어린이과학동아&수학동아 기사

안녕하세요? 정윤수 기자입니다.

저는 우주기자단 미션 중 ‘누리호 엔진 제작 현장을 견학하고 로켓 엔지니어와의 대담 후 기사를 작성하라’ 라는 주제의 미션에서 우수 미션 수행자로 선정되어 한화에어로스페이스의 엔진 조립동을 견학하여 누리호에 탑재되었던 엔진을 실제로 눈으로 보고 거기 계신 연구원님께 로켓에 관한 질문을 할 수 있는 시간을 가질 수 있었습니다. 저를 뽑아주신 분들께 감사하며 제가 여기서 배웠던 것과 느꼈던 점을 모두와 나누고 싶어서 이 기사를 쓰게 되었습니다. 그리고 이곳은 보안상 사진을 찍는 것이 불가해서 엔진 조립동 내의 엔진 등의 모습을 기사에 실을 수 없었던 점 양해 부탁드립니다.

한화에어로스페이스에 들어서서

한화에어로스페이스의 정문으로 들어서자 본 건물에 새로운 기술로 미래를 개혁하고, 지속 가능한 내일의 가치를 만드는 초일류 혁신 기업이라는 문구가 써져 있었습니다. 저는 이 문구를 읽고 제가 견학할 한화에어로스페이스라는 기업이 새로운 기술을 개발하려고 많은 노력을 기울이고 있으며 그 기술을 바탕으로 좋은 로켓 엔진을 만들어서 미래의 한국 우주 항공 분야에 큰 도움을 주기 위해 노력하고 있다는 느낌을 받았습니다. 그래서 이 느낌 덕분에 이번 견학이 더 의미 있게 느껴지고 이어서 더 기대되기도 했습니다.

엔진 조립동에서 로켓에 관한 설명을 듣다

저희는 이번 행사를 할 엔진 조립동으로 버스를 타고 이동했습니다. 저는 그곳으로 갈 동안 누리호의 엔진 모습을 실제로 보고 로켓의 심장 역할인 엔진에 대해서는 물론이고 로켓 전제에 대해서도 자세히 알아볼 수 있다는 것이 너무 기대되었습니다.

누리호의 메커니즘

우선 저희는 우선 그곳이 누리호의 엔진을 만드는 공간이기 때문에 누리호와 그 로켓의 엔진에 관한 메커니즘을 소개받았습니다. 소개에 앞서 저는 에전의 나로호는 러시아의 기술을 빌려서 만들었지만 이번에 발사한 누리호는 오로지 우리나라의 기술력으로만 만든 것이라는 내용을 연구진님께 들었습니다. 그래서 그 짧은 시간 내에 그런 성과를 낸 우리나라와 우리나라의 모든 기업들과 연구진의 정신력과 기술력을 대단하게 느끼며 설명을 듣기 시작했습니다. 저희가 방문했던 엔진 조립동은 누리호에 들어가는 엔진을 조립하는 곳이라고 합니다. 로켓 엔진은 고체엔진과 액체엔진으로 나뉘는데 누리호에는 액체 로켓엔진이 들어가고 한화에어로스페이스는 국내에서 유일하게 액체 로켓엔진을 제작합니다. 그리고 누리호는 총 3단으로 이루어져 있으며 이 단에 탑재된 엔진 모두 액체로켓으로 이루어져 있는 우리나라의 실용 위성 발사체입니다. 우선 이 누리호에 탑재되는 엔진을 만들기에 앞서 이 엔진 속에 이물질이 들어가면 엔진에 고장이 생겨 발사에 실패하게 되어서 엔진 제작장은 항상 청결도가 매우 높은 상태여야 한다는 것을 알았고 각 엔진의 리프트가 있어서 거기에 엔진을 올린 후 사람이 편하게 엔진을 조립한다는 것을 알게 되었습니다.

<출처: 머니투데이>

1단 엔진

우선 1단은 지상에서 처음 점화하고 로켓의 처음 발사를 주도합니다. 1단 엔진은 75톤급 엔진이 4개 엮인 형태로 이루어져 총 300톤의 추력을 내며 열권인 고도 50km 까지 올라간다고 설명해 주셨습니다. 이렇게 4개가 엮인 1단 엔진은 클러스터링이라는 기술을 활용해서 그 엔진들의 출력을 잘 제어해 원하는 경로로 갈 수 잇도록 궤도를 조정할 수 있습니다. 이 클러스터링이라는 기술은 조금이라도 엔진들 중 일부가 출력이 더 세거나 출력이 더 약한 불량품이 있거나 소프트웨어에 오류가 생겨서 엔진 출력 제어에 조금이라도 오류가 생기면 그대로 발사에 실패할 수도 있는 어려운 기술입니다. 하지만 왜 굳이 클러스터링 기술에 집중할까요? 이는 만약 300톤급 엔진을 하나로 만들면 너무 연료소모가 심해서 효율성을 높이기 위함이라고 연구원님께서 설명해주셨습니다. 저는 이런 기술까지도 우주 항공 분야에서 꼭 필요하다는 것을 모르고 있었는데 이번에 알게 되고 나서 우주항공 분야가 기계뿐만 아니라 소프트웨어에서도 엄청난 정밀성을 요구한다는 것이 놀라웠습니다. 그리고 그 기술을 연구한 연구진분들이 너무 대단하다고 생각합니다.

<1단 클러스터링 엔진>

<출처: 네이버 블로그, "단, 명마">

2단 엔진

2단 엔진은 지구의 열권에서부터 지구 저궤도까지 로켓을 올려주는 엔진입니다. 2단 엔진이 작동하는 방법은 먼저 첫 번째로 1단 엔진의 점화가 끝난 후 1단 엔진의 역추진용 소형 엔진으로 1단을 분리해야 합니다. 두 번째는 2단 추력 보조용 엔진을 작동시키는 것입니다. 이는 열권 부분에서는 거의 지구의 중력이 없기 때문에 연료통의 연료가 마구 움직이면 제대로 연료가 공급되지 않아서 엔진의 작동이 어렵습니다. 하지만 보조 엔진으로 미리 가속을 하면 관성 법칙으로 인해 자연스레 연료가 탱크 아래쪽 부분으로 몰리게 됩니다. 그래서 공기방울이 생기지 않게 되고 이어서 터보 펌프가 그 공기방울에 맞아서 고장이 나지 않고 원활히 연료가 엔진으로 들어갈 수 있다고 합니다. 그래서 항상 이 과정을 거치고 나서 마지막에 2단 75톤급 메인 엔진을 작동시켜야 이 엔진이 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이 엔진은 특별하게 1단 엔진과 출력이 75톤급으로 같음에도 크기가 더 컸습니다. 왜 그럴까요? 연구원님께서는 그 정도 높이에 올라가면 산소가 부족해 연소가 잘 되지 않아서 연소를 잘 하기 위해서 연소실이 커야 하고 노즐이 커야 더 안정적으로 비행할 수 있기 때문에 그 두 부품이 커야 해서 같이 엔진이 커졌다고 설명해 주셨습니다.

3단 엔진

마지막 3단 엔진은 지구의 저궤도부터 점화해서 인공위성을 지구 주위에 안착시키는 역할을 맡는 엔진입니다. 이 마지막 3단 7톤급 엔진은 인공위성이랑 연결되어 있으며 인공위성을 원하는 고도와 속도로 지구 주위에 올리는 역할이 주 임무입니다. 이 엔진은 좌우로 움직일 수 있게 설계가 되어 있어서 자신이 원하는 방향으로 추력을 보내서 원하는 위치까지 이동할 수 있도록 도와줍니다. 이 엔진은 에비오닉스라고 로켓 외부의 환경과 내부의 환경 그리고 속력과 위치 등을 측정할 수 있으며 인공위성을 안전하게 투하하기 위해 로켓을 조종하는 것까지 탑재된 기술을 바탕으로 작동한다고 들었습니다. 그리고 맨 마지막에 3단 엔진 연소가 끝나면 앞에 있는 위성 탑재 공간의 덮개가 압축 스프링이 풀리며 열리게 돼서 위성이 우주에 올라가게 된다는 것을 알 수 있었습니다. 저는 이 위성 하나를 쏘아 올리는데도 엄청 많은 기술이 필요한 것을 보고 놀랐고 기사에서 우리나라가 인공위성을 자체적으로 발사했다는 내용이 예전보다 더 대단한 이야기로 귀에 들렸습니다.

<누리호 엔진 단별 구성과 로켓엔진 형상과 크기>

<출처: 네이버 블로그, "한국항공우주연구원">

로켓에 관해서 알아보자

연구원님께서는 누리호의 엔진을 보며 누리호의 메커니즘에 대해 설명해주신 뒤 영상 자료와 함께 로켓에 대해서 더 자세히 설명해주신다고 말씀하셨습니다. 그래서 저는 로켓에 관한 영상을 보기 위해 이동하던 중 마침 옆에 3단 엔진을 사람이 수작업으로 제작하고 있는 모습과 주변에 엄청난 수의 부품을 보았습니다. 그리고 연구진님께서는 3단 엔진이 가장 작아서 만들기 어렵고 3달이나 만들어야 엔진 1개를 만들 수 있다고 설명을 들었습니다. 저는 엔진을 사람이 수작업으로 3달이나 노력해야 그 엔진이 만들어진다는 것을 알고 로켓을 개발한 사람들이 발사에 성공했다는 소식을 들었을 때 그렇게 감격하고 환호하는 것에 대해서 한층 더 깊이 이해할 수 있게 되었습니다. 그리고 엔진을 로봇으로 제작할 수 있게 정교한 로봇을 만들어서 그 로봇으로 엔진을 생산하면 오류 없이 엔진을 만들 수 있는 것은 물론이고 엔진을 더 빨리 만들어 인공위성을 더 활발하게 우주로 보내서 우리나라의 위성 분야에서의 세계적 입지를 높일 수 있을 것이라는 생각이 들었습니다. 그리고 그곳의 사람들은 새로운 엔진과 연료 그리고 전반적인 로켓을 연구하면 더 좋은 로켓을 바탕으로 달 착륙이나 심 우주 탐사를 하면 우리나라의 우주항공 분야의 발전 속도를 높일 수 있을 것이라는 기대감도 들었습니다.

<누리호 3단 엔진 연소 시험 설비, 고공 모사 환경 시험>

<출처: 네이버  블로그, "한국항공우주연구원">

로켓 엔진에 대해서 알아보자

로켓에 관한 이야기인 만큼 로켓의 가장 기본이 되는 엔진부터 연구원님께서 설명해 주셨습니다. 로켓의 엔진은 고온 고압가스를 밑으로 밀어내면서 발생하는 작용 반작용의 법칙을 사용하면서 동체를 위로 밀어냅니다. 그래서 결국 우주에 도달해 꼭대기 부분의 페이로드를 지구 주위에 안착시켜야 합니다. 그래서 로켓에 탑재할 페이로드의 중량 등의 조건 등 로켓의 목적에 맞는 적합한 엔진을 개발해야 한다고 설명해 주셨습니다. 이는 엔진들의 추력이 크게 하려면 크기가 커져야 하고 이어서 연료소모가 많아져 보다 효율성이 높은 로켓을 만들기 위함이라고 합니다. 이 엔진에서 가장 중요한 부분은 터보 펌프와 연소실이라고 연구원님께서 설명해 주셨습니다. 여기서 터보 펌프는 엔진에 산화제인 산소와 연료인 케로신을 주입하는 역할을 합니다. 이때 연료를 주입하는 주입구의 모양에 따라 엔진의 성능이 달라질 정도로 매우 중요한 부분이라고 합니다. 그리고 실제로 이곳의 연구진들께서는 최적의 연료 주입구의 모양을 찾기 위해 많은 엔진을 만들어 보셨다고 합니다. 다음으로 연소실은 이 둘을 같이 폭발시켜서 고압가스를 생성해 추력을 내는 공간입니다. 이 때 가장 중요한 일은 공연비라고 하는 연료인 케토신과 산화제인 산소의 혼합비를 적정한 정도로 계속 유지하는 것입니다. 이는 불완전 연소를 줄여주기 때문에 더 안정적으로 로켓 엔진을 작동시킬 수 있습니다. 마지막으로 이때 연소된 고온 고압의 가스는 좁은 곳을 통과하면서 더 빠르게 노즐을 통해서 밖으로 나와서 추력을 냅니다. 이때 노즐의 온도는 최대 3500도까지 올라간다고 합니다. 이 열을 견디는 금속은 거의 없기 때문에 이 노즐을 냉각시켜야 합니다. 이때는 위쪽에 잇는 연료인 케로신이 통하는 통로를 노즐에 미세하게 만들어서 케로신을 연소실에 분사하기 전에 미리 예열과 동시에 노즐의 온도를 낮추는 역할을 합니다. 이 관은 엔진의 작동에 매우 중요하며 이 관의 표면적을 최대한 넓히기 위해 미세하게 만드는 것이 기술이 매우 어렵고 중요하다고 합니다.

<디퓨저를 제외한 모습(왼쪽)과 연소실, 진공챔버, 디퓨저가 모두 시험 스탠드에 장착된 모습>

<출처: 네이버 블로그, "한국항공우주연구원">

<한국형 발사체 터보펌프>

<출처: 네이버 블로그, "한국항공우주연구원">

로켓 동체에 대해서 알아보자

로켓의 외부 동체의 경우 가장 얇은 부분은 최대 2mm 까지도 얇을 수 있다고 합니다. 이는 로켓의 효율을 최대한으로 올리기 위해 외부 동체의 무게를 최대한 줄이기 위한 노력이라고 볼 수 있습니다. 하지만 이 로켓의 외부 동체는 로켓이 가속할 때의 엄청난 충격을 다 견딜 수 있도록 만들어야 한다고 했습니다. 그래서 얇으면서도 이정도의 힘을 견디기 위해서 등방성 격자구조라는 구조를 지니고 있다고 설명해 주셨습니다. 그리고 다음으로 어려운 것은 액체 산소는 -183도인 저온이지만 엔진 부분은 3500도인 고온이기 때문에 이 열의 차이도 견딜 수 있을 정도의 재료와 용접 기술이 꼭 필요하다고 말씀해 주셨습니다. 이때 저온 부분에는 저온 환경에서 금속의 물성이 잘 안 변하는 스테인리스강 금속을 사용하고 고온인 부분에는 고온의 환경에서 물성이 잘 변하지 않는 인코넬이라는 금속을 사용한다고 합니다.

<추진체 탱크의 격자구조>

<출처: 네이버 블로그, "한국항공우주연구원">

로켓의 전자적 시스템에 대해서 파헤쳐보자

마지막으로 간략하게 로켓의 전자적 시스템을 소개하겠습니다. 로켓의 3단 엔진 윗부분에는 로켓의 전자적 시스템이 모여 있고 로켓을 제어하는 공간이 있습니다. 그곳은 에비오닉스라는 곳이며 로켓 외부의 상태와 위치 온도 등을 감지하고 그것을 바탕으로 로켓의 내부 상태를 감지한 후 이어서 로켓을 안전하게 정해진 위치까지 보내 위성 등의 페이로드를 정확히 내릴 수 있게 해 줍니다. 그리고 로켓이 지구의 조종 기지로부터 신호를 받아서 작동하는 것도 이 에비오닉스가 그 신호를 받고 로켓을 작동시키기 때문입니다. 그래서 이 부분은 간단히 로켓의 머리라고 생각하면 되며 로켓을 작동시키기 위해 꼭 필요하고 이 부분의 기술력을 갖는 것이 로켓 성능의 또 한 가지 지표라는 생각이 들었습니다.

저는 이런 우주 항공 분야에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있는 로켓에 대해서 더 자세히 알아볼 수 있어서 너무 좋았고 특히 이번에 제가 많이 궁금했었던 로켓 엔진을 중점적으로 다룬 내용이어서 더 흥미롭게 볼 수 있었던 것 같습니다. 앞으로 우리나라의 우주 항공 분야를 빛낼 우리나라의 모든 기업들과 우리나라의 연구진 모두 응원합니다.