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대한민국도 우주 개발 경쟁에 가세했다. 바로 한국형 발사체다. 우리 힘으로 개발한 우주발사체로 2020년 이후 달 탐사를 하겠다는 것이다.
지난 7월 한국형 발사체 개발의 중요한 전기를 마련했다. 1단과 2단에 들어갈 75t급 액체 엔진이 목표 연소시간을 달성하는 데 성공한 것이다.
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한국형 발사체 개발은 75t급 엔진의 연소기 불안정 문제와 연료 탱크 용접 기술의 어려움 때문에 예정보다 차질을 빚었다. 연소 불안정 현상을 해결하는데 1년 4개월 지연됐고 이로 인해 당초 계획한 엔진 시험도 10개월 정도 늦게 시작했다. 발사체의 연료 탱크 두께는 일반적인 산업용 탱크 두께보다 매우 얇아 용접 과정에서 쉽게 변형되는 것이 문제였다. 하지만 이번 액체 엔진 연소 시험에서 연소기 불안정 문제와 연료 탱크 용접 기술 문제를 해결함으로써, 한국형 발사체 개발 일정에 파란불이 커졌다.
한국항공우주연구원은 이어 지난 10월 5일에는 3단에 들어가는 7t급 엔진을 580초 동안 연소시키는 데 성공했다고 밝혔다. 7t급 엔진은 우주 공간에서 위성을 궤도에 올리는 엔진으로 502초 이상 안정적으로 불꽃을 내뿜어야 한다.
한국형발사체(KSLV-II) 사업은 1.5톤급 실용 위성을 지구 상공 600∼800km의 저궤도에 투입할 수 있는 우리나라 독자의 우주발사체다. 길이 47.2m의 3단 로켓 전체를 우리 기술로 제작해 2020년 발사하는 것이 목표다. 제일 아래 1단은 새로 개발하는 75t 엔진 4개를 묶어 300톤급의 추력을 낼 수 있도록 개발된다. 묶는 방식은 러시아의 소유즈, 유럽의 아리안4 발사체를 벤치마킹한 것으로 신뢰도와 경제성 면에서나 향후 발사체 시장 진입에도 유리하다. 그 위 2단에는 75t 액체엔진 1개를 올리며, 3단에는 새로 개발하는 7t급 액체엔진 1개가 들어간다.
한국형발사체는 1조9,572억원의 예산이 투입되는 국가적인 우주개발 사업이다. 한국형발사체 사업은 총 3단계로 진행된다. 1단계(2010년 3월-2015년 7월)에는 발사체 시스템 및 예비 설계 검토와 7톤급 액체 엔진의 지상 연소시험이 진행된다. 2단계(2015년 8월-2018년 3월)에는 발사체 및 엔진의 상세 설계와 함께 75톤급 지상용 엔진과 시험발사체 개발을 완료할 예정이다. 3단계(2018월 4월- 2021년 3월)에서는 최종적으로 3단형 발사체 시스템 기술 개발을 마치고 2번의 발사로 성공여부를 확인하게 된다.
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한국형발사체 엔진개발에는 많은 기술적 어려움이 존재한다. 그 중 대표적인 것이 연소 불안정이다. 연소 불안정은 연소 과정에서 발생한 진동이나 추진제 공급 계통의 교란 등이 연소실 내의 압력, 온도, 유속 등에 영향을 줘 불안정한 연소 상태가 발생하는 현상이다. 연소 불안정으로 엔진이 폭파되는 등 대형 사고를 발생할 수 있어 극도로 위험하다. 연소 불안정 현상은 액체 로켓이 개발되기 시작한 1930년대부터 발견된 기술적 문제이지만 아직도 명확히 해결되지 않았다. 일단 연소불안정 현상이 나타나면 연소 안정화 장치 등 새로운 구조물을 장착하거나, 최악의 경우에는 설계를 변경해 새로 제작해야 한다. 로켓 엔진 개발은 고온, 고압, 극저온을 동시에 견뎌야 하는 극한의 시스템을 개발하는 일이기 때문에 과열 방지, 내열 합금 기술, 극저온 물질 취급 기술 등 여러 어려운 기술들이 새로 개발되거나 적용되어야 한다.
75t급 엔진은 액체산소와 연료가 무려 초당 255㎏이 연소 된다. 75t급 액체 엔진 1호기는 지난 4월부터 시동 순서 검증, 점화, 연소 시험을 단계적으로 거쳐 모두 15회 연소시험과 누적 연소시간 346.5초를 달성했다. 10월부터는 2호기 엔진 연소시험을 진행 중이다. 그동안 진행된 모든 연소시험에서 연소 안전성 및 연소 추력 등 모든 측정값이 오차 범위 내에서 정상 작동됐다. 항우연은 앞으로 여러 기의 75t급 액체 엔진 시험 모델을 제작해 지상 및 고공 연소 시험을 수행하면서 엔진의 신뢰성을 확인할 계획이다.
지금껏 한국은 우주 로켓의 핵심 제조기술을 외국에 의존해왔다. 2013년 1월 발사에 성공한 나로호도 핵심 부위인 1단 로켓을 러시아에서 들여왔다. 하지만 한국형발사체 사업을 성공적으로 마치면 한국이 독자적으로 로켓 제조기술을 확보할 수 있게 된다. 우주 기술 자립을 통해 우주 강국으로 도약하려는 우리나라의 꿈을 실현하게 되는 것이다.
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