`더 강하고 빠르게`...`액체수소·메탄·원자력` 연료분야로 번진 우주전쟁 [이준기의 과·알·세]

지난 4일 제주 해안에서 발사된 우리나라 고체연료 발사 모습 국방부 제공

지난 2일 미국 반덴버그 우주군기지에서 우리 군의 최초 군사정찰위성 1호를 탑재한 미국 스페이스X의 '팰컨9' 로켓이 발사되고 있다. 스페이스X 제공

미 NASA가 추진하는 원자력 연료를 활용한 핵 열추진 로켓 상상도 NASA 제공

지난 4일 제주 해안에서 고체연료 우주발사체 발사에 성공함에 따라 우리나라는 액체연료 우주발사체 '누리호'에 이어 고체연료 우주발사체까지 독자 기술로 확보하게 됐다. 이에 따라 향후 액체·고체연료 엔진 기술을 바탕으로 친환경, 경제성 측면에서 우위를 점하는 액체수소, 메탄, 원자력 연료 등 다양한 연료 엔진 기술이 주목받고 있다.

우리나라는 지난 2021년 한미 미사일 지침 종료에 따라 고체연료 우주발사체 족쇄를 벗은 지 2년 만에 민간 상용위성을 싣고 목표 궤도에 진입시키는 데 성공했다. 고체연료 우주발사체는 지난해 3월과 12월에 각각 1, 2차 시험 발사를 성공적으로 마쳤다. 특히 지난해 12월 2차 발사 때는 전국의 밤하늘에서 섬광과 하얀 연기가 목격돼 '미확인 비행체'라는 해프닝이 벌어지기도 했다.

이번 3차 발사에서는 국방과학연구소가 개발한 고체연료 발사체를 제주 해안의 바지선에서 발사했다. 1, 2차 발사 때는 모의 위성을 탑재한 것과 달리 한화시스템이 개발한 지구관측용 'SAR 위성'을 탑재한 '실전 발사'였다.

이를 통해 우리나라는 향후 소형위성을 지구 저궤도에 신속하게 투입할 수 있는 독자적 우주능력을 확보에 한 걸음 다가섰다. 아울러 우주 기반 감시정찰능력을 강화하는 계기가 만들어질 것으로 전망된다. 국방부는 2025년 1∼3단은 고체연료, 4단은 액체연료를 활용한 고체연료 발사체를 최종적으로 발사하겠다는 계획이다.

이처럼 우주발사체 연료는 크게 액체연료와 고체연료로 나뉜다. 액체연료는 연료탱크, 산화제 탱크, 터보펌프, 연소기, 밸브 등 수많은 구조물과 부품이 들어가기 때문에 설계가 복잡하고 제작비도 비싸다. 또한 비추력(추진제 무게당 추력)이 좋고, 발사 후에 추력과 속도를 제어할 수 있어 인공위성이나 탐사선, 우주선 등을 우주로 보내는 우주발사체에 주로 쓰인다. 다만 부식성이 있다 보니 발사를 앞두고 연료를 주입한 채 장시간 발사 대기가 어렵다.

이에 반해 고체연료는 구조가 액체연료보다 상대적으로 간단하고, 무게가 가벼운 데다 제작비도 적게 든다. 더욱이 연료만 장착하면 언제든지 발사가 가능해 신속하고 은밀하게 발사할 수 있어 군사적 목적으로 많이 사용된다. 북한이 고체연료를 활용해 중거리 탄도미사일 개발에 힘쓰는 것도 발사 준비시간을 최대한 줄여 재빨리 공격하기 위한 이유에서다.

고체연료는 다만, 한번 점화되면 추력이나 속도 제어가 불가능하다. 이렇다 보니 고체연료와 액체연료의 장점만을 살려 함께 사용하는 '하이브리드 연료 엔진'도 널리 쓰인다. 대표적으로 우리나라 최초 발사체인 나로호는 1단 액체연료 엔진, 2단 고체연료 엔진을 사용했다. 액체 산화제를 고체연료 추진제에 분사시켜 고온과 고압의 연소가스로, 액체연료보다는 낮고, 고체연료보다 높은 비추력을 나타낸다. 안전성에서는 액체연료에 비해 외부 충격이나 외부 온도 변화에 민감하지 않아 연료 보관이 용이하고, 오염물질도 상대적으로 적어 친환경 특성을 갖는다.

액체수소는 고체·액체연료보다 '가성비' 측면에서 가장 높은 평가를 받는다. 인류 역대 최강 우주발사체로 불리는 'SLS(우주발사시스템)'의 연료도 액체수소였다. 액체수소는 다른 연료에 비해 강력한 힘을 낼 수 있지만, 영하 253의 극저온에서 수소가 액화되기 때문에 저장과 취급이 어렵고, 제작에도 고난이도 기술이 필요하다.

최근에는 재활용이 가능한 액체연료로 메탄엔진이 각광받고 있다. 액체 메탄은 산화제인 액체산소와 결합해 연소하면 이산화탄소와 물이 생성돼 기존 케로신을 사용하는 기존 액체연료에 비해 매연과 그을림이 적어 재활용 로켓에 적합하다. 실제 민간 우주기업들은 메탄연료 엔진 개발에 뛰어들어 블루오리진의 'BE-4 엔진', 지난달 18일 2차 발사에 실패한 스페이스X의 다목적 우주선 스타십에 사용한 '랩터엔진'이 대표적이다.

1960∼1970년대 초기 원자로 기술 발전과 함께 미국 NASA(항공우주국)가 개발하다가 방사능 피해와 천문학적 비용으로 중단했던 핵연료 엔진도 다시 시도되고 있다. 원자로를 통해 핵분열 반응 시 발생하는 열로 추진체를 가열해 분사시키는 방식인 핵 열추진 기술은 기존 연료 엔진과 달리 적은 연료로 화성과 같은 심우주로 오랜 기간 강력한 추진력을 얻을 수 있어 NASA와 미국 DARPA(국방고등연구계획국)이 민간 기업과 함께 개발을 추진하고 있다. 이들은 2026년 초까지 지구 궤도에 원자력을 동력원으로 삼는 핵 열추진 로켓을 발사하겠다는 계획 하에 원자력 로켓 엔진 개발(DRACO) 프로젝트를 수행하고 있다.

채연석 전 한국항공우주연구원장은 "우주발사체 연료도 친환경, 경제성, 신뢰성을 확보하는 것이 앞으로 더욱 중요해질 것"이라며 "보다 먼 우주로, 더 오래 비행할 수 있는 발사체 연료 활용을 위한 기술혁신이 민간 우주기업을 중심으로 가속화될 것으로 예상된다"고 말했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr