[논문]저비용 우주 발사체 개발 동향 및 이를 위한 차세대 연료에 대한 고찰

배진현; 구자예; 윤영빈

doi:10.5139/jksas.2017.45.10.855

저비용 우주 발사체 개발 동향 및 이를 위한 차세대 연료에 대한 고찰
Development Trend of Low Cost Space Launch Vehicle and Consideration of Next Generation Fuel 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.10, 2017년, pp.855 - 862

배진현 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 구자예 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Korean Aerospace University) , 윤영빈 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering and the Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul National University)

초록
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인공위성의 경량화 및 소형화로 인하여 대형발사체보다는 발사 비용이 저렴한 저비용 발사체에 대한 관심이 증가되고 있다. 저비용 발사체의 비용 절감 중 가장 대표적인 방식이 발사체의 재사용이다. 저비용 발사체를 개발하고 있는 대부분의 기업들 역시 발사체 재사용 방식을 채택하고 있다. 이러한 재사용 목적과 더불어 친환경 우주 발사체에 대한 요구가 증가되면서 저비용 발사체에 사용되는 연료의 선택 역시 매우 중요해졌다. 친환경적이면서 발사체의 재사용이 가능하게 하는 연료 중 에너지 밀도 등 다른 요인을 고려했을 때 가장 적합한 것이 메탄이며, 메탄에 수소를 첨가하여 에너지 밀도를 높게 만든 HCNG(hydrogen-enriched compressed natural gas) 역시 적합하다고 판단되었다. 본 연구는 한국형 발사체 개발 이후 국내 우주 개발 방향 설정의 참고자료로써 전 세계 저비용 발사체 동향 및 로켓 연료의 특성에 대해 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the weight reduction and miniaturization of satellites, there is a growing interest in low-cost launch vehicles, which are cheaper to launch than larger launch vehicles. One of the most cost-effective ways to reduce the cost of launch vehicles is the reuse of vehicles. Most companies that are developing low cost launch vehicles are also adopting a vehicles reuse approach. Along with this reuse purpose, the demand for environmentally friendly space launch vehicles has increased, so the choice of fuel used for low cost launch vehicles has also become very important. Methane and hydrogen-enriched compressed natural gas (HCNG), which makes more energy-efficient by adding hydrogen to methane, are considered to be the most suitable when considering other factors such as energy density among the fuels that are eco-friendly and capable of reusing the launch vehicles. This study investigated the trends of low-cost launch vehicle and rocket fuel in the world as a reference for setting up domestic space development after the development of Korea Space Launch Vehicle-II.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 우주 발사체의 방향성에 대해 분석하기 위하여 인공위성을 포함한 전세계 우주 시장을 분석하였다. 또한, 저비용 발사체를 위한 대표적인 비용 절감 방식인 발사체 재사용에 대한 트렌드를 분석하였고, 저비용 발사체에 적합한 연료에 대한 고찰을 진행하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 우주 발사체의 방향성에 대해 분석하기 위하여 인공위성을 포함한 전세계 우주 시장을 분석하였다. 또한, 저비용 발사체를 위한 대표적인 비용 절감 방식인 발사체 재사용에 대한 트렌드를 분석하였고, 저비용 발사체에 적합한 연료에 대한 고찰을 진행하였다.
3d프린팅 방식을 사용하여 엔진을 제작하며, 24시간이라는 매우 짧은 엔진 제작 소요시간으로 발사체 비용을 감소시킬 수 있었다. 또한, 전기추진펌프를 사용하여 발사체 무게를 감소시킴으로써 연료를 절약하였다.

대상 데이터

인도우주개발연구소 ISRO는 2단 재사용 발사체를 사용하여 특정 궤도로 진입시키는 ReusableLaunch Vehicle-Technology DemonstrationProgramme(RLV-TD) 프로젝트를 진행하고 있다.2016년 5월, 다하완 우주센터에서 RLV-TD 발사체의 비행 시험을 진행하였다. 1단으로 고체 부스터인 HS9에 실려 비행시험이 진행되었으며,91.
이러한 우주 개발에 있어서 가장 필수적인 것이 사람 또는 위성을 우주 공간으로 보내는 발사체 기술이다. 초기 발사체는 과거 탄도유도탄으로 사용되었던 로켓을 개량하였기 때문에 고체 연료를 사용하였다. 고체 연료를 사용하는 발사체의 경우 그 구조가 단순하고, 무게가 가벼우며, 저렴하다는 장점이 있으나, 한번 점화가 이루어지면 추력을 조절하거나 연소 속도를 조절할 수 없다는 단점[1]이 있다.
가장 대표적인 발사체는 Falcon 9으로 776 tonf 급의 대형 발사체로 지구 저궤도까지22,800 kg의 페이로드를 운반할 수 있다. 추진제는 RP-1/LO_X를 사용하고 있으며, 2단으로 구성되어 있고, 2015년 12월에 발사체의 회수에 성공하였다. 1회 발사 시 720억 원 정도가 소요되어 저비용 발사체라고는 보기 어려우나, 재사용을 통해 발사 비용을 절감시키려는 노력을 하고 있다[9].
일본은 Mitsubishi와 JAXA의 공동연구로 H2로켓을 개량한 H3를 개발하고 있다. 현재 2020년 발사를 목표로 개발이 진행 중이며, LH2/LOX를 사용하는 2단의 발사체로 구성되어 있다. 동일한 추진제를 사용하는 H2의 경우 1회 발사 비용이 1,900억 원이었으나, 엔진을 개량하고, 인젝터 개수를 줄임으로써 발사 비용을 47% 절감하여 1,000억 원에 발사가 가능한 H2A 발사체를개발한 바 있다.

이론/모형

우주 발사체의 발사 비용을 절감시키는 가장대표적인 방법은 발사체 재사용이다[5]. 대부분의 우주 발사체는 발사 후 폐기되는 ELV 방식을 사용하였다. 그러나 우주 발사체는 그 제작비용이 매우 크기 때문에 이를 재사용하고자 여러 기업에서 발사체 재사용 기술 개발을 진행하고 있다.

성능/효과

5 tonf의 추력을 발생시킨다. 3d프린팅 방식을 사용하여 엔진을 제작하며, 24시간이라는 매우 짧은 엔진 제작 소요시간으로 발사체 비용을 감소시킬 수 있었다. 또한, 전기추진펌프를 사용하여 발사체 무게를 감소시킴으로써 연료를 절약하였다.

후속연구

연료의 가격, 에너지 밀도 및 환경오염문제를 고려해볼 때, 메탄 또는 HCNG가 저비용발사체의 연로로써 가장 적합하다고 할 수 있다. 그러나 메탄 엔진에 관한 연구는 아직 초기 단계이기 때문에 이에 대한 추가적인 연구가 앞으로 더 진행될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발사체는 어떤 역할을 하는가?	발사체는 탑재체를 우주 공간으로 운반하는 역할을 하기 때문에 탑재체의 동향을 분석하는 것은 발사체 시장의 변화를 예측하는데 매우 중요하다. 발사체를 통해 우주 공간으로 이동하는 가장 대표적인 것들이 인공위성과 사람이다.
	발사체를 발사 후 폐기되는 ELV 방식이 아닌 재사용 하고자 하는 이유는?	대부분의 우주 발사체는 발사 후 폐기되는 ELV 방식을 사용하였다. 그러나 우주 발사체는 그 제작비용이 매우 크기 때문에 이를 재사용하고자 여러 기업에서 발사체 재사용 기술 개발을 진행하고 있다. 특히, 미국의 Space X와 Blue Origin은 재사용발사체 개발에 앞장서 있으며, 발사체 회수에도 성공하였다.
	고체 연료를 사용하는 발사체의 장점은?	초기 발사체는 과거 탄도유도탄으로 사용되었던 로켓을 개량하였기 때문에 고체 연료를 사용하였다. 고체 연료를 사용하는 발사체의 경우 그 구조가 단순하고, 무게가 가벼우며, 저렴하다는 장점이 있으나, 한번 점화가 이루어지면 추력을 조절하거나 연소 속도를 조절할 수 없다는 단점[1]이 있다. 20세기에 들어서 V-2 로켓을 개량[2]한 액체로켓을 개발하였으며, 이는 고체 로켓의 문제점을 해결하여 인류의 우주 탐사를 더욱 가속화시켰다.

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