'을 외쳤던 이유

(Q. 75톤급 엔진 연소시험에 처음 성공한 날은?)
(한영민 엔진개발부장)
2016년 5월 3일 처음으로
75톤급 엔진 시험을 1.5초 동안 진행했습니다
그동안 연소불안정 그리고 기술적인 문제들
모두 해결하고 또 엔진 시퀀스도 해결한 다음
처음으로 75톤 엔진을 불붙인 날인데요

누리호 엔진 개발진에게 1.5초는 불꽃같은 시간이었다
점화에 성공했다는 것은
자동차로 따지면 엔진에 시동을 걸었다는 뜻이다
연소시간을 늘려가는 건 이제 시간 문제에 불과했다

(한영민 엔진개발부장)
1.5초 연소시험을 성공한 이후에 데이터를 봤을 때
75톤 추력도 나오고 연소 안정도 나왔기 때문에
굉장히 시험이 성공적이었습니다

엔진독립을 선언할 수 있었던 이유는 명확했다
누구의 손도 빌리지 않고 순수 국내 기술로
우주발사체 엔진의 원천기술을 확보 했다는 자부심이었다

75톤에 관련된 모든 기술, 설계나 제작
그다음에 조립, 시험에 관련된 것을
순수 국내 기술, 우리 손으로 했기 때문에
그걸 엔진독립의 날이라고 칭하고 싶습니다

(나로호 발사)
('엔진 성능시험' 요청을 거절당하다)
한국형발사체 누리호 엔진 개발은
나로호의 잇단 실패 속에서 탄생했다
엔진독립 없이는 '대한민국 우주개발의 미래는 없다'는
위기감 속에서 선행연구가 시작됐다

(Q. 누리호 엔진 개발을 시작한 시기는?)
(한영민 엔진개발부장)
75톤 엔진의 개발은 나로호와 함께
'우리 독자적인 우주 발사체를 갖자'라고 선행개발을 시작했는데
그 때 30톤 엔진에 관련된 부분품들
연소기나 부품 개발을 시작했습니다. 그게 시초입니다.

하지만, 더 큰 난관이 기다리고 있었다
어렵사리 개발한 첫 액체엔진의 성능을 확인할 수 있는
시험설비가 국내에는 없었기 때문이다

(한영민 엔진개발부장)
초기에 시험설비가 없어서 우리가 만든 75톤급 엔진 연소기를
러시아 유럽 미국 등에 시험을 요청했었는데
비용적인 거나 기간 그리고 시험 기술의 유출 등을 이유로
사실은 저희가 거절을 당했습니다

성능을 검증하는 것 역시 엔진개발의 원천기술이다
우주 발사체의 핵심기술을 쉽게 공유하는 나라는 어디에도 없다
한정된 시간이 다시 개발진을 뒤쫓고 있었다

(Q. 추진기관 시험설비는 어떻게 구축했나?)
(우성필 연구원)
그다음에 또 시험 일정도 빠듯해서
시험설비 건설과 구축 설비 설계
이런 과정들이 동시에 이루어졌고요
6개의 시험설비가 동시에 설계, 순차적으로 구축
그다음에 시험 준비까지 이루어지다 보니까

(추진기관 시험설비 구축)
나로호 성공 이후 본격적으로 엔진 개발이 시작된 시점
나로우주센터는 대규모 시험장으로 변모해 갔다

(한영민 엔진개발부장)
나로우주센터 같은 경우는 공간이 넓지 않습니다
그러다 보니 시험설비를 산비탈에 설치도 하고
또 시험설비 간의 간격도 좁아서 많이 염려가 됐었는데
그런 걸 극복하고, 나로우주센터에
엔진 관련된 시험설비를 구축할 수 있었습니다

(엔진이 공진을 한다?)
액체엔진의 연소 불안정 현상은 우주개발 선진국에서도
여전히 명확한 해답을 찾지 못한 대표적인 난제 중 하나다

(Q. 연소 불안정 현상을 극복하기 힘든 이유는?)
(우성필 연구원)
실제로 연소불안정이라는 게
언제 어떻게 일어날지 잘 예측하기도 힘들고
또 세계적으로 이게 또 명확한 답변이 나와 있지도 않기 때문에
실제로는 다양한 경험이라든지 그런 방법을 통해서 해결해요
여러 가지 형상을, 방법을 적용시켜서
실제로 시험을 하는 방법밖에 없습니다

로켓엔진은 지구상에서 가장 강력한 엔진이다
누리호는 초당 1톤의 추진제를 쏟아붓는다
또 대기압의 60배에 달하는 고압상태에서
3,300도의 화염과 배기가스를 초고속으로 내뿜어야 한다

(Q.연소 불안정 현상이 발사체에 미치는 영향은?)
(우성필 연구원)
그러니까 에너지 밀도 불안정이 발생하게 되고
그에 따른 어떤 특정 주파수가
연소실의 공진 주파수와 반응하게 되면
그게 굉장히 증폭돼서 연소실까지 파괴되는
굉장히 심각한 문제입니다

연소불안정 현상을 극복하기 위해
누리호 개발진은 꼬박 1년을 매달려야 했다

(Q. 어떻게 극복했나?)
2014년 10월에 연소기 시험설비 시험을 하다가
연소 불안정 문제가 발생해서
연소기가 약간 일부가 파손되는 또 상태가 있었고요
그 과정 중에 여러 가지 연소기 형상을 변경해 가면서
연소기 내부의 분무기, 분사기에 혼합비라든지
분사기 형상이라든지 그런 것들을 좀 바꿔가면서
여러 가지 다양한 실험을 하면서
연소 불안정 문제를 해결했던 경험이 있습니다

(똑같은(?) 연소히험을 184번 반복한 이유)
1.5초, 10초, 75초, 145초. 엔진 연소시험에서는
시간만 늘어나는 게 아니다
정상 작동, 목표성능 달성은 물론
설계점을 벗어난 한계점까지 테스트를 하면서
엔진의 신뢰도와 내구성을 높여가야 한다

(Q. 왜 똑같아보이는 시험을 반복 수행하나?)
(한영민 엔진개발부장)
각각의 시험의 목적이 다르기 때문입니다
2초에서 10초 사이는 엔진의 점화
그리고 정상적인 작동을 하는지
작동성에 위주를 둔 시험이었고요
한 75초까지는 과연 엔진이
지금 75톤급 성능을 잘 내고 있는지 문제가 없는지
또 하나는 엔진의 작동 시간 대비
저희는 75톤 엔진 1단이 한 127초 작동하고요
2단이 한 145초 작동하는데 평균 한 130초로 보고 있거든요
그 130초 동안 두 배 정도 한 260초까지 작동 연소시험을 해서
실제 엔진의 신뢰도나 내구성을 확보했습니다

똑같은 시험은 단 한 번도 없었다
(33개의 엔진을 만들어 184회, 1만 8,260초의 시험 수행)
세상에서 가장 강력한 엔진을 컨트롤할 수 있는 힘을 가지는 것이
연소시험의 최종 목표였다

(Q. 연소시험은 얼마나 진행했나?)
(한영민 엔진개발부장)
현재까지 75톤 엔진의 경우는 33개 만들어서요
시험 횟수만 한 184회 그리고 시험시간이
18,260초까지 시험을 수행했습니다

이렇게 제작한 엔진은 누리호 시험발사체라는 시험대 위에 올려졌다
실제 비행성능을 검증해야만
'액체엔진 개발국'이라는 타이틀을 거머쥘 수 있었다

그때 75톤 엔진, 1단 엔진에 대하여 시험 발사에 성공했고요
그게 클러스트링 4개 된 게 누리호 300톤급 1단 엔진이고요
(1단 75톤급 액체 엔진 × 4)
그다음에 그걸 고공 엔진으로 약간 설계 변경을 한 게
한국형발사체 누리호 2단에 사용되고 있습니다
(2단 75톤급 액체 엔진)

2018년 시험발사체 발사성공으로 대한민국은
세계 7번째로 중대형 액체엔진 기술을 확보한 나라가 되었지만
누리호 개발진은 여기에서 만족할 수 없었다

(Q. 시험발사체 성공 당시 분위기는?)
(우성필 연구원)
그게 실제로 비행에 성공해서 날아오를 때
굉장히 다들 벅차했고요
개인적으로는 뭔가 공부를 굉장히 열심히 해서
중간고사를 봤는데 좀 잘 본 느낌(?)
그런 기분으로 표현하고 싶습니다
그리고 또 그때 그렇게 멈출 수는 없었고
본 발사 때문에 또 다음 주부터 계속 엔진 시험이라든지
그런 개발 일정이 잡혀 있어서 거기에 매진을 해야하는데
이전과는 좀 다르게 힘이 났죠

(3개의 눈으로 바라보는 누리호 발사)
성공과 실패, 이 두 개의 눈으로만 누리호 발사를 바라보기 쉽다
하지만 대한민국은 이미 우주발사체의 원천기술을 모두 확보했다
무엇보다 중요한 건 지난 10여 년 동안
이 모든 과정을 우리 손으로 경험했다는 것이다

(한영민 엔진개발부장)
가장 큰 거는 엔진에 관련된 모든 기술
즉 설계 그다음에 해석, 제작, 조립, 시험 등의 전체 개발 주기
사이클을 우리가 경험 수행을 완료해서 이미 확보했고
또 그게 우리 손으로 직접 경험했다는 것입니다
앞으로 우리가 누리호 엔진이든 더 큰 엔진이든
우리 손으로 직접 개발을 쉽게, 빠르게 할 수 있다는 의미입니다

나로호 발사 당시 누리호 엔진이 싹을 틔웠던 것처럼
누리호 발사를 앞둔 지금 한편에서는
또 다른 우주개발 기술이 꽃 피울 준비를 하고 있다

(한영민 엔진개발부장)
엔진의 작동 방식이나 압력을 높여
엔진의 비추력, 성능을 더 높여서 출력을 더 증가시킨 다음에
더 큰 위성을 발사할 수 있는 엔진을 개발할 계획이고요

(우성필 연구원)
2016년도, 5년 전후부터 개발을 시작했고
다음 기술 개발 시험 과제에 대해서
수십 차례 이미 기술 개발 시험을 했고
600초까지도 시험을 했습니다
이게 잘 개발이 되면
향후 누리호 개발에 이어질 고성능화라든지
그다음에 여러 번 사용할 수 있는 재활용 발사체 등에
적극적으로 활용될 수 있을 것으로 생각합니다

"우리 손으로 만든 우주발사체에 우리 위성을 실어 발사한다"

이 꿈을 이루기 위해 숨 가쁘게 달려온 10년

한국형발사체 누리호의 심장이 지금 뜨겁게 뛰고 있습니다

KARI TV
KOREA AEROSPACE RESEARCH INSTITUTE