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차세대 우주발사체용 엔진의 고신뢰성, 고효율, 재사용 연구
윤영빈 센터장(차세대우주추진연구센터) / ybyoon at snu.ac.kr / 서면 인터뷰

사업명: 차세대우주추진연구센터 

연구기관: 서울대학교 항공우주공학과

유형: ERC 선도연구센터

연구책임자: 윤영빈 센터장 / ybyoon at snu.ac.kr

 

가스터빈은 고효율, 저공해 기관으로 항공기 엔진에서 산업용 발전기에 이르기까지 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 기존 연소 불안정 문제로 음향학적 섭동, 열방출량 섭동, 속도 섭동이 서로 커플링되어 발생하는 현상으로 큰 압력섭동을 동반하기에 가스터빈엔진의 출력이 저하되어 왔습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 윤영빈 교수(서울대학교 항공우주공학과)는 모델가스터빈 연소기를 제작하여 연소 불안정 특성과 관련하여 여러 인자들에 대한 연구와 배기배출물(NOx, CO), 화염전달함수 계측과 관련된 연구를 진행하고 있습니다.

또한 ERC 선도연구센터 차세대우주추진연구센터(Advanced Space Propulsion Research Center; SPRC) 센터장을 맡아 차세대 우주발사체 관련 기초 핵심 기술들을 연구 중이십니다. 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.





1. ERC 선도연구센터 차세대우주추진연구센터(Advanced Space Propulsion Research Center; SPRC)에 대한 소개 부탁드립니다.

차세대우주추진연구센터는 2013년 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받아 서울대학교 항공우주공학과에 설치되어 우주추진 관련 연구를 시작하였습니다. 7년간의 연구기간 동안 13개 대학의 19명의 교수진과 함께 우주발사체의 초기 개발 단계에서 발생하는 문제점인 연소불안정, POGO 불안정, 재사용 가능 메탄엔진, 하이브리드 로켓엔진 등에 대한 연구를 수행하였습니다. 이 과정에서 발사체 개발에 필요한 고급 전문인력을 양성하고, 해외 연구기관과 민간차원의 학술교류를 통하여 발사체 관련 선진기술을 확보하는 등 국내외 연구의 창구 역할을 수행하였습니다.

본 연구실에서는 액체로켓의 핵심기술 중 하나인 분사기 설계기술에 초점을 맞추어 연구가 진행되었으며, 스월동축분사기와 핀틀분사기의 분무 및 화염특성, 레이저 계측장비를 통한 화염가시화를 통하여 연소불안정 현상에 대한 근본적 이해, 재사용발사체에 적합한 메탄 엔진의 연소특성, 소형로켓에 적합한 전기펌프 연구 등을 수행하고 있습니다.





본 연구센터에서 배출된 많은 고급인력은 한국항공우주연구원을 비롯하여 발사체 관련 민간업체에서 우리나라 발사체 개발에 주역을 맡고 있으며, 향후 상업용 시장에 진출하기 위한 저비용발사체, 달탐사를 위한 대형발사체 개발 등 많은 국가 우주개발사업에 중요한 역할을 맡고 있습니다.


2. 액체 로켓엔진 개발에 있어 연소 불안정에 영향을 미치는 가장 중요한 부품은 분사기(injector)라고 하는데요. 교수님께서 연구하시는 동축형 분사기에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

액체로켓 엔진에 활용되는 동축형 분사기는 연료와 산화제 모두 축방향으로 분무되는 분사기입니다. 분사기 내부 구조를 바꾸어 스월 형태로 분무가 되면 연료와 산화제의 혼합을 증진시킬 수 있는 특성이 있습니다. 분무된 연료는 혼합과정을 거쳐 연소가 되면 열을 방출하게 되는데, 이때 발생하는 열방출파와 연소실에 형성된 음향파가 공진(주파수와 위상이 일치)하게 되면 열방출파의 에너지가 음향파로 전달되어 연소실 압력이 급격히 상승하게 됩니다. 이 현상을 “연소불안정”이라고 하는데, 로켓 엔진에서 이 현상이 발생하게 되면 폭발까지 이르게 되는 치명적인 현상입니다.





따라서, 연소불안정 현상을 제어할 수 있어야 안정된 로켓엔진을 개발할 수 있습니다. 이를 위해 본 연구실에서는 재사용 발사체에 적합한 메탄 연료에 대하여 열방출 특성과 연소불안정 발생시 저감 방안에 대하여 연구하고 있습니다.














또한, 연료 분포의 불균등성이 연소불안정에 미치는 영향을 파악하기 위하여 추진제에 외부 진동을 주어 그 분무 모습을 관찰하였습니다. 기체 공급 라인에 연료공급 길이에 따른 공진 주파수로 가진하였을 경우 인젝터로부터 분무된 추진제가 크게 요동치는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 현상이 생길 경우 연소불안정으로 진행 가능성을 확인하고 저감 방법을 제시하였습니다.








3. 분사기는 연료를 분사하여 마치 스프레이같이 작은 입자를 만들어주는 역할을 하는데요. 작은 입자로 만들면 표면적이 넓어지기에 연소 전 기화에 필요한 시간을 단축할 수 있다고 합니다. 현재 핀틀분사기 연구가 어디까지 진행되고 있나요?

핀틀분사기는 면적 조절 방식을 이용해 분무 유량에 관계없이 분무 성능을 유지할 수 있기에 넓은 범위의 추력 조절이 가능한 장점을 가지고 있습니다. 핀틀분사기는 1960년대 미국의 달착륙선 엔진에 사용한 바 있으며, 최근 SpaceX의 Merlin 엔진에서도 사용되어 1단 회수를 성공한 바, 차세대 우주발사체 분사기 기술로 재조명을 받고 있습니다.

핀틀 분사기는 크게 슬릿(slit) 형태와 다중 홀(hole) 형태로 나눌수 있는데, 본 연구실에서는 슬릿형 핀틀 분사기에 대한 기초 연구를 하고 있습니다. 슬릿형은 반경 방향 유동이 원주 방향으로 고르게 분포하여 균일한 분무장을 형성하는 장점이 있습니다.











또한, 본 연구실에서는 기체 메탄/액체 산소를 추진제로 하는 400N급 핀틀 연소기를 제작하여 추력 범위 100%에서 최소 20%까지 변경 가능한 가변추력 연소기의 핵심 기술에 대하여 연구를 수행하고 있습니다.








4. 발사체 재사용을 위한 친환경 연료인 메탄을 연료로 하는 로켓 엔진의 기술개발은 해외에서 활발히 진행 중이지만, 아직 초기 단계라 우주환경에서의 안정적인 연소성능, 추진제의 저장성 등에 대한 지속적인 연구개발이 수행되어야 한다고 하는데요. 교수님께서 연구하시는 메탄 엔진 분사기 화염의 특성과 관련 기반 기술 확보에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.
 

현재 SpaceX 사의 Falcon 발사체의 재사용으로 발사체 시장에 큰 변화를 가져왔습니다. 기존 발사체는 발사체 엔진을 회수하지 않고 일회성으로 사용하기에 발사 비용이 비싼 반면, Falcon 9 발사체는 1단을 회수하여 10회 이상 재사용을 목표로 운용을 하고 있기 때문에 발사 비용을 획기적으로 낮추는 계기를 마련하였습니다.

재사용 발사체 엔진으로 적합한 연료로는 수소, 케로신 모두 가능하나, 수소는 끓는점(-253도)의 온도가 너무 낮아 취급이 어려우며, 밀도가 낮아 발사체 전체의 부피가 증가하는 문제가 있습니다. 케로신은 연소 후 검댕이(soot)가 심각하게 남아 회수를 하더라도 제거 작업에 상당한 추가 비용이 발생합니다. 반면, 메탄의 경우 케로신에 비해 약 10 sec 높은 비추력을 가지며, 높은 코킹(coking) 온도로 인해 연소 후 검댕이 별로 남지 않아 재사용 발사체에 가장 적합한 것으로 알려져 있습니다.





또한, 재사용을 위하여 1단 회수 과정에서 정교한 자세 및 속도 제어를 위하여 엔진을 중단 후 재점화시킬 필요가 있는데, 메탄 엔진의 경우 연소실 내부가 soot 등으로 오염되지 않아 재점화 과정에서 유리한 장점이 있습니다. 이로 인해 선진국에서는 메탄 엔진을 재사용을 위한 차세대 발사체용으로 개발하고 있습니다. 메탄엔진 개발 동향을 살펴보면, 미국 블루오리진의 BE-4 엔진과 스페이스X의 랩터 엔진이 있으며, 유럽의 경우 아리안 발사체용으로 프로메테우스 엔진을 개발하고 있습니다. 우리나라는 현재 케로신 기반의 로켓엔진을 개발하고 있으나, 재사용을 고려할 때 메탄 엔진의 연구도 병행하여 진행할 필요가 있습니다. 따라서, 본 연구실에서는 가변추력 가능 메탄 엔진, 재점화 가능 연소기에 대한 핵심기술 확보를 위하여 연구를 수행하고 있습니다.


5. 로켓 연구는 국가간 기술교류가 어려운 연구로 알고 있습니다. 이러한 문제를 어떻게 해결해 오셨는지 궁금합니다.

발사체 기술은 국가안보와 밀접한 관련이 있는 기술이기 때문에 국가간 기술 이전이 불가능합니다. 하지만, 대학간 민간차원의 교류는 가능하기에 서울대 차세대우주추진연구센터와 러시아의 MAI(Moscow Aviation Institute) 대학과 국제 협력 MOU를 체결하고, 대학간 기술협력, 학생 교류를 진행하였습니다. 센터 기간 동안 러시아와 한국에서 워크샵을 진행하여 양 대학이 확보한 기술을 소개하고 공동연구를 진행하여 많은 논문을 발표하였습니다.





또한, 차세대 소형 발사체에 적용 가능한 기술 중 전기펌프 기술 관련하여 미국의 Bagaveev 사의 설립자를 초청하여 전기펌프 설계에 관한 워크샵을 진행하였습니다. 이 과정을 통하여 소형 전기펌프에 대한 이해와 기술을 습득하여 소형엔진에 적합한 전기펌프를 설계하고 제작하였습니다. 아래의 사진은 서울대에서 제작한 4000N 급 추력용 전기펌프입니다.








6. 최근에 억만장자 브랜슨이 우주여행도 하고, 중국이 12년 뒤 화성에 우주인을 보낼 계획도 세우며 현재 미국, 러시아, 중국이 우주에 발사체를 많이 쏘아 보내고 있습니다. 최근 국내외 발사체 연구의 방향을 비교해주신다면? 또한 항공우주산업의 전망이 궁금합니다.

현재 전 세계 우주발사체 연구개발 동향은 ‘저비용, 재사용 발사체’라고 할 수 있습니다. 이런 경향은 2000년대 초반 SpaceX 사가 우주발사체 시장에 진입하면서 새로운 변화를 가져왔습니다. SpaceX 사는 Falcon 9을 재사용함으로써 발사 비용을 기존의 절반 이하로 낮춤으로써 상업용 시장에 큰 변화를 가져왔습니다. 이는 1980년대 우주왕복선과 비교할 때 1/100 수준까지 낮추는 효과를 가져온 셈입니다. 이러한 변화는 많은 민간기업들이 우주에 관심을 갖게 한 계기가 되었습니다. 과거와 달리 우주로 나가는 비용이 낮아진 상황에서 우주공간이 더 이상 국가만의 영역이 아닌 민간이 진출하고 활용하는 영역이 되었습니다.





우리나라는 2013년 발표된 우주개발 중장기 계획에 따라 세계 6위 진입을 목표로 우주개발 사업을 진행하고 있습니다. 우주개발 중장기 계획에서 중점과제 중 하나로 저궤도 실용위성 발사 능력 확보를 꼽았으며, 2018년 발표된 ‘제3차 우주개발진흥 기본계획’에서 한국형 발사체 기술을 토대로 500 kg 이하 소형위성 발사가 가능한 소형발사체 개발을 목표로 제시하였습니다. 특히 우주발사체 개발과 관련하여 2002년 국내 최초 액체로켓엔진을 이용한 KSR-3 발사체 개발, 2013년 러시아와의 협력을 통한 나로호(KSLV-1) 발사에 성공하였으며, 현재는 국내 독자 기술 개발을 통한 우주발사체 개발을 목표로 하는 누리호(KSLV-2) 개발 사업을 진행하고 있습니다.





누리호 개발 사업에서는 75톤급 액체로켓엔진과 7톤급 액체로켓엔진을 자력 개발함으로써 저궤도 1.5톤 급위성용 우주발사체를 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 이용하여 2030년 달탐사를 계획하고 있습니다.

국외의 동향은 SpaceX의 Falcon9은 발사체의 재사용을 통해 기존의 $5,000/kg 이상의 발사비용을 $2,000/kg 이하로 낮추는 데 성공했습니다. 1단 로켓을 재사용했을 때 비용이 약 30% 정도 절약되며, 1단과 2단 모두 재사용할 경우 약 70% 정도의 비용 감소 효과가 발생할 것으로 예상됩니다. 재사용 관점에서 가장 적합한 엔진은 메탄 엔진으로 알려져 있으며, 현재 미국 Blue Origin에서는 대형 240톤급 메탄 엔진을 개발 중이며, 이 엔진은 Atlas 5 발사체를 대체하는 Vulcain 발사체에 사용될 예정입니다.





재사용 발사체와 더불어 ‘3D 프린팅 기술’ 및 ‘전기 펌프 기술’이 접목된 엔진 개발은 발사체 개발 단가를 획기적으로 감소시켜 전체 발사비용을 더욱 낮추는 효과를 낼 수 있습니다. 이와 같은 기술을 활용한 대표적인 사례가 Rocket Lab의 Rutherford 엔진입니다.





유럽을 대표하는 발사체는 Ariane 5의 경우 현재 사용 중인 수소엔진 Vulcain 2를 대체하는 엔진으로 메탄 프로메테우스 엔진 개발 계획이 최근 발표되었습니다. 이 엔진은 3-D 프린팅 기술을 사용하여 현재의 엔진 가격 대비 1/10로 줄이는 목표를 세우고 있으며 재사용을 계획하고 있습니다.





7. 항우연에서 2013년 나로호를 쏘아올린 이후 한국형 발사체 누리호(KSKV-II)가 올해 10월 발사되었는데 그 의미를 말씀해 주신다면?

2010년부터 진행된 누리호(KSLV-2) 사업은 1, 2, 3단 엔진 모두를 자력 개발하는 목적을 갖고 있습니다. 1단의 경우 75톤 엔진을 4개로 묶어 300톤의 추력을 내는 엔진을 구성하고, 2단은 75톤 엔진 1개, 3단은 7톤 엔진으로 구성되어 있습니다. 이번 발사를 통하여 700km 고도에 1.5톤 위성을 투입하는데는 실패하였지만, 1단, 2단의 엔진 성능은 검증이 된 셈이 됩니다. 단지, 3단 엔진의 연소시간을 다 채우지 못하고 연소가 중단되는 바람에 원하는 속도인 7.5 km/sec를 얻지 못하여 완벽한 성공은 얻지 못하였지만, 첫 번째 비행시험의 결과로는 상당히 의미있는 결과를 얻었다고 봅니다.

2022년 5월에 2차 발사를 계획하고 있는데, 이때는 200 kg급 소형위성을 탑재하고 발사를 할 예정입니다. 3단 엔진의 문제점이 파악되었기에 2차 발사는 성공적으로 진행되리라 예상합니다. 발사에 성공하게 되면 우리나라는 전 세계에서 1톤급 이상의 위성을 쏘아올릴 수 있는 7번째 국가가 됩니다. 이를 계기로 우리나라도 우리땅에서 우리의 위성을 우리의 발사체로 쏘아올릴 수 있는 명실공히 우주기술 자립국으로의 위상을 갖게 됩니다.


8. 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

누리호 발사를 통하여 우리나라도 액체로켓엔진의 독자개발이 가능한 국가가 되었습니다. 하지만 엔진 성능면에서 개선할 여지는 있다고 봅니다. 상단 엔진의 경우 다중 위성발사를 위해서는 추력조절 뿐 아니라 다중 점화가 가능해야 됩니다. 따라서 앞으로의 연구 계획은 추력조절이 가능한 엔진, 다중 점화가 가능한 엔진에 대한 연구를 진행하고자 합니다. 기존의 케로신 연료가 아닌 메탄 연료를 사용할 경우 엔진 내부가 검댕이로 오염될 가능성이 적기에 재점화에 유리한 장점이 있습니다. 또한, 엔진 회수를 위해서는 추력조절이 가능해야 되는데 이를 위해 핀틀분사기에 대한 심도있는 연구를 계획하고 있습니다.

또한 달착륙선의 개발을 위하여 지상에서 착륙선에 대한 시험이 필요한데, 이를 위하여 메탄 가변추력엔진을 장착하여 지상시험용 착륙선(GTV: Ground Test Vehicle)을 개발해 보고자 합니다. 소형 400N급 메탄엔진을 사용하여 추력을 5:1로 조절 가능한 핀틀분사기를 개발해 보고자 합니다.


9. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

올해 누리호의 발사를 통하여 액체로켓엔진 자력개발이라는 큰 성과를 얻어내었습니다. 하지만 선진국의 엔진에 비하면 아직 개선의 여지가 남아 있습니다. 우선, 상단 엔진의 고성능화를 통하여 인공위성의 다중발사가 가능해야 하며 1단, 2단 엔진도 저비용화 할 필요가 있습니다. 가격면에서 비싼 발사체는 상업용 시장에서 경쟁력이 떨어지므로 발사체 선진국도 비용을 낮추기 위하여 새로운 시도를 하고 있습니다.

우리도 발사체의 성능개선과 비용절감, 그리고 신뢰성 확보를 위하여 앞으로 많은 노력을 해야 됩니다. 따라서, 발사체 분야에 관심을 갖고 있고 있는 학생들에게 하고 싶은 이야기는 “우주발사체는 우주로 나가기 위한 수단입니다. 과거에 비해 우주로 가는 발사비용이 1/10까지 낮아진 상황인데 앞으로는 더욱 낮아질 수 있습니다. 따라서, 우주공간을 잘 활용하면 우리의 새로운 미래가 펼쳐질 수 있습니다. 우주에 꿈을 갖고 있는 학생들은 우리의 미래를 위하여 희망을 갖고 그 꿈을 실현하기 위하여 열심히 노력해 주셨으면 합니다.


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