추력 75톤 로켓엔진 개발 내년착수-KSLV 시리즈

 

추력 75톤 로켓엔진 개발 내년착수

[서울경제] 2008년 06월 18일(수) 오후 09:06

 

2017년 발사 우주로켓 연구 한창

항공우주硏 '30톤급 엔진' 연구는 연내 마무리

오는 2017년이면 우리나라 국민들도 나로우주센터에서 국산 우주 로켓으로 인공위성을 쏘아 올리는 모습을 볼 수 있게 된다. 국산 우주 로켓 1호는 무게 1.5톤의 인공위성을 지구 저궤도(지상 600~800㎞)로 쏘아 올릴 ‘한국형 발사체(KSLV-Ⅱ)’의 핵심부다. 한국항공우주연구원(이하 항우연)이 개발할 KSLV-Ⅱ 발사체는 2020년과 2025년 달 탐사 궤도위성 및 착륙선을 쏘아 올리는 데도 사용될 예정이다.

항우연은 KSLV-Ⅱ 발사체 개발을 위해 지난 2003년부터 250억원을 투자해 개발한 추력 30톤급 액체추진 로켓 엔진 연구를 올해까지 마무리하고 내년부터는 실제 비행에 사용될 추력 75톤급 로켓 엔진을 개발해 2017년 발사되는 KSLV-Ⅱ 발사체에 장착할 계획이다.

항우연은 기반기술 확보를 위해 이미 추력 30톤급 로켓 엔진을 개발, 지상에서 60초간 점화 테스트를 마쳤으며 요소기술인 연소기와 터보펌프 개발도 마쳤다. KSLV-Ⅱ 발사체에 적용되는 추력 75톤급 로켓 엔진은 올해 부분적인 기초설계에 착수한 뒤 내년부터 본격 개발에 들어간다.

올 12월 나로우주센터에서 100㎏급 소형 위성을 발사하는 데 사용될 KSLV-I 발사체에 장착되는 1단 로켓은 러시아와 공동 개발했지만 핵심부분인 로켓 엔진은 수입한 것을 사용한다. KSLV-I 발사체는 100㎏급 소형 위성을 발사하지만 추력 170톤급 엔진을 장착했다.

이와 비교하면 2017년 1.5톤의 위성을 쏘아 올릴 KSLV-Ⅱ 발사체에 장착하기 위해 개발 중인 3단 로켓 엔진의 추력은 75톤급으로 KSLV-I 로켓 엔진의 44% 수준에 불과하다. 항우연은 대신 맨 아래 1단 로켓에 추력 75톤급 엔진 4개를 묶어(엔진 클러스터링 방식) 합산 추력을 300톤급으로 끌어올리고 2단 로켓에 75톤급 엔진 1개, 3단 로켓에 터보펌프가 없는 가압식 엔진을 장착할 계획이다.

이와 관련, 항우연 우주발사체사업단 추진기관실장 김영목 박사는 “단일 엔진으로 고추력을 내는 엔진 개발은 보다 어렵기 때문에 투자 대비 효과가 큰 엔진 클러스터링 방식을 채택했다. 달 탐사 때는 4단 로켓을 활용하면 될 것”이라고 설명했다.

달 탐사 등 우주 개발에 성공하려면 우주궤도에 머물거나 다른 행성을 탐사하는 위성체(탐사선), 이를 우주로 보내는 발사체, 그리고 위성체와 발사체를 쏘아 올리는 우주센터와 발사 기술 등 ‘3박자’를 고루 갖춰야 한다.

우리나라는 지금까지 과학위성과 다목적 실용위성 ‘아리랑’을 쏘아 올린 경험을 토대로 한 위성체 개발 능력과 발사장(나로우주센터) 준비는 어느 정도 확보했지만 발사체 기술에서는 독자 개발한 모델이 전무한 실정이다. 발사체의 핵심부분인 우주 로켓은 연료(추진제)와 액체산소(산화제)를 일정한 압력으로 연소기에 공급, 공기가 없는 우주에서도 작동한다.

그런데 발사체 기술은 대륙간탄도탄(ICBM) 등 군사기술로 활용될 수 있어 선진국들이 기술이전을 꺼린다. 항우연과 KSLV-I 발사체를 공동 개발한 러시아가 공동 개발 항목에서 로켓 엔진을 제외한 것도 이 때문이다.

자력 개발이 불가피하다는 얘기다. 항우연이 고체연료를 사용하고 핵탄두를 탑재할 수 있는 ICBM과 달리 액체연료 로켓을 KSLV-Ⅱ 발사체에 적용하려는 것도 비슷한 맥락이다. ICBM에는 언제든 발사할 수 있도록 고체연료 로켓이 장착돼 있지만 우주 로켓은 충분한 준비과정을 거쳐 발사하기 때문에 추력 조절이 쉽고 재점화가 가능한 액체연료를 사용한다.

한편 KSLV-Ⅱ 발사체 독자 개발이 완료되면 우리나라가 개발한 인공위성을 외국에 보내 발사하지 않아도 된다. 향후 군사용 위성 발사도 가능해진다. 또 2017년 독자 발사에 성공하면 미국ㆍ러시아 등 우주 선진국과 우주개발 연구 등에 공동으로 참여할 수 있고 유인 우주탐사 계획도 탄력을 받게 될 전망이다.

대덕=강재윤기자 한국일보

 *************************************

KSLV-I

KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I)은 당초 2005년에 발사되기로 했던 대한민국 최초의 우주발사체이다. 계획이 확대 변경되어 2008년 10월로 발사가 연기되었다.

중량 100Kg의 위성체를 38.0도의 300Km 고도에 올리는 것이 목표인 것은 변하지 않았다. 그러나 KSR-3 3개와 2단계 추진체로 KSR-1을 사용하려던 당초 계획이, 러시아 안가라 로켓의 1단 추진체인 Angara UM 1개를 1단으로 하고 2단 추진체는 KSR-1로 하기로 변경되었다. 이로 인해 로켓의 전체 무게는 당초 20톤에서 140톤으로 증가하게 되었다.

나로 우주 센터에서 발사가 되어 초당 7.9㎞ 속도로 날아간다. 400초(6분 남짓)가 조금 지나면 궤도로 진입한다. 2단 발사체는 이후 140초쯤 뒤에 위성체에서 떨어져 나오면서 필리핀 바다로 추락한다. 발사체는 떨어지면서 하얀 분말처럼 부서져 안전하다.

러시아의 기술이전

러시아 의회는 한국과 러시아 정부가 체결한 '위성발사체 설계기술 협력 등을 위한 우주기술보호협정(TSA)'을 만장일치로 비준했다. 이 협정으로 러시아가 대한민국에 이전하는 기술은 다음과 같다:

액체연료저장을 위한 상세설계 기술

발사체의 핵심기술

발사체와 발사대를 연결하는 기술

발사대 운용기술

KSLV-1의 제원

1단 로켓:

러시아 RD-151 엔진 사용

액체연료 로켓(산화제:Lox 연료:Kerosene)

러시아 제작

추력 170톤. 단일 엔진으로 이 정도의 추력을 내는 것은 러시아만이 보유한 기술이다.

2단 로켓:

KM모터, 킥 모터 또는 부스터라고 부르는 고체로켓 사용.

자유로운 방향전환을 위한 무버블 노즐이 장착되어 있음

고체연료 

러시아 지도하에 국내 제작. KARI가 100% 자체개발.

추력 8톤. 한국은 2006년 현재 고체로켓의 경우 ‘초당 100파운드 추력’ 이상의 발사체를 개발하지 못하게 되어 있음.

발사 후 고도 164km 지점에서 노즈 페어링이 열리면서 1단 로켓이 분리됨. 이후 2단 로켓의 킥 모터가 점화됨.

총중량: 140 t

길이: 33 m

직경: 2.9 m

추력:

탑재체 중량: 100 kg

궤도: LEO

당초 계획 발사일: 2005년

변경된 예정 발사일: 2008년

당초 개발비: 3,594억원

변경된 개발비: 5,098억원

발사장소: 나로 우주 센터

KSLV 시리즈

KSLV-1

1단 로켓: 안가라 로켓 (Lox/Kerosene Propellant) 러시아 제작

2단 로켓: KSR-1 (고체 추진) 러시아 기술 지원으로 국내 제작

탑재체 중량: 100 kg

궤도: 지구 저궤도

발사체 중량: 140톤

발사체 추력: 170톤 170Mgf

개발기간: 2002년 ~ 2007년

발사일: 2008년

KSLV-2

계획 취소됨

KSLV-3

 

1단 로켓: Angara UM (Lox/Kerosene Propellant) 국내 제작

2단 로켓: Angara UM (Lox/Kerosene Propellant) 국내 제작

3단 로켓: KSR-1 (Solid Propellant) 국내 제작

탑재체 중량: 1,500 kg

궤도: LEO

발사체 중량: 200톤

발사체 추력: 300톤 300Mgf

개발기간: 2008년 ~ 2015년

발사일: 2015년

계획변경

1차 변경

높이 30m 변화 없음.

직경 3.9m 변화 없음.

무게 20톤에서 140톤으로 증가.

이륙시 추력 25,000kgf 에서 195,000 kgf로 증가.

2차 변경

KSLV-2 계획 취소

KSLV-3 계획 변경: 2단 로켓이 KSR-3 에서 RD-151 엔진을 사용한 액체로켓으로 변경됨

모델	Angara 1.1	Angara 1.2	KSLV-I	KSLV-III
1단	1xCRM, RD-191	1xCRM, RD-191	1xCRM, RD-151	1xCRM, RD-151
2단	Breeze-KM	Block I, RD-0124A	신형고체로켓	1xCRM, RD-151
3단	--	–-	–-	신형고체로켓
추력	196 Mgf(1.92 MN)	196 Mgf(1.92 MN)	170 Mgf	300 Mgf
발사중량	149 t	171.5 t	140 t	200 t
길이	34.9 m	41.5 m	33 m	–-
페이로드  (LEO 200 km)	2 t	3.7 t	100 kg	1.5 t

KSLV는 당초 계획보다 개발 일정이 지연되면서, 대신 추력이 상승함. 안가라 로켓과 발사중량을 비교해 보면, 당초 알려진 100 kg 위성 발사체와 1.5 t 위성 발사체에서 보다 발사능력이 향상된 것으로 보임.