‘나로호’, 고체 킥모터의 비밀

‘나로호 3차 발사’가 곧 다시 진행될 예정입니다. 보다 철저한 준비를 통해 이번에는 성공적으로 발사되길 희망하며 나로호에 대해 조금 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

나로호는 1단과 2단으로 나뉘어지는데 2단 고체 킥모터는 나로과학위성을 위성 궤도에 투입하는 역할을 맡고 있습니다. 이러한 임무를 완수할 수 있도록 나로호에 사용되는 고체 킥모터는 여러 가지 조건을 따라야 합니다. 가벼우면서도 추진기관 성능이 높아야 하고, 최대 추력이 너무 세지 않아야하며 연소기간은 길어야 하고, 추력방향도 조종할 수 있어야 합니다.

고체모터의 특성상 추력을 높이는 것은 비교적 쉽다고 볼 수 있지만, 연소시간을 길게 하는 것은 쉬운 문제가 아닙니다. 나로호의 고체모터는 기존 기술로 제작 가능한 고체모터에 비해 2배 정도 연소시간을 늘려야 합니다. 이와 더불어 추력방향을 제어할 수 있어야 하기에 모터 내부에 삽입되어 움직임이 가능한 노즐을 개발하였습니다. 고체모터는 연소된 가스의 분자량이 크고 알루미늄같은 입자가 연소가스에 포함되기 때문에 고온 고속의 연소가스가 지나는 노즐부는 설계, 소재 선정 및 제작에 많은 어려움이 있었습니다. 

킥모터는 우리나라에서는 최초로 우주공간에서 작동을 하는 추진기관으로서 모든 부품이 우주환경에서 사용가능한 소재로 구성되었습니다. 발사체는 전체 무게중 구조물이 차지하는 무게비율이 작고 효율적이어야 합니다. 특히 연소관은 발사체 구조 전체에서 차지하는 비율이 높아 더욱 엄격하게 개발해야합니다. 높은 압력을 견디면서도 무게비율이 작아야 하는 이중적인 조건을 만족하도록 만들어야 했습니다.

킥모터는 발사 후 395초에 우주환경에서 점화가 됩니다. 이러한 진공환경에서 점화하는 기술은 우리나라에서 이번에 처음 시도하였습니다. 두 개의 점화안전장치에 전기 신호가 들어가면 점화가 되도록 구성하고 각각의 점화안전장치는 독립적으로 임무 수행이 가능하도록 하였습니다. 이를 위해 진공에서의 점화를 모사하기 위해 진동, 열주기 시험과 진공시험과 같은 수많은 시험을 수행하여 신뢰도가 높은 부품을 개발하였습니다. 특히 점화안전장치 자체는 용접으로 밀봉하여 진공환경에 영향을 받지 않도록 설계, 제작하였습니다.

이렇게 개발된 고체모터는 2009년 8월 25일 있었던 1차 발사에서 완벽하게 작동했습니다. 1차 비행 시험이 끝난 후 압력 및 가속도 측정값을 이용하여 고체모터의 성능을 분석하였습니다. 위성을 궤도에 투입하는 임무를 성공적으로 수행하기 위하여서는 킥모터의 비추력(추진제 소모량 대비 추력값으로 로켓 추진체의 성능을 나타냄) 예측값이 실제성능과 2% 이내의 오차 범위에 있어야 하는데 발사 결과를 분석 한 결과 0.6% 정도의 비추력 오차 범위에 있는 것으로 분석 되었습니다.

로켓뿐만 아니라 항공우주 분야의 수많은 부품은 어느 하나 쉽게 얻어지는 것이 없습니다. 로켓발사의 성공과 실패에 기뻐하고 아쉬워하기에 앞서 그 동안 이러한 부품들을 개발하기 위해 오랜 시간 노력해온 연구원들을 생각해보았으면 합니다.  

글 : 한국항공우주연구원

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