KARI 30톤급 로켓엔진
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1. 개요
KARI 30톤급 로켓엔진은 대한민국 항공우주연구원에서 개발한 액체 연료 로켓 엔진으로, 액체 산소와 Jet A-1을 추진제로 사용한다. 터보펌프와 가스 발생기 사이클을 통해 연료를 공급하고, 재생냉각 방식과 트리에틸알루미늄을 이용한 자연발화 방식을 사용한다. 2002년 KSR-3 개발을 시작으로, KSLV 계획을 통해 30톤급 엔진 개발이 추진되었으며, 한국형발사체에 사용될 75톤급 엔진 개발로 인해 시스템 시험은 중단되었지만, 개발 성과는 75톤급 엔진에 활용되었다. 북한의 대포동 2호는 30톤급 엔진 4기를 묶어 120톤의 추력을 낸 것으로 알려져 있다.
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2. 설계
KARI 30톤급 로켓엔진은 액체 산소와 항공용 등유인 Jet A-1을 추진제로 사용하는 가스 발생기 사이클 엔진이다.[2][3] 연료 공급에는 터보펌프가 사용되며, 연소기 냉각을 위해 재생냉각 방식을 채택했다. 점화 방식으로는 트리에틸알루미늄(TEA)을 이용한 자연발화 방식을 사용한다.[2]
2. 1. 추진제
30톤급 로켓엔진은 추진제로 액체 산소와 항공용 등유의 일종인 Jet A-1을 사용한다.[2]나로호는 1단을 러시아 흐루니체프사가 제작했기 때문에 러시아제 등유(케로신)를 연료로 사용했다. KSLV-II 누리호는 SK이노베이션이 제조하는 항공 등유인 Jet A-1을 연료로 사용한다.
2. 2. 연소 방식
30톤급 로켓엔진은 추진제로 액체 산소와 항공용 등유의 일종인 Jet A-1을 사용한다.[2] 이는 과거 나로호 1단에 사용되었던 러시아제 등유와는 다른 것으로, 누리호에서는 SK이노베이션이 국내에서 생산하는 Jet A-1을 연료로 사용한다.연료를 연소실로 공급하기 위해 터보펌프를 사용하며, 이 터보펌프는 연료가 풍부한 상태(연료 과농 상태)에서 작동하는 가스 발생기에서 생성된 가스로 구동된다. 이러한 방식을 가스 발생기 사이클이라고 부른다.[3]
고온의 연소 과정에서 연소기가 과열되는 것을 막기 위해, 아직 연소되지 않은 차가운 연료를 연소기 벽면의 통로로 흘려보내 식히는 재생냉각 방식을 채택했다.[2] 엔진의 초기 점화 방식으로는 트리에틸알루미늄(TEA)과 산화제가 접촉하면 저절로 불이 붙는 자연발화 방식을 이용한다.[2]
3. 개발
2002년 항공우주연구원은 대한민국 최초의 액체 연료 로켓인 KSR-3 개발에 성공하며 액체 로켓 엔진 기술의 기초를 마련했다. KSR-3에 사용된 KRE-013 엔진은 추력 13톤급의 가압식 사이클 엔진이었다. 이후 KSR 계획은 종료되고, 이 기술을 바탕으로 KSLV 계획이 시작되었다. 초기에는 KSLV-1에 KRE-013 엔진 여러 개를 묶어 사용하려 했으나, 추력 한계와 기술 이전 가능성을 고려해 터보펌프 방식의 새로운 엔진 개발로 방향을 전환했다.[4]
나로호 개발 과정에서는 30톤급 엔진을 사용한 독자 개발안과 국제 협력안이 함께 검토되었다. 러시아와의 협력이 결정된 후에도 핵심 기술 확보 차원에서 30톤급 엔진 개발은 계속되었다. 터보펌프-가스발생기 연계 시험까지 완료했으나, 한국형발사체 개발을 위해 KARI 75톤급 로켓엔진 개발이 더 중요해지면서 30톤급 엔진의 전체 시스템 시험은 진행되지 않았다. 대신 개발 역량을 75톤급 엔진에 집중했으며, 30톤급 엔진 개발 과정에서 얻은 기술과 경험은 75톤급 엔진 개발에 중요한 밑거름이 되었다.[5]
3. 1. KSR-3 개발
2002년 항공우주연구원은 대한민국 최초의 액체 연료 로켓인 KSR-3를 개발하였다. KSR-3에 사용된 엔진은 이전의 KSR-1, KSR-2가 고체연료를 사용한 것과 달리 가압식 사이클을 사용하는 추력 13톤급 엔진이었다. 이 엔진은 KRE-013으로 명명되었다. 이후 대한민국은 KSR 계획을 종료하고, KRE-013 엔진 개발 기술을 바탕으로 새로운 발사체를 자력으로 개발하는 KSLV 계획을 시작하였다. 초기에는 KSLV-1의 1단 엔진으로 KSR-3의 엔진 여러 개를 묶어 사용하려 했으나, 가압식 사이클 엔진의 추력 한계와 러시아의 기술 이전 가능성을 고려하여 새로운 터보펌프식 엔진을 개발하기로 결정했다.[4]나로호 개발 초기에는 30톤급 엔진을 사용한 국내 개발안(1단에 30톤급 엔진 4기 클러스터링, 2단에 30톤급 엔진 1기, 3단에 5톤급 가압식 엔진 사용)과 국제 협력안이 함께 검토되었다. 나로호 개발 전략이 러시아와의 협력으로 확정된 후에도 핵심 기술 확보를 위해 30톤급 엔진 개발은 계속되었다. 엔진 시스템 개발 시험을 위한 부품 수준의 시제품 개발과 터보펌프-가스발생기 연계 시험까지 완료되었으나, 한국형발사체에 사용될 KARI 75톤급 로켓엔진 개발이 시급해지면서 30톤급 엔진 시스템 전체 시험 단계까지는 진행하지 않고 75톤급 엔진 개발에 집중하기로 결정되었다. 30톤급 엔진 개발 과정에서 얻은 기술과 경험은 75톤급 엔진 개발에 효율적으로 활용되었다.[5]
3. 2. KSLV 계획
2002년 항공우주연구원은 최초의 액체 연료 로켓인 KSR-3를 개발했다. 이 로켓에 사용된 엔진은 기존의 고체연료 로켓(KSR-1, KSR-2)과 달리 가압식 사이클을 사용하는 추력 13톤급 엔진(KRE-013)이었다. 이후 대한민국은 KSR 계획을 종료하고, KRE-013 엔진 개발 기술을 바탕으로 새로운 발사체를 자체 개발하는 KSLV 계획을 시작했다.초기 KSLV-1(나로호)의 1단 엔진은 KSR-3의 13톤급 엔진 여러 개를 묶어(클러스터링) 개발할 예정이었다. 하지만 가압식 사이클 방식은 추력을 높이는 데 한계가 있었고, 러시아로부터 기술 이전을 받을 가능성이 생기면서 새로운 터보펌프식 엔진을 개발하는 방향으로 계획이 변경되었다.[4]
나로호 개발 초기에는 30톤급 엔진을 사용한 국내 개발안(1단: 30톤 엔진 4기 클러스터링, 2단: 30톤 엔진 1기, 3단: 5톤 가압식 엔진)과 국제 협력안이 함께 검토되었다. 최종적으로 러시아와 협력하여 나로호를 개발하기로 결정된 뒤에도, 핵심 기술 확보를 위해 30톤급 엔진 개발은 계속 진행되었다. 엔진 시스템 개발 시험을 위한 부품 단위의 시제품 개발과 터보펌프-가스발생기 연계 시험까지 완료되었다.
그러나 이후 '''한국형발사체'''(누리호) 개발 계획이 구체화되면서 '''KARI 75톤급 로켓엔진''' 개발이 더 시급해졌다. 이에 따라 30톤급 엔진은 시스템 전체 시험 단계까지는 진행하지 않고, 개발 역량을 75톤급 엔진 개발에 집중하기로 결정되었다. 30톤급 엔진 개발 과정에서 얻은 기술과 경험은 75톤급 엔진 개발에 매우 효율적으로 활용되었다.[5]
3. 3. 나로호 개발과 30톤급 엔진 개발 지속
나로호 개발 초기에는 30톤급 엔진을 활용한 국내 개발안과 국제협력안이 함께 검토되었다. 국내 개발안은 1단에 30톤급 엔진 4기를 묶어 사용하고, 2단에 30톤급 엔진 1기, 3단에 5톤급 가압식 엔진을 사용하는 구상이었다. 그러나 나로호 개발은 최종적으로 러시아와의 협력으로 결정되었다. 그럼에도 불구하고 핵심 기술 확보를 위해 30톤급 엔진 개발은 계속 진행되었다. 이 과정에서 엔진 시스템 개발 시험을 위한 단품 수준의 시제품 개발이 완료되었고, 터보펌프와 가스발생기를 연계하는 시험도 성공적으로 마쳤다. 하지만 '''한국형발사체''' 개발 계획에 따라 '''KARI 75톤급 로켓엔진''' 개발이 더 시급해지면서, 30톤급 엔진의 시스템 전체 시험까지는 진행하지 않고 75톤급 엔진 개발에 집중하기로 결정되었다. 30톤급 엔진 개발 과정에서 얻은 기술과 경험은 75톤급 엔진 개발에 효율적으로 활용되었다.[5]4. 북한과의 비교
북한 역시 대포동 2호 등 일부 장거리 발사체 운용에서 추력 30ton급 엔진 기술을 활용하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이는 여러 개의 엔진을 묶어(클러스터링) 전체 추력을 높이는 방식으로, 단일 엔진으로 해당 추력을 내는 KRE-030과는 기술적 차이가 있다.
4. 1. 북한 발사체
북한이 발사한 대포동 2호는 추력 30톤급 엔진 4개를 묶어 1단 추력 120ton을 내는 것으로 알려져 있다. 이는 단일 엔진으로 30ton의 추력을 내는 KARI 30톤급 로켓엔진(KRE-030)과는 구성 방식에서 차이가 있다. 대포동 2호의 1단 엔진은 추력 27ton의 노동 미사일 엔진에 추력 3ton의 보조 엔진을 부착하여 30톤급 추력을 구현한 것으로 분석된다.북한의 주요 장거리 발사체 발사 기록은 다음과 같다.
4. 2. 북한 로켓 엔진 기술 수준 (참고)
북한이 발사한 대포동 2호는 추력 30톤급 엔진 4개를 묶어(클러스터링) 총 120톤의 추력을 내는 것으로 알려져 있다. 이는 단일 엔진으로 추력 30톤을 내는 KRE-030과는 다른 기술적 접근 방식을 보여준다. 대포동 2호의 1단 엔진은 추력 27톤의 노동 미사일 엔진에 추력 3톤의 보조엔진을 부착하여 30톤급 추력을 구현했다는 정보가 있다.북한의 주요 로켓 발사 이력은 다음과 같다.
하지만 북한 로켓 엔진의 정확한 성능 및 상세한 기술 수준에 대해서는 공개된 정보가 부족하여 현재까지 명확히 알려진 바가 없다.
참조
[1]
간행물
우주국제협력 현황
https://web.archive.[...]
미래창조과학부
2014-07-06
[2]
논문
추력 30톤급 액체산소/케로신 로켓엔진 연소장치 개발(I)-연소기
http://www.dbpia.co.[...]
2009-10
[3]
논문
추력 30톤급 액체산소/케로신 로켓엔진 연소장치 개발(II)-가스발생기
http://www.dbpia.co.[...]
2009-10
[4]
간행물
우주센터개발사업 타당성 재검증을 위한 기획연구
한국개발연구원
2004-07
[5]
간행물
나로호 개발의 의의와 성과
2013-04
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