메탄 연료 상단 엔진 시스템 개선을 위한 핵심기술

초록

발사체 선진국에서는 민간이 우주개발을 주도하는 뉴스페이스 시대에 접어들면서 발사체의 경쟁력을 확보하기 위해 개발/제작/운용비용을 감소시키는 노력을 하고 있다. 국내에서도 세계적인 소형 위성 발사 수요 증가에 맞춰 제3차 우주개발진흥기본계획에 개발 중인 한국형발사체를 기반으로 소형 위성 발사가 가능한 소형발사체 개발 계획을 수립하였다. 이에 국외 발사체와 견주어 경쟁력을 확보하기 위한 상단 엔진 시스템의 핵심기술 개발이 필요하다. 메탄 연료 상단 엔진 시스템 개선을 위한 핵심기술 개발을 위해 본 연구과제를 2개의 세부과제와 1개의 위탁과제로 구성하였다. 연구개발을 위한 핵심 제안사항은 케로신보다 높은 추진제 적용을 위해 메탄 연료 적용, 추진제 공급 사이클 개선을 위해 전기펌프 공급 시스템 적용, 구조비 개선을 위해 E-D 노즐을 적용하여 노즐 길이를 단축하는 것이다. 이를 위해 1세부는 3톤급 추력기 및 추진제 공급 시스템 설계 기반 기술을 연구하고, 2세부는 최적 메탄 상단 엔진 사이클 선정 및 E-D 노즐 설계 기법 구축 연구를 수행하고 있다. 타분야 융합공동연구로 1세부 위탁에서는 E-D 노즐 부품소재 선정 및 공정기술 조사, 내열 특성 평가 시험 장치 설계 및 E-D 노즐의 핀틀 구조체 시편 제작을 위한 연구를 수행하고 있다. 본 연구과제는 1단계 연구를 성공적으로 수행하였고, 현재 2단계 연구를 수행 중에 있다. 1단계에서는 상단 엔진 사이클 해석, ED 노즐 설계 및 검증, 핀틀 소재 평가 등 상단 엔진 사이클의 성능을 향상시킬 수 있는 의미있는 연구 성과를 도출하였다. 특히 전기펌프 사이클을 감안한 추가연구로 우주환경을 고려한 배터리 시험 기반을 확보하였다. 결과적으로 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 비추력 2.6% 증가, 구조비 4.8% 감소시킬수 있는 Lab-scale 개별 기술을 확보하여 TRL3을 달성하였다. 2단계에서는 상단 엔진 시스템 통합 성능 검증을 위한 연구를 수행하여 TRL4 이상의 연구개발 성과를 도출하고자 한다. 이 기술은 향후 발사체 경량화, 모듈화된 전기펌프를 활용하는 재사용 발사체 개발 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.