도쿄 우에노 국립과학박물관의 LE-5엔진

얼마 전 일본 여행 중 도쿄 우에노의 국립과학박물관(国立科学博物館)을 방문하였다.

방문 전에 H-I 의 상단 엔진인 LE-5 의 실물이 전시되어 있다는 것을 알고 있었기에 무척 기대되었다.

전시관에 들어가자마자 보이는 LE-5 엔진

우선, 전시관에 들어가자마자 보이는 SFU 바로 옆에 나름 존재감을 과시하면서 우두커니 서 있었다. 

유리 벽으로 분리된 공간이 아닌, 꽤 가까운 거리에 전시되어 있어서 나름 자세한 사진도 찍을 수 있었다. 물론 한국에서 75톤급 엔진 전시했던 것처럼 만질 수 있는 거리는 아니었지만.

전면에서 본 LE-5. 왼쪽에 SFU, 오른쪽에 하야부사 모형이 전시되어 있었다.

관람 동선에서 바로 보면 위의 사진과 같은 구도가 되었다.

재생냉각 채널이 선명히 보이는 고확장비 노즐 위로 터보펌프 및 각종 배관들이 보인다. 사진 기준 왼쪽에 액체수소 터보펌프, 오른쪽에 액체산소 터보펌프가 보인다.

액체수소 터보펌프 근처의 각 배관들 설명

액체산소 터보펌프 대비 두꺼운 몸체의 액체수소 터보펌프가 일단 눈에 띄고, 바로 그 옆에 원통형의 가스발생기가 보인다.

가스발생기에서 나온 수소 과잉 고온 가스의 일부는 제어를 위한 바이패스 밸브 쪽으로 향하고, 나머지는 바로 액체수소 터보펌프의 터빈으로 들어간다는 것을 알 수 있다.

그리고 터빈을 통과한 수소 과잉 고온 가스는 그대로 액체산소 터보펌프쪽으로 향하는 것이 아니라 일부가 바로 노즐 쪽에 위치한 배기 덕트로 배기된다.

그 위쪽으로는 은색 단열재로 덮인 액체수소 계통이 보인다. 펌프를 통과한 액체수소는 곧바로 주 연료 밸브(Main Fuel Valve라 표기)로 향한다. 이 밸브에서 유로는 두 개로 분기되는데, 일부는 연소실 상단의 매니폴드로 들어가 재생냉각 채널을 지나 연소실 내부로 들어가고, 나머지 일부는 가스발생기 연료 밸브(G.G FV라 표기), 연료 예냉 밸브(사진 상에서 보이지 않음)로 향한다. 예냉 밸브를 지난 수소는 다시 발사체 단의 액체수소 탱크로 돌아간다.

액체수소 가스발생기 밸브 및 예냉 밸브 쪽에서 바라본 사진. 

위의 사실들을 LE-5의 스키매틱 상에 표시하면 아래와 같다.

사진 상의 설명을 그대로 스키매틱에 옮긴 것.
파란색이 액체수소, 빨간색이 가스발생기 수소 과잉 고온 가스 계통.

다음은 액체산소 터보펌프 쪽이다. 액체산소 터보펌프는 전시물 구조 상 가까이서 찍기가 어려웠다. 부득이하게 광학 줌이 없는 스마트폰 카메라로 찍어 화질이 좋지 않음을 양해바란다.

잠시만 가스발생기와 예냉 밸브 쪽에서의 사진으로 돌아가보자. 스키매틱 상에서 액체산소 터보펌프 터빈은 액체수소 터보펌프 터빈 하류에 위치한다. 즉, 사진에서 빨갛게 표시한 경로로 가스발생기 고온 수소과농 가스가 이동하여 액체산소 터보펌프 터빈으로 유입된다.

가스발생기 - 액체수소 터보펌프 터빈 - 액체산소 터보펌프 터빈 유로 설명

액체산소 터보펌프 유로 설명

액체산소 터보펌프의 펌프를 통과하여 가압된 액체산소는 주 산화제 밸브(Main Oxidizer Valve)를 거쳐 연소실의 인젝터 헤드로 유입된다. 가스발생기 또한 주 산화제 밸브를 거쳐 액체산소를 공급받게 된다. 

주 산화제 밸브 쪽에서 찍은 사진

액체산소 계통을 스키매틱 상에 표시하면 아래와 같다.

상단 엔진이기 때문에 규모가 비교적 작을 수밖에 없고, 따라서 구성품들이 연소실 바로 근처에 밀집되어 있었다. 따라서, 스키매틱 상에서 확인되는 모든 구성품들을 찾기는 어려웠다. 비교적 크고 각 구성품 간의 이격 거리가 확보된 75톤급 엔진 전시품과는 다른 점이었다. 어쩌면 한국의 7톤급 엔진도 전시되면 비슷한 모습을 보일것같다는 생각이 든다.

그래도 난생 처음으로 외국의 로켓엔진 실물을 보았다는 것 하나만으로 박물관 관람은 매우 만족스러웠다. 추후에는 가쿠다 우주센터, 카가미가하라 항공우주박물관 등에 있는 LE-7 엔진 실물도 보고싶다.

SSME용 터보펌프의 초기 설계

이전 글에서는 SSME용 터보펌프의 개량 양상과, 거기서 찾아볼 수 있는 설계 과정 상에서의 문제점에 대해 짚어 보았다. 문제점은 '각 구성품의 유체역학적 특성에만 집중하여 도출된 설계 여유가 불충분한 축계 설계' 였다.

이번 글에서는 SSME용 터보펌프들의 초기 설계에 대해서 알아볼 것이다. 해당 설계들을 살펴보면 어떠한 점에서 우리가 아는 터보펌프의 설계와 다른지 알 수 있을 것이다.

자료의 출처는 일본 NAL의 기술 보고서로, 제목은 아래와 같다.

"液体酸素・液体水素ロケットエンジン開発上の技術的問題について（SSMEの不具合事例より検討）"

1. 액체산소 계통

1) 저압 액체산소 터보펌프(LPOTP) 설계

해당 논문에서 언급된 저압 액체산소 터보펌프의 개발 초기 형상 단면도

저압 액체산소 터보펌프는 고압 액체산소 터보펌프(HPOTP) 입구에서의 캐비테이션을 막기 위해 존재한다. 일반적인 터보펌프의 펌프 임펠러에 장착된 인듀서의 역할을 별도의 저압 펌프가 수행하는, 일종의 외장 인듀서인 셈이다. 많은 다단연소사이클 엔진들이 이러한 별도의 부스터 펌프를 적용한다.

저압 액체산소 터보펌프는 인듀서와 6단 수력터빈으로 구성된다. 인듀서와 터빈 모두 액체산소가 작동 유체이며, 터빈은 후단의 고압 액체산소 터보펌프를 지난 고압 액체산소의 약 17 %로부터 동력을 얻는다. 

고압 액체산소 터보펌프로부터의 고압 액체산소는 펌프 측면으로부터 들어가는 유로를 통해 터빈 입구 매니폴드로 유입되는데, 여기서 고압 액체산소가 유입되는 유로는 인듀서 후방의 정익을 겸한다.

터빈을 통과한 고압 액체산소는 이후 인듀서를 통과한 저압 액체산소와 합쳐져 고압 액체산소 터보펌프로 다시 유입된다.

축계는 2개의 볼 베어링으로 지지되며, 전방 베어링, 즉 인듀서 측에 장착된 볼 베어링이 축 추력을 지지한다.

인듀서와 터빈 모두 작동유체가 액체산소이기 때문에 별도의 추진제 혼합 방지 씰이 필요없이 축 추력 균형용 라비린스 씰이 적용되어 있다. 해당 라비린스 씰은 인듀서 측 베어링 후단에 장착되어 있다.

인듀서 측 베어링의 라비린스 씰 구조. 라비린스 씰을 통과한 작동유체는 감압되어 축 추력을 저감한다.

2) 고압 액체산소 터보펌프(HPOTP)설계

해당 논문에서 언급된 고압 액체산소 터보펌프의 개발 초기 형상 단면도

고압 액체산소 터보펌프의 펌프 부분

고압 액체산소 터보펌프는 2단 터빈, 쌍흡입 임펠러, 그리고 예연소기용 펌프로 구성되어 있다. 

쌍흡입 임펠러는 펌프의 축 추력이 상쇄되는 효과를 가지며, 같은 유량의 단방향 펌프 대비 약 40 % 정도 더 높은 캐비테이션 한계회전수를 갖는 특성이 있다. 해당 임펠러는 완전히 슈라우드로 덮힌 형태로, 이러한 설계는 고압 환경 하에서 하우징이 변형되더라도 성능변화가 최소화된다는 장점을 가진다. 주 펌프와 볼류트 사이에는 베인 디퓨저가 존재하여 작동유체의 동압 성분을 정압 성분으로 변환한다.(상대적으로 저압인 펌프의 경우 베인이 없는 경우도 있음 - 역자 주)

주 펌프 및 디퓨저를 통과한 액체산소 중 약 8 % 는 예연소기 펌프로 이동하며, 나머지 액체산소는 부스터 펌프와 주연소기 인젝터 헤드로 향한다.

축 추력 균형을 위한 밸런스 피스톤 매커니즘은 주연소기 펌프에 존재하는데, 임펠러의 슈라우드와 케이싱 사이의 공간을 밸런스 피스톤 챔버로 사용하는 방식이다. 

일반적인 밸런스 피스톤 매커니즘의 단면도.

예연소기 펌프 임펠러의 전/후면에는 라비린스 씰이 위치하여 예연소기 펌프와 터빈이 발생시키는 축 추력이 서로 상쇄되도록 조절한다.

고압 액체산소 터보펌프의 터빈 부분

터빈은 슈라우드 형식의 2단 터빈으로, 전체적인 동력 배분은 1단이 60 %, 2단이 40 %로 되어있어 축 추력 감쇄와 고유량에서도 낮은 선속으로 최대 효율을 달성할 수 있도록 설계되어 있다. 이는 전체적인 터빈의 직경을 키움과 동시에 1단에서의 팽창비를 끌어올려 1단에서 축 추력이 작용하는 부분(=터빈 블레이드가 위치한 부분)의 면적을 전체 디스크 면적 대비 줄인 설계라고 추측된다.

터빈 디스크는 경량 구조의 Wasp 합금으로 제작하였으며, 경량 구조로 인한 고온에서의 터빈 디스크 강도 저하를 막기 위하여 터빈 디스크 양 면을 저온 가스 수소 제트로 냉각시키는 방식을 택하고 있다. 이렇게 분사된 저온 수소 가스 제트는 터빈 블레이드 뿌리 부분도 냉각시키는데, 이러한 구조는 가스터빈에서 많이 관찰되는 구조이다. 터빈 블레이드와 디스크 사이에는 쿨롱 댐퍼(마찰을 이용하는 댐퍼)가 삽입되어 진동 하중을 저감시킨다.

터빈 정익은 중공형 구조로, 열팽창을 구속시키지 않는 구조의 정익 링으로 케이싱과 결합된다.

SSME의 터빈 디스크-블레이드 구조와 유사한 LE-7 터보펌프의 터빈 디스크-블레이드 구조

고압 액체산소 터보펌프의 축계는 작동유체인 액체산소로 냉각되는 앵귤러 컨택트 베어링 두 개로 지지된다. 해당 베어링들에는 예하중이 가해져 횡 미끄러짐이 발생하지 않도록 하였으며, 축 추력 방향으로는 자유롭게 움직여 밸런스 피스톤이 작동하도록 하였다.

축계는 1차와 2차 위험속도 구간 사이에서 작동되도록 설계되었는데, 이러한 설계는 고속 터보펌프들에서 많이 찾아볼 수 있는 방식이다.

베어링의 위치가 잘 보이는 그림

고압 액체산소 터보펌프의 작동구간과 위험속도 구간 그래프. 

터빈의 작동유체인 고온 수소과농 가스와 펌프의 작동유체인 극저온 액체산소의 혼합을 방지하기 위한 추진제 혼합방지 씰에는 고속회전 하에서도 일정한 간극을 유지할 수 있는 설계가 적용되었다. 

터빈으로부터 고온 수소과농 가스가 유입되는 것을 1차적으로 막는 터빈 고온 가스 씰과 이후의 헬륨 퍼지 씰에는 플로팅 링 씰 계열의 씰들이 적용되었으며, 펌프 측의 액체산소를 막는 씰로는 유체 동압 부상식 씰(혹은 리프트 오프 씰)이 적용되었다. 이러한 씰들에는 간헐적인 마찰 가능성에 대비하기 위해 은과 이황화 몰리브덴 고체 윤활제가 도포되었다.

또한, 작동 중 케이싱을 포함한 씰 구성품들의 상대운동으로 인한 접촉을 방지하기 위해 볼트 결합부에 예하중을 가하여 볼트가 헐거워지는 것을 막았다.

고압 액체산소 터보펌프의 추진제 혼합방지 씰의 단면도 및 구성품 설명

유사한 구조의 LE-7 엔진 액체산소 터보펌프의 추진제 혼합방지 씰.

2. 액체수소 계통

1) 저압 액체수소 펌프(LPFTP) 설계

저압 액체수소 터보펌프의 개발 초기 형상 단면도

저압 액체수소 터보펌프도 저압 액체산소 터보펌프와 유사하게 일종의 외장형 인듀서로 기능한다.

인듀서와 2단 터빈으로 구성되어 있다. 인듀서의 작동 유체는 극저온의 액체수소이며, 터빈의 작동유체는 주연소기를 냉각시킨 후 팽창한 고온 수소이다. 쉽게 말하자면, 저압 액체수소 터보펌프는 익스팬더 사이클 엔진들의 터보펌프와 유사한 방식으로 작동한다. 

터빈을 작동시킨 고온 수소의 대부분은 인듀서를 통과한 액체수소와 합류하는 것이 아니라, 주 연소기 인젝터 매니폴드로 통하는 고온 가스 매니폴드로 배기된다. 나머지 2 % 정도의 고온 수소는 추진제탱크를 가압하는 데 사용된다.

축계는 2개의 깊은 홈 볼 베어링으로 지지되며, 1차 위험속도 영역 이하에서 작동한다. 

씰에는 엔진 예냉 중의 누설을 최소화하기위한 설계상의 배려가 이루어져 있다. 정지 시에는 외부의 가압 기체로 개방되는 리프트 오프 씰이 작용하여 작동 유체가 외부로 누설되는 것을 막으며, 작동 시에는 리프트 오프 씰이 가압 기체 압력으로 개방되고, 리프트 오프 씰 전 후면에 장치된 플로팅 링씰이 작동하여 누설을 최소화하는 방식으로 작동한다.

리프트 오프 씰과 플로팅 링 씰 모두 작동 시에 축과 접촉하지 않으며, 이 덕분에 낮은 작동 토크를 확보할 수 있었다.

좌 : 플로팅 링 씰, 우 : 리프트 오프 씰

2) 고압 액체수소 터보펌프(HPFTP) 설계

해당 논문에서 언급된 고압 액체수소 터보펌프의 개발 초기 형상 단면도

고압 액체수소 터보펌프의 펌프 부분

고압 액체수소 터보펌프는 3단 원심 임펠러와 2단 터빈으로 구성되어 있다.

펌프는 저압 액체수소 터보펌프의 존재로 인해 인듀서가 없는 형식으로, 펌프를 구성하는 티타늄 합금제인 3개의 임펠러 모두 액체산소 터보펌프와 유사하게 완전히 슈라우드로 덮힌 형식이다. 특기할 만한 점으로는 단을 구성하는 임펠러들의 유로 형상은 모두 동일하다는 것이다.

펌프가 3단으로 구성된 이유는 비속도를 최대한 높여(단별 양정상승을 낮춘 듯 하다. 양정은 비속도 공식에서 분모에 위치한다 - 역자 주) 효율을 확보하기 위함이다.

1, 2단 펌프 후단에는 씰이 위치하여 펌프와 터빈 사이의 축 추력을 상쇄시키며, 3단 펌프 후단에는 밸런스 피스톤이 위치하여 작동 중 축 추력 평형을 수행한다.

모든 임펠러의 입구 및 출구에는 입구에서의 예선회 및 유동 안정화를 위한 설계가 적용되어 있다. 

1단 펌프 입구에서는 펌프 볼류트 형상과 베인으로 예선회 유동을 부여하며, 2단 및 3단 펌프 입구에서는 디퓨저 및 베인으로 해당 기능을 수행한다. 3단 출구의 디퓨저는 펌프 토출 압력을 안정화시킨다.

전단인 1, 2단 펌프의 디퓨저 및 베인은 알루미늄 합금제, 후단인 3단에는 인코넬 718 합금제의 디퓨저 및 베인이 적용되어 있다.

고압 액체수소 터보펌프의 터빈 부분

고압 액체수소 터보펌프의 2단 터빈은 반동 터빈으로, 고압 액체산소 터보펌프와 달리 동력이 50 %로 동일하게 배분되어 있다.

그러나, 터빈 디스크의 구성은 유사하게 구성되어 있다. 터빈 디스크는 경량화를 위한 구조로 설계되어 있으며 고온에서의 강도 저하를 방지하기 위해 인접한 터빈 측 베어링을 냉각시킨 후의 저온 수소로 냉각을 수행한다. 이러한 냉각 설계는 엔진 정지 시 베어링 근방의 온도를 허용 온도범위 이내로 억제시키는 목적도 겸한다.

터빈은 터빈 디스크 - 블레이드로 분리된 형식으로, 공력적/기계적 진동에 대비한 유연형을 확보하기 위하여 터빈 디스크와 블레이드 사이의 결합 방식은 크리스마스 트리 형식을 적용하였다. 각 블레이드들의 사이에는 쿨롱 댐퍼가 삽입되어 진동을 감쇄함과 동시에 블레이드가 단단히 고정되도록 하였다.

각 터빈 블레이드들은 MAR M246 이라는 니켈계 합금을 적용하여 단방향 주조로 제작되었다. 이러한 설계로 1085 K 가량의 최고 터빈입구온도 조건 하에서 냉각 없이도 작동하도록 의도하였다.

고압 액체수소 터보펌프의 터빈 형상. 사진은 시험 후 손상된 사례이나, 크리스마스 트리 구조가 잘 보인다.

축계는 펌프측, 터빈측 모두 액체수소로 냉각되는 복열식 앵귤러 컨택트 베어링 2개로 지지된다. 

특히 터빈 측 베어링은 터빈보다 후방에 위치하여 터빈으로 인한 오버행이 없도록 하였으며, 각 베어링은 카트리지 형식으로 예하중이 가해져 축 추력에 따라 자유롭게 축 방향으로 움직일 수 있도록 하였다. 

베어링의 위치가 잘 보이는 그림

고압 액체수소 터보펌프의 작동구간과 임계속도 영역 그래프

각 베어링 카트리지는 유연 구조의 캐리어 구조로 구성되어 있으며, 캐리어에는 반경 방향 변위를 억제하기 위한 쿨롱 댐퍼가 적용되어 1, 2차 임계속도 영역 통과 시의 변위를 억제하도록 하였다.

고압 액체수소 터보펌프의 베어링 카트리지 구조

3. 한 마디

일반적인 터보펌프 설계와 다른 모습들이 보인다. 특히 터빈 부분이 그러한데, 고압 액체산소/액체수소 터보펌프 모두 터빈이 2개의 분리된 디스크로 나뉘어진 것을 결합시키는 구조로 이루어져 있다. 

이러한 구조는 항공기용 가스터빈들에서 많이 볼 수 있는 구조로, 내부의 공간에는 2차 유로를 통하여 유입된 (상대적)저온 공기가 들어가 각 터빈 디스크의 틈 사이로 누설되며 고온 가스가 내부로 들어오지 못하도록 하는 설계이다.

SSME 에서는 아무래도 터빈 등 회전체의 질량을 가볍게 한다면 임계속도가 높아질 것이라는 것을 알고 있었을 것이므로, 경량화를 위하여 이러한 설계를 택하였다는 것이 논문에서 언급되었다. 덤으로 가스터빈과 유사한 2차 유로로 터빈 디스크를 냉각시키기 위한 구조도 적용되어 있다. 경량 설계는 규모가 작은 엔진들에서는 본 적 이 있으나, 냉각 설계는 로켓엔진에서는 SSME가 처음이라고 알고있다.

수정 후의 터보펌프에서는 터빈 디스크가 단일 회전체로 합쳐진 형상으로 바뀌어 있었다. 아무래도 이러한 설계가 문제를 일으켜서 개량형에서는 바뀌지 않았을까 라고 추측해 본다.