Kamijo Kenjiro - 제 5장, LE-7 엔진 액체산소 터보펌프 개발 - LE-7 엔진 관련 공장과 시험장과 최초의 LE-7 엔진 시험

 LE-7 엔진 관련 공장과 시험장

그림 5.13

여기, 그림 5.13에 LE-7 엔진 개발과 관련된 공장과 시험장을 나타내었다. 

터보펌프의 상세설계, 제작 및 조립은 IHI(이시카와지마 - 하리마 중공업)의 미즈호(瑞穂) 공장에서 이루어진다. 예연소기, 주연소기, 고확장 노즐의 상세설계 및 제작, 엔진의 조립은 MHI(미쓰비시 중공업)의 나고야 유도기기 시스템 제작소(名古屋誘導機器システム製作所) 에서 이루어진다. 

IHI 미즈호 공장. 요코다 공군기지와 접해있음.

MHI 나고야 항공우주시스템 제작소. 구 유도기기 시스템 제작소

액체산소 터보펌프의 시험은 NAL의 가쿠다 우주추진기술연구센터(구 NAL 가쿠다 지소)에서, 액체수소 터보펌프는 NASDA의 가쿠다 로켓개발 센터에서 이루어진다. 위의 양 센터는 도로를 사이에 두고 접해 있다.

JAXA 가쿠다 우주센터 전경. 구 NAL 가쿠다 우주추진기술연구센터, NASDA 가쿠다 로켓개발센터

가쿠다 우주센터 약도. 동, 서 두 구역이 있고 둘은 가운데의 도로로 나뉘어져 있다. 어느 쪽이 NAL 쪽이었는지는 잘 모르겠다.

양 터보펌프를 합쳐 3만 마력의 터빈을 구동시키는 가스 구동설비의 제약으로 인하여, 기존 설비로는 길게 잡아 1회 당 15초 정도의 시험만이 가능하였다. 그러나, 시험을 반복 실시하면서 문제점들이 드러나 터보 펌프의 개량을 실시하였다.

미국의 스페이스 셔틀 주 엔진(SSME) 개발 과정에서는 이러한 시험을 생략하고 처음부터 엔진 시험을 개시하였다.(아마도 터보펌프 계통 시스템 시험을 의미하는듯 하다. KARI의 경우 당연히 터보펌프 시스템 실매질 시험, 상사매질 시험을 실시한다. - 역자 주) 이로 인하여 엔진 시동과 정지 과정을 확립하는데 있어 13회의 터보펌프 교환과 45주에 걸친 시험이 필요하였다. 더욱이, 스페이스 셔틀 운용 중에 호환되는 터보펌프를 개발하지 않을 수 없었지만 요즘에는 일본의 개발 과정과 동일하게 터보펌프만의 시험을 진행하는 시설을 신설하였다.

양 터보펌프를 장착한 LE-7 엔진의 시험은 일단 타시로(田代) 시험장에서 행해진다. 여기서 엔진은 발사 시와는 다른 가로로 뉘여진 자세로 시험을 거친다. 이 시험장은 거대한 국유림에 둘러싸인 외딴 산속에 위치한 타시로 정의 정유지에 건설되었다. 따라서, 로켓 엔진이 내뿜는 무시무시한 소음 공해는 신경쓸 필요가 없다. 실제 비행 중의 작동시간은 350초인데 역시나 설비의 제약 때문에 50초 정도의 시험을 중심으로 30회의 시험이 이루어졌다.

미쓰비시 중공업 타시로 시험장. 사진 오른쪽 아래의 시설에서 Battleship Test가 수행됨

타시로 시험장에서의 엔진 시험 모습. 뉘어져 있는 모습으로, 사진은 LE-7의 개량형인 LE-7A이다.

350초의 시험은 다네가시마 우주센터에서 이루어지는데, 여기서는 발사 시와 동일한 세워진 자세로 시험된다.

다네가시마 우주센터의 연소시험장.

최초의 LE-7 엔진 시험

1. 1차 시제 시험에서의 터보펌프 폭발

1986년 여름, 최초의 LE-7 엔진 시험이 실시되었다. NAL 로켓 유체기계연구실이 개발을 진행한 액체산소 터보펌프 제 1차 시제가 엔진에 조립되어 아키타 현의 타시로 시험장에서 시험을 개시하였다.

수 회의 시험 이후, 갑자기 타시로 시험장에 있던 NASDA의 후지타 토시히코(藤田敏彦) 연구원으로부터, "LE-7 엔진 시험에서 고장이 발생하여 액체산소 펌프 케이싱이 두 개로 조각나 지면에 흩어져 있다" 라는 전화가 왔다. 이러이러한 사정을 듣고 나서 후지타 씨가 "카미조 씨께서 현장을 보실 때 까지 그대로 둘 테니, 속시 타시로 로 시험장으로 와 주십시오." 라고 강한 어조로 말하였다.

2. 터보펌프 폭발 원인은?

다음날, 타시로 시험장에 도착했는데 대단히도, 현장은 사고 상황이 짐작되지 않을 정도로 산산조각나 있었다. 원인의 조사는 그렇게 어려운 일은 아니어서 아직 액체산소 터보펌프의 설계의 기본을 바꾸어야 할 정도는 아니었다. 

그 앞의 시험에서 엔진 정지 시 수증기가 다량으로 포함된 터빈 구동가스가 액체수소보다 극도로 냉각되었다. 그 결과, 터빈 동익이 다량의 얼음으로 뒤덮여 움직이지 못하는 상태가 되었다. 이 상황에서 재차 엔진을 작동시켰을 때, 회전하지 못하게 된 액체산소 터보펌프는 액체산소를 연소기로 공급할 수 없어져 연소기 측으로부터 고온의 수소 가스가 액체산소 펌프로 흘러들어왔다. 이후 펌프 내부에서 급격한 연소가 일어나, 케이싱이 접합부로부터 2개로 조각난 것이었다.

극저온 터보펌프 시험 장면. 터빈 작동 정지 시 펌프 - 터빈 사이의 열전달로 인하여 터빈 내의 구동가스가 급격히 냉각, 결빙할 수 있다.

3. 그 이후

LE-5 엔진 개발 과정에서는 수증기의 결빙 대책의 중요성을 충분히 인식하고 있었다. 그때는 이와 같은 간과도 있구나 하고 곰곰이 되내었다. 제 1차 시제로 2개의 액체산소 터보펌프를 제작하여 이후의 시험 스케줄에 큰 영향을 주는 일은 없었다.

이 시험은 LE-7 엔진의 평가 위원이 참관하지는 않았다. 평가 위원들 중에서는 도쿄대 항공학과의 기무라 이치로(木村逸郞) 교수(현재 명예교수)가 있었다. 당시 기무라 교수로부터 항공학과 4학년의 졸업설계 지도를 부탁받아, 연말에는 지도에 집중하였다. 그 후로도 이 일을 계속하면서 17년 간 설계 지도를 수행하였다. 이러한 관계인 기무라 교수는 액체산소 터보펌프 폭발의 무서움을 잘 알고 있어서 필자의 그룹이 "왜 이러한 위험한 개발을 골랐는가?" 에 대해서 지금도 하나도 이해하지 못하고 있다. 이러한 것에, 타시로 시험장에서 "액체산소 터보펌프가 직접적인 원인이 아니라 다행이었다" 라고 말한 것이 생각난다.