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한국 엔지니어들이 피땀흘려 개발한 첫 우주로켓 엔진 '이모저모'

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한국 엔지니어들이 피땀흘려 개발한 첫 우주로켓 엔진 '이모저모'

2021.02.25 17:16
한국형발사체 누리호에 들어갈 75t급 액체엔진이 연소 시험 중이다. 한국항공우주연구원 제공
한국형발사체 누리호에 탑재될 75t급 액체엔진이 연소 시험 중이다. 한국항공우주연구원 제공

한국형발사체 ‘누리호’의 1단 엔진에 들어갈 300t급 액체엔진이 25일 전남 고흥군 나로우주센터에서 101초 연소시험에 성공했다. 이번 연소시험은 1단에 들어있는 75t 액체엔진 4개를 동시에 연소하는 '클리스터링' 시험으로 2단, 3단에 있는 엔진은 이미 연소시험을 마쳤다. 

 

누리호는 엔진을 세 층에 나눠 탑재한 3단형 발사체다. 엔진을 각 단에 따로 장착한 이유는 발사체의 속도를 높이기 위해서다. 발사체의 가장 아래 있는 1단 엔진이 추진제를 다 소모해 쓸모 없어지면 공중에서 분리해 무게를 줄이고 2단 엔진을 작동시키는 방식이다. 마찬가지로 2단 엔진의 추진제가 다 소모되면 이를 떼어내고 3단 엔진을 가동해 발사체의 속도를 더욱 높인다.

 

발사체의 각 단에는 모두 액체엔진이 들어있지만 성능은 다르다. 1단에는 75t급 액체엔진 4개가 마치 하나의 엔진처럼 동작해 총 300t의 추력을 낸다. 2단에는 75t급 액체엔진 1개, 3단에는 7t급 액체엔진 1개가 들어있다. 발사체가 상승해 고도가 상승하면 대기로 인한 저항이 줄어들기 때문에 아랫단에 있는 엔진일수록 추력이 크다.

 

1단과 2단에 들어있는 75t급 액체엔진도 크기, 모양, 연소시험을 하는 장소도 다르다. 엔진 1개의 크기만 놓고 보면 1단 엔진이 2단 엔진보다 더 작다. 1단 엔진의 높이는 약 3m고 너비는 약 1.9m다. 반면 2단 엔진은 높이가 약 4m고 너비는 약 2.2m다. 

 

3단 발사체인 누리호의 1, 2, 3단에 들어가는 액체엔진의 크기. 1단과 2단에는 모두 75t급 액체엔진이 들어가지만 작동하는 환경이 다르기 때문에 크기가 다르다. 한국항공우주연구원 제공
3단 발사체인 누리호의 1, 2, 3단에 들어가는 액체엔진의 크기. 1단과 2단에는 모두 75t급 액체엔진이 들어가지만 작동하는 환경이 다르기 때문에 크기가 다르다. 한국항공우주연구원 제공

1단과 2단에는 들어가는 엔진은 똑같은 75t급 액체엔진이지만 크기가 서로 다른 이유는 노즐의 크기가 다르기 때문이다. 노즐은 연소 가스를 내뿜는 종 모양의 관으로 연소실에서 연료와 산화제가 연소해 생성된 고온·고압의 가스가 빠른 속도로 빠져나가도록 하고 배출되는 방향도 일정하게 만들어주는 역할을 한다. 엔진 종류에 따라 노즐의 크기와 모양이 다르지만 대부분 연소실과 닿아 있는 ‘노즐목’ 부분은 좁고 노즐 입구로 갈수록 점점 넓어지는 형태다. 
 
발사체가 나아갈 수 있게 만드는 힘인 추력은 노즐 주변의 대기압이 작을수록 감소하고 노즐 출구의 단면적, 노즐 출구에서 연소 가스의 압력, 노즐 출구에서의 연소 가스의 속도가 클수록 증가한다. 그런데 노즐의 출구 단면적을 노즐목의 단면적으로 나눈 ‘노즐 팽창비’가 커지면 연소 가스의 속도와 노즐 출구의 단면적은 증가하지만 노즐 출구에서의 연소 가스의 압력은 감소한다.

 

이런 이유로 노즐 팽창비가 특정 값이 되도록 노즐을 설계해야 추력이 최대가 된다. 수학적으로 계산하면 대기압과 노즐 출구에서의 연소 가스의 압력이 같아지도록 노즐을 설계했을 때 추력이 최대가 된다. 발사체가 상승해 대기압이 낮아지면 노즐 출구에서의 연소 가스의 압력이 자연스럽게 커지기 때문에 노즐 팽창비를 높이면 전체 추력이 증가한다. 고도에서 작동하는 2, 3단 엔진의 노즐 팽창비가 1단 엔진의 노즐 팽창비 보다 크기 때문에 노즐의 크기도 상대적으로 크다. 누리호의 경우 1단 엔진의 노즐 팽창비는 12고 2단 엔진은 35, 3단 엔진은 94.5다.

 

세 단에 있는 엔진은 실제 작동하는 환경이 다르므로 엔진의 연소시험도 다른 환경에서 진행한다. 만약 2. 3단 엔진처럼 높은 고도에서 작동하는 엔진의 연소시험을 지상에서 하면 노즐 속 연소 가스가 노즐 벽을 따라 잘 흐르지 못하고 노즐 벽으로부터 떨어져 불규칙하게 움직이는 ‘유동 박리’ 현상이 일어나 정확한 추력을 파악할 수 없다. 이 때문에 지상에서 2, 3단 엔진의 연소시험은 지상의 대기압보다 낮은 압력을 만들 수 있는 고공 시험 설비에서 추력을 측정한다. 

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