한국의 우주발사체 터보펌프 계보(KSLV-II 누리호의 터보펌프 전)

한국의 우주발사체용 터보펌프의 개발은 90년대 중후반부터 시작되었으며 다른 우주 선진국들의 개발 시기와 비교해보면 역사가 매우 짧다. 하지만 2021년 현재까지 20년이 넘는 기간동안 여러 가지 터보펌프들이 제작되었으며 그 결과물은 항우연의 7톤급, 75톤급 엔진까지 이어진다. 

오늘 쓰고자 하는 글은 7톤급, 75톤급 전까지 개발된 터보펌프에 대한 소개이다.

90년대 중반~2000년대 초중반-최초의 터보펌프 개발사업이 시작됨 

 최초로 민-군 관련 과제로 개발이 시작되었으며 10톤급의 가스발생기 사이클 LCH4/LOX 엔진에 사용할 것을 상정하였다.

10톤급 터보펌프 시제

10톤급 터보펌프의 내부구조

10톤급 터보펌프의 시스템 설계사양

  이 터보펌프의 개발에는 한국항공우주연구원, 한국과학기술연구원, 한국기계연구원 등의 국책 연구기관이 참여하였으며 서울대학교는 위탁 연구를, 참여 산업체로는 현대로템, 비츠로테크, 한돌펌프, BM금속 등이 있다. 이외의 해외 기술협력은 러시아의 KeRC(Keldysh Research Center)과 협력하였다.

이전의 터보펌프 개발경험이 전무하여 다른 터보기계 개발에 참여한 연구기관과 협력하였으며 일부 기관 및 업체들은 현재까지 터보펌프 개발사업에 참여하고있다.

10톤급 터보펌프 개발일정

초기 응용연구 기간에는 러시아 연구기관과의 협력을 통한 개념설계, 상세설계, 시제 제작, 러시아 현지 시험 등이 이루어졌으며 2001년 중반기부터 시작된 시험연구 기간부터는 국내 독자 기술로 최적화 설계, 상세설계 및 시험평가가 이루어졌다.

이 과정에서 관계자의 이야기를 들을 수 있었는데 해당 러시아 기관이 개념설계를 수행하는 기관이라 인듀서의 성능이 좋지 않았으나 독자적으로 개량을 실시하여 요구성능을 달성할 수 있었다고 한다.

다만, 적용할 발사체 및 엔진의 부재, 축추력 시험과정 누락, 실제 회전수에서의 진동 및 피로시험 부재, 실매질 상태에서의 시험 부재, 해외도입 소재의 국산화 실패 등(터빈 소재가 러시아산) 등의 문제를 드러내었다.

  이 과제로 개발된 터보펌프는 개발진 중 일부 기업 소속의 개발진이 나와 설립한 C&Space 라는 회사의 엔진인 Chase-10의 터보펌프가 된다. 이 회사는 2010년대 초반까지는 국내에서 소식이 확인되었지만 미국으로의 이동 후 행방이 묘연하다.

Chase-10의 흔적

위의 사진은 필자가 2019년 늦여름(9월 쯤)에 서울대학교에서 열린 행사에 참석하여 촬영한 사진이다. 사진에서 확인할 수 있듯이 비츠로테크 부스에서 전시하고 있었으며 부스의 관계자에게 C&Space에 대하여 물어보았지만 언급을 꺼리는 분위기였다.

10톤급 터보펌프의 인듀서, 임펠러 사진

해당 부스에서는 사용된 인듀서와 임펠러의 사진도 찾아볼 수 있었다.  

개인적으로 이때 사용한 LCH4/LOX 시험시설을 그대로 발전시켜서 상단용 엔진으로 계속 개발해 나갔으면 어땠을까 하는 생각도 든다.

2000년대 초반~2000년대 후반-30톤급 터보펌프 및 엔진구성품 개발사업

  30톤급 터보펌프 및 엔진 구성품 개발사업은 러시아와의 협력으로 진행된 KSLV-I 나로호 의 예산으로 진행되었으며 엔진의 구성품인 터보펌프, 연소기, 가스발생기의 단품 시험 및 터보펌프-가스발생기 연계 시스템 시험 등을 구성하고 종료하였다. 이 사업에서 획득한 기술 및 노하우는 그대로 KSLV-II 누리호 사업으로 연결된다.

30톤급 터보펌프

작동 유체로는 케로신/LOX 를 사용하며 10톤급 터보펌프와 마찬가지로 가스발생기 사이클 엔진을 상정하여 개발되었으며 회전속도는 20,000 RPM이다. 터보펌프의 세부사항은 아래와 같다.

30톤급 터보펌프의 시스템 요구사항(축추력 사항이 포함됨)

30톤급 터보펌프의 펌프 성능해석 결과

특히 30톤급 과제에서는 베어링을 제외한 핵심 부품들이 국산화되었으며 터빈의 경우 측면 방전가공 기술을 국내 산업체가 국산화하는데 성공하였다. 

하지만 이때까지 30톤급 터보펌프에 맞는 시험시설이 국내에 존재하지 않아 러시아의 시험장을 빌려서 시험할 수밖에 없었으며 2007년에는 시험 도중 폭발하기도 하였다.

30톤급 터보펌프 실매질 시험(1차)-출처 항우연 블로그

필자는 이 폭발에 관한 이야기를 2019년 초 항우연 개최 세미나에서 들을 수 있었으며 폭발 당시의 영상도 볼 수 있었다. 산화제 펌프가 폭발하였으며 갑자기 격렬하게 폭발하는 모습이 인상깊었다.

30톤급 실매질 시험(2차)

이후 시험 원인으로 추측되는것들을 모두 보완한 후 러시아의 시험장에서 2차로 실매질 시험을 진행하여 성공하였다.

만약 나로호 사업에서 러시아와의 협력에 문제가 생겨 1단을 들여올 수 없었더라면 이 엔진을 4개 혹은 5개 클러스터링한 발사체로 나로호를 구성할 계획이었으나 예정대로 협력이 잘 진행되어 30톤급 엔진의 사업은 엔진 시스템 연소시험 등의 시험은 수행하지 않고 종료되었다. 

요약하자면 90년대 중반의 10톤급 터보펌프 개발사업에서 현재 항우연의 케로신/LOX 터보펌프의 전체적인 틀이 정해졌고 그 설계와 노하우는 30톤급 터보펌프를 거쳐 현재의 7톤급, 75톤급 터보펌프까지 이어졌다. 

이러한 설계는 적어도 75톤급 엔진의 후속인 82톤급 엔진까지는 이어질 예정이며 소형발사체의 상단에 사용될 3톤급 터보펌프와 개발중인 10톤급 다단연소사이클 엔진 터보펌프의 경우는 다른 형태의 터보펌프를 사용할 것으로 예상된다.

3톤급 터보펌프의 경우 독일 DLR, 10톤급 터보펌프의 경우 현재 개발 시제에서 RD-8의 터보펌프를 사용하는것으로 보아 우크라이나 유즈노예 와의 커넥션이 존재한다.

참고문헌 : 

[특집] 액체추진로켓엔진용 고압 터보펌프 개발-이경훈, 김경호, 우유철

한국유체기계학회 논문집 7(3), 2004.6, 51-56(6 pages)

30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 개발현황-김진한, 홍순삼, 정은환, 최창호, 전성민

한국추진공학회 학술대회논문집 , 2005.11, 375-383(9 pages)

30톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 실매질시험-홍순삼, 김대진, 김진선, 김진한

한국추진공학회 학술대회논문집 , 2008.11, 359-365(7 pages)

https://m.blog.naver.com/karipr/221492074124