누리호 비정상 비행 '예상외 복병' 7t급 3단 엔진

누리호의 7t급 3단 액체엔진이 500초 연소시험을 진행하고 있다. 한국항공우주연구원 유튜브 캡처

한국형발사체 '누리호(KSLV-Ⅱ)’가 21일 목표한 속도로 위성 모사체를 지구 저궤도에 투입하지 못하면서 사실상 재도전에 나서게 됐다. 위성 모사체가 초속 7.5km의 속도로 고도 700km 궤도에 위성 모사체를 투입했어야 하나 초속 6.7km에 머무른 것으로 확인됐다. 1~2단 엔진은 제 성능을 냈지만 7t급 3단 엔진이 목표된 연소시간인 521초를 채우지 못하고 475초 만에 조기 종료된 탓이다. 이상률 항우연 원장은 21일 누리호 발사 직후 열린 브리핑에서 "3단 연소시간이 부족해 원하는 속도가 주어지지 않아 위성 모사체를 정확한 속도로 분리하지 못했다"고 말했다.

3단에 들어가는 7t 엔진은 그동안 상대적으로 주목을 받지 못했다. 누리호는 총 길이 47.2m, 무게는 약 200t으로, 3단으로 구성된 우주발사체다. 1단은 75t급 액체엔진 4기, 2단은 75t급 액체엔진 1기, 3단은 7t급 액체엔진 1기로 이뤄져 차례로 단 분리하며 점화된다. 75t 액체인진 4기를 묶는 1단 로켓 기술인 '클러스트링'이 그간 중점적으로 주목받아왔다.

누리호 비정상 비행의 원인으로 꼽히는 7t급 3단 엔진은 75t급 엔진의 3분의 크기다. 7t급 엔진은 지난 8월 기준 모두 12기 엔진을 시험, 총 93회, 누적 연소시험 1만6925.7초를 수행했다. 고정환 항우연 한국형발사체개발사업 본부장은 이날 누리호 발사 후 브리핑에서 "7t 엔진이 75t 엔진에 비해 추력이 10분의 1이니 쉽지 않냐고 볼 수 있지만 내부적으로 7t 엔진을 만들기 더 어렵다고 본다"며 "노즐의 확대비 같은 부분에서 7t 엔진이 훨씬 더 가혹한 조건이다"고 말했다.

3단에 들어가는 7t 엔진의 노즐 길이가 1단보다 길다. 추력을 최대한 높이기 위해 배출되는 가스의 압력과 대기압이 같아져야 하기 때문이다. 노즐에 조그마한 결함이 있어도 엔진이 제대로된 추력을 내지 못하게 된다. 노즐이 긴 만큼 이런 결함들을 관리하기 힘들다. 또 3단에 들어가는  7t 엔진은 가장 마지막에 켜지기 때문에 대기압이 가장 낮은 상태에서 불이 붙는다.

불꽃이 여러 갈래 퍼지게 되며 추력이 떨어진다. 이런 점들을 감안할 때 7t 3단엔진 개발이 예상외의 복병이라는 평가가 나온다. 항우연 연구진은 이번 7t엔진 조기 종료가 구조 문제는 아닐 것이라 추정하고 있다. 고 본부장은 "엔진 조기 종료 원인 여러 가지 있다"며 "대표적인건 탱크 내부 압력이 부족했다든지 연소 종료 명령이 잘못 나갔다든지 등 여러 가능성이 있다"고 말했다. 이어 "연료가 부족하거나 엔진에 문제가 있는 것은 같지 않다"며 "데이터를 정확히 봐야 한다"고 덧붙였다. 

이상률 항우연 원장은 "3단 엔진 연소 왜 부족했는지 조사를 해봐야 한다"며 "다만 '이거 아닐까'하는 짚이는 곳이 두 세가지 정도 있다"고 말했다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]