우주 발사체… 어떤 기술 적용되나?

 

 

 

 

이용복 박사팀, 극저온 작동 '터보펌프 베어링 국산화 개발' 박차
베어링, 산소압축 원천…우주공간 로켓 발사 핵심 기술 중 하나

 

 

순수 국내 기술로 개발된 한국형발사체가 2019년 우주로 날아오를 계획이다. 미래창조과학부는 지난 4월 18일 대통령 업무보고에서 한국형발사체 발사를 당초 2021년에서 2019년으로 2년 앞당기겠다고 확정 보고했다. 김승조 항공우주연구원장 역시 '정부지원이 충분히 뒷받침된다면 기술적으로 개발시기를 2년 앞당기는 것은 충분히 가능하다'는 입장이다.

 

우주개발은 우주공간의 천체, 행성 등을 로켓, 우주선과 같은 과학기기를 동원해 연구하는 것으로 일반국민들에게 직접 와 닿는 기술은 아니다. 하지만 우주공간의 밝혀지지 않은 자원을 찾을 수 있고 관련기술을 군사기술로 사용할 수 있는 만큼 국가안보 등의 명목으로 선진국이 앞 다투어 연구개발에 초점을 맞추고 있다.

 

종합기술연구소인 KIST에서도 우주개발 관련기술을 오랫동안 연구해왔다. 2011년에는 그 성과를 인정받아 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원과 한국항공우주연구원 터보 펌프팀(팀장, 김진한)과의 협조 하에 '터보펌프 베어링 국산화 시제품 개발' 과제를 수행 중이다. 15명의 KIST연구원이 투입됐으며, KIST를 주관으로 한양대, (주)일진베어링 등과 공동 진행 중이다. 이번 연구가 성공하면 신뢰성 검증과 양산등를 고려하여 2019년 우주로 쏘아지는 한국형발사체에 사용 될 수 도 있다.

 

이 과제를 총괄하는 KIST 이용복 박사는 "우주개발기술은 대부분 공개를 하지 않기 때문에 자체개발해야하는 어려움이 있지만 개발을 해 놓으면 글로벌 마켓에서 적지 않은 파급기술이 될 것으로 개발에 박차를 가할 것"이라고 말했다.

 

*베어링이란? 축이 회전 운동을 할 때 마찰 저항을 작게 해 운동을 원활하게 해주는 축을 받쳐 주는 기계.

 

 

 

시제품 개발 되면 극저온에서 2100초간 시운전 목표…80% 구현 성공

 

 

중력의 법칙에서 벗어나 하늘로 날아올라야하고, 산소가 없는 공간에서 기계가 작동돼야하며, 우주에서 관찰된 영상들이 지구에 도달해야하는 등 다양한 기술이 요구되는 ‘기술의 종합판’ 우주기술.

 

이 다양한 기술 중 KIST는 발사체 1단에 설치될 터보펌프에 사용되는 '극저온 볼 베어링'을 개발 중이다. 터보펌프는 항우연이 개발 중으로, KIST의 베어링이 성공적으로 완성되면 한국형발사체에 조립해 쓸 예정이다.

 

그런데 왜 극저온일까. 이 박사에 따르면 2019년 발사될 한국형 우주발사체에는 연료로 캐로신등을(등유등을) 쓸 예정인데, 우주공간에는 산소가 없기 때문에 활활 타오르지 않는다. 이에 산소를 압축 시켜 발사체에 싣는데 그 과정에 부품의 하나로 냉각이 필수적이다. 이를 위해 압축 장치로 활용하는 것이 터보펌프이다.  이 터보 펌프를 -180도 이상의 액체 산소 분위기에서 고속으로 회전하는 축을 원활히 회전시키는 윤활 부품으로 극저온용 베어링이 사용된다.

 

 

그는 "로켓이 발사되면 1단이 분리되는데 200여초가 걸린다. 그 동안 냉각된 산소 분위기에서 를 싣고도 베어링이 안전하고 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 실제 환경에 맞게 지상에서 테스트를 하는 것이 1차적 목표"라고 말했다.

 

베어링 자체가 고속으로 회전하기 때문에 회전에 따른 신뢰성도 중요하다. 이에 이용복 박사팀은 '300마력, 1000Hz, 6만 rpm 초고속 PM 전동기의 회전 구현 기술'을 개발 '2011 지식경제부 주관 신기술 선정 인증'을 받은 바 있다. 이 외에도 KIST연구팀 내에는 극저온 회전에서 발생할 수 있는 마찰과 마모를 줄이기 위한 독자적 은코팅 기술도 갖고 있다. 그는 "극저온에서 사용하기 위해서는 마찰과 마모, 윤활효과가 좋은 금이나 은으로 도금 코팅해야한다"고 말했다.

 

이 박사팀은 시제품을 제작해 -180℃에서 2100초간 시운전하는 것이 목표다. 현재 목표대비 80%의 구현성을 보인 상태지만 지속적인 반복시험에 따른 으로 신뢰성 확보가 성공의 관건이다

 

 

우주개발기술은 대부분 공개를 하지 않기 때문에 다른 나라가 기술을 갖고 있다고 해서 참고해 만들 수 있는 것이 아니다. 극저온용 베어링도 마찬가지로 무(無)에서 유(有)를 창조해야하는 상태. 그러나 오픈이 잘 안 돼 있는 만큼 개발을 완료하면 글로벌 마켓에서 파급효과를 거둘 것으로 기대된다.

 

이 박사는 "우리가 개발한 극저온 볼 베어링 기술은 비행체나 미사일과 같은 군사용 기술, 극저온으로 운반해야하는 LNG (이동) 펌프, 산소, 수소 펌프 기술등에도 들어갈 수 있다"면서 "처음 설계, 제작 등을 할 때 벤치마킹할 부분이 없었고, 극저온에서 실험하다보니 생각지 못한 문제들이 발생했지만 꾸준한 실험과 협력연구를 통해 연구개발에 몰두할 수 있었다"고 말했다.