사이언스타임즈는 항공우주연구원과 공동으로 일반인들에게 우주항공기술에 대한 상식과 정보를 제공하기 위해 '우주항공기술 이것이 궁금하다'라는 기획시리즈를 연재합니다. 지난 4회에 걸쳐 연재한 우주기술편에 이어 항공기술편을 연재합니다. [편집자 註]

지난 2002년 11월 28일 한국 최초의 액체 추진로켓 KSR-III가 발사에 성공했다. 이는 액체로켓 중에서도 가장 구조가 간단한 가압식으로 추진제를 공급하는 형식이었다. 하지만 KSR-III의 발사성공은 독자적으로 액체 추진제 로켓을 설계, 제작하는 데 성공했다는 것을 의미하며, 우리에게 우주발사체 개발의 자신감과 경험을 가져다 준 커다란 사건이었다. 이를 계기로 외국의 발사체에 의존해왔던 인공위성 발사가 2005년부터 KSR-Ⅲ를 개량해 만든 로켓으로 이루어질 예정이다.

이렇게 액체 추진제 로켓의 발사에 큰 의의를 두는 이유는 무엇일까. 로켓은 사용하는 연료에 따라 크게 고체로켓(SRM : Solid-propellant Rocket Motor)과 액체로켓(LRE : Liquid-propellant Rocket Engine)으로 나눌 수 있다. 이 두 가지를 서로 비교해 보면 다음과 같다.

먼저 고체로켓은 구조가 간단하다. 또한 특별한 장비가 들어가는 것이 아니라 고체 연료만이 엔진(연소관) 속에 들어가 있기 때문에 무게가 가볍다. 또한 상대적으로 제작비가 싸고, 추진제 저장이 쉽다. 그러나 고체로켓과 액체로켓의 가장 큰 차이점이라고 할 수 있는 추력 제어에서 고체로켓은 어려움이 따른다. 고체로켓의 추력은 추진제의 형상에 의해서 결정되기 때문에 일단 제작이 되고나면 추력을 조절할 수가 없으며, 점화 후 연소속도 조절도 불가능하다.

반면 액체로켓은 연료통과 산화제통, KSR-III의 경우 가압용 고압가스통과 밸브 등 많은 구조물과 부품들이 있고 구조가 복잡해 고체로켓보다 무겁다. 또한 많은 부품이 들어가는 만큼 제작비가 많이 든다. 하지만 이러한 단점에도 불구하고 액체로켓을 사용하는 이유는 비추력(추진제 무게당 추력)이 높고 발사 뒤에도 점화와 소화를 반복하며 추력을 제어할 수 있기 때문이다. 또한 소화 후 재점화가 가능해 자세 제어에 용이하며 원하는 임무를 잘 수행할 수 있게 된다.

따라서 고체로켓은 주로 군용 미사일에 사용되고, 액체로켓은 인공위성 발사체로 사용된다. 군용 미사일은 구조가 복잡하여 무거운 것보다 가벼운 것이 좋으며, 언제라도 발사할 수 있도록 연료가 채워져 있는 것이 좋다. 또한 발사 초기에 높은 가속도가 요구되기 때문에 연소 면적을 크게 하여 한번에 높은 추진력을 낼 수 있도록 설계가 가능하며, 속도를 제어할 필요가 없다.

이러한 점에서 미사일에는 고체 추진제가 사용된다. 인공위성 발사체는 발사 뒤에도 점화와 소화를 반복하여 인공위성을 원하는 궤도에 정확하게 진입시켜야 한다. 액체로켓은 추력이 강하고, 점화와 소화를 반복하는 과정을 통해 자세제어가 가능하므로 인공위성 발사체에 적합하다. 대부분의 액체로켓은 발사하기 직전에 연료를 충전해야 하기 때문에 유사시에 빨리 사용해야 하는 군용 미사일보다는 발사준비 시간에 구애를 받지 않는 인공위성 발사체에 더욱 적합하다.

[표] 고체로켓과 액체로켓 비교

구분 고체로켓 액체로켓 구조 간단 복잡 질량 작다 크다 제작비 저렴하다 비싸다 추진제 저장 쉽다 어렵다 추진제어 어렵다 쉽다 재점화 불가능하다 쉽다 추진제 밀도 크다 작다

고체로켓과 액체로켓의 장점을 살리고 단점을 보완하기 위한 혼합형 로켓(Hybrid Rocket Engine)도 등장했다. 한 개의 로켓 추진기관에 액체 산화제와 고체 연료를 모두 싣고 있으며, 액체 산화제를 고체 연료 추진제에 분사시켜 고온, 고압의 연소가스를 얻는 방식이다.

여기에 사용되는 고체 연료는 산화제를 포함하지 않기 때문에 제작 및 보관 시에 안전성이 높으며 친환경적이고 액체 로켓의 장점인 속도 제어를 할 수 있는 장점이 있으나, 효율이 기존의 액체 및 고체 로켓에 비해 3% 정도 낮다는 단점이 있다. 이 시스템은 현재 많은 시험을 거쳐 개발완료 단계에 와 있지만, 아직 실용화를 위해서 제작된 적은 없다.

연료에 따라 구분한 고체로켓과 액체로켓은 둘 다 화학적인 연소 반응에 의해 작동되는 화학 로켓이다. 이에 반해 최근에는 연료 소모량이 적고, 장시간 비행할 수 있는 비화학 로켓들이 개발되고 있다. 이러한 로켓들로 먼저 전기추진 로켓이 있다.

엔진의 외부에서 발생되는 전력으로 추진력을 얻는 로켓으로 아크제트 로켓, 플라스마 제트로켓, 이온 로켓 등이 있다. 이들 로켓은 추진력이 약하다는 단점이 있어서 우주선을 지구 대기권 밖으로 보낼 수는 없다. 하지만 추진제 소모량이 아주 적어 우주 비행체의 자세 제어, 궤도수정, 궤도상 운동 등에 사용된다.

한편 핵에너지 로켓은 핵반응을 통해서 생기는 에너지로 추진제를 가열하여 화학 로켓의 2~3배에 다다르는 고온의 가스를 만들어 내고 노즐을 통해 분사하는 방식이다. 추진제는 폭발성이 강한 액체수소가 주로 쓰이며, 장기간의 우주 비행을 하기에 적합한 로켓이다.

장시간의 비행을 요하는 심우주(deep space) 추진 수단으로서의 가능성을 인정받고 있고, 근래에 수 천 톤의 화물을 저고도 지구궤도로부터 지구 정지궤도로 운반하는 경우 화학로켓보다 더 적합한 것으로 분석되어 연구개발이 활발하다.

빔에너지 가열 로켓은 외부의 에너지를 빔(beam) 형태로 바꾸어 추진제를 가열하는 방식으로 태양열 추진, 레이저 열추진 등이 있다. 태양열 추진은 태양 복사열을 포물형 반사경으로 집열하여 거울의 초점에 해당하는 곳에 추진제 가열용 열교환기를 설치한다. 추진제 공급계통에서 공급된 추진제는 열교환기의 외부 벽을 흐르면서 가열되어 기체상태가 된다. 이 기체는 추력기의 노즐을 통해서 분사되어 추력을 발생시킨다.

레이저 열추진은 레이저 빔을 추력기에 조준 발사한 뒤 초점렌즈를 통해서 추력실 내부의 초점에 집결된 빔 주변의 추진제를 고온으로 가열시켜 노즐을 통해 분사하여 추력을 얻는다. 추진제로는 액체수소가 채택되고 있다.