누리호, 로켓엔진 '세계 7번째 개발'…"2조원에 이룬 기적"

[르포]"3000℃서도 멀쩡"…'세계 7번째 로켓엔진' 누리호 심장의 비밀

한화에어로스페이스 창원사업장 발사체 조립동에서 한화에어로스페이스 관계자가 조립대에 올라 누리호에 탑재될 엔진을 살펴보고 있다/사진제공=한화에어로스페이스

"복잡하게 보이지만 누리호 엔진 배관이 꺾이거나 구불거리는 것, 배관을 묶은 것 하나하나에 이유가 다 있습니다. 여기 2015년에 제작한 첫 번째 엔진과 누리호에 탑재되는 엔진의 배관 현상과 패널이 지금과 많이 다른 것을 보실 수 있을 거예요. 엔지니어들이 한 땀 한 땀 노력한 결과입니다."


지난 4월 29일 경남 창원 한화에어로스페이스 발사체 엔진조립동은 내년 상반기 한국형발사체(KSLV-2) 누리호 3차 발사에 탑재될 엔진의 출하 준비를 위해 분주한 모습이었다. 엔지니어들은 1단과 2단에 들어가는 75톤급 엔진과 3단에 들어가는 7톤급 엔진을 막판 점검하고 있었다. 오는 15일 2차 발사를 앞둔 누리호에 들어간 액체엔진과 같은 모델이다.

액체엔진은 길이 47.2m, 무게 200톤의 3단형 우주발사체인 누리호의 '심장'으로 불린다. 한국은 전 세계에서 7번째로 저궤도 위성을 쏘아올릴 수 있는 액체엔진을 개발했다. 한화에어로스페이스는 2005년 나로호 핵심부품과 누리호 터보펌프 개발에 참여한 것을 시작으로 2012년부터 누리호 액체엔진 사업에 착수했다.

누리호 엔진은 총 6기로 구성돼있다. 1단 로켓은 75톤급 액체엔진 4기를 묶어 300톤급 추력을 내고, 2단은 75톤급 액체엔진 1기, 3단은 7톤급 액체엔진 1기가 장착된다. 이날 가장 눈길을 끈 건 커다란 75톤급 중대형엔진이다. 75톤급 엔진은 1단과 2단에 들어가는데 높이가 3m 수준인 1단보다 2단 엔진이 1m가량 더 높다. 1단 엔진은 높이 3m, 직경 1.9m 정도지만 2단 엔진은 높이 4m, 직경 2.2m 정도다.

이처럼 크기가 차이나는 이유는 2단 노즐이 1단 노즐보다 길기 때문이다. 누리호 엔진 엔지니어인 임영훈 한화에어로스페이스 과장은 "1단은 지상에서 불을 뿜지만 2단은 60~70km 상공에서 연소하기 때문에 공기가 희박하고 기압이 낮아 불꽃이 퍼진다"며 "불꽃이 퍼지면 추력 손실이 발생하기 때문에 퍼지지 않도록 2단 노즐을 더 길게 만들었다"고 설명했다.

한화에어로스페이스 창원사업장에서 출하중인 누리호 1단 엔진/사진제공=한화에어로스페이스

누리호 엔진 엔지니어가 자부하는 고난이도 기술은 '재생냉각' 기술이다. 누리호는 액체산소와 케로신을 연료로 쓰는데 연소할 때 온도가 3000℃ 이상까지 올라간다. 일반 금속들은 견딜 수 없는 온도다. 엔지니어들은 별도의 냉각수 없이 발사체 연료를 활용해 엔진을 냉각시키기로 했다.

임 과장은 "연료를 곧바로 연소기에 분사하지 않고 엔진 벽 속에 있는 미세관들을 통과시켜 연소실로 보내면 엔진을 식힐 수 있다"며 "케로신을 일부러 밑으로 보냈다가 엔진의 벽면을 냉각시키면서 올라오는 구조"라고 설명했다.

3단에 들어가는 높이 1.9m 규모의 7톤급 액체엔진도 1단과 2단 엔진 못지않게 제작이 어려웠다. 좁은 공간에 1200여개에 달하는 부품과 배관을 모두 넣어야 해서 오히려 조립 난이도는 더 높았다는 후문이다. 은빛 금속으로 둘러쌓인 1단 엔진과 달리 3단 엔진은 연소기 위에 그을음이 묻은 작은 전선들이 노출돼 있었다.

임 과장은 "3단 엔진은 공기가 없는 우주 환경에서 연소하기 때문에 연소기의 불이 직접 닿지 않는 윗 부분은 열 전달이 안 된다"며 "지상에서 연소하는 1단 엔진은 단열하는 단열막이 있지만, 공기가 희박한 곳에서 연소하는 2단, 3단 엔진은 단열막이 없는 이유"라고 설명했다.

3단 엔진에 그을음이 묻은 것은 진공시험의 결과다. 임 과장은 "1단 엔진은 지상에서 연소시험을 하지만, 2단과 3단 엔진은 진공 환경에서 연소시험을 진행한다"며 "연소시험 후 진공 상태가 풀리면 연기가 역으로 올라와 엔진에 달라붙는다"고 설명했다. 개발 중인 엔진들은 수십 번씩 연소시험을 진행하지만 실제 비행에 사용되는 플라이트 모델(FM)은 딱 두 번 시험한 후 발사 현장에 투입된다.

한화에어로스페이스에서 현재까지 제작된 엔진은 75톤급 34대, 7톤급 12대로 총 46대다. 75톤급 엔진 조립을 위해선 총 458개의 공정을 거쳐야 한다. 조립팀 11명, 개발팀 11명 등 총 22명의 엔지니어들이 550평 규모의 공장에서 수작업으로 엔진들을 하나하나 조립하고 시험했다. 10년 동안 누리호 액체엔진 조립을 위해 투입된 간접 인력은 100여 명에 이른다. 엔진 관련 협력업체도 30곳이 넘는다.

노하우와 데이터가 쌓이면서 누리호 1호기 엔진을 조립할 때 6개월 정도 걸렸던 시간이 지금은 최대 2개월 반 정도로 줄었다. 임 과장은 "처음엔 설계도에 몇 가지 오류가 있어 실제 상황과 맞지 않고 조립 순서도 정해지지 않았다"며 "특히 연소기는 용접으로 만드는데 용접 시 뒤틀리거나 변형되는 현상 때문에 만들고 난 다음 데이터 값을 역으로 환산해서 보정해야 했다"고 말했다.

10년간 노력의 산물인 만큼 엔지니어들은 2차 발사는 성공할 거란 기대감이 가득했다. 누리호 엔진의 성능은 1차 발사 때 이미 검증됐고, 문제가 발생했던 3단 산화제탱크도 충분히 보완됐다는 이유다. 임 과장은 "누리호 1차 발사 땐 4개의 엔진을 하나로 묶는 클러스터링 기술 확보와 단 분리 기술 확보가 제일 중요했는데 모두 성공했다"며 "첫 시도 때는 걱정이 많았지만 2차 발사를 앞두곤 불안감이 사라졌다"고 말했다.

한화에어로스페이스는 누리호에서 그치지 않고 차세대 발사체에 들어가는 100톤급 다단연소사이클 엔진 개발에 나설 계획이다. 과학기술정보통신부는 2030년 달 착륙 능력 확보를 목표로 차세대 발사체 개발 사업을 추진하고 있다. 한화에어로스페이스는 이를 위해 최근 발사체 엔진 태스크포스(TF) 팀을 구축하고 대형 다단엔진의 핵심 구성품인 고압 터보펌프·정밀제어밸브 개발부터 순차적으로 준비 중이다.


누리호는 끝이 아닌 시작…"'뉴스페이스' 시대 열 항공우주청 절실"

이창한 KAI 우주사업실장/사진제공=KAI

"누리호 5호기 발사까진 한국항공우주연구원과 산업체가 공동으로 발사운영에 참여하지만, 6호기부턴 발사체 고도화 사업으로 산업체가 발사체 총조립·시험·발사운영을 주도적으로 진행하게 됩니다. 위성 개발부터 발사 서비스까지 패키지화한다면 글로벌 우주시장에서 경쟁력을 높여 위성 수출 가능성을 더 높일 것으로 기대하고 있습니다."(이창한 KAI 우주사업실장)

국내 대표 우주기업인 KAI(한국항공우주산업)에서 누리호 체계 조립을 총괄한 이창한 우주사업실장은 누리호 2차 발사 이후 기대하는 점에 대해 '발사체 고도화 사업'을 꼽았다.

누리호 2차 발사를 앞두고 전 국민의 기대감이 커지는 가운데 KAI 등 국내 우주업체들은 '누리호 이후'를 준비하기 위해 분주하다. 그 중에서도 핵심은 뉴스페이스(민간 중심의 우주산업) 시대를 주도할 한국형발사체 고도화 사업이다.

한국형발사체 고도화 사업은 한국항공우주연구원(항우연)으로부터 누리호 개발 기술을 민간에 이전해 국내 우주발사체 산업생태계를 육성시키고 강화하는 사업이다. 누리호 후속개발과 4회 반복발사(4기 발사, 3기 양산)로 발사 신뢰성을 높인다. 정부는 올해 1727억원 규모로 고도화사업을 시작하고 2027년까지 6873억원을 투입할 방침이다. 업계에선 누리호 2차 발사 이후 사업 입찰이 본격 시작될 것으로 보고 있다.

특히 누리호 체계종합 담당이자 국내 유일의 중대형 위성 제작업체인 KAI는 민간 기술 이전을 손꼽아 기다려왔다. 이 실장은 "누리호 4호기는 KAI 주관으로 개발 중인 차세대중형위성 3호가 탑재돼 발사된다"며 "발사체 고도화 사업에 선정되면 4호기의 경우 KAI가 개발한 위성을 KAI가 만든 발사체로 우리 영토에서 발사하게 된다"고 말했다. KAI가 위성 개발과 발사 서비스를 아우르는 밸류체인을 갖추면 위성 수출 경쟁력도 높아질 전망이다.

KAI는 발사체 고도화 사업을 위한 역량도 충분히 키웠다. 이 실장은 "KAI는 누리호 개발모델(EM), 인증모델(QM), 비행모델(FM)에 대한 체계총조립 수행을 통해 발사체 체계종합 인프라 운영에 대한 경험을 갖췄다"며 "누리호 1단 추진제탱크 개발 관련 생산설계와 공정개발 등 발사체 개발 경험도 보유하고 있다"고 강조했다.

이어 "KAI는 항공기 체계종합업체로서 우주발사체의 체계와 유사한 항공기 체계개발 경험이 있고 체계종합 설계 엔지니어들을 보유하고 있다"며 "항공기 양산사업, 협력사 관리 등의 체계종합 경험을 통해 누리호 양산에 대한 이해도가 높다"고 덧붙였다.

특히 KAI는 국내에서 유일하게 항공기 부품을 3D프린팅으로 만드는 등 비용저감을 위한 스마트팩토리를 전 분야에 적용하고 있다. KAI가 가진 스마트 팩토리 인프라는 우주발사체의 산업화에도 도움이 될 전망이다. 누리호 1단 추진제탱크를 만든 경남 사천 종포공장 옆에 항구가 있어 발사대가 있는 전남 고흥군 나로우주센터까지 운반이 용이한 것도 강점이다.

이처럼 민간에서 만반의 준비를 갖췄어도 한국이 뉴스페이스 시대를 이끌기 위해선 정부 차원의 노력도 필요하다. 업계에서 새 정부에 가장 바라는 점은 '항공우주청 설립'이다. 이 실장은 "국내엔 우주부문을 총괄하는 전담조직이 없고 각 부처별로 우주부문의 수요를 분담하고 있지만, 그마저도 부처 내 잦은 담당자 변경에 따른 정책의 연속성과 일관성이 부족한 상황"이라며 "국가의 우주산업 역량을 강화하기 위해선 모든 부처를 아울러 범국가 차원의 컨트롤 타워가 될 수 있는 항공우주청 설립이 절실하다"고 강조했다.

이어 "새롭게 설립되는 항공우주청은 국가 우주부문의 수요와 정책을 효율적으로 조정·통합하는 역할은 물론, 국가 우주개발의 계획 수립과 예산을 실행할 수 있는 기능도 필요해 보인다"며 "지나친 정부 주도의 연구개발방식보다 산업체 중심의 우주개발과 일관성 있는 우주정책이이 마련되길 바란다"고 덧붙였다.

'2조원' 누리호, 우주산업 씨앗 뿌렸다…예산 1.5조 기업에 집행

한국형발사체 누리호 제원. / 그래픽=이지혜 디자인기자

한국형발사체 누리호(KSLV-II)가 오는 15일 두 번째 발사에 나선다. 누리호는 지난해 10월 첫 번째 발사를 시도했지만 3단 엔진이 조기에 멈춰 위성모사체를 목표궤도에 안착시키지 못했다. 한국항공우주연구원은 발사 직후부터 결함 원인을 분석해 3단 산화제 탱크 균열을 파악했고, 지난 4월 말까지 설계 보강을 마쳤다.

누리호는 1차 발사 당시 1.5톤 위성모사체만 실었지만 2차 발사에선 200㎏ 실제성능검증위성과 1.3톤 위성모사체를 탑재한다. 누리호는 고도 700㎞에서 초속 7.5㎞ 비행 속도를 달성한 이후 성능검증 위성을 분리하면 임무에 성공한다. 누리호 발사가 성공하면 한국은 무게 1톤 이상 실용급 인공위성을 자력 발사할 수 있는 7번째 국가로 도약한다.


◇누리호는 우주산업 토양 가꾼 '씨앗'

순수 국산 로켓 '누리호'(KSLV-II) 개발에는 국내 300여개 기업이 참여했다. 로켓 엔진과 총조립 등은 민간 기업 주도로 이뤄졌다. 누리호 예산 1조 9572억원 중 약 1조5000억원(77%)은 민간 기업을 통해 집행됐다. / 사진제공=한국항공우주연구원

누리호는 2010년부터 1조9572억원을 들여 개발한 순수 국산 발사체(로켓)다. 항우연을 비롯한 국내 연구진과 300여 개 기업이 의기투합한 결과다. 특히 총사업비 77%인 약 1조5000억원 규모를 산업체를 통해 집행했다.

앞서 나로호(KSLV-I) 개발에는 이처럼 산업체가 대대적으로 참여하기 어려웠다. 나로호는 러시아 기술을 들여와 개발한 우리나라 첫 로켓이다. 발사는 1·2차(2009년 8월, 2010년 6월)에 실패했고 3차(2013년 1월) 시도 끝에 성공했다. 우주 로켓은 미사일로 전용 가능해 국가 간 기술이전이 사실상 불가능한 분야로, 나로호 개발 초창기 러시아는 정부출연연구기관 소속 연구자들 중심으로 기술을 전수했다.

그러나 누리호 개발에는 300여개 기업이 참여해 독자 개발에 필요한 부품 개발과 제작을 수행하고 있다. 주력 참여 30여개 기업은 개발에 약 500여명을 투입했다. 한국항공우주산업(KAI)과 한화에어로스페이스는 각각 누리호 체계총조립과 엔진 개발을 담당하면서 내년부터 2027년까지 진행되는 누리호 고도화 사업에도 중심축을 담당할 전망이다.

이상률 항우연 원장은 "누리호 체계총조립, 엔진 조립, 각종 구성품 제작 등 기술 협력을 통해 산업체 역량을 강화하고 점진적으로 기업의 역할을 확대해 향후 발사 주관 기업으로 성장할 수 있도록 지원하고 있다"고 말했다.

◇로켓 발사장, 엔진 시험장 등 인프라 확충

우주강국처럼 민간 주도의 우주 산업이 태동하려면 기업이 확보하기 어려운 거대 인프라가 있어야 한다. 그중 핵심은 로켓 발사장과 엔진 시험장이다. 현재 누리호가 발사될 전남 고흥 나로우주센터에는 제1발사대(3300㎡)와 제2발사대(6000㎡)가 있다.

1발사대는 러시아 도면을 가져와 개발됐지만, 2발사대는 현대중공업이 2016년부터 지난해 3월까지 설계-제작-조립까지 건립에 필요한 모든 과정을 국산화했다. 여기에 민간 기업이 활용할 수 있는 전용 발사장도 곧 구축될 예정이다.

발사대는 경쟁력 있는 로켓발사를 위해 필수적인 우주 산업의 핵심 인프라다. 일례로 민간 우주 산업을 주도하고 있는 일론 머스크의 미국 스페이스X와 아마존 창업자 제프 베이조스가 설립한 블루오리진은 발사장을 두고 갈등을 빚기 시작했다. 2013년 미국항공우주국(NASA)의 LC-39A 발사대 임대 계약 과정에서 경쟁이 벌어져 소송이 이어졌기 때문이다.

이와 함께 누리호 개발 과정에서 액체엔진·추진기관 시험설비 구축도 이뤄졌다. 누리호 개발 초기에는 액체엔진과 주요 구성품 개발을 위한 시험설비가 없어 러시아로부터 이를 빌려 썼다. 대외적인 변수에 개발이 영향을 받았던 셈이다. 그러나 우리나라가 자체 구축한 이후 이 설비에선 총 200회에 가까운 액체엔진 시험이 이뤄졌다. 누리호를 통해 각종 산업 인프라가 마련된 것이다.