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NK-33

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목차

1. 개요

NK-33은 소련의 N-1 로켓 개발 과정에서 개발된 액체 로켓 엔진이다. 1960년대에 개발되어 뛰어난 추력 대 중량비로 유명하며, 2단 연소 사이클 방식을 사용한다. N-1 로켓의 실패 이후, 이 엔진은 폐기될 위기에 처했으나, 이후 미국으로 판매되어 개량된 후 안타레스 로켓과 소유즈-2.1v 로켓 등에 사용되었다.

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NK-33
개요
에어로젯 AJ26
에어로젯 AJ26-58이 존 C. 스테니스 우주 센터의 시험대에서 시험 중
원산지소비에트 연방
제작 시기1970년대
용도1단/2단 엔진
관련 로켓N1A
안타레스 100
소유스-2.1v
이전 모델NK-15, NK-15V
다음 모델AJ26-58, AJ26-59, AJ26-62
종류액체 로켓 엔진
산화제액체 산소 (LOX)
연료RP-1 (케로신)
연소 방식단계식 연소 사이클
연료 펌프터보펌프
성능
추력 조절 범위50–105%
추력대중량비137
크기
설계 및 제조
설계쿠즈네초프 설계국
제조JSC 쿠즈네초프 (Mashinostroitel)
기타
비고러시아어 위키백과 참조
참고 자료LRE NC-33 (11D111) and NC-43 (11D112)

2. 역사

NK-33 엔진은 소련의 N-1 로켓 개발 과정에서 탄생했다. N-1 로켓은 소련의 유인 달 착륙 계획인 소유즈 L3 계획의 주력 발사체로, 무거운 페이로드를 달까지 운반하기 위해 비추력이 높은 RP-1/LOX 추진계 엔진이 필요했다.

세르게이 코롤료프는 발렌틴 글루시코에게 새로운 엔진 개발을 요청했지만, 글루시코는 과산화 추진제를 사용한 엔진 개발을 주장하며 의견 차이를 좁히지 못했다. 결국 코롤료프는 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프에게 도움을 요청하여 NK-15/-15V 엔진을 완성했다.

N-1 로켓은 1단에 30개의 NK-15 엔진, 2단에 8개의 NK-15V 엔진을 탑재했지만, 4번의 발사 시험은 모두 실패했다. 쿠즈네초프는 NK-15 엔진을 개량하여 NK-33/-43 엔진을 개발했지만, 30개나 되는 엔진을 동시에 제어하는 것은 근본적으로 어려웠고, 개량형 N-1F 로켓은 완성되지 못했다.

1974년, 미국과의 달 착륙 경쟁에서 패배하면서 소유즈 L3 계획은 폐기되었고, 이후 소련의 우주 계획에서는 글루시코가 개발한 에네르기아 로켓이 사용되었다. 소련 정부는 N-1F 로켓과 NK-33/-43 엔진을 폐기하라고 명령했지만, 기술자들은 1기당 에 달하는 고가의 엔진을 창고에 숨겼다.

소련 붕괴 이후, NK-33 엔진의 존재가 다시 세상에 알려졌다. 1990년대 중반, 약 150기의 NK-33/-43 엔진이 남아 있었고, 미국의 에어로젯사가 이에 주목했다. 에어로젯은 NK-33 엔진의 성능을 확인한 후, 엔진을 구매하여 미국에서의 상업 발사에 사용할 수 있도록 개량했다. 에어로젯은 NK-33 엔진을 AJ26-58, AJ-26-59, 안타레스 로켓에 사용된 AJ26-62 등으로 개명했다.

한편, 일본의 우주 개발 사업단이 계획했던 GX 로켓 초기 안에서도 NK-33 엔진을 사용하는 방안이 있었지만, 로켓플레인 키슬러(RpK)사와의 매매 계약이 먼저 체결되면서 조달이 불가능하게 되었다. RpK는 K-1 로켓에 NK-33 엔진을 사용할 계획이었으나, 2010년 파산하면서 K-1 로켓은 실현되지 못했다.

2. 1. 개발 배경

소련의 N-1 로켓은 소유즈 L3 계획(소련의 유인 달 착륙 계획)의 주력 발사체로 개발되었다. 이전의 소련제 로켓으로는 운반할 수 없는 무거운 페이로드를 달까지 운반해야 했기 때문에, 비추력이 높은 RP-1/LOX 추진계 엔진이 필요했다.

N-1 로켓 개발을 이끌었던 세르게이 코롤료프는 발렌틴 글루시코에게 새로운 엔진 개발을 요청했다. 그러나 글루시코는 대륙간 탄도 미사일(ICBM) 개발 경험을 바탕으로, 유독하지만 제어가 용이한 과산화 추진제를 사용한 엔진 개발을 주장했다. 두 사람은 의견 차이를 좁히지 못하고 결렬되었다.

코롤료프는 로켓 엔진 개발 경험은 적지만, 항공기용 제트 엔진 개발 경험이 풍부한 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프에게 도움을 요청하여 NK-15/-15V 엔진을 완성했다.

N-1 로켓은 1단에 30개의 NK-15 엔진을, 2단에는 고고도용 NK-15V 엔진을 8개 탑재했다. 그러나 4번의 발사 시험은 모두 실패했고, 쿠즈네초프는 NK-15 엔진을 개량하여 NK-33/-43 엔진을 개발했다. 하지만, 30개나 되는 엔진을 동시에 제어하는 것은 근본적으로 어려웠고, 개량형 N-1F 로켓은 완성되지 못했다.

미국과의 달 착륙 경쟁에서 패배하면서 소유즈 L3 계획은 1974년에 폐기되었다. 이후 소련의 우주 계획에서는 글루시코가 개발한 에네르기아 로켓이 사용되었다. 소련 정부는 N-1F 로켓과 NK-33/-43 엔진을 폐기하라고 명령했지만, 기술자들은 1기당 에 달하는 고가의 엔진을 창고에 숨겼다.

2. 1. 1. 소련의 N-1 로켓 개발

미국이 아폴로 계획으로 새턴 V를 개발하자, 소련은 이에 대응하여 N-1 로켓을 개발했다. NK-33 엔진은 소련의 달 착륙 로켓인 N-1의 주 엔진이었다. 1967년 11월 9일, 2,800톤의 새턴 V가 최초 발사되었고, 1년 3개월 뒤인 1969년 2월 21일, 2,735톤의 N-1이 최초 발사되었으나, 4번의 발사는 모두 실패했다.

N1 발사체는 원래 1단계에 NK-15 엔진을, 2단계에는 고고도 개량형인 NK-15V를 사용했다. 그러나 4번의 발사 시도 모두 실패했고, 그중 한 번은 대참사적인 폭발로 이어졌다. 네 번째 실패 당시에는 이미 달 탐사 경쟁에서 패배한 상황이었다. 그럼에도 불구하고, 소련 우주 프로그램 관리자들은 N1F로 명명된 2세대 로켓이 즈베즈다 달 기지 건설 계획을 지원할 수 있기를 희망했다. 쿠즈네초프는 N1F를 위해 엔진 설계를 개선하여 향상된 NK-33 및 NK-43 엔진을 개발했다.[9]

이러한 발전에도 불구하고, 다른 소련 우주 지도자들은 에네르기아 로켓을 우선시했고, N1 프로그램은 결국 취소되었다.[10] 취소 당시에는 Block A 단계에 각각 30개의 NK-33 엔진이 장착된 두 대의 비행 준비 완료 N1F가 완성되었다.[11][12]

N-1 로켓은 소련의 유인 달 착륙 계획인 소유즈 L3 계획에서 주력 발사체로 예상되었으며, 이전의 소련제 로켓으로는 운반할 수 없는 대량의 페이로드를 달로 보내기 위한 능력이 요구되었다. 처음 N-1 로켓 개발을 이끌었던 세르게이 코롤료프는 비추력이 뛰어난 RP-1/LOX 추진계 엔진이 필요하다고 생각했다. 그래서 소련의 액체 연료 로켓 엔진 대부분을 설계했던 발렌틴 글루시코에게 새로운 엔진 개발을 요청했다. 그러나 글루시코는 ICBM 개발 경험을 바탕으로, 유독하며 비추력은 낮지만 제어가 용이한 과산화 추진제를 사용한 엔진 개발을 주장했다. 원래 사이가 좋지 않았던 양측의 주장은 결국 결렬되었다. 코롤료프는 로켓 엔진 개발 실적은 적지만 항공기용 제트 엔진 개발 실적이 있던 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프의 협력을 받아 NK-15/-15V 엔진을 완성했다.

N-1 로켓에서는 1단에 30개의 NK-15를, 2단에는 고고도용으로 개량한 NK-15V를 8개 탑재했다. 그러나 4번의 발사 시험은 모두 실패하여 로켓은 개량 및 재설계되었다. 쿠즈네초프는 NK-15를 개량하여 NK-33/-43을 개발했다. 그러나 30개나 되는 엔진을 동시에 제어하는 것은 근본적으로 무리가 있었고, 개량형 N-1F 로켓은 결국 완성되지 못했다.

글루시코의 정치적 전략도 작용하여, 미국과의 달 착륙 경쟁에서 패배한 소유즈 L3 계획은 1974년에 폐기되었다. 이후의 우주 계획에서는 글루시코가 개발한 에네르기아가 채택되었다. 소련 정부는 계획 중지에 따라 완성 직전이었던 N-1F 로켓과, 나머지 8회 예정되었던 발사 시험을 위해 대량으로 제조되었던 NK-33/-43의 폐기를 명령했다. 그러나 엔진은 1기당 에 달하는 고가였기에, 기술자들은 엔진을 방사성 폐기물로 위장하여 창고에 숨겼다.

2. 1. 2. N-1 로켓의 실패와 NK-33의 등장

미국이 아폴로 계획으로 새턴 V를 개발하자, 소련은 N-1 로켓을 개발하여 대응했다. NK-33 엔진은 소련의 달 착륙 로켓 N-1의 주 엔진이었다. 1969년 2월 21일, 소련은 2,735톤의 N-1을 처음 발사했지만, 네 번의 발사는 모두 실패했다.[9]

N-1 로켓은 원래 1단에 NK-15 엔진을, 2단에 NK-15V 엔진을 사용했다. 네 번째 발사 실패 당시 소련은 이미 달 탐사 경쟁에서 패배한 상황이었다. 그러나 소련 우주 프로그램 관리자들은 2세대 N1F 로켓이 즈베즈다 달 기지 건설 계획을 지원할 수 있기를 희망했고, 쿠즈네초프는 N1F를 위해 NK-33 및 NK-43 엔진을 개발했다.[9]

이러한 발전에도 불구하고, 에네르기아 로켓이 우선시되면서 N1 프로그램은 취소되었다.[10] 취소 당시에는 30개의 NK-33 엔진이 장착된 두 대의 N1F 로켓이 완성된 상태였다.[11][12]

N1 프로그램 중단 후, 소련 정부는 관련 자료와 문서를 파괴하라고 명령했다. 그러나 60개 이상의 NK-33 엔진은 파괴되지 않고 창고에 보관되었고, 약 30년 후 미국의 엔지니어들에게 알려지기 전까지 잊혀졌다.[10]

N-1 로켓 개발 초기, 세르게이 코롤료프는 비추력이 높은 RP-1/LOX 추진제 엔진을 원했다. 그러나 발렌틴 글루시코는 과산화 추진제를 사용한 엔진 개발을 주장했고, 결국 코롤료프는 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프의 도움을 받아 NK-15/-15V 엔진을 개발했다.

N-1 로켓은 1단에 30개의 NK-15, 2단에 8개의 NK-15V를 탑재했지만, 4번의 발사 시험은 모두 실패했다. 이후 쿠즈네초프는 NK-15를 개량하여 NK-33/-43을 개발했지만, N-1F 로켓은 완성되지 못했다.

1974년, 소련의 달 착륙 계획은 폐기되었고, 이후 에네르기아 로켓이 중량물 발사체로 채택되었다. 소련 정부는 N-1F 로켓과 NK-33/-43 엔진의 폐기를 명령했지만, 기술자들은 엔진을 숨겨 보관했다.

2. 2. 소련 붕괴와 NK-33의 재발견

소련 붕괴 후, 대량의 미사용 로켓 엔진에 대한 소문이 세계로 퍼져 조립된 지 30년이 다 되어 다시 세상에 나오게 되었다. 1990년대 중반 시점에서 약 150기의 NK-33/-43이 남아 있었고, 미국의 에어로젯사가 이에 주목했다. 처음 에어로젯사는 NK-33의 고성능 스펙에 대해 회의적이었지만, 미국에서 NK-33의 상세한 시험이 진행되자, 진보적인 설계 덕분에 개발된 지 30년이 지났음에도 충분한 가격 경쟁력을 유지하고 있다는 것이 밝혀졌다.

에어로젯은 NK-33 엔진을 구매하여 미국에서의 상업 발사에 사용할 수 있도록 개량했다.

한편, 일본의 우주 개발 사업단이 계획했던 GX 로켓 초기 안에서도, 보관되어 있던 NK-33을 러시아로부터 구매하여 사용하는 방안이 있었으나, 로켓플레인 키슬러(RpK)사와의 매매 계약이 먼저 체결되면서 조달이 불가능하게 되었다.

2. 2. 1. 에어로젯 사의 NK-33 구매

1990년대 중반, 러시아는 에어로젯(Aerojet)에 엔진당 1100000USD의 가격으로 36개의 NK-33 엔진을 판매했다.[13] 에어로젯은 새크라멘토 시험대에서 거의 30년 만에 NK-33 엔진의 첫 번째 시험 발사를 실시했고, 시험 중 엔진은 사양에 도달했다.[10]

시험 성공 후, 에어로젯은 구매한 NK-33 엔진을 업데이트하고 개조하여 '''AJ26-58''', '''AJ-26-59''', '''AJ26-62'''로 명명했다.[14][15][16][17] NK-43 엔진은 '''AJ26-60'''으로 명명했다.

소련 붕괴 후, 대량의 미사용 로켓 엔진에 대한 소문이 퍼졌고, 조립된 지 30년이 다 되어 다시 세상에 나왔다. 약 150기의 NK-33/-43이 남아 있었고, 에어로젯이 주목했다. 에어로젯은 NK-33의 고성능 스펙에 회의적이었지만, 미국에서 상세한 시험 결과, 진보적인 설계 덕분에 개발된 지 30년이 지났음에도 충분한 가격 경쟁력을 유지하고 있다는 것이 밝혀졌다.

에어로젯은 36기의 엔진을 1기당 1100000USD에 구입하고, 새로운 엔진을 제조할 권리도 인수했다. 이후, 미국에서의 상업 발사에 NK-33과 NK-43을 사용할 수 있도록 짐벌 기구 추가, 신뢰성 향상, 계측 장비 근대화, 미국에서 조달 가능한 추진제 적합성 확인 등의 개수를 실시하고, 각각 '''AJ26-58'''과 '''AJ26-59'''로 개명했다. 안타레스 로켓에 사용된 엔진은 '''AJ26-62'''가 되었다.[37][38]

2006년 8월, NASA의 국제 우주 정거장(ISS)으로의 상업 궤도 수송 서비스(COTS) 후보로 선정된 로켓플레인 키슬러(Rocketplane Kistler)사의 K-1 로켓은 1단과 2단에 각각 3기의 NK-33과 1기의 NK-43을 탑재할 계획이었다.[39][40][41] 그러나 2007년 9월, NASA는 RpK가 계약상의 이정표를 만족시키지 못해 COTS 합의를 백지화했다.[42] RpK는 2010년 7월 미국 연방 파산법 제7장 적용을 받아 파산했고, K-1 로켓은 실현되지 않았다.[43] 남겨진 엔진은 오비탈 사이언시즈(Orbital Sciences)사에 인수되어, 안타레스 로켓의 1단에 2기가 사용되었다.

일본의 우주 개발 사업단이 계획했던 GX 로켓 초기 안에서도, 보관되어 있던 NK-33을 러시아로부터 구매하여 사용하는 안이 있었지만, RpK사에 매매 계약을 먼저 맺어버렸기 때문에 조달할 수 없었다.

2. 2. 2. 로켓플레인 키슬러 사의 K-1 로켓 (개발 중단)

로켓플레인 키슬러(RpK)는 NK-33 엔진 3기와 NK-43 엔진 1기를 기반으로 K-1 로켓을 설계했다. 2006년 8월 18일, 미국 항공우주국(NASA)은 RpK가 국제 우주 정거장을 위한 상업 궤도 수송 서비스(COTS) 개발 업체로 선정되었다고 발표했다. 계획에 따르면 2008년에서 2010년 사이에 시범 비행이 이루어질 예정이었다. RpK는 NASA의 모든 단계를 충족하면 최대 2.07억달러를 받게 될 예정이었지만, 2007년 9월 7일, NASA는 RpK가 여러 계약 단계를 충족하지 못했다는 이유로 COTS 계약을 종료하겠다는 경고 서한을 발송했다.[39][40][41][42]

로켓플레인 키슬러(RpK)사의 K-1 로켓은 1단과 2단에 각각 3기의 NK-33과 1기의 NK-43을 탑재할 계획이었다. 그러나 2007년 9월, NASA는 RpK가 몇몇 계약상의 이정표를 만족시키지 못했기 때문에 COTS의 합의를 백지화했다. RpK는 2010년 7월에 미국 연방 파산법 제7장의 적용을 받아 파산했고, K-1 로켓은 실현되지 않았다.[43]

3. 기술적 특징

NK-33 엔진 단순화 도식도


NK-33 계열 엔진은 고압, 재생 냉각, 산소 과잉 2단 연소 사이클 방식의 이원 추진 로켓 엔진이다. 터보 펌프는 베어링 냉각을 위해 저온 액체 산소(LOX)가 필요하다.[2] NK-33은 보조 엔진의 배기가스를 주 연소실로 보내는 산소 과잉 폐쇄 사이클 설계를 채택했는데, 이 과정에서 완전히 가열된 액체 산소는 주 연소실에 들어가기 전 예비 연소기를 통과한다.

NK-33 및 NK-43 엔진은 N1 로켓을 위해 개발되었던 이전의 NK-15 및 NK-15V 엔진에서 발전했다. 주요 개선 사항에는 단순화된 공압 및 유압 시스템, 향상된 제어 장치, 향상된 터보 펌프, 개선된 연소실, 화약 장치를 사용하는 인터페이스 감소, 재제조 중 부품 교체를 용이하게 하기 위한 인터페이스 수정 등이 포함되었다.[8]

3. 1. 2단 연소 사이클

NK-33은 케로신(RP-1)/액체 산소(LOX)를 추진제로 사용하는 재생 냉각식 로켓 엔진으로, NK-15/-15V에 이어 연소 사이클에 산소 과잉의 2단 연소 사이클을 채택한 점이 큰 특징이다. 프리버너(예연소실)에서 생성된 산소가 많은 연소 가스로 터보펌프를 구동한다. 일축으로 연결된 터빈으로 밀도가 가까운 케로신과 액체 산소 양쪽의 터보펌프를 구동하기 때문에 매우 가볍다.

진공에서의 추력 대 중량비는 136.66:1로[34], 지상에서 발사되는 로켓 엔진 중에서 추력 대 중량비와 비추력이 최고 수준이다. NK-33은 지금까지 개발된 추진제가 RP-1/LOX인 로켓 엔진 중에서 가장 고성능이다.[35] 1960년대 소련에서 이 수준의 선진적인 엔진이 개발되었다는 것은 특기할 만하다.

산소 과잉 기술은 RD-170/-171과 파생형인 RD-180·RD-191에 계승되었지만, 이들 엔진은 (소유스의 RD-107과 마찬가지로) 여러 개의 연소실과 노즐을 가지고 있어, 추력 대 중량비는 NK 엔진에 못 미친다.

NK-43은 NK-33의 파생형으로, 상단용으로 설계되었다. 기압이 낮은 고고도 또는 진공에서의 사용에 적합한 팽창비가 높은 긴 노즐을 갖추어 높은 추력과 비추력을 얻을 수 있지만, 길고 무거워졌다. NK-43의 진공에서의 추력 대 중량비는 약 120:1이다.[36]

3. 1. 1. 산소 과잉 방식의 장점과 어려움

NK-33 계열 엔진은 고압, 재생 냉각, 산소 과잉 2단 연소 사이클 방식의 이원 추진 로켓 엔진이다. NK-33의 산소 과잉 폐쇄 사이클 설계는 보조 엔진의 배기가스를 주 연소실로 보내는 방식이다. 이 방식에서는 완전히 가열된 액체 산소가 주 연소실에 들어가기 전에 예비 연소기를 통과한다.[2] 이러한 산소 과잉 2단 연소 사이클은 연료 과잉 사이클보다 고출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

하지만 극도로 뜨거운 산소 과잉 혼합물은 상당한 기술적 과제를 제기했다. 주요 문제는 엔진 전체에 뜨겁고 고압의 산소가 흘러야 한다는 점이었으며, 이는 노출된 금속 표면이 빠르게 산화되어 엔진을 구성하는 금속 부재에 손상을 준다는 큰 약점이 있었다.[3] 소련은 뜨거운 산소에 노출된 모든 금속 표면에 불활성 에나멜 코팅을 적용하여 이 문제를 극복했다.[3]

이러한 기술적 복잡성과 이를 해결하는 데 필요한 자원은 미국의 기술자들이 훨씬 후에 산화제 과잉 2단 연소를 추구하는 것을 막았다.[4] 미국은 2000년대 초 통합 파워헤드 데몬스트레이터 프로젝트까지 산소 과잉 연소 기술을 탐구하지 않았다.[5]

개발 과정에서는 산소 과잉의 연소 가스가 원인이 되어 소손이 자주 발생했다. 하지만 소련에서는 야금학으로 이를 극복했다.[33]

3. 1. 2. 채널 월 노즐

NK-33의 노즐은 주름진 금속으로 구성되어 있으며, 외측과 내측 부재를 땜납으로 접합하여 단순하면서도 가볍지만 견고한 구조를 갖추고 있다. 이러한 구조를 채널 월 노즐이라고 한다.[33]

3. 2. 높은 추력 대 중량비

NK-33 엔진은 뛰어난 추력 대 중량비를 자랑하며, 지구에서 발사되는 로켓 엔진 중 최고 수준이다.[6] 케로신(RP-1) / 액체 산소(LOX)를 추진제로 사용하는 재생 냉각식 로켓 엔진으로, 연소 사이클에 산소 과잉의 2단 연소 사이클을 채택했다.[33] 프리버너(예연소실)에서 생성된 산소가 많은 연소 가스로 터보펌프를 구동한다. 산소 과잉 2단 연소 사이클은 연료 과잉 사이클보다 고출력을 얻을 수 있지만, 고온의 산화성 연소 가스가 엔진을 구성하는 금속 부재에 손상을 준다는 큰 약점이 있어 좀처럼 채용되지 않는다.[33]

개발 과정에서 산소 과잉의 연소 가스가 원인이 되어 소손이 자주 발생했다. 하지만 소련에서는 야금학으로 이를 극복했다. 노즐은 주름진 금속으로 구성되어 외측과 내측 부재를 땜납으로 접합하여 단순하면서도 가볍지만 견고한 구조를 이루고 있다(채널 월 노즐).[33] 또한 NK-33은 일축으로 연결된 터빈으로 밀도가 가까운 케로신과 액체 산소 양쪽의 터보펌프를 구동하기 때문에 매우 가볍다. 진공에서의 추력 대 중량비는 136.66:1로,[34] 지상 발사 로켓 엔진 중에서 추력 대 중량비와 비추력이 최고 수준이다.

NK-33은 지금까지 개발된 추진제가 RP-1 / LOX인 로켓 엔진 중에서 가장 고성능이다.[35] 최근에는 NPO 에네르고마쉬의 RD-253과 스페이스X의 머린 1D 및 랩터 엔진에 의해서만 능가되었다.[6] 1960년대 소련은 서방에 비해 컴퓨터를 이용한 설계나 해석이 늦었음에도 이 수준의 선진적인 엔진을 개발했다는 것은 특기할 만하다.

3. 3. NK-33과 파생 엔진



NK-33 계열 엔진은 고압, 재생 냉각, 산소 과잉 2단 연소 사이클 방식의 이원 추진 로켓 엔진이다. 터보 펌프는 베어링 냉각을 위해 저온 액체 산소(LOX)가 필요하다.[2] NK-33은 보조 엔진의 배기가스를 주 연소실로 보내는 산소 과잉 폐쇄 사이클 설계를 채택했는데, 이 과정에서 완전히 가열된 액체 산소는 주 연소실에 들어가기 전 예비 연소기를 통과한다. 그러나 극도로 뜨거운 산소 과잉 혼합물은 엔진 전체에 고온, 고압의 산소가 흘러야 하고, 노출된 금속 표면이 빠르게 산화되는 등 상당한 기술적 문제를 야기했다. 소련은 뜨거운 산소에 노출된 모든 금속 표면에 불활성 에나멜 코팅을 적용하여 이 문제를 해결했다.[3]

이러한 기술적 복잡성과 이를 해결하기 위한 자원 소모는 미국의 기술자들이 훨씬 후에야 산화제 과잉 2단 연소를 추구하게 된 원인이 되었다.[4] 미국은 2000년대 초 통합 파워헤드 데몬스트레이터 프로젝트 전까지 산소 과잉 연소 기술을 탐구하지 않았다.[5]

NK-33 엔진은 뛰어난 추력 대 중량비를 자랑하며, 이는 지구 발사 가능 로켓 엔진 중 최고 수준이다. 최근에는 NPO 에네르고마쉬의 RD-253과 스페이스X의 머린 1D 및 랩터 엔진에 의해서만 능가되었다. NK-43은 상단부 사용에 최적화된 파생 엔진으로, 진공 환경에서 작동하도록 더 긴 노즐을 갖추고 있다. 이 설계는 추력과 비추력을 증가시키지만, 엔진의 길이와 무게를 증가시켜 약 120:1의 추력 대 중량비를 갖는다.[6][7]

NK-33 및 NK-43 엔진은 초기 N1 발사체를 구동했던 이전의 NK-15 및 NK-15V 엔진에서 발전했다. 주요 개선 사항에는 단순화된 공압 및 유압 시스템, 향상된 제어 장치, 향상된 터보 펌프, 개선된 연소실, 화약 장치를 사용하는 인터페이스 감소, 재제조 중 부품 교체를 용이하게 하기 위한 인터페이스 수정 등이 포함되었다.[8]

NK-15에서 개발되고 NK-33에서 개선된 산소 과잉 연소 기술은 RD-170, RD-180, RD-191 등 소련 및 러시아 역사상 가장 성공적인 여러 로켓 엔진의 기반이 되었다. 이 엔진들은 산소 과잉 2단 연소 사이클을 공유하지만, NK-33과 직접적인 관련은 없다.

NK-33은 케로신(RP-1) / 액체 산소(LOX)를 추진제로 사용하는 재생 냉각식 로켓 엔진으로, NK-15/-15V에 이어 산소 과잉의 2단 연소 사이클을 채택한 점이 가장 큰 특징이다. 프리버너(예연소실)에서 생성된 산소가 많은 연소 가스로 터보펌프를 구동한다. 산소 과잉 2단 연소 사이클은 연료 과잉 사이클보다 고출력을 얻을 수 있지만, 고온의 산화성 연소 가스가 엔진 구성 금속 부재에 손상을 준다는 큰 약점이 있어 널리 채택되지 않았다.[33]

개발 과정에서 산소 과잉 연소 가스가 원인이 되어 소손이 자주 발생했지만, 소련은 야금학으로 이 문제를 극복했다. 노즐은 주름진 금속으로 구성되어 외측과 내측 부재를 땜납으로 접합하여 단순하면서도 가볍지만 견고한 구조를 이루고 있다(채널 월 노즐). 또한 NK-33은 일축으로 연결된 터빈으로 밀도가 비슷한 케로신과 액체 산소 양쪽의 터보펌프를 구동하기 때문에 매우 가볍다. 진공에서의 추력 대 중량비는 136.66:1로,[34] 지상 발사 로켓 엔진 중에서 추력 대 중량비와 비추력이 최고 수준이다.

NK-33은 지금까지 개발된 RP-1 / LOX 추진제 로켓 엔진 중 가장 고성능이다.[35] 1960년대 소련에서 이미 이 수준의 선진적인 엔진이 개발되었다는 점은 특기할 만하다. 산소 과잉 기술은 RD-170/-171과 파생형인 RD-180, RD-191에 계승되었지만, 이 엔진들은 (소유스의 RD-107처럼) 여러 개의 연소실과 노즐을 가지고 있어, 추력 대 중량비는 NK 엔진보다 낮다.

NK-43은 NK-33의 파생형으로, 1단용이 아닌 상단용으로 설계되었다. 기압이 낮은 고고도 또는 진공에서 사용하기 적합하도록 팽창비가 높은 긴 노즐을 갖추고 있다. 이로 인해 높은 추력과 비추력을 얻을 수 있지만, 길고 무거워졌다. NK-43의 진공에서의 추력 대 중량비는 약 120:1이다.[36]

4. 활용

NK-33 엔진은 안타레스 로켓과 소유스-2.1v에 활용되었다.

오비탈 사이언스의 안타레스 로켓 1단에는 NK-33 엔진 2개가 장착되었다. 미국 에어로젯은 러시아 쿠즈네초프 설계국에서 NK-33 엔진을 라이선스로 구매하여 '''AJ26''' 엔진으로 명명하고, 일부 전기 배선을 제거하고 미국 전자 장치를 추가하는 등 개량했다.[23] 로켓 엔진은 MTCR 등의 규제로 수출입이 국제법상 금지된다는 주장은 정확하지 않다. 한국은 2005년 우크라이나 유즈노예사에서 진공추력 30톤의 등유 액체산소 로켓 엔진인 KARI 30톤급 로켓엔진을 수입하기도 했다.

소유스-2.1v는 소유스 발사체를 개조하여 NK-33 엔진을 장착한 로켓이다. 엔진의 더 가벼운 무게와 높은 효율을 활용하여 탑재 능력을 향상시켰으며, 단순한 설계와 잉여 하드웨어 사용으로 비용을 절감했다.[29] RKTs 프로그레스는 NK-33을 소형 소유즈-2.1v의 1단에 통합했다.[30] 단일 NK-33 엔진은 소유즈 중앙 RD-108 엔진을 대체했으며, 1단 부스터 4개가 제거되었다. NK-33 엔진 재고가 떨어지면, RD-151와 사실상 동일한 RD-193 엔진을 사용할 계획이다.

러시아 RSC 에네르기아는 나로호, 소유스-2.1v와 사실상 똑같은 Aurora-L.SK를 제안하고 있다. Aurora-L.SK는 2단 로켓이며, 등유와 액체산소를 사용하고, 1단 엔진으로 NK-33 1개를 사용한다. 무게 135톤으로 1.5톤의 인공위성을 발사한다.[47]

4. 1. 안타레스 로켓

안타레스 100 로켓 시험을 위해 반출되는 모습. 1단에 장착된 2개의 NK-33 엔진을 볼 수 있다.


오비탈 사이언스의 안타레스 로켓은 1단에 NK-33 엔진 2개를 장착했다. 미국의 에어로젯은 러시아 쿠즈네초프 설계국에서 NK-33 엔진을 라이센스로 구매하여 '''AJ26''' 엔진이라고 명명했다. 에어로젯은 NK-33 엔진에서 일부 전기 배선을 제거하고 미국 전자 장치를 추가했으며, 미국 추진제에 대한 자격 획득, 조향 시스템 수정 등의 개량을 했다.[23]

로켓 엔진은 최첨단 기술이기에 외국 간 수출이 불가능하다거나, MTCR 등의 규제로 수출입이 국제법상 금지된다는 주장은 정확한 국제법적 지식이 아니다. 한국은 2005년 우크라이나 유즈노예사에서 진공추력 30톤의 등유 액체산소 로켓 엔진인 KARI 30톤급 로켓엔진을 수입하기도 했다.

안타레스 로켓은 록히드 마틴의 아틀라스 V와 경쟁 제품군이며, 두 로켓 모두 러시아 엔진을 통째로 장기간 수입 계약했다. 록히드 마틴은 RD-180 엔진을 수입하면서, 현재 세계 최고의 엔진이라고 평가했다.

미국 국무부는 록히드 마틴과 오비탈 사이언스가 나로호와 유사한 최신형 제품을 출시하여 전세계 인공위성 발사 시장을 선점하는 시기에 러시아에 항의하여 나로호 엔진 수입 계약을 파기하도록 촉구했고, 러시아는 일방적으로 나로호 엔진 수출 계약을 취소했다. 원래 나로호는 3회 발사만 계획된 것이 아니라, 라이센스를 구매하여 국내 공장에서 독자 생산하여 장기간 계속 발사하기로 계약했었다.

초기 안타레스 경중량 발사체는 1단계에 2개의 개조된 NK-33 엔진, 고체 로켓인 캐스터 30 기반의 2단계, 그리고 선택적으로 고체 또는 과산화 3단계로 구성되었다.[22]

4. 1. 1. 안타레스 로켓 발사 성공과 실패

나로호 엔진 2개를 장착한 안타레스 로켓은 2013년 4월에 최초 발사했다.


미국의 민간 우주개발기업 오비탈 사이언스의 안타레스 로켓은 1단에 NK-33 엔진 2개를 장착했다. 미국의 로켓 엔진 회사 에어로젯이 러시아 쿠즈네초프 설계국에서 NK-33 엔진을 라이센스로 사와서 약간 개량하여 '''AJ26''' 엔진이라고 명명했다.[22]

안타레스 로켓은 2013년 4월 21일 NASA의 월롭스 비행 시설에서 최초 발사에 성공했다. 이는 1970년대 초에 제작된 NK-33 엔진의 첫 번째 성공적인 발사였다.[24] 2010년에는 AJ26-62의 시험을 실시하여 성공했다.[44]

그러나 2014년 10월 28일, 안타레스 로켓 5호기 발사 직후 NK-33 엔진이 폭발하여 발사에 실패했다.[45] 그 원인으로는 엔진의 액체 산소 터보펌프 제조 결함, 유압 밸런스 어셈블리 및 추력 베어링의 설계 결함이 제안되었다.[27]

이 사고로 인해 오비탈 사이언스는 안타레스 로켓에서 AJ-26 1단계를 제거하고, 2014년 12월 17일 2세대 안타레스 발사체에 NPO Energomash의 RD-181 엔진을 사용하기로 결정했으며, NPO Energomash와 최대 60개의 RD-181 엔진에 대한 직접 계약을 체결했다고 발표했다.[28]

4. 2. 소유스-2.1v

소유스-2.1v는 소유스 발사체 계열을 개조하여 NK-33 엔진을 장착한 로켓이다. 이 개조를 통해 엔진의 더 가벼운 무게와 더 높은 효율을 활용하여 탑재 능력을 향상시켰으며, 더 단순한 설계와 잉여 하드웨어의 사용으로 비용을 잠재적으로 절감했다.[29] NK-33 엔진의 재고가 떨어지면, RD-151와 사실상 동일한 RD-193 엔진을 사용할 계획이다.

4. 2. 1. 소유스-2.1v 발사 성공

소유스-2.1v는 무게 158톤의 2단 로켓으로, 1단에 지상추력 153톤 NK-33 엔진 1개를 장착한다. 이는 무게 140톤의 2단 로켓 나로호 1단에 지상추력 170톤 RD-151 엔진 1개를 장착한 것과 사실상 동일하다. 러시아판 나로호인 소유스-2.1v는 2013년 12월 28일 최초 발사에 성공했다.[49]

NK-33 엔진 1기를 장착한 소유즈-2.1v 로켓이 발사대로 옮겨지고 있다.


RKTs 프로그레스는 NK-33을 소형 리프트 소유즈 변종인 소유즈-2.1v의 1단에 통합했다.[30] 이 로켓에서 단일 NK-33 엔진은 소유즈의 중앙 RD-108 엔진을 대체했으며, 1단의 부스터 4개가 제거되었다. 소유즈-2.1v용으로 특별히 개조된 NK-33A는 2013년 1월 15일에 성공적인 핫 파이어 테스트를 거쳤고,[31] 2013년 12월 28일에 첫 비행을 완료했다.

4. 3. 기타

2010년에 AJ26-62의 시험을 실시하여 성공했다.[44] 2013년 4월 21일, NK-33은 40년의 세월을 넘어 안타레스 로켓의 1단 엔진으로 처음 발사에 사용되었다. 그러나 2014년 10월 28일, 안타레스 로켓 5호기의 발사 직후 NK-33이 폭발하여 발사에 실패했다. 그 때문에 6호기 이후에는 다른 러시아제 엔진으로 대체되었다.[45]

소유즈 로켓에서도 NK-33을 사용할 계획이 있었다.[46] 소유즈 로켓의 중앙에 있는 RD-108을 1기의 NK-33 또는 5기의 NK-33으로 RD-108과 4기의 부스터 RD-107을 대체함으로써, 보다 경량화되고 고효율로 적재량이 증가한다. 유사한 설계와 잉여품의 사용으로 비용을 절감할 수 있다. 1기의 NK-33을 사용하는 타입의 로켓은 소유즈 2.1v라고 불리며, 2013년 12월 28일에 첫 발사에 성공했다.

4. 3. 1. 오로라 로켓 (제안)

러시아 RSC 에네르기아는 나로호, 소유스-2.1v와 사실상 똑같은 Aurora-L.SK를 제안하고 있다. Aurora-L.SK는 2단 로켓이며, 등유와 액체산소를 사용하고, 1단 엔진으로 NK-33 1개를 사용한다. 오로라 로켓은 무게 135톤으로 나로호의 140톤보다 약간 작고, 1단 추력도 지상추력 153톤으로 나로호의 지상추력 170톤보다 약간 작은데, 1.5톤의 인공위성을 발사한다.[47]

5. 한국과의 관계

NK-33ru은 나로호 개발과 관련이 있다. 나로호는 지상 추력 170톤인 RD-151 엔진을 사용하는데, NK-33ru은 지상 추력 153톤으로 나로호보다 약간 추력이 적고 등유와 액체산소를 연료로 사용한다는 점에서 나로호 엔진과 유사하다고 볼 수 있다.

5. 1. 나로호 개발과 NK-33

나로호는 지상 추력 170톤인 RD-151 엔진을 1개 사용하는데, NK-33은 지상 추력 153톤으로서, 나로호보다 약간 추력이 적다. 연료는 똑같이 등유와 액체산소를 사용한다. 나로호 엔진과 유사하다고 볼 수 있다. N-1 로켓 1단에는 나로호보다 20배 무거운 로켓에 NK-33 엔진 30개가 장착되었다.

6. 버전


  • '''NK-15''' (GRAU 지수 '''11D51'''): N1 1단용 초기 버전이다.
  • '''NK-15V''' (GRAU 지수 '''11D52'''): 진공 작동에 최적화되었으며, N1 2단에 사용되었다.
  • '''NK-33''' (GRAU 지수 '''11D111'''): N1F 1단을 위해 NK-15를 개선한 버전으로, 비행한 적은 없다.
  • '''NK-43''' (GRAU 지수 '''11D112'''): 진공 작동에 최적화된 NK-15V의 개선 버전으로, N1F 2단에 사용될 예정이었으나, 비행한 적은 없다.
  • '''AJ26-58''': Aerojet Rocketdyne이 개조한 NK-33. Kistler K-1에 사용될 예정이었으나, 프로젝트가 취소되어 비행한 적은 없다.
  • '''AJ26-59''': Aerojet Rocketdyne이 개조한 NK-33. Kistler K-1에 사용될 예정이었으나, 프로젝트가 취소되어 비행한 적은 없다.
  • '''AJ26-62''': Aerojet Rocketdyne이 개조한 NK-33으로 추가 짐벌 메커니즘을 갖추었다. 안타레스 100 시리즈 1단에 사용되었다.
  • '''NK-33A''' (GRAU 지수 '''14D15'''): 소유즈-2.1v 1단에 사용된 NK-33을 개량한 엔진.

참조

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