DQS 매거진

우주발사체 로켓 발사 기술 및 발전 방향

글. 국방기술품질원 유도탄약1팀 조희진 선임연구원

오늘날 국가간 경쟁력에 있어서 항공우주산업은 단연코 핵심 산업 중 하나로 볼 수 있다. 이런 경쟁적인 환경에서도 전세계적으로 사용하는 로켓들은 연료를 이용한 엔진을 이용해 우주로 간다. 해당 방식은 효율이 매우 낮고 비용이 매우 비싸지만 그럼에도 불구하고 현재까지 이용되는 이유는 대체할 방법이 없었기 때문이다. 본 기고문에서는 미국의 한 스타트업 기업에서 연구중인 원심분리기를 활용하여 로켓을 하늘 위로 쏘아올리는 기술에 대하여 소개하고 향후 발전방향에 대해 기술하고자 한다.

서론

2022년은 기후 변화에 따른 가품, 홍수 등의 자연재해로 인해 전세계적으로 힘든 시기를 보내고 있다. 유럽은 전례없는 가뭄을 겪고 있으며, 한국은 엄청난 폭우로 인해 막대한 침수피해가 발생했다. 이런 기후 변화의 주된 요인으로는 탄소 배출에 따른 지구 기온 상승으로 추정하며, 현상태의 지구 기온상승이 지속될 경우, 인류 역사상 한번도 경험해보지 못한 재앙이 찾아온다는 분석도 쉽게 찾아 볼 수 있다. 이런 영향에 힘입어 항공우주 분야에서는 지속적으로 지구 이외에 생명체가 살 수 있는 행성을 지속적으로 연구중이며, 예로 일론머스크가 CEO로 있는 항공우주기업 Space X에서는 인간을 화성에 보내고 화성 내에서 자급자족하여 인류가 살수 있게 하기위해 끊임없이 도전중이다.

이런 이유 외에도 항공우주산업은 국가의 안보에 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며, 경제발전을 이루는 중요한 전략적 산업 중 하나로, 하이테크 및 고부가가치 기술이 포함되어 경제와 사회 발전에 기여하는 효과가 크다. 따라서, 주요 선진국은 항공우주분야에 막대한 예산을 투자해 미래를 대비한 국가 경쟁력을 확보하고 있으며, 대한민국도 올 6월 누리호 발사에 성공함으로써, 세계에서 10번째로 우주발사체를 보유한 국가로 자리매김 하였다. 이런 시대적 분위기에 발맞춰 국방기술품질원에도 첨단미래기술센터를 설립하여, 우주위성 등 미래사업에 대한 준비를 철저히 하고 있다.

본 기고문은 이런 항공우주의 중요성이 점점 대두되는 상황에서 환경적, 경제적 효과를 고려하여 개발되고 있는 최신 로켓 발사기술인 스핀런치(Spinlaunch)에 대하여 소개하고자 한다.

기술 소개

개요

우리가 일반적으로 알고 있는 로켓들은 연료를 이용한 엔진을 이용해 우주로 간다. 연료와 산화제를 연소시켜 발생하는 가스를 가속하여 추력을 얻는 방식이며, 효율은 매우 낮다. 그럼에도 불구하고 현재까지 이용되는 이유는 대체할 방법이 없었기 때문이다. 그런데 스핀런치라는 한 스타트업 회사가 이를 조금 바꿔 놓으려 한다.

중세 전쟁 영화를 보면 거대한 투석기로 돌덩이를 날리는 장면을 자주 보게 된다. 이런 투석기를 응용하여 로켓을 발사하려는 방법이 스핀런치가 하려는 방법이다. 단, 사용하는 도구는 투석기가 아니라, 현대적인 원심분리기다.

그림 1. 스핀런치 구성

기술의 원리

스핀런치는 그림 1과 같이 진공상태의 챔버에 회전하는 막대가 있고 그 막대의 끝에 발사체를 장착하는 구조로 되어 있다. 조금더 세부적으로 들여다보면, 아래 그림 2의 A에 해당하는 긴 막대 끝에 로켓을 달고 이를 회전시켜 목표 속도에 도달하면, 원하는 각도로 나있는 통로 B를 통해 로켓을 발사하게 된다. 막대의 길이는 약 45m로, 챔버가 진공임을 활용하여 최종적으로는 450RPM의 각속도를 갖도록 로켓을 가속시키며, 여기까지 가속시키는데 약 1~2시간이 걸린다. 이렇게 가속시킨 로켓의 속도는 약 2.1km/s가 된다. 이는 이론상 인공위성의 성립 속도인 제1우주속도 약 7.9km/s에서 5.6km/s 부족한 속도이며, 이 속도는 비행 중 엔진을 분사하여 얻는 개념이다. 간단히 설명하면, 로켓을 1초에 7번 회전하도록 가속한 후, 발사된 로켓에 로켓 자체의 추진력을 이용하여 인공위성 궤도에 올리는 형태이다.

그림 2. 스핀런치 개념도
그림 3. 로켓 개념도

그림 3은 스핀런치에 탑재되는 로켓의 개념도이며, 로켓은 페이로드, 1단 로켓, 2단 로켓으로 구성되어 있다. 1단 로켓은 7,645kgf의 추력, 2단 로켓은 510kfg의 추력을 목표로 하며, 최대 페이로드 중량은 200kg이다.

그림 4. 스핀런치 1/3스케일 개념도

현재 스핀런치는 목표크기 대비 1/3 사이즈의 시제가 미국 뉴멕시코에 제작되어 있으며, 해당 시제를 이용하여 각종 시험을 진행중이다. 21년 10월 최초의 비행시험 이후 22년 4월까지 총 8차례 비행시험을 수행하였으며, 비행속도는 마하 1.3까지 테스트 하였으며, 2025년까지 우주궤도에 인공위성을 올릴 시스템을 마련하는 것을 목표로 하고 있다.

기술의 효과

스핀런치는 초고속 원심분리기 방식을 활용하여, 원심력으로 물체를 우주로 날려보낸다. 이러한 개발개념 덕분에 엄청난 연료를 아낄 수 있다. 왜냐하면 로켓이 발사될 때 지구 중력을 이겨내는 것 뿐만 아니라, 공기 저항도 뚫고 날아갈 만큼 엄청난 추력과 연료가 필요하기 때문이다. 그런데 스핀런치의 개념으로 발사할 경우 공기가 아주 희박한 고도 60km까지는 연료가 필요없기 때문에 한번 발사할 때마다 약 6500만원 정도면 발사할 수 있다. Space X는 회수가능한 로켓을 사용함에도 한 번 발사하는덴 약 120억 정도 소요됨을 고려하면, 경제적 측면에서는 말도안되는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 별도의 연료를 활용하여 연소를 하는 방식이 아니기 때문에 환경적인 측면에서도 탁월한 효과가 있다고 볼 수 있다.

그림 5. 미국 뉴멕시코에 있는 스핀런치 1/3시제

기술의 도전과제

현재 스핀런치는 1/3 스케일의 시제로 제작하여, 각종 성능 테스트를 진행중이지만, 추후에는 원래 설계된 크기로 만들어 성능 테스트를 해야 할 것이다. 그 과정에서 예상되는 여러 가지 문제들이 있다. 예를들면 450RPM으로 회전 시 엄청난 진동이 생길 것이며, 해당 진동을 제어해야 하는 문제, 해당 RPM으로 회전 및 마하 6으로 로켓이 비행 시 탑재되는 페이로드가 파손되지 않고 견딜 수 있는 문제, 실제 계획한 궤도로 안정적으로 진입 하기 위한 각종 문제 등 참 많은 도전과제가 예상된다.

또한, 스핀런치는 회전을 통해 추진력을 얻는 형태이므로, 그 회전시 발생하는 중력가속도는 약 10,000g에 가까워진다. 우주선이나 전투기 조종사가 버티는 최대 중력가속도가 약 10g임을 고려하면 상상도 할 수 없을 만큼의 강한 값이다. 이를 고려하면 스핀런치는 매우 저렴한 가격으로 보급품을 국제우주정거장으로 날리거나, 위성을 저궤도로 보내는 용도정도로 사용될 수 있는 한계가 있다.

발전 방향

스핀런치처럼 상상의 아이디어를 현실로 바꾸는 과정에는 그 결과가 성공하리라는 보장이 없으며, 또한 많은 비용이 필요하다. 스핀런치의 경우도 투자받은 금액이 총 8000만 달러에 이른다고 하며, 해당 업체에 투자한 투자자는 구글 밴처스, 에어버스 밴처, KPCB 등 쟁쟁한 밴처 투자사들이 포함되어 있다. 아마 미국이었기에 가능한 투자라 생각된다. 그리고 그 막대한 투자와 획기적인 아이디어 덕분에 스핀런치는 2022년 TIME에서 선정한 100 Most Influential Companies에 선정되었다.

한국에서는 스핀런치같은 스타트업 기업이 생길 수 있을까? 라는 생각을 해보면 가능성이 없진 않지만, 그래도 희박하다고 생각한다. 우리나라 스타트업의 경우 정부과제 또는 민간투자를 통해 투자금이 유입되어야 하는데, 이런 아이디어는 정부과제가 있을리 만무하며, 국내에서 이런 아이디어로 민간투자를 받기란 더더욱 어려워 보인다. 항공우주산업은 다가올 미래에 국가 경쟁력의 핵심 중 하나임을 고려하면, 국내에서도 이런 스타트업 생겨 연구할 수 있도록 적극적인 투자와 제도개선 등의 행정조치가 필요해 보인다.

참 고 문 헌