[가스신문(2023.08.08)] [2023년 가스기술사 제언-8월] 누리호 엔진 개발을 위한 고압가스공급시스템

항공우주연구원 강동혁 책임연구원(가스기술사/공학박사)

2023년 5월 25일 18시 24분, 나로우주센터 발사대를 떠난 누리호는 비행시퀀스에 따라 1~3단 엔진의 분리·점화가 이루어지고 3단 엔진 연소 후 제1 우주 속도(7.9 km/s)에 도달하여 위성을 목표 고도에 투입하였다. 이후 한국항공우주연구원(이하 항우연)은 지상국과 위성이 정상적으로 통신하는 것을 확인하였고, 과학기술정보통신부(이하 과기부)는 공식적으로 발사 성공을 발표하였다.

한국형발사체 누리호는 총 3번의 발사를 수행하였는데, 누리호 1차 발사는 3단 엔진의 고압 헬륨탱크가 부력을 견디지 못하고 이탈하면서 실패했고, 이를 보완한 2차 발사는 2022년 6월 21일에 성공한 바 있다. 이번에 성공한 누리호 3차 발사는 차세대소형위성2호와 함께, 큐브위성 7기를 목표 고도에 투입하는 고난이도 임무를 성공적으로 수행했다. 이로써 우리나라는 1톤 이상의 위성을 자력으로 발사 할 수 있는 세계 7번째 발사체 기술 보유국이 됐다. 본 기고문에서는 누리호의 핵심부품인 엔진 개발을 위해 필요한 연소시험설비의 고압가스 공급시스템에 대해 설명하고자 한다.

누리호는 3단형 발사체로서 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 개방형 터보펌프식의 액체로켓엔진을 주엔진으로 사용한다. 액체로켓엔진은 추진제 연소가 이뤄지는 연소기, 추진제를 공급하는 터보펌프, 터보펌프 기동용 가스 발생기 및 엔진 제어를 위한 공급계 부품 등으로 나눌 수 있다. 특히 연소기는 추진제가 연소될 때 발생하는 고온(약 3,000℃)을 견디면서 무게는 최대한 가벼워야하기 때문에 설계 및 제작에 많은 어려움이 있다. 아울러 이렇게 설계·제작된 엔진의 성능을 검증하는 과정 역시 매우 중요한데, 누리호가 국내 독자 기술로 개발된 것처럼 엔진 및 구성품의 성능을 검증하는 시험설비도 국내에서 개발하여 나로우주센터에 구축하였다.

누리호 엔진의 구성품 중 연소기를 검증하는 연소기 연소시험설비는 고압가스로 추진제를 가압하여 연소기로 공급하는 가압식 수직형 연소시험설비이다. 시험설비는 유공압, 제어/계측, 후류, 화재/안전 시스템, 그리고 테스트 스탠드로 구성된다. 먼저 유공압 시스템은 추진제와 액체질소, 헬륨, 공기 등 고압가스를 저장/공급하기 위해 저장탱크 및 각종 유공압 기기로 구성되어 있으며, 연소시험과 함께 필요 추진제 및 고압가스를 공급하는 역할을 한다. 제어/계측 시스템은 연소시험을 수행하기 위해 시험설비의 운용 및 제어하며, 시험결과 분석을 위한 데이터를 계측 및 저장한다. 또한 후류 시스템은 엔진 화염 후처리 및 소음저감, 화재/안전 시스템은 가스/화재 감지 및 소방 기능을 하며, 테스트 스탠드는 연소기가 설치되는 곳으로써 엔진 성능 분석을 위한 각종 센서가 설치되어 있다.

특히 연소시험을 위해 사용되는 고압가스는 각 시스템에서 요구하는 압력으로 감압 및 승압되어 추진제 가압, 시스템 퍼지, 자동밸브 작동, 후류시스템 등의 용도로 공급되는데, 이를 별도로 고압가스 공급시스템이라고 한다. 고압가스 공급시스템은 연소시험설비의 핵심 시스템으로써 저장・분배・감압 설비로 구성되는데, 공급의 안정성과 신뢰성뿐만 아니라 운용 및 보수를 위해 병렬로 설치돼 있다. 이중 분배 설비는 압력용기에 충전되어 있는 고압가스를 압력 변동 없이 각각의 시스템에 분배/공급하는 역할을 하며, 감압 설비는 가스 압력을 각 설비에서 요구하는 압력으로 감압 및 승압하는 설비로써 레귤레이터를 주로 사용하며, 고압/고유량인 경우에는 쵸킹 오리피스를 사용하기도 한다.

앞서 살펴본 바와 같이 누리호 엔진 개발을 위한 연소시험설비는 개발하는 엔진에 따라 추진제 및 가압 가스만 다를 뿐 대부분 고압가스를 사용하기 때문에 고압가스안전관리법을 반드시 준수해야 한다. 현재 우주산업은 뉴스페이스 시대로써 우주개발에 민간 참여가 점점 확대될 뿐만 아니라, 과기부에서도 누리호 발사체 기술 이전을 통해 민간 참여를 독려 중이다. 누리호 발사 성공 이후 차세대 발사체 개발이 시작되었고, 항우연뿐만 아니라 산업체 및 대학에서도 로켓엔진을 연구/개발하는 곳이 증가하고 있다. 하지만 연구현장 등을 둘러보면 아직도 가스 관련 전문인력이 부족한 것이 사실이다.

누리호 발사체 성공은 어느 한사람이나 특정 조직이 아니라, 250여명의 연구원과 300여개의 참여기업이 긴밀하게 협조한 결과라고 생각한다. 마찬가지로 개발 시험을 수행하는 연구 현장에서도 어느 한사람의 노력만으로 안전한 시험 및 연구가 이루어질 수 없다. 향후에도 안전하고 체계적인 시험설비 운영을 위하여 가스 관련 전문인력을 지속 양성하고, 이러한 노력 등을 통해 차세대 발사체 개발이 성공하길 기원하며, 이만 글을 마친다.