우리는 지구 표면에서 100km보다 더 높은 고도를 우주라고 부릅니다. 인공위성이나 우주탐사선 등의 우주 비행체가 고도 100km를 넘어 우주에서 움직이는데 꼭 필요한 것이 로켓입니다.

여러 우주발사체 기술 선진국들은 지난 수 십 년간 액체로켓엔진을 개발하고 있지만, 대부분의 주요 핵심기술들은 자국의 군사적, 경제적인 목적에 의해 철저히 통제되어 왔습니다.
따라서 우주개발 후발국인 우리나라의 경우 핵심기술을 자체적으로 확보하기 위해 국가 주도의 우주개발 중장기 계획을 진행시키면서 기반기술을 확보하기 위해 노력하고 있습니다.

우주발사체는 짐을 싣고 출발해 지구를 벗어나 우주공간의 정해진 곳까지 가서 짐을 풀어 놓는, 비유하자면 우주 택배 서비스용 로켓입니다. 우주발사체는 인공위성, 우주인은 물론, 덩치가 큰 우주정거장 모듈이나 궤도 망원경 등 다양한 물건을 우주로 배달합니다.
우주발사체의 제일 앞부분에는 인공위성이나 우주탐사선 등이 실리는데, 이 부분을 제외한 나머지는 모두 로켓입니다.

로켓의 종류는 로켓에 사용하는 연료의 종류에 따라 고체 로켓, 액체 로켓, 하이브리드 로켓 등으로 구분됩니다.
그중 액체 로켓은 액체 연료를 사용하여 필요할 때 엔진을 끄고 켜는 것이 가능해 로켓을 정밀하게 움직일 수 있고, 원하는 곳으로 정확히 보낼 수 있어 현대의 상업용 로켓은 대부분 액체 연료를 활용한 액체 로켓을 이용하고 있습니다. 우리나라 최초의 우주발사체인 나로호의 1단, 그리고 현재 개발 중인 한국형 발사체도 액체로켓으로 개발되고 있습니다.

액체 로켓 구조(이미지 출처: 네이버 지식백과)

액체 로켓을 개발할 때 가장 어려운 문제 중 하나는 연소실에서 발생하는 엄청난 열입니다. 로켓의 내부 연소실에서 산화제와 연료가 연소되면서 연소 온도가 약 2,500도에서 3,000도까지 도달하게 됩니다. 이런 고온의 경우에는 대부분의 금속이 버티지 못하고 녹아버리는 문제가 발생합니다.

연소실 벽의 온도 분포(이미지 출처: Shine, S. R., and S. Shri Nidhi.(2018))

때문에 로켓 엔진의 장기적인 작동을 위해서는 반드시 냉각 기술이 확보되어야 합니다. 한국형 발사체 누리호 같은 커다란 로켓의 경우 벽에 차가운 액체 상태의 추진제를 흘려보내 냉각을 했습니다.

현재 카이스트 로켓 연구실에서는 소형 로켓으로 실험을 하고 있는데, 이 로켓은 냉각이 불가능하여 누리호와는 다른 방법으로 냉각을 시킵니다.

카이스트 로켓 연구실에서는 막냉각 방식을 이용하여 로켓의 금속 재질을 보호하는 연구를 진행하고 있습니다. 막냉각 방식은 액체 상태의 추진제를 연소실 안의 벽면을 따라 흘려보내 뜨거운 가스와 연소실 금속 벽면 사이에 비교적 얇은 액체 상태인 막을 일시적 또는 안정적인 상태로 얇은 막을 형성하여 열 차단 효과를 발휘합니다. 추진제를 이루는 연료와 산화제 액체산소가 적절한 비율로 혼합돼야 불이 가장 잘 붙는데, 연소실 벽 주위로는 연료만 많이 분사해 가능한 불이 붙지 않도록 했기 때문입니다.

우리나라 우주개발 중장기 계획에 따르면, 2020년 달 궤도선, 2030년 달 착륙선, 2035년 소행선 탐사선 등의 우주 임무가 예정되어 있습니다.
우리나라는 미국, 중국, 러시아와 비교하면 국토도 작고, 자원도 적은 작은 나라입니다. 하지만 우리가 지난 30년 동안에 이룩한 우주 분야에서 기술발전은 우주 선진국들이 깜짝 놀랄 정도로 커다란 진전을 이루어 왔습니다. 앞으로도 여러 시행착오와 어려움에 부딪치겠지만, 언젠가 우리나라가 우주 선진국으로 우뚝 서는 날을 기대해봅니다.

참고 자료 :
1. 기계·건설공학연구정보센터(2019). [연구동향: M-Terview] 우리나라 우주 로켓 기술 연구에 대하여. 기계·건설연구정보센터, 11월 4일. http://materic.or.kr/community/mterview/content.asp?f_id=127
2. 교육부 공식 블로그(2010). 나로호 엔진, 3천℃에서도 녹지 않는 비결은?. 티스토리, 5월 3일. https://if-blog.tistory.com/693
3. 김유 등(2004). 액체 로켓엔진 연소실 냉각시스템 설계 기술 개발(No. M1-0138-00-0004).
4. 네이버 지식백과(물리산책). ’우주발사체’ https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3569543
5. 네이버 지식백과(처음 읽는 미래과학 교과서 - 우주공학). ’로켓의 탄생’ https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982428
6. 네이버 지식백과(처음 읽는 미래과학 교과서 - 우주공학). ’액체 추진제 로켓’ https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982431
7. 한국항공우주연구원(2017). 뜨거운 엔진을 식혀라!. 네이버 블로그, 1월 25일. https://blog.naver.com/karipr/220919712121
8. KARI(한국항공우주연구원). ’액체연료엔진’ https://www.kari.re.kr/prog/stmaplace/list.do?stmaplace_gubun=2 stmaplace_no=22 mno=sub07_02_02
9. Shine, S. R., and S. Shri Nidhi.(2018) Review on film cooling of liquid rocket engines. Propulsion and Power Research, 7(1): 1-18.

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