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문제 정의
- 여러 정황으로 보아 어느 한 시스템으로 편중되기보다는 고체와 액체의 양 개 추진 시스템이 같이 발달되어 갈 것으로 보인다. 본 조사에서는 고체 추진기관 위주로 기술 동향과 발전 추세를 몇 가지 주요 관점에서 살펴보고자 한다. 체계 조립을 포함한 시스템 성능, 로켓 모터, 노즐과 내열재, 추진제 등의 큰 분야를 생각할 수 있다.
제안 방법
- 1980년대 초에 개발된 Trident II(D5)는 Trident I(C4)보다 진전된 것으로 3단 모두와 중간 단 모두, 점화기 등에도 복합재료를 사용한 고체 추진기관을 사용하였다. 1, 2단에 표준 탄성율의 탄소섬유 에폭시를 사용하여 만들었고 3단은 케블라 에폭시를 사용하여 필라멘트 감기 공법으로 제작하였다. 모터 직경은 1, 2단은 2.
- 체계 조립을 포함한 시스템 성능, 로켓 모터, 노즐과 내열재, 추진제 등의 큰 분야를 생각할 수 있다. 그 중에서도 1차적으로 이번에는 추진체계와 로켓 모터에 한정하여 조사하였다. 이를 통하여 우리나라의 우주 계획에 추진기관 관점에서 하나의 자료가 되기를 기대한다.
- 일본은 앞으로도 계속하여 우주 관찰, 지구 모니터, 달, 행성 탐사를 위하여 과학 위성들을 사용할 것이다. 이를 위해서는 다양한 궤도에, 즉 저 지구 궤도(LEO)에서 부터, 극(polar), 큰 타원 궤도에 위성을 보내고, 달과 행성에는 우주선을 보낼 것이다. 이러한 다양한 우주 탐사에 일본은 간편성과 그 동안의 연구에 의한 준비, 경비 효과 면에서 액체나 혼합 모드의 시스템보다는 고체 추진시스템을 추천하고 있다[8].
- 지금까지 고체 추진기관을 위주로 1950년대부터 시작되는 복합재료 모터 케이스들의 개발 적용 사례들을 조사하였다. 적용 초기에는 유리섬유와 에폭시 레진을 사용하기 시작하였다.
대상 데이터
- A.(전 FiatAvio)에서 2000년 후반에 ESA(European Space Agency)의 소형 발사체인 Vega의 1단 모터로 P80을 개발하였는데, 역시 HTPB 추진제를 사용하였고 모터 케이스도 단일 형 탄소 섬유 에폭시를 사용하였다. 직경 3미터에 길이는 10.
- 2단과 3단에도 모두 필라멘트 감기 공법으로 제작되었는데 중급 탄성율의 (IM7) 탄소 섬유에폭시를 사용하였다. 3개 단 모두에 3차원 탄소-탄소 노즐 목을 사용하고 카본 페놀 노즐을 사용하였다. 1, 2, 3단의 직경은 각각 1.
- 1970년대 초에 들어서서 Trident I(C4)이 미 해군의 함대 탄도 미사일의 5번째로 개발되었다. 3단의 고체 추진기관으로 구성되어 있으며, 1, 2단 모터의 직경은 1.9 미터이고 3단은 0.76 미터인데, Kevler-49 아라미드 복합재료와 레진을 연소실에 사용하고 스커트 부분에는 표준 탄성율의 탄소섬유와 에폭시 레진을 사용하였다. 1980년대 초에 개발된 Trident II(D5)는 Trident I(C4)보다 진전된 것으로 3단 모두와 중간 단 모두, 점화기 등에도 복합재료를 사용한 고체 추진기관을 사용하였다.
- 1980년대 초에 우주 왕복선(Space Shuttle)에 철강 부스터 대신에 필라멘트 감기 케이스(FWC: Filament wound case)가 개발되었다. 4개의 원통형의 단편(segment)으로 구성되었고 표준 탄성율의 탄소섬유와 에폭시 레진을 사용하였다.
- 성운(Constellation) 프로그램에서 다음 발사체로 기존의 추진 기술을 사용하기로 하고, 이러한 구조 아래에서 RSRM(Reusable Solid Rocket Motor)을 Ares I의 1단에, 그리고 Ares V 부스터에 적용하는 것이다[8, 10]. Ares I의 부스터는 합급강 모터 케이스로 만든 RSRB를 사용하고 추진제는 PBAN계를 사용한다. 우주 왕복선에서 사용한 부스터의 RSRM에 비하여 Ares I의 요구에 맞추기 위해서 몇 가지 설계 보완을 하여야 한다.
- Atlas V에도 복합재료를 우주 부스터에 사용하였다. Lockheed Martin 회사에서 Atlas V 521 만들어 성공적으로 2003년 7월 비행하였는데 모터는 HTPB 추진제에 필라멘트 감기의 탄소 섬유-에폭시 복합재료를 사용하였고, 직경 1.
- GEMs는 특히 Alliant Techsystems(전 Thiokol)에서 생산하는 모터에 붙인 이름이다[19, 20]. GEMs는 필라멘트 감기 공법에 오븐 경화를 하였으며, 중급 탄성률(modulus)의 탄소섬유를 사용하였다. Delta III 버전의 특징은 크고 강력한 카본 - 에폭시 필라멘트 감기 공법으로 만든 모터 케이스를 사용한 좀 더 크고 강력한 부착 보조 고체 로켓(strap-on solid rockets)을 사용한 것이다.
- Pegasus XL(Extended length)은 지구 제 궤도(LEO)에 소형 인공위성을 발사하는 선도 발사 시스템으로 여기에는 ATK의 Orion 모터가 사용되었다[24]. Taurus 발사체에도 Pegasus에서 입증된 Orion 모터를 사용하였는데 이 모터들은 모두 탄소-에폭시(graphite-epoxy) 복합재료 모터이고, HTPB 추진제를 사용하였다.
- BE-3 모터는 1960에 개발 되었고 고성능 로켓이었다. 레인저 우주 탐사선(Ranger Space Probe)의 추진기관으로 역추진로켓(retrorocket)과 전 방향 로켓 모두에 사용되었으며, 그밖에 다른 우주 추진에 이용하였다. Fig.
- Altair(X-248) 모터 케이스가 복합재로 개발된 첫 번째이다. 사용한 소재는 S-glass 섬유 강화 에폭시 레진 매트릭스 시스템을 사용하였다[18-23].
- 유럽 우주국(ESA: European Space Agency)의 사업인 아리안 5는 28번 연속 비행 성공을 기록을 갖고 있으며, 그 중 15개는 Arian 5 ECA이다. 아리안 5의 EAP 고체 추진기관은 모터 케이스에 금속재료를 사용하였고 추력은 240톤이다. Vega 프로그램에도 계속 사용하는데, Vega 1단에 사용되는 P80은 EAP 보다는 조금 짧은 것으로 탄소 섬유 에폭시의 필라멘트 감기 공정으로 만든 케이스를 사용하고 있다[8-14].
- 인도도 우주개발과 관련하여 많은 기술을 축적하고 있는데, 인도 최초의 인공 위성 발사체인 SLV(Satellite Launch Vehicle)-3은 1979년 1차 발사에 실패하였으나, 1980년 2차 발사에서 성공하였다. 이 성공으로 인도는 6번째 인공위성 발사국가 되었으며, SLV-3에는 4단의 고체 추진기관을 사용하였다. 인도의 ISRO는 계속적으로 PSLV(Polar Satellite Launch Vehicle)에 도전하여 무게 1톤의 원격 감지 위성을 태양 동기 극 궤도(Sun Synchronous Polar Orbit)에 진입시켰다.
- 한편 발사체 외에 전략 미사일에도 고체 추진 로켓 시스템이 많이 사용되었고[34] 모터 케이스에 복합재료가 적용되었는데, 전술한 유리섬유 복합재료 로켓 모터가 발사체에 적용됨과 같이 미사일 시스템에서도 같은 시기에 적용되기 시작하였다. 즉 50년대의 Polaris 계열과 60년대의 Poseidon 탄도 미사일에서 S 타입 유리섬유를 사용하였다. 1970년대 초에 들어서서 Trident I(C4)이 미 해군의 함대 탄도 미사일의 5번째로 개발되었다.
- 한편 1980년대 후반부터 이미 Agni 시리즈의 탄도 미사일을 개발하였는데, 1단에는 마레이징강을 2단에는 탄소섬유 모터를 사용하고 있다. 특히 재진입 비행체에는 다축 방향 강화 복합재료(MRCP: multi directionally reinforced carbon fiber) 기술을 사용하였다[16].
성능/효과
- 이 구성을 참조하여 보면 구조와 노즐 단열재가 예상대로 큰 비중을 차지하고 있어 시장에서의 획득 가능성과 관련되는 고강도 탄소 섬유 사용과 단열재 그리고 열 보호 장치가 비활성 질량을 감소시킬 수 있는 인자임을 알 수 있다. Vega 발사체에 섬유 강도가 3배 증가된 것을 사용하면, 1단에서 1600 kg, 2단에서 400, 3단에서 320 kg을 줄일 수 있고 탑재물의 질량을 23% 늘릴 수 있는 것으로 발표되었다[8].
- 초기의 모터 케이스는 합금강이었는데, 1990년대 초에 Titan IV를 업그레이드 시킨 Titan IVB가 개발되었을 때의 모터는 중급 탄성율(IM7: intermediate modulus)을 가진 카본에폭시 복합재료를 사용하여 필라멘트 감기 법을 사용하여 만들었다. 이 업그레이드된 모터는 Space Shuttle의 프로그램에서 개발된 FWC 기술이 적용되었고 이로 인하여 Titan의 탑재 능력이 25% 증가되었다. 1980년대 후반에 Pegasus 우주 발사체 개발을 시작하였다[22].
후속연구
- 이러한 다양한 우주 탐사에 일본은 간편성과 그 동안의 연구에 의한 준비, 경비 효과 면에서 액체나 혼합 모드의 시스템보다는 고체 추진시스템을 추천하고 있다[8]. 결과적으로 새로운 고체 로켓 발사 시스템 설계가 일본에서는 고려될 것이며, 고체 추진기관의 부-부스터(sub-booster), 1단, 상단, 적소의 적용 등으로 고체 발사체 적용 개발을 강화할 것이며 기 개발된 고체 로켓이 BBL로 이어질 것이다. Fig.
- 그 후의 발사체에 대하여 BB로 명확히 언급되고는 있지 않다. 그러나 이와 같은 BB 개념은 미국, 유럽, 인도 등 주요 우주 개발 국가에서 경비와 개발 기간 단축 및 기존 시설의 활용 등 모든 면에서 효율적으로 판단되어 앞으로 사업에 적용이 확대될 것이다.
- 이는 모터 케이스의 효율이 금속재료인 D6AC강, 아라미드 복합재료, 탄소섬유의 3 가지로 나누어 조사한 결과 탄소섬유가 가장 우수한 것으로 나와 이를 뒷받침하고 있다. 더 나아가 복합재료의 특성 개발과 병행하여 비활성 질량 감소에 부응하는 고강도 탄소섬유로 발전해 나아갈 것이며 단일 형 (monolithic)이나 단편 (segment) 수가 적은 복합재료 모터 케이스를 사용하는 방향으로 추구해 나갈 것이다.
- 그 중에서도 1차적으로 이번에는 추진체계와 로켓 모터에 한정하여 조사하였다. 이를 통하여 우리나라의 우주 계획에 추진기관 관점에서 하나의 자료가 되기를 기대한다.
- 즉 발사체 추진기관은 액체와 고체 추진기관을 각각 나름대로의 장점을 살려 공히 발전해 나갈 것이다. 특히 두 가지 혼합형이 좋은 방향으로 보이며, 고체 추진기관은 부스터, 부착 형(strap-on) 부스터와 1단 등 저단에 많이 활용될 것으로 보인다. 아울러 경비나 개발 기간 등을 고려하여 BBL 시스템을 거의 모든 우주 개발 국가에서 고려할 것이다.
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