KRE-075
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1. 개요
KRE-075는 한국형 발사체에 사용될 75톤급 액체 로켓 엔진으로, 나로호 개발 과정에서 축적된 기술을 바탕으로 한국항공우주연구원(KARI)이 독자 개발했다. 2016년 5월 첫 번째 시험 모델의 연소 시험을 시작으로 개발이 본격화되었으며, 2018년 11월에는 100번째 연소 시험에 성공했다. KRE-075는 액체산소와 케로신을 사용하는 가스발생기 사이클 방식을 채택했으며, 해면추력과 진공추력 버전으로 나뉘어 제작된다. 이 엔진은 누리호 발사에 사용될 예정이며, 해외의 유사한 사례로는 미국, 러시아, 우크라이나, 중국 등의 로켓 엔진이 있다.
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| KRE-075 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 액체 로켓 엔진 |
| 추진제 | 액체산소/케로신 |
| 개발 | 대한민국 |
| 일반적 특성 | |
| 개발 상태 | 개발 완료 |
| 엔진 주기 | 가스발생기 사이클 |
| 성능 | |
| 추력 (진공) | 75톤 |
| 비추력 (진공) | 302초 |
| 물리적 특징 | |
| 엔진 무게 | 535 kg |
| 전체 높이 | 1,755 mm |
| 노즐 팽창비 | 45 |
2. 역사
나로호 개발 과정에서 러시아와의 공동 개발 중 1단 액체엔진 기술 이전이 무산되면서, 한국형발사체의 액체엔진은 자체 개발하기로 결정되었다.[2] 이에 따라 75톤급 엔진 개발이 시작되었으며, 2007년에는 개발한 터보펌프를 시험하기 위해 러시아 니히마시 연구소에 가져갔다가 폭발사고가 발생해 현지 시험설비가 파괴되는 어려움도 있었다.
2. 1. 개발 과정
나로호 개발 과정에서 러시아와의 공동 개발 도중 1단 액체엔진 기술이 이전되지 않았던 점에 대해 사업 초기 단계부터 꾸준히 비판이 제기되었다. 이에 나로호에 이어 발사할 한국형발사체에서는 액체엔진 기술을 포함해 자체 개발하기로 결정되었고[2], 이 계획에 따라 75톤급 엔진 개발이 확정되었다.75톤급 엔진 개발에는 나로호 개발 과정에서 독자적으로 개발한 KARI 30톤급 로켓엔진 개발 경험이 큰 도움이 되었다.[3] 2009년에는 엔진 각 부분 체계 시제품을 조립해 시험을 수행하였으며[3][4][5][6] 2012년에는 첫 시험용 액체 엔진 조립을 마쳤다.[7] 현재 나로우주센터와 KARI 본원 등에 엔진 시험설비를 증축하여 한국형발사체 인증모델과 비행모델에 들어갈 엔진을 시험 중에 있다.
75톤급 엔진 개발이 본격화된 것은 최초의 시험시제인 EDM(Engine Development Model) #1호기가 조립되어 나로우주센터의 지상연소시험에서 연소시험이 시작된 2016년 5월부터라고 할 수 있다. 이후 개발 시제를 늘려가면서 설계 개선과 연소시험을 통한 검증을 통해 비행용 모델까지 개발이 진행되었다. 2018년 11월 75톤급 엔진의 100번째 연소시험이 성공적으로 수행되었으며, 시험발사체와 비행시험을 통해 성능을 검증할 예정이다.
2007년에는 개발한 터보펌프를 시험하기 위해 러시아 니히마시 연구소에 가져갔다가 폭발사고가 발생해 현지의 시험설비까지 타버리는 어려움을 겪기도 했다.
3. 설계
KRE-075는 액체산소와 케로신을 사용하는 가스발생기 사이클 액체연료 엔진이다. 진공 추력은 75톤, 진공 비추력은 300초이며 재생냉각 방식을 사용한다. 1단과 2단에 각각 들어갈 두 가지 버전으로 제작될 예정이며, 두 엔진은 기본적으로 동일하지만 1단 엔진의 확대비는 12, 2단 엔진의 확대비는 35이다.[8]
4. 연소시험
2020년 1월까지 총 145회로 계획된 인증 연소시험 중 139회를 완료했다.[1] 누리호 1단 엔진은 127초, 2단 엔진은 147초 동안 연소해야 한다.[1] 엔진 시험은 1초에서 260초까지 다양하게 진행되었다.[1] 나로호 1단 엔진 RD-151은 230초 연소했지만, 누리호 1단 KRE-075 엔진은 127초 연소한다.[1] KRE-075 엔진의 연소시험은 260초까지 실시했다.[1]
5. 버전
KRE-075는 해면추력(SL) 버전과 진공추력(VAC) 버전으로 나뉜다.
| 구분 | KRE-075 SL | KRE-075 VAC |
|---|---|---|
| 해면추력 (tf) | 66.6 | - |
| 진공추력 (tf) | 75.9 | 80.3 |
| 진공비추력 (초) | 298.6 | 315.4 |
| 혼합비 | 2.209 | 2.209 |
| 팽창비 | 12 | 35 |
| 연소시간 (초) | 127 | 148 |
| 챔버압력 | 6.0 | 6.0 |
위 표는 KRE-075의 해면추력(SL) 버전과 진공추력(VAC) 버전의 주요 제원을 비교한 것이다. KRE-075 SL과 KRE-075 VAC은 진공추력, 진공비추력, 팽창비, 연소시간에서 차이를 보인다.
5. 1. KRE-075 SL
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 해면추력 | 66.6 tf |
| 진공추력 | 75.9 tf |
| 진공비추력 | 298.6 초 |
| 혼합비 | 2.209 |
| 팽창비 | 12 |
| 연소시간 | 127 초 |
| 챔버압력 | 6.0 |
5. 2. KRE-075 VAC
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 진공추력 (tf) | 80.3 |
| 진공비추력 (초) | 315.4 |
| 팽창비 | 35 |
| 연소시간 (초) | 148 |
6. 해외 사례
KRE-075 엔진과 비슷한 추력을 가진 해외 엔진으로는 미국의 LR-87, 러시아의 RD-120, 우크라이나의 RD-870, 중국의 YF-20, 북한의 백두엔진 등이 있다.
LR-87은 LGM-25C 타이탄 II에 사용된 엔진으로 KRE-075와 유사하게 75톤의 추력을 가지지만, 사산화질소/하이드라진을 사용한다는 차이점이 있다.
RD-120은 1976년 개발이 시작되어 중국과 인도에도 기술수출되었다.[1]
우크라이나는 구소련 로켓의 2단 엔진을 자체적으로 국산화하여, 자국 최초의 1단 엔진 RD-870을 개발했다. RD-870은 액체산소와 등유를 사용하며, KRE-075와 유사하게 89톤의 진공 추력을 갖는다.
중국은 N2O4/UDMH 연료를 사용하는 30톤 추력의 YF-1, 80톤 추력의 YF-20 엔진을 보유하고 있다.[1]
백두엔진은 조선민주주의인민공화국이 개발한 80톤급 로켓 엔진으로, 대한민국의 KRE-075 엔진과 경쟁적으로 개발되었다.[1]
6. 1. 미국
LGM-25C 타이탄 II는 추력 75톤인 LR-87 액체연료 엔진 4개를 사용한다. KRE-075와 유사하게 추력 75톤의 엔진을 사용하지만, LR-87 엔진은 등유/액체산소가 아닌 사산화질소/하이드라진을 사용한다.LGM-25C 타이탄 II는 핵출력 9메가톤의 W53 핵탄두 1개를 장착했으며, 사거리 15,000 km이다. 54발이 실전배치되었다. 현재의 미니트맨 미사일이 배치되기 전까지 미국 핵억지력의 핵심이었다. 미국 국방부는 당초 타이탄2가 35메가톤 핵탄두를 운반할 수 있을 것이라고 예상했지만, 실전배치되지는 않았다.
6. 2. 러시아
RD-120 엔진은 1976년 개발이 시작되었으며, 중국과 인도에도 기술수출되었다.[1]
6. 3. 우크라이나
우크라이나는 소련 멸망 후 독립했으며, 최근 친미 정책을 추진하여 러시아의 침공을 받았다. 우크라이나에는 구소련 시절 ICBM을 대량 생산하던 유즈노예 설계국과 유즈마쉬 기계국이 위치해 있다. 이들은 각각 연구소와 공장으로, 정부의 친미 정책으로 인해 부도 위기를 겪었다. 한국은 유즈노예로부터 로켓 엔진 기술을 수입했으며, 북한 역시 수입을 시도했으나 저지되었다.우크라이나는 구소련 로켓의 2단 엔진을 자체적으로 국산화하여, 자국 최초의 1단 엔진 RD-870을 개발했다. 이 엔진은 진공 추력 89톤으로 액체산소와 등유를 사용하며, KRE-075와 유사하다. 그러나 한국보다 발전된 단계식 연소 사이클 기술을 적용했다.
6. 4. 중국
중국은 다양한 로켓 엔진을 보유하고 있으며, 러시아, 중국, 북한은 액체연료 핵미사일에 N2O4/UDMH 연료를 주로 사용한다. 이는 상온에서 보관 가능한 저장성 연료이지만, 유독성 연소가스를 배출한다.[1]KRE-075는 Jet A-1/LOX 연료를 사용하는데, Jet A-1은 등유로서 상온에서 보관 가능한 저장성 연료이면서, 무독성 연소가스를 배출한다. 그러나 LOX는 극저온 연료여서, 로켓에 연료를 주입하면 빠른 시간 안에 발사하거나 다시 연료를 배출해야 한다. 등유가 극저온 연료가 아니어서, 세미 극저온 연료라고 한다.[1] SS-8 ICBM이 RP-1/LOX 연료를 사용한다.[1]
중국의 핵미사일에 사용하는 N2O4/UDMH 엔진은 30톤 추력, 80톤 추력이 있다. 80톤 추력 이상의 대형 엔진은 없으며, 80톤 추력 엔진을 여러 개 묶어서 사용한다. 한국과 북한도 30톤 추력, 80톤 추력의 엔진을 개발했다. 즉, 한국과 북한은 중국 수준의 핵미사일용 액체연료 로켓 엔진을 모두 갖추었다고 볼 수 있다.[1]
| 엔진 | 국가 | 진공추력 | 연료 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| YF-1 | 중국 | 30톤 | N2O4/UDMH | DF-4 ICBM |
| YF-20 | 중국 | 80톤 | N2O4/UDMH | DF-5 ICBM |
| KRE-030 | 대한민국 | 30톤 | Jet A-1/LOX | |
| KRE-075 | 대한민국 | 75톤 | Jet A-1/LOX | |
| 노동엔진 | 북한 | 30톤 | N2O4/UDMH | 노동 1호 MRBM, 대포동 2호 ICBM |
| 백두엔진 | 북한 | 80톤 | N2O4/UDMH | 화성 15호 ICBM |
6. 5. 북한
백두엔진은 조선민주주의인민공화국이 개발한 진공추력 80톤급 로켓 엔진으로, 대한민국의 KRE-075 엔진과 경쟁적으로 개발되었다. 두 엔진은 마치 경쟁이라도 하듯 연소시험을 누가 먼저 하는지 내기를 하는 것처럼 개발 일정이 비슷하게 진행되었다.[1]두 엔진의 개발 경쟁은 다음과 같이 요약될 수 있다.[1]
| 엔진 | 국가 | 진공추력 | 연료 | 주요 일정 |
|---|---|---|---|---|
| KRE-075 | 대한민국 | 80톤 | Jet A-1/LOX | 2016년 7월 20일 연소시험, 2018년 11월 28일 누리호 시험발사체 시험발사 |
| 백두엔진 | 조선민주주의인민공화국 | 80톤 | N2O4/UDMH | 2016년 9월 20일 연소시험, 2017년 7월 4일 화성 14호 ICBM 시험발사 |
참조
[1]
저널
우주개발 중장기 계획
http://www.msip.go.k[...]
2014-01-24
[2]
저널
우주개발사업 세부실천로드맵(안)
http://www.korea.kr/[...]
2014-01-24
[3]
뉴스
한국형발사체, 연소시험 시설 없어 개발 차질
https://news.naver.c[...]
매일경제
2014-01-24
[4]
저널
75톤급 액체로켓엔진 1/2.5-scale 연소기 연소시험 결과
2014-01-24
[5]
저널
75톤급 가스발생기 기술검증시제의 연소시험
2014-01-24
[6]
저널
75톤급 로켓엔진용 연료펌프의 수력성능시험
2014-01-24
[7]
뉴스
한국형 로켓엔진 75t급(추진력) 첫 시제품 개발
http://biz.chosun.co[...]
조선비즈
2014-01-24
[8]
저널
한국형발사체용 액체로켓엔진 개발 현황
2014-01-27
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