• 白곰과 玄武 미사일 開發을 통해 韓國은 일찌감치 固體로켓 技術을 習得했다.
• 이를 바탕으로 羅老號 2段에 必要한 固體로켓을 한화그룹을 中心으로 한 國內 企業들이 自力으로 開發해냈다. 2段을 開發할 때 한 次例 爆發事故가 있었지만 韓國은 훌륭히 作動하는 固體로켓을 만들어냈다. 조용히 推進돼온 國內 固體로켓 開發社를 살펴본다.

로켓엔진은 뉴턴의 第3法則인 作用과 反作用의 原理로 推力을 發生시킨다. 內部에 貯藏한 推進劑를 연소시켜 發生된 高溫 高壓의 가스를 노즐로 噴射함으로써 얻는 反作用力으로 推力을 얻는 것이다.

로켓엔진은 化學로켓 推進과 非(非)化學로켓 推進으로 나누어진다. 化學로켓 推進에는 固體推進劑를 使用하는 固體로켓과 液體推進劑를 使用하는 液體로켓, 그리고 固體燃料에 液體酸化劑를 使用하는 하이브리드로켓이 있다. 現在는 化學로켓 추진만 使用되고 있으니, ‘로켓=化學로켓 推進’으로 봐도 無妨하다.

液體로켓은 燃料를 酸素 같은 酸化劑에 섞어 태움으로써 힘을 낸다. 酸素는 攝氏 零下 118度에서 50氣壓 異常을 加하면 液體가 된다(고압을 加하지 않으면 零下 183度 以下에서 液體가 된다). 로켓은 大氣가 없는 宇宙를 飛行하기 때문에 液體酸素를 탱크에 넣어 使用한다. 液體酸素 外에도 窒酸과 四酸化二窒素를 使用하기도 한다. 燃料로는 燈油(kerosine)와 液體水素, 하이드라진 系列이 主로 使用된다.

여기에서 注目할 것이 液體酸素와 液體水素의 結合이다. 液體水素가 液體酸素와 結合하면 强力한 爆發力을 낸다. 液體水素를 燃料로 쓰는 液體로켓은 推進機關 무게 對備 推進力인 ‘比推力(比推力·specific impulse)’이 가장 높다. 液體水素를 燃料로 쓰는 液體로켓이 가장 强力한 推力을 내는 것이다.

固體로켓은 一種의 火藥人 固體推進劑를 點火시켜 힘을 낸다. 固體推進劑는 酸素와 같은 酸化劑에 燃料를 混合해 固體化한 것이다. 液體로켓은 液體酸素와 液體로 된 燃料(普通은 燈油)를 넣을 탱크 그리고 이들을 섞어 點火시킬 燃燒室을 갖고 있다. 그러나 固體로켓은 固體燃料를 바로 點火시키기에 탱크가 없어 構造가 單純하다. 하지만 燃燒되는 推進劑의 量을 調節할 수 없고, 點火하는 瞬間부터 바로 큰 힘을 내는 것이 特徵이다.



上端部 로켓으로 많이 쓰여

固體로켓은 液體로켓에 비해 많은 推進劑를 넣을 수 있다. 따라서 上端部 로켓으로 많이 使用한다. 液體로켓은 많은 燃料를 消耗해 큰 힘을 내므로 主로 1段으로 使用한다. 1段에 쓰인 液體로켓은 大槪 엔진으로 불린다. 固體로켓을 많이 쓰는 2段이나 3段 로켓은 衛星을 軌道에 올리기 위해 툭 차듯이 마지막으로 밀어주기에 ‘킥 모터(kick motor)’라고 한다.

白곰과 玄武 그리고 多聯裝로켓人 九龍을 開發해낸 韓國은 科學로켓 開發을 始作으로 宇宙 開發에 나섰다. 1990年代 初盤부터 韓國航空宇宙硏究院(航宇硏)은 科學觀測로켓人 KSR-1(1段, 固體), KSR-2(2段, 固體), KSR-3(1段, 液體)를 만들어 試驗發射했는데 여기에는 한화를 비롯한 많은 防産業體가 參與했다. 國內 企業들은 小規模이긴 하지만 KSR에 必要한 固體로켓을 完璧하게 製作한 것이다. KSR 시리즈 開發을 통해 韓國은 單 分離 技術을 익히고, KSR-3에서는 기초적인 液體로켓 技術을 確保했다. KSR에 이어 韓國型 液體로켓을 만들어 人工衛星을 띄운다는 計劃을 세웠다. 1段은 러시아가 만든 液體로켓을, 2段은 우리가 만든 固體로켓을 採擇한 羅老號를 만들어 發射해보기로 한 것이다. 그때부터 한화를 비롯한 國內 企業은 羅老號 2段 開發에 全力을 기울였다.

2段은 1段 液體로켓이 點火된 395秒 뒤 點火돼 100kg級 人工衛星을 地球 軌道에 進入시켜야 한다. 衛星의 方向을 틀어 地球 軌道에 올려놓는 개다리 起動을 해야 한다. 킥모터는 그때 걸리는 높은 重力을 견뎌내야 한다. 2003年 12月부터 2005年 6月 사이 한화는 實物보다 縮小한 킥 모터를 만들어 試驗에 들어가 主要 데이터를 確保하고 製作工程 等을 事前 檢討했다.

2005年 9月부터 2008年 9月 사이엔 實物型 킥 모터를 開發해 各種 試驗을 했다. 大氣가 稀薄한 高高度의 環境을 模寫한 條件을 만들어주고 킥모터가 어떻게 기능하는지 點檢했다. 가장 어려웠던 것은 무게를 가볍게 하면서도 願하는 程度의 推力을 오랫동안 發生시키는 것이었다.

킥 모터는 火藥의 一種인 固體推進劑를 使用하기에 短時間에 높은 推進力을 發揮하기는 쉽다. 問題는 오랫동안 推力을 發揮하게 하는 것. 固體로켓에서는 3000度가 넘는 高熱이 나오므로 오래 稼動하면 노즐이 견디지 못한다. 構造物도 마찬가지다.

킥 모터 實驗 中 爆發事故

이를 막는다고 耐熱材를 追加하면 로켓이 무거워진다. 固體로켓이 타는 時間만큼만 견딜 수 있도록 最小限의 耐熱材를 添加하기 위해 수많은 實驗을 反復해야 했다. 킥 모터 開發에서 어려웠던 것은 試驗이었다. 1.5t 以上의 固體推進劑를 搭載한 킥 모터를 眞空環境에서 연소시키는 것은 如干 어려운 技術이 아니어서, 成功 與否를 實驗해보아야 했다. 우리는 이러한 實驗 裝備를 만들어본 적이 없다는 것이 問題였다. 러시아의 技術協力을 받아 ‘高空環境 試驗裝置’를 開發해 地上燃燒試驗과 高空環境(宇宙環境) 模寫(模寫) 地上燃燒試驗 等을 12回 實施했다.

첫 番째 實驗에서 킥 모터 앞部分에서 검은 煙氣가 피어오르다가 暴發했다. 多幸히 人命被害는 없었지만 燃燒試驗腸은 爆彈을 맞은 듯 阿修羅場이 되었다. 그러나 時間이 없었기에 茫然自失할 겨를도 없이 바로 原因을 分析하고 設計를 變更해 새로 製作한 다음, 다시 試驗에 들어갔다. 이때 製作한 킥 모터는 地上에서 11番 燃燒試驗을 했지만 問題를 보이지 않았다. 킥 모터의 安全性과 開發을 自信할 수 있게 된 것이다

다음으로 풀어야 할 問題는 개다리 起動을 견디는 構造를 찾는 것이었다. 宇宙에서는 大氣가 없기 때문에 飛行 方向을 바꾸기 위해 날개를 利用할 수 없다. 方向 轉換은 排氣되는 火焰의 方向을 바꾸는 것으로만 해야 한다. 이를 爲해서는 推力方向 制御 노즐을 使用해야 한다. 3000度가 넘는 高溫 高壓의 燃燒가스에 60秒 以上 露出돼 있던 노즐의 方向을 바꾸는 것은 쉽지 않다.

이 技術은 先進國만 保有한 核心技術인데 미사일技術統制體制(MTCR)는 이 技術의 國家 間 移轉을 禁止하고 있다. 그러나 한화를 비롯한 國內 企業은 많은 努力으로 이 노즐을 開發해냈다. 이 노즐의 性能이 羅老號 1次에서 證明됐다. 羅老號는 마지막 段階에서 한쪽 페어링이 떨어져 나가지 않아 무게中心이 기울어졌다. 姿勢를 바로 하기 위해서는 노즐을 틀어야 했다. 2段의 노즐은 方向을 튼 狀態에서 設計치 以上으로 엔진을 稼動했는데도 끝까지 견뎌냈다. 羅老號 1次 發射는 우리 固體로켓을 宇宙에서 成功的으로 點火시킨 最初의 事例다.

1次 發射가 끝난 後 分析해보니 킥 모터의 性能은 豫測했던 것과 0.6% 誤差밖에 보이지 않았다. 2% 偏差의 誤差를 보이는 것이 一般的인데 그보다 작은 誤差를 보였다. 그러나 2次 發射 때는 킥 모터가 作動하기 前에 羅老號가 爆發해 킥 모터에 對한 資料를 確保하지 못했다.

우리는 宇宙 開發에서도 ‘漢江의 奇跡’을 이뤄야 한다. 오는 가을 羅老號 3次 發射가 成功하면 우리는 本格的인 韓國型 發射體 KSLV-2 開發에 挑戰한다. 이를 爲해서는 推力 75t의 液體로켓을 自力으로 開發해야 한다. 이미 固體로켓을 自力으로 開發해냈으니 液體로켓 開發도 성공시킬 것으로 確信한다.