“우주로 날아가는 로켓은 자동차처럼 기름(연료)을 얌전하게 태우지 않습니다.”
대한민국의 독자 우주 발사체 ‘누리호’가 우주로 솟아오르기 위해서는, 자동차 수만 대가 뿜어내는 것과 맞먹는 엄청난 힘(추력)이 필요합니다.
이 거대한 불꽃을 만들기 위해 누리호 엔진은 1초에 무려 ‘드럼통 1개 반’ 분량(약 300리터)의 연료와 산화제를 연소실로 들이부어야 합니다.
이렇게 무식할 정도로 엄청난 양의 액체를 순식간에 엔진 속으로 뿜어 넣어주는 우주 발사체의 진짜 심장, 그것이 바로 항공우주공학 추진 트랙 기술의 끝판왕인 ‘터보펌프(Turbopump)’입니다.
영하 180도와 영상 3,000도가 1mm 벽을 두고 맞붙다
터보펌프를 만드는 기술이 전 세계 10개국도 채 가지지 못한 극비 기술인 이유는 ‘극한의 온도와 압력’ 때문입니다.
펌프의 한쪽에서는 로켓을 밀어 올리기 위해 무려 영상 3,000도가 넘는 화염이 뿜어져 나옵니다.
그런데 바로 몇 센티미터 옆에 있는 파이프에서는 불을 붙이기 위해 꽁꽁 얼어붙은 영하 180도의 액체 산소가 맹렬하게 빨려 들어갑니다.
쇳덩어리도 순식간에 녹여버리는 열기와, 모든 것을 얼려버리는 극한의 추위가 얇은 금속 벽 하나를 사이에 두고 맞붙습니다.
이 지옥 같은 환경 속에서, 터보펌프 안의 금속 바람개비(터빈)는 연료를 빨아들이기 위해 1분에 무려 수만 바퀴씩 미친 듯이 회전합니다.
금속이 조금만 약하거나 설계가 1mm라도 어긋나면 터보펌프는 그 자리에서 폭발하고, 수천억 원짜리 발사체는 허공에서 산산조각이 나버립니다.
거품이 로켓을 부수다: 캐비테이션 현상
더 무서운 것은 펌프가 너무 미친 듯이 회전하다 보니, 액체 연료가 끌려 들어올 때 압력이 뚝 떨어지면서 액체 속에 갑자기 기포(거품)가 생기는 ‘캐비테이션(공동현상)’입니다.
우리 눈에는 그저 작은 거품처럼 보이지만, 수백 기압의 압력이 걸린 엔진 속에서 이 거품이 터지는 순간 금속 프로펠러를 산탄총처럼 때리며 부숴버립니다.
항공우주공학자들은 이 거품 폭탄을 막기 위해 펌프 날개의 각도를 머리카락 굵기보다 미세하게 다듬고 깎아냅니다.
겉보기에는 그저 불을 뿜으며 올라가는 거대한 깡통 같지만, 로켓 엔진의 내부는 인간이 만들어낸 가장 가혹한 지옥입니다.
그 극한의 지옥 속에서 폭발을 통제하고 기계의 한계를 돌파하는 일. 이것이 바로 항공우주공학 추진 및 연소 트랙을 전공한 엔지니어들만이 느낄 수 있는 궁극의 전율입니다.
더 깊이 알아보기: 공식 기술 리포트
우주 발사체의 성패를 좌우하는 핵심 부품인 터보펌프의 유체역학적 설계와 캐비테이션(공동현상) 억제 기술에 대한 연구 동향은 아래 한국항공우주연구원(KARI)의 실제 발사체 개발 논문을 통해 확인할 수 있습니다.
- [한국형발사체(누리호) 75톤급 액체로켓엔진 터보펌프 개발 및 시험 평가] 👉 한국항공우주연구원 KCI 등재 논문
- [액체로켓엔진 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 불안정성 연구] 👉 서울대학교 기계항공공학부 논문
