Kamijo Kenjiro - 제 8장, 2인의 외국인 연구자와의 만남 - 장관이 된 도당 씨

1. POGO 현상 규명을 위한 터보펌프의 동적 특성 조사

H-I 발사체 2단을 개발할 때, 로켓 기체와 추진계(엔진, 터보펌프, 배관 등등)의 상호작용으로 일어나는 로켓의 종방향 진동 - 어린이의 놀이 기구인 포고 스틱(한국에선 '스카이 콩콩'이라 불리는 그것)과 비교되어 POGO 현상이라 불린다 - 의 억제를 위하여 몇몇 연구가 이루어졌다. 액체산소 펌프의 캐비테이션이 POGO 현상 발생 원인이라는 것이 알려져 있다. 결국, NAL이 액체산소 펌프의 동적 특성을 조사하게 되었다.

타이탄-II(Titan-II) 발사체의 POGO 억제장치. 펌프 전단에 일종의 공간을 마련하여 추진제 유량의 순간적인 변동에 대응하도록 한다.

2. 쓸만한 순간유량계를 찾았다!

이 연구를 진행하는데 있어, 극저온 유체인 액체산소의 순간 유량(시점 별 변화하는 유량)을 추정할 필요가 있다. 순간 유량을 추정하는 것이 가능하도록 하는 것은 전자기 유량계와 레이저 도플로 유속계 등이 알려져 있으나, 물이 작동유체인 경우에 한정되고 액체산소에 대해서는 좀처럼 사용 가능한 것이 없었다. 그러던 차에, 확실히 제국 산소(帝国酸素, 현재는 日本エア・リキード, AIR LIQUIDE Japan GK)의 영업맨으로부터 프랑스에 액체산소에도 사용 가능한 순간유량계가 있다는 이야기를 들었다.

전 제국 산소, 현 일본 에어 리퀴드 사의 로고. 일본의 액체로켓엔진 개발 과정에 극저온 유체를 공급한 듯

즉시 이 유량계의 상세한 사항을 조사하였다. 사양을 나타낸 자료로부터 LE-5 엔진 액체산소 펌프의 순간 유량을 측정하는 것이 가능하다고 판단하였다. 이 유량계는 배관에 2개소의 센서를 부착하여, 한쪽의 센서로부터 초음파를 발신, 나머지 센서에서 수신하여 유량을 계측하는 방식의 초음파 유량계였다. 초음파 유량계는 처음 접하는 형식은 아니었으나 극저온 액체산소에서 사용 가능하다는 것이 특이점이었다. 

해당 유량계는 프랑스의 민간회사가 제작하는 것이 아닌, '국립항공우주연구소(ONERA)"가 개발하여 제공하는 것이었다. 이 유량계를 구입하기까지 거쳤던 상세한 절차는 생각나지 않는다. 하지만 한 가지, 이 유량계의 취급은 매우 어려운 것이어서 장착 및 취급을 지도할 기술자 2명의 여비와 체류비가 청구되었다. 

프랑스의 국립항공우주연구소, ONERA. 아마 일본의 NAL에 대응되는 기관인 듯.

3. 프랑스제 순간유량계를 이용한 터보펌프 동적 특성 조사

해당 유량계를 구입하여 LE-5 엔진 액체산소 터보펌프의 동적 특성을 조사하게 되었다. 2명의 기술자 중 한 명이 장 자끄 도당(Jean-Jaques Dordan)씨였다. 이 건에 관련되어 나는 오직 매니저와 같은 일을 하고 있어서(일본식으로 '프로젝트 매니저' 였던 듯), 시무라 타카시(志村隆) 연구원이 시험을 담당하고 있던 관계로, 유량계의 취급 및 사용에 관련된 것은 시무라 씨가 지도받았다. 시무라 씨는 이것이 계기가 되어 이 이후로도 긴 시간 동안 액체산소 펌프의 동적 특성 연구에 전념하여 몇 개의 논문을 발표하였다.

4. 도당 씨와의 추억

도당 씨 등은 3개월 동안 NAL 가쿠다 지소와 가까운 시바타(柴田)정 후나오카(船岡)에 방을 잡고 정력적으로 지도하였다. 당시 토요일은 오전만이 근무시간이었던 관계로 오후에는 휴식하였다. 그러나 일요일은 두 사람이 좀처럼 지루해 보였기에 센다이(仙台)를 중심으로 관광지를 방문하였다. 마쓰시마(松島)의 대중식당에서 내 아들과 함께 찍은 사진은 정말로 그립다. 대중식당에서 젓가락을 능숙하게 사용하여 생선구이를 먹던 모습이 추억이었다. 시무라 씨 등이 초음파 유량계의 취급에 대해 마스터한 뒤, 두 사람은 프랑스로 귀국하였다. 그 이후로는 유량계의 취급에 관해 질문하는 정도로 소식이 끊겼다.

5. 다시 접하게 된 그

재차 도당 씨의 이름이 나오게 된 것은 NAL 가쿠다 지소에 기술지원을 했던 때로부터 20년 이상이 지난 2004년 봄이었다. 나는 2003년 3월에 도호쿠 대학으로 부임하여 같은 해 4월부터 JAXA 가쿠다 우주센터(전 NAL 가쿠다 지소)에 비상근 초빙 직원으로 근무하였다. 주된 일은 H-IIA 로켓의 평가였다.

츠쿠바 우주센터(여긴 NASDA 소속이었다)의 평가가 끝난 후 그 날 친목회가 열렸다. 나의 옆자리에 앉았던 히구치(樋口)이사가 돌연, "도당 씨가 JAXA를 방문했을 때 "지금 만나고 싶은 일본인이 한 명 있다. 혹시 카미죠를 아는가?" 라고 물었다 어떻게 할까?" 라고 물었다. 도당 씨와의 관계를 설명하자 히구치 씨는 이해하였다. 나는 좀 섯부르긴 했지만 도당 씨가 일본을 방문한 이유를 알지 못했다. 도당 씨는 ONERA 를 퇴직한 후 자리를 올려 2003년 7월에 유럽우주기관(ESA)의 장관 자리까지 올라갔다. 아마도 취임 인사도 겸하여 우리 나라를 방문했을 것이다. 

나는 농담 반 진담 반으로 이사에게 "내가 그 사람이 개발한 초음파 유량계를 사줘서 ESA의 장관이 되지 않았겠는가?" 라고 이야기했다. 그러자 이사가, "국장까지의 승진은 연관 있을 수 있는데, 그 이상부터는 순전히 그의 능력일 것이다." 라고 답했다. 그 의견은 백번 옳은 것이었으나, 그렇다 하더라도 30년 전에 NAL 가쿠다 지소에서 찍었던 겨울옷 차림의 도당 씨와, 더러워진 작업복 차림의 내가 찍혀있는 사진으로부터는 도저히 지금의 도당 씨가 상상되지 않는다.

NAL 가쿠다 지소 시험 시설 앞에서, 저자와 도당이 함께 찍은 사진

6. 도호쿠 대지진과, 도당 씨와의 연락

2011년 3월 11일 오후, 도호쿠 지방에 매드니튜드 9의 대지진과 큰 해일이 덮쳐왔다. 집에 있던 나에게도 무서웠던 경험이었다. 우리 집은 여러 사정으로 인하여 두 달 동안 아이치(愛知) 현 코난(江南)시에 있는 친정집으로 거처를 옮겼다. 3월 17, 18일에는 야마가타(山形)의 아카유 온천(赤湯温泉)에 다녀왔고, 3월 19일에 코난 시로 돌아왔다. 당시 대정전의 여파로 인해 통신 수단이 없어져버렸기 때문에 우리 집의 안부를 걱정해 주었던 많은 사람들에게 대단히 폐를 끼치고 말았다. 4월에 접어들어 노트북을 쓸 수 있게 되었고, 많은 친구들과 지인들에게 우리 집의 사정을 전달하는 것이 가능해졌다. 운 좋게 4월 7일의 최대 여진에도 우리 집 건물의 피해는 거의 없었다.

재해 직후 JAXA 직원으로부터 우리 집의 안부를 묻는 몇 통의 메일이 자택 컴퓨터에 도착해 있었다. 하지만 실제로 그 내용을 확인한 것은 4월 중순이었다. JAXA 로부터 연결 방법을 듣고 도당 씨의 비서에게 메일을 보냈다. 곧 답장이 도착했다. "장관은 매우 기뻐하였습니다. 가까운 시일 내에 본인이 메일을 보내겠다고 합니다." 라는 내용이었다. 

도착한 도당 씨의 메일을 보고, 그의 NAL 가쿠다 지소에서 보냈던 3개월이 대단한 추억이었다는 것을 알았다. 매년 그의 일기장에는 NAL 가쿠다 지소의 액체산소 터보펌프 시험시설을 배경으로 찍은 사진(위의 사진)을 붙이고 있다고 한다. 초음파 유량계의 지도가 젊은 기술자 시절의 강렬한 인상으로 남아있었을 것이다.

한 마디

위에서 저자의 동료였던 시무라가 작성한 논문의 제목은 "Dynamic Response of LE-5 Rocket Engine Liquid Oxygen Pump" 이다. 해당 논문에서 언급된 시험 리그의 스키매틱은 아래와 같다.

동적 특성 조사용 시험 리그 스키매틱

잘 보면 펌프 전단에 'Ultrasonic Flowmeter'가 보이는데, 이것이 펌프로 들어가는 액체산소의 순간 유량을 측정하기 위한 초음파 유량계이다. 저자가 이 글에서 언급한 도당 씨가 기술지도한 장치이기도 하다.

해당 장치를 이용하여 아래와 같은 데이터를 얻어내었다 한다.

초음파 유량계를 사용하여 얻어낸 데이터

극히 짧은 시간동안 입구에서의 유량 변동과 펌프 입/출구 압력의 변화가 서로 상관있어 보인다. 

POGO 현상은 이렇게 추진제 공급계에서의 상호 작용으로 인하여 유입되는 유량의 순간적인 변화 및 압력 변동이 일어나고 그것이 엔진 연소실로 들어가는 추진제의 유량 변동까지 이어져 결국에는 추력의 섭동으로 인한 축방향 진동까지 이어지는 현상이다. 이러한 현상을 막기 위해서는 펌프 입구에서의 순간 유량 변동을 흡수해주는 장치를 추가하면 되는데, 그러한 장치가 맨 위에 언급했던 타이탄 발사체의 장치와 같은 것이다.  타이탄 발사체의 경우 스프링, 질소로 가압되는 장치를 추가하였다.

일종의 Reservoir과 같은 장치인데, 이것을 설계하기 위해서는 전체 시스템에서의 순간 유량 변동이 어느 정도인지 알아야 레저버의 설계가 가능해진다. 알지 못한 채로 설계한다면 POGO 현상이 억제되지 않거나 지나치게 무거운 장치가 추가되어 시스템의 효율을 떨어뜨린다.

저자의 주 활동 무대가 일본 도호쿠 지방이라 그래서 대충 짐작했겠지만 도호쿠 대지진을 경험하였다. 그러한 상황을 경험하고서도 도당 씨와 연락을 취한 것을 보면 저자도 도당 씨와의 추억을 매우 특별한 것이었다고 생각하는듯 하다. 안 그랬으면 이렇게 회고록에서 언급하지도 않았겠지만.