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    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
    직접 방문하여 연구 정보를 취합하여 제작하고 있습니다. 주변에 알리고자 하시는 분이 계시면
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    • 권세진 교수
      우리나라 우주 로켓 기술 연구에 대하여
      권세진 교수(KAIST 기계항공공학부)
      이메일:trumpet at kaist.ac.kr
      장소:KAIST 인공위성연구소 E13
      1274 1 1


    안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
    지난해 미국 공군기지에서 발사된 차세대 소형위성 1호(이하 차세대 1호)가 성능 검증을 마치고 2019년 4월부터 행성 탐사 등 임무 수행을 시작했습니다. 한국형 우주과학연구용 위성인 차세대 1호는 카이스트 인공위성연구소가 주관하고, 한국천문연구원 등 국내 산·학·연구기관이 참여해 개발한 소형화, 모듈화, 표준화된 100kg급 위성인데요.

    오늘 인터뷰에서 만나 보실 권세진 교수(KAIST, 기계항공공학부)는 정밀 기동을 필요로 하는 다양한 우주 임무를 위한 이원추진제 추력기 핵심기술을 개발하고 있습니다. 해당 기술을 사용하면 탐사용 우주선 엔진으로 이용되는 액체로켓 엔진 개발을 단축시킬 수 있을 것으로 예상된다고 하는데요.
    그럼 교수님을 직접 찾아뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.





    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

    저희 카이스트 로켓 연구실에서는 로켓 연구실이라는 이름 자체가 의미하는 바와 같이 로켓을 주로 연구하고 있습니다. 로켓은 우리가 우주 공간으로 나갈 때 보통 지구 표면으로부터 100km보다 더 높은 고도를 우리가 우주라고 그러는데요. 우주에서 기동하는 모든 물체 인공위성 아니면 우주 탐사선 또는 탄도 미사일이 고도 100km를 넘어서 우주에서는 어떤 비행체가 기동하는 데 꼭 필요한 것이 로켓입니다. 그래서 우리 실험실에서는 로켓을 연구하여 왔고, 이 로켓을 우주 발사체라던가 아니면 인공위성 또는 우주 탐사선에 적용하는 연구들을 주로 수행하여 왔습니다.


    2. 우주추진 액체로켓의 장기작동을 위한 막냉각의 해석모델에 대해서 자세한 설명 부탁드립니다.



    로켓의 내부 연소실에서는 산화제와 연료가 Cutaway에서 연소가 일어나는데요. 그때 연소 온도가 약 2,500도에서 3,000도에 도달하게 됩니다. 이렇게 고온의 경우에는 대부분의 금속이 견뎌 내지를 못 합니다. 그래서 어떤 형태로든 냉각을 해줘야 하는데요. 예컨대 한국형 발사체 누리호와 같은 커다란 로켓의 경우에는 그 벽에 차가운 액체 상태의 추진제를 흘려보내 냉각을 합니다. 우리 실험실에서 연구하고 있는 소형 로켓은 냉각이 불가능합니다. 그러므로 액체 상태의 추진제를 벽 쪽으로 흘려주면서 로켓의 연소실을 구성하고 있는 금속 재질을 보호하는 연구를 진행하고 있습니다.

    액체막이라 막냉각이라고 부르고요. 연구하는 방식에는 이론적인 모델링 연구가 있을 것이고, 설계한 막냉각방식이 로켓을 충분히 냉각할 수 있는 실험적인 연구 이렇게 두 가지가 있겠습니다. 아직은 우리나라에서 이런 R&D, 달 탐사선 연구가 제대로 본격적으로 시작되지 않은 상태라 연구의 필요성에 대해 그렇게 절실하지 않았습니다만 앞으로 우리나라에서 개발하는 유도 무기의 사정거리를 늘려가거나 아니면 달 탐사, 우주 탐사에 필요한 기술입니다.


    3. 교수님께서는 장기작동을 위한 냉각 기술 확보가 매우 중요하다고 말씀하셨는데요. 탐사용 액체로켓 냉각 기술은 어떤 것이며, 어떤 식으로 활용이 되는 건가요?

    로켓이 연소실에서 온도가 굉장히 높이 올라가기 때문에 금속으로 된 연소실 벽을 그 고열로부터 보호해야 되는데요. 방식 중에 하나로 우리가 소형 로켓에 사용할 수 있는 것은 막냉각 방식이고요. 이렇게 개발된 소형로켓이 장시간 작동할 때 예를 들어 수백 초 이상 계속 작동할 적에 반드시 냉각이 이루어져야만 가능합니다. 냉각이 이루어지지 않으면 로켓이 작동하기 시작해서 수 초 또는 수십 초 이내에 로켓의 연소실 벽면이 녹아내리는 문제가 발생합니다. 그래서 우주 탐사선 주 엔진을 개발하거나 장거리 미사일의 탄두를 제어하는 엔진을 개발하고자 한다면 반드시 냉각 기술 확보가 매우 필요한 기술입니다.


    4. 우주추진 액체로켓 설계는 전통적으로 실험적 접근방법에 크게 의존해왔다고 하던데요. 기존과 비교하여 확보될 막냉각 해석모델은 향후 어떻게 달라지며, 단점을 없는지 궁금합니다.

    로켓을 연구하는 데에 있어 가장 어려운 점은 다른 산업 기술 예를 들어 자동차, 반도체, 또는 스마트폰 기술과 달리 대부분 국가에서 로켓기술의 해외 유출을 엄격하게 제한하고 있습니다. 과거에 우리나라의 산업 기술이 성숙한 과정을 돌이켜보면 처음에는 해외에서 설계를 들여다가 단순 제작하고, 가공하는 것부터 시작해서 설계하고, 자체 기술이 정착되어 대부분의 산업 기술에서 성숙을 해왔습니다. 안타깝게도 로켓 기술의 경우에는 원천적으로 불가능합니다. 인공위성 기술만 하더라도 30년 전 인공위성 연구소에서 우리별 위성을 처음 개발할 적에 우리 학생들을 영국 서레이대학 연구단지(Surrey Research Park)에 파견하여 기초적인 기술을 습득하고, 그다음부터 차근차근 국산화를 해왔는데요. 로켓 기술은 원천적으로 불가능합니다.

    왜냐면 우주 발사체를 설계해서 만들 수 있다는 어떤 나라가 우주 발사체를 개발에 성공해서 만들 수 있다는 얘기는 바꿔 말하면 그 나라가 세계 어느 나라든지 공격할 수 있는 능력을 갖추게 된다는 것이거든요. 그래서 우주 발사체 그 능력을 갖추고 있는 미국, 러시아, 중국, 일본도 이 기술이 자기네 국가들에 위협이 되는 것을 막기 위해서 로켓 기술을 외부로 유출되는 것을 엄격하게 통제를 하고 있습니다. 따라서 로켓을 실험한 데이터라든가 설계하는 방식은 절대 외부로부터 입수할 수가 없습니다. 예컨대, 로켓 관련 학술대회가 미국이나 유럽에서도 있지만 가장 핵심적인 기술을 발표하는 세션의 경우에는 외국인은 그 세션에 들어갈 수가 없을 정도로 매우 타이트하게 진행하고 있습니다. 그러다 보니 60년 전, 70년 전에 미국이나 러시아에서 이 로켓을 개발하면서 겪었던 시행착오를 스스로 반복하지 않고서는 로켓 기술을 상승시킨다는 것이 불가능할 정도로 가장 큰 어려움이 되겠습니다. 대부분 산업 기술 같은 경우에는 우리가 충분한 비용을 지불한다면 돈 주고 사 올 수도 있고, 어깨너머로 배워 올 수도 있고, 엔지니어를 파견해서 습득을 할 수도 있는데, 로켓 기술에 관해서는 기술을 보유하고 있는 국가가 원천적으로 외국 유학생을 받지 못하게 되어 있습니다. 그래서 우리나라에서 우주 개발이 시작될 때 나로호 경우 처음 개발 단계에는 많은 우수한 인력들이 러시아, 미국, 중국 곳으로 로켓을 배워보겠다고 유학을 나갔었습니다. 그런데 외국인들이 로켓을 실험하고 설계하는 데에 참여를 못 하게 했기 때문에 결국 이 사람들이 배우기는 배워왔는데요. 실질적으로 설계하고 실험하는 것은 배우지 못했다는 과거가 있습니다. 그래서 로켓 기술이 굉장히 특별하다는 점이 다른 기술과 차이가 나는 점이라고 하겠습니다.




    5. 달 착륙선 사업의 성공을 위한 핵심기술 확보 및 시스템 검증을 위해 소형 무인 비행기 시험기를 개발해 수직이착륙 비행 실험을 앞두고 있다는데요. 자세한 설명을 부탁드립니다.

    최근 인도에서도 달 착륙선을 보내서 마지막 단계에서 여러 가지 어려운 점이 있었습니다만 궁극적으로 달 탐사를 한다면 착륙선이 달에 내려가야 되겠죠. 그런데 달에는 대기가 없기 때문에 하드웨어를 달에 온전하게 착륙을 시키려면 낙하산 날개를 사용할 수가 없습니다. 유일하게 사용할 수 있는 방식이 로켓으로 달의 중력을 상쇄하면서 연착륙을 하도록 만들어 줘야 하는데요.





    ■ 차세대 소형 위성 1호 발사 및 운영
    · 발사일 및 발사장: 2018년 12월 4일, (미국) VAFB
    · 초기운영: 2018년 12월 ~ 2019년 3월
    · 정상운영: 2019년 4월 ~ 2020년 11월

    ■ 차세대 소형 위성 1호 임무
    · 표준화, 모듈화, 소형화된 100kg급 차세대 소형위성 국내 독자 개발
    · 도전적이고 창의적 우주 과학 연구 및 핵심 전문 인력 양성
    · 우주핵심기술 검증을 통한 우주기술 국산화 및 산업화를 도모





    ■ 차세대 소형 위성 2호 임무
    · 영상레이더 관측 임무, 우주방사선 관측임무
    · 핵심기술 검증임무를 위한 운용개념 설계와 시스템 설계 및 성능분석


    저희가 10년 이상 로켓을 연구하면서 개발한 로켓의 기술이 성숙하는 것을 보고 단순히 로켓의 연구에서 한 걸음 더 나가서 로켓을 이용하는 시스템 착륙선이 됐건 아니면 산업용 로켓이 됐건 이런 시스템을 구현하는 방식으로 연구해 학생들과 의기투합하여 처음 연구 시작했던 것이 달착륙선입니다. 11년 전 저희가 최초로 만들었던 달 착륙선의 실험 시 상당히 언론에 공개가 되어서 좋은 반응을 받았습니다. 이후 달 착륙선 연구는 거의 중단한 상태로 있다가 2017년도에 우리나라에 달 탐사 사업을 진행하고 있는 항공우주연구원에서 위탁 과제로 착륙선을 설계하는 작은 연구 과제를 수주해서 수행한 적이 있었습니다. 그런데 그 과정이 달 착륙선을 설계하고, 거기서 끝나는 것이었어요. 설계했는데 이후 항공우주연구원의 위탁과제는 끝났고, 그래서 내버려 두는 게 너무 아까워서 우리 실험실에서 연구하여 한 번 구현해 보자고 그게 올 초였던 것 같습니다. 올 4월인가 그때 만들어서 실험하려고 했었는데요. 기능 사항에 미비한 점이 있어 다시 설계 수정을 하고, 지금 다시 시험 비행을 하려고 생각하고 있습니다. 현재 마무리 단계까지 다 왔는데요, 11년 전에 달착륙선 실험을 할 적에는 수동으로 비행을 했었거든요. 이번에는 컴퓨터를 탑재해서 자동 비행을 하려고 합니다. 현재 자동비행 컴퓨터와 로켓을 제어하는 제어 장치 결합하는 데 약간의 문제점이 있어 지금 수정하는 중입니다.

    인도, 이스라엘에서도 착륙하는 마지막 단계에서 두절이 된 것과 마찬가지인데요. 달의 중력으로부터 착륙선을 지지 할 수 있는 로켓의 작동이 굉장히 중요합니다. 그래서 달 착륙선을 보내려면 달에 직접 보내기 전에 지상에서 충분히 시험해야 되는데요. 현재 저희가 개발하고 있는 달 착륙선 지상 시험 비행기는 그런 용도로 생각할 수 있을 것입니다. 그러니까 그 달 착륙선의 알고리즘이라든가 착륙선 엔진으로 작동하는 로켓을 제어하는 것이라든가 이런 걸 미리 사전에 지상에서 충분히 실험해서 검증을 해야만 달에 가서도 작동할까 말까 하거든요. 인도나 이스라엘도 마찬가지겠지만 지상에서 달에 보내기 전에 아마 수십 번 수백 번 실험을 했을 겁니다. 그런데도 실패가 있었는데 우리도 마찬가지입니다. 우리 실험실에서 20년 이상 로켓을 연구해 사실 저희가 처음 시작을 할 적에는 여기까지 올 수 있으리라고 생각하지 못했습니다. 거기에는 많은 학생의 헌신, 그리고 성취가 있었다고 생각합니다.


    6. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

    연구에서 가장 어려운 점이라기보다는 연구에서 뭐가 중요한지를 이야기해드리겠습니다. 연구에서 가장 중요한 것은 내가 무엇을 연구할 것인가 하는 것입니다. 다행히 저희 실험실에서 함께 연구했던 학생들, 그 학생들에게 참 감사하는 마음이 들어요. 연구할 적에는 무엇을 연구하는지를 결정하는 것이 가장 중요하고, 그다음 그 연구를 위해서 진짜 열정과 헌신을 할 각오가 되어 있는가, 그 두 가지가 연구에 매우 중요하다고 생각합니다. 사실 로켓을 연구하게 된 가장 큰 도우미는 학생들이었습니다. 20년 전 다양한 두세 종류의 연구를 수행하고 있었는데요. 학생들이 점점 로켓을 연구하고 싶어 했고, 그러다 보니 실험실 이름도 로켓 연구실로 바꾸게 되었습니다. 또 로켓과 관련되지 않은 연구는 저희가 사양하고 거절하는 그런 일들도 있었습니다. 그래서 어려운 점이라기보다는 연구에 있어서 가장 중요한 것은 어떤 연구를 할 것인지 하는 것과 그 연구에 대한 열정과 헌신이 필요하다는 생각이 듭니다.

    실제 연구하다 보면 자금이 부족할 수도 있고, 하지만은 그것은 해결할 수가 있는 일입니다. 그렇지만 진짜 그 열정을 가진 연구자들, 그다음 내가 무엇을 연구하겠다는 분명한 목표 그것이 있다면 연구 자금 기타의 문제들은 시간이 저절로 해결해 왔던 것 같습니다.  저는 우리의 젊은이들한테 굉장히 감사하고, 또 기대를 많이 하고 있습니다. 우리나라처럼 작은 나라에 우주 기술을 보유하고 있는 미국, 러시아, 인도, 일본 이런 나라를 비교해보면 진짜 우리가 가진 것은 젊은이들의 열정, 헌신 주장할 수 있는 게 그것밖에 없거든요. 지금 미국이나 러시아, 중국이 연구 결과를 보면 사실 압도되기는 합니다. 하지만 우리는 연구자들이 있기에 우리에게 기회가 주어진다면 충분히 할 수 있다고 생각을 하고 있습니다.




    7. 우리나라 우주개발 중장기 계획에 따르면, 2020년 달 궤도선, 2030년 달 착륙선, 2035년 소행선 탐사선 등의 우주임무가 예정되어 있다고 하던데요. 교수님께서 생각하시는 우주개발 시장에 대한 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

    국내, 국외 상황을 비교한다면 우주탐사나 달 탐사를 하는 데 들어가는 핵심기술들은 다른 산업기술과 달리 국가 간에 이전할 수가 없습니다. 예를 들어 달 탐사를 하려고 착륙선을 만들기 위해 미국에서 착륙선의 엔진을 수입하겠다고 한다면 미국이 팔지 않습니다. 그래서 연구를 하려면 스스로 국내 개발을 해야 하는데요. 사실 막대한 비용도 비용이지만 R&D 과정에서 일상적으로 실패의 위험도 있기에 매우 어려운 실정입니다.

    그래서 2020년도, 2030년도, 2035년에는 계획을 세울 수는 있습니다. 하지만 직접 추진을 하다 보면 언제든 실패라는 것 가능성이 있고, 한국에서 달 탐사 1단계를 하면서 사정이 여의치 않아 사업 기간도 연장하고, 여러 가지 비난을 받는 상황인데요. 이것은 우리가 인정해야 합니다. 우주 부품 산업을 완전히 성숙시킨 바탕 위에서 우주로 가려고 하는 것이 아니라 그런 상황들이 구축이 안 되어 있음에도 불구하고 대형 국가사업이 나온 것들이거든요. 아직 정확하게 어떤 부분이 지금 더 필요하고, 명확하지 않은 상황에서 계획들이 나왔다고 보는데, 우주개발 시장에 대한 우리는 좀 실패를 용인하는 그런 풍토가 필요하다고 생각합니다.





    중국 달 탐사선 창어 4호는 2018년 12월 8일 쓰촨성 시차 위성발사센터에서 성공적으로 발사됐다. 창어 4호는 달 뒷면 탐사를 목적으로 연구 개발되었으며, 미국 항공우주국(NASA)의 아폴로 유인 우주선을 포함해 그동안 다양한 형태의 달 탐사선이 발사됐지만, 달 뒷면 탐사에 도전하는 건 중국이 처음이다. 달은 자전과 공전 주기가 27.3일로 동일해 지국에선 달의 뒷면이 보이지 않는다. 이런 이유로 그동안 달 탐사는 뒷면에서 진행되지 못했다. 중국이 공개한 영상은 착륙지인 폰 카르만 분화구에 안전하게 터치다운 하기 전 달의 지표면을 날아다니는 창어 4호의 모습을 보여준다. 달 착륙선 카메라가 보내온 약 4,700장의 사진을 이용해 완성한 착륙 순간의 동영상이다. 창어 4호는 이곳에서 탐사로봇 위투(옥토끼)-2호를 분리시켰다.


     







    미국 화성 탐사선 인사이트호는 반년에 걸쳐 화성 적도 엘리시움 평원에 무사히 착륙했다. 착륙 지점에 본체를 고정한 후 지하 5m 깊이까지 구멍을 파서 탐지기를 설치했고, 화성 내부 구조에 관한 상세자료를 수집할 예정이다.

    8. 우주패권 경쟁은 현재 미중 경쟁으로 이어지고 있다던데요. 교수님의 생각은 어떠신지..

    미국과의 경쟁에서 미국을 압도하기 위해서 우주 기술이라는 것은 군사 기술하고 어떻게 분리하기 쉽지가 않아요. 대형 로켓은 ICBM(대륙간탄도미사일) 개발하고 똑같거든요. 우주 발사체 능력을 갖춘다는 말은 지구상의 어떤 나라든지 마음만 먹으면 공격할 수 있다는 의미이거든요. 그러니까 어떤 한 나라가 고성능 스텔스 전투기를 샀다고 아니면 굉장히 성능 좋은 탱크, 대포를 만들었다는 것은 세계적인 관심사가 아닙니다. 물론 인접 국가에서는 바로 옆에 있는 국가가 스텔스 전투기를 확보했다고 한다면 대응 면에서 관심사가 됩니다. 하지만 우주 발사체를 갖게 된다는 말은 북한에서 ICBM 시험에 성공한다면 심지어는 프랑스, 영국, 독일까지도 심각한 문제로 생각하는 것입니다. 그만큼 우주발사체 능력이라는 것은 전 지구적인 관심사가 됩니다.


    9. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

    인공위성 연구소에서 우리별 1호를 처음 쏘아 올린 이후로 거의 30년이라는 세월이 흘렀는데요. 30년 동안 우리가 많은 진전이 있었습니다. 진보, 진전들을 뒤돌아보면서 좀 더 우리가 앞으로 가야 할 길에 대해서 정리하고 나가는 단계가 필요하지 않나 생각이 듭니다.  우리나라의 우주 분야의 미래에 대해서 굉장히 밝게 생각하고 있습니다. 우수하고 열정적인 연구자들이 있기 때문에 그렇고요. 연구자들의 마음속에 뜨거운 것 끓어오르는 느낌을 받거든요. 우수한 연구자들이 있기에 우리가 무엇을 꿈꾸느냐에 따라서 충분히 세계적인 우주 국가로서 올라설 수 있다고 보고 있습니다.


    10. 연구비 투자는 다른 연구에 비해 많이 필요할 것 같습니다. 로켓 연구에 투자에 대해서 교수님의 생각은 어떠신지? 

    정부가 로켓 투자 자금으로 2조 원을 책정했습니다. 한국형 발사체 누리호 개발을 위해 2조 원을 투자했는데요. 그 투자가 항공우주연구원이 주로 한국형 발사체 명목으로 지출을 해왔거든요. 우주 탐사선이라는 게 이런 부분에 있어서 우주 발사체 개발하고는 또 다른 여러 가지 기술적 문제들이 있는데요. 그런 부분에 대한 R&D 개발 투자가 좀 약하지 않았었나 하는 생각이 있고, 그런 부분에 있어 역시 시행착오가 필요하다고 생각합니다. 지금은 과거의 문제점들을 보완하기 위해서 정부에서 우주 분야 R&D 투자를 개선하기 위한 여러 가지를 고민을 노력하고 있는 것으로 알고 있습니다.


    11. 우리나라의 달 탐사 수준은 어떤가요?

    정부에서 추진하고 있는 달 탐사 1단계에서는 착륙은 안하고, 달 궤도 상으로 보내서 달 주위를 도는 것까지 하는 것으로 되어 있습니다. 달 착륙선 지상 시험기의 경우에는 그 후속 사업, 달 탐사 2단계 사업에 활용이 될 수 있을 것으로 예상을 하고 우리가 연구하고 있는 중입니다.


    12. 지금 이 영상을 보고 공부하고자 하는 학생들이 많을 것 같은데요. 그 분들에게 조언 말씀 부탁드리겠습니다.

    우리나라는 미국, 중국, 러시아를 비교하면 정말 아주 작은 나라입니다. 하지만 우리가 지난 30년 동안에 이룩한 우주 분야에서 진보는 우주 선진국들이 깜짝 놀랄 정도로 커다란 진전을 이루어 왔습니다. 앞으로 30년 동안에는 우리나라가 진정 미국이나 러시아, 중국과 일대일로 대응을 할 수 있는 수준으로 성숙할 것이라고 믿습니다. 
    우리가 의지할 곳은 바로 여러분들밖에 없습니다. 우리는 미국이나 러시아처럼 광대한 영토를 가진 것도 아니고, 미국처럼 엄청난 자본을 가진 것도 아니며 우리가 믿을 수 있는 것은 꿈을 꿀 수 있는 여러분들, 여러분들이 있기에 30년이 흐른 후에 미국이나 러시아, 인도, 중국 못지않은 우주 선진국으로 발돋움할 수 있다고 믿습니다.



     

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    |2019.11.12
    로켓과 관련된 연구는 꼭 필요한 연구지만 다른나라와 협력이 불가능하고 과도한 부담이 주어지는 연구라서.. 사명감이 없으면 참 어려울거 같습니다. 그래서 요즘 젊은 연구자들이 다가가기는 쉽지않은... 근본적인 지원책이 필요할거 같습니다.
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