로켓 엔진을 통해 본 냉전시대 [ 4 ] 단순한 그러나 어려운 시도



로켓 엔진을 통해 본 냉전시대 [ 4 ] 단순한 그러나 어려운 시도



미국은 앞서 설명한 것처럼 엔진의 성능 향상, 다단계 로켓, 부스터를 이용한 추력증대 등 여러 가지 방법을 병행하면서 로켓의 성능을 증대시키기로 하였는데, 사실 이러한 방법들은 소련도 진행하고 있었을 만큼 특별한 것은 아니었다. 결국 여러가지 시도와 실험 결과, 최종적인 방안으로 엔진의 성능 자체를 증대시키는 것이 로켓의 힘을 늘리는 가장 좋은 방법임을 알게 되었다.



[ 실험 중인 로켓 엔진의 모습, 의외로 단순해 보인다 ]


그런데 처음에 설명한 것처럼 로켓의 엔진은 단순히 크기만 키운다고 추력을 쉽게 늘릴 수 있는 구조는 아니었다. 폭발력을 증대시키면서 한편으로 발생하는 충격을 흡수할 수 있는 튼튼한 금속 재료, 연비를 높이기 위한 최적의 연료 혼합 장치 및 연료 공급 계통의 재설계, 로켓의 안정성을 높이기 위한 냉각 장치의 개선 등 여러 문제를 동시에 해결하여야 엔진의 능력을 배가 시킬 수 있었다.



[ V2도 초창기 엔진 문제로 많은 실패를 겪었다 ]


초창기 소련 우주 개발을 선도하였던 코롤레프(Sergei P. Korolev)도 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 고심을 하였다. 코롤레프가 이끈 소련의 기술진은 1955년, 기존의 엔진보다 그 성능이 향상된 노즐을 가진 RD-105 엔진을 개발하는데 성공하였다. 그러나 RD-105 엔진만으로 대륙 간을 횡단하여 미국을 강타 할 수 있는 사거리 8,000km 이상의 로켓을 만들기에는 모자랐다.



[ 소련 우주개발의 선구자 코롤레프 ]


그렇다고 이제 막 실용화에 성공한 RD-105 엔진보다 몇 배 이상 뛰어난 고성능의 엔진을 단기간 내 개발하기는 무리였다. 당시 기술력으로는 여러 난제를 동시에 해결하는데 한계가 있었고 엔진의 성능을 배가시키는 노력은 답보만 거듭하게 되었다. 반면 조급하였던 소련의 군부는 하루빨리 미국을 압도할 수 있는 장거리 로켓의 개발을 요구하였다.



[ 초창기 소련 장거리 로켓의 베이스가 되는 RD-105 엔진 ]

 

고심을 거듭하던 코롤레프는 한 가지 방안을 생각하였다. 의외로 단순한 방법이기는 한데 RD-105 엔진을 여러 개 모아서 동시에 추력을 얻게 하면 충분한 힘을 낼 수 있을 것이라는 생각이었다. 일종의 부스터이기는 한데, 미국의 경우는 보조 추력을 얻기 위한 방편으로 1~4개의 보조 로켓을 로켓 동체에 붙이는 방법이지만 각론으로 들어가면 코롤레프의 생각은 보통의 부스터 개념과는 차이가 있었다.



[ 추력을 증가시키기 위해 쌍으로 연결된 미국 아틀라스 로켓의 RD180 엔진 ]


코롤레프의 생각은 다수의 엔진을 묶음으로 하여 병렬로 연결하는 형태였다. 즉 용량이 한정된 전기만 사용하여야 한다고 가정할 때, 요구되는 밝기를 낼 수 있는 대용량의 전구가 없으면 작은 전구 여러 개를 동시에 켜서 같은 밝기를 낸다는 원리였다. 우선 코롤레프는 4개의 RD-105 엔진을 하나의 모듈로 하고 여기에 작은 보조 엔진을 더 붙인 RD-107 엔진을 만들어 추력을 증가시키는데 성공하였다.



[ RD-105를 모듈로 하여 제작된 RD-107엔진 ] 


ICBM의 최소 요건이라 할 수 있는 사거리 8,000km 이상의 로켓에는 당연히 상당량의 연료가 탑재되어야 하고 그만큼 무게가 늘어나게 된다. 이런 거대한 로켓을 발사하려면 추력이 적어도 3.5MN 정도는 되어야 했고 이를 위해서는 적어도 5~6개의 RD-107 엔진이 필요하다고 계산되었다. 즉, 하나의 로켓에 20개정도의 RD-105 엔진들을 병렬로 연결하면 충분한 추력을 얻을 수 있을 것이라 생각하였던 것이었다.



[ 최근의 로켓도 종종 폭발사고를 일으킬 만큼 위험한 물건이다 ] 


이때 핵심은 동시에 엔진이 점화가 되고 각 노즐마다 동일한 추력이 지속적으로 발생되도록 연료를 공급하는 제어 기술이었다. 작은 추력의 엔진을 다발로 묶어 대 추력을 내는 것은 이론적으로 가능하지만 각 엔진이 동시에 점화되지 않거나 또는 추력이 엔진마다 차이가 난다면 비행의 안정성이 당연히 저하되고 심한경우는 로켓이 폭발할 가능성도 컸기 때문이었다. ( 계속 )



본 글은 "국방부 동고동락 블로그" 작가의 글로써, 국방부의 공식입장과 관련이 없습니다.

 


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