처음부터 150톤 200톤 250톤짜리를 안만들고 75톤짜리를 만들었을까? 하는 의문....
누리호는 왜 75톤 엔진을 사용하는가?
한국항공우주연구원에서 개발하고 있는 한국형발사체 누리호가 2021년 발사를 앞두고 조립 및 시험을 계속 진행하고 있다. 누리호의 주 엔진은 75톤 추력의 엔진으로 4개를 묶어(클러스터링)하여 1단을 만들고 2단도 75톤 엔진 1개로 조립된다.
여기서 궁금한 것은 발사체 엔진의 추력이 다양한데 기왕이면 추력이 큰 150톤이나 300톤짜리 엔진을 사용하면 굳이 4개를 묶지 않아도 될 텐데.... 하는 생각을 할 수 있다.
여러 가지로 검토해 보면 다양한 이유가 있다.
첫 번째는 한국형 발사체에서 3단형 발사체를 개발함에 있어 1단엔진과 2단엔진을 동일하게 가져가야 개발대상 엔진이 줄어들어 개발기간을 줄이고 신뢰도를 높임으로써 발사성공률도 높일 수 있다. 만약 1단에 300톤, 2단에 75톤, 3단에 7톤엔진을 개발한다면 동시에 3개의 엔진을 8년내에 개발해야하고 (실제로 엔진은 발사 2년전 즈음에는 개발완료 및 납품이 시작되어야한다.) 시험설비도 300톤급의 대형설비가 별도로 필요하다. 즉, 개발비용 및 개발기간은 줄이고, 신뢰도를 높이기 위해서는 1단과 2단의 엔진이 동일한 형태로 가져가는 것이 좋다.
두 번째는 우리나라의 경우 향후 우리나라에서 발사될 발사체의 개수를 고려하면 연 1회~2회이고해외에서 수주를 하더라도 많으면 5회 까지라고 본다. 이 경우 발사체 300톤, 75톤, 7톤엔진 각각 연 1~2기, 해외수주를 하더라도 5기 정도만 제작하게 된다. 이는 산업체에서의 비효율적 비용 상승을 가져온다. 최소 연 10기~20기는되어야 최소한의 대외경쟁력을 가질 수 있다고 본다.
75톤 엔진을 사용한다면 연 5기~10기를만들어야하고 해외수주를 해서 늘어난다고 하면 25기~50기를만들게 된다. 이는 상대적으로 비용절감이 가능하다고 본다.
만약에 더 작은 엔진을 만들어 30톤 엔진을 만든다면 산업체에서는 규모의 경제로 좋아지겠지만 이 경우 더 큰 발사체를 만들 경우 너무 많은 엔진이 발사체에 장착되게 되어 발사체측면에서 비효율적이고경쟁력이 떨어지는 발사체가 될 것이다.
따라서, 각 나라에서 자국에서 발사될 발사체와 그에 따른 엔진 수요를 보고 최적의 엔진 크기를 결정하지 않으면 경제성에서 문제가 발생하게 된다.
미국의 민간업체 스페이스엑스는 주력발사체로 Falcon 9을 사용하는데 이 로켓은 75톤급(초기에진공추력 73톤, 후에 91톤으로 향상시킨 멀린1D) 엔진 9개를 묶어 1단으로, 엔진1개를 2단으로 사용하여 2010년부터 현재까지 77회 발사했t다. 대형엔진을 개발하는 것보다 75톤급 엔진을 잘 개발하면 지속가능하게 사용할 수 있다는 것을 보여주고 있다.
참고로 1969년 아폴로11호를 달에 보낸 새턴V로켓의 1단은 680톤 추력 엔진 5개로 3400톤의 추력을 만들었지만 지금은 생산하지 않는다. 스페이스 엑스는 달과 화성여행을 위해서 1단 추력을 7300톤으로 하는 왕복선(Starship)을 개발 중인데 1단에 약 200톤 추력의 Raptor엔진(메탄엔진)을 37개 장착한다.
따라서 우리도 주력 엔진인 75톤 엔진을 만들어 사용하면서 지속적인 성능개량을 통하여 엔진의 성능을 높여 우주발사체 발사서비스 시장에서 경쟁력을 갖추어야 한다. 최근에 발사체 엔진의 성능을 향상하기 위하여 다단사이클 엔진 개발 연구를 수행하고 있으며 지속적인 연구개발을 통하여 엔진의 효율을 높일 수 있는 기술을 축적하여 우주선진국과 경쟁할 수 있는 발사체를 개발 할 것이다.
내용감수 : 한국항공우주연구원 김진한 엔진개발단장
작성일 : 21-04-13 14:09
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