4편. 재사용 발사체의 성패를 좌우하는 추진제 공급 시스템 4대 핵심 부품

발사체 엔진의 성능을 이야기할 때 연소실이나 노즐에 관심이 집중되기 쉽다. 그러나 연료와 산화제가 정해진 압력과 유량으로 공급되지 않으면 엔진은 정상적으로 작동할 수 없다.

추진제 공급 시스템은 탱크에 저장된 추진제를 엔진까지 안전하게 전달하는 혈관과 같다.

주요 구성품은 극저온 베어링, 비접촉 씰, 정밀제어 밸브, 경량 배관이다. 각 부품은 작아 보이지만 하나라도 누설되거나 고착되면 전체 발사체 임무에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

첫 번째 핵심은 극저온 고속 베어링이다

터보펌프는 추진제를 높은 압력으로 공급하기 위해 매우 빠른 속도로 회전한다. 일반 산업용 베어링은 오일 윤활을 사용하지만, 극저온 추진제 환경에서는 기존 윤활 방식이 제한될 수 있다.

따라서 극저온에서도 재료가 취성화되지 않고, 고속과 고하중을 견딜 수 있는 베어링 기술이 필요하다.

기술개발 목표에는 영하 180℃ 이하, 11,000rpm 이상, 반경 방향 15kN 이상의 조건에서도 운용 가능한 수준이 제시되어 있다. 이 정도 조건에서는 베어링 소재뿐 아니라 케이지 구조, 표면처리, 열수축 차이, 회전체 밸런싱을 함께 봐야 한다.

두 번째는 누설을 막는 비접촉 씰이다

회전축이 있는 장비에서 완전한 기밀을 확보하기는 어렵다. 접촉식 씰은 누설을 줄일 수 있지만 고속 회전에서는 마찰열과 마모가 발생한다.

비접촉 씰은 회전부와 고정부가 직접 마찰하지 않으면서 추진제 누설을 억제하는 기술이다. 재사용 발사체에서는 한 번만 작동하는 것이 아니라 반복 운용이 필요하므로 장수명 구조가 더욱 중요하다.

개발 방향은 추진제 누설률을 10⁻⁸kg/s 이하로 낮추고, 극저온·고압·고속 환경에서 안정적으로 작동하는 재사용형 씰 구조를 확보하는 것이다.

세 번째는 빠르고 정확한 밸브다

밸브는 추진제 공급을 단순히 열고 닫는 부품이 아니다.

연소실로 공급되는 유량과 압력을 제어하고, 엔진 점화와 종료 시점을 결정하며, 비상 상황에서 추진제를 차단해야 한다. 재사용 발사체나 착륙선에서는 추력을 세밀하게 조정해야 하므로 밸브의 응답속도와 반복 정밀도가 중요하다.

극저온에서 씰이 수축하거나 구동부가 고착되지 않아야 하고, 강한 진동에서도 개폐 명령을 정확히 수행해야 한다. 솔레노이드, 유로, 씰, 하우징을 개별적으로 개발하는 것보다 통합 상태에서의 응답특성을 확인해야 한다.

네 번째는 경량 복합재 배관이다

발사체의 성능을 높이는 가장 직접적인 방법 중 하나는 구조 중량을 줄이는 것이다. 하지만 배관은 극저온 추진제, 고압, 진동, 열수축을 모두 견뎌야 하므로 단순히 얇게 만들 수 없다.

복합재 배관은 금속 배관보다 무게를 줄일 가능성이 있지만, 곡선부나 연결부에는 금속이 필요한 경우가 많다. 따라서 복합재 직선부와 금속 곡선부를 안정적으로 연결하고 기밀을 유지하는 접합 기술이 중요하다.

단품시험보다 시스템 연계시험이 중요하다

추진제 공급 부품 개발에서 가장 경계해야 할 것은 각 부품의 시험성적을 단순 합산하는 방식이다.

베어링은 정상이고 밸브도 정상인데, 실제 배관과 펌프를 연결하면 압력진동이나 캐비테이션이 발생할 수 있다. 열수축 차이로 체결력이 달라지거나, 펌프 회전에 따른 진동이 밸브 응답에 영향을 줄 수도 있다.

제가 R&D 과제를 검토할 때도 구성품 성능 외에 실제 추진제 조건을 모사한 통합 시험계획이 있는지를 확인한다. 시험유체, 압력범위, 온도, 회전속도, 반복 횟수, 고장 판정기준이 구체적이어야 한다.

재사용 발사체 시대에는 ‘한 번 성공한 부품’보다 ‘반복 운용 후에도 성능이 유지되는 부품’이 필요하다. 결국 추진제 공급 시스템의 경쟁력은 최고 성능이 아니라 극한 환경에서의 반복 신뢰성으로 결정된다.