우주 발사체의 미래 세이버(SABRE) 엔진과 SSTO(Single stage to orbit)

출처:위키미디아 sabre 엔진

 

얼마 전 스페이스 X의 팰콘 9 발사체에 크루 드래건을 실어 로켓의 발사를 성공적으로 수행하였습니다. 특히 1단 추진체를 다시 안전하게 회수하였으며, ISS에 도킹까지 성공을 하였습니다. 민간 우주개발 시대가 열린 것입니다. 이 발사는 맣은 의미를 가지고 있는 로켓 발사였으며, 미국은 다시 한번 유인 우주 개발 시대를 열었습니다. 이 과정을 보면 기존의 로켓은 다단식으로 로켓을 발사를 하며, 스테이지에 따라 추진체들은 분리하며, 계속 상승해 나갑니다. 현재의 기술로는 이러한 방식의 발사가 보편화되었습니다. 여기서 일회용으로 버려지던 추진체를 다시 회수하여 재사용을 가능하게 했다는 점에서 비약적으로 발사 비용을 줄일 수 있었다는 점입니다. 여기서 생각을 해보면 '다단식 단 분리 로켓이 아닌 지상에서부터 바로 우주로 갈 수 있는 방법은 없는 것인가'라는 점입니다.  여기서 한 기업이 새로운 방식의 세이버(SABRE) 엔진 개발을 발표하며 주목을 끌고 있습니다.

현재 우주 개발의 가장 큰 걸림돌은 소유즈 기준으로 1인을 우주로 올리는데 필요한 비용은 대략 100억원선입니다. 엄청난 금액이 소요가 되는 현재의 상황은 로켓이 다단식으로 분리가 되며 우주로 올라가야 한다는 점과 우주까지 모든 연료를 지상에서부터 실고 올라감으로써 무게가 엄청나게 늘어난다는 점입니다. 스페이스 X의 팰컨 9 전에는 모든 다단 로켓들은 지구 궤도에 버려져 무한히 궤도를 돌고 있습니다. 우주 공간에는 제트엔진과 달리 산소를 사용할 수 없으므로 액체 산산 화제를 연료로 사용하여 지구의 중력을 이겨내야 합니다.

이러한 배경을 바탕으로 세이버(SABRE)엔진을 구상하게 된 것입니다. 로켓의 단 분리 없이 한 번에 우주로 올라갈 수 있는 기술을 Single stage to orbit 즉 SSTO라고 부릅니다. 이 기술은 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 기술로 평가받고 있습니다.  기존의 비행기의 형태를 한 발사체를 비행기처럼 활주로에서 이륙시켜 우주로 올리는 기술이라고 이야기 할 수 있습니다. 여기에 핵심 기술은 제목이기도 한 SABRE엔진입니다. Synergetic air-breathing rocket engine의 약자인 SABRE엔진은 이륙할 때는 기존의 제트엔진의 방식으로 작동하다가 우주 공간에서는 로켓 엔진처럼 작동을 하는 방식입니다. 액체산소를 연료로 하며 산소가 풍부한 대기에서는 공기 중의 산소를 흡입하여 엔진을 가동하는 원리이며, 우주공간에 나아가서는 대기에서 미리 흡입해 두었던 산소를 재이용하여 엔진을 구동시키는 방식입니다. 작동원리는 대기 중의 산소를 흡입해서 영하 150도 이하로 만들며 대기 중의 산소를 액화시켜서 저장합니다. 이렇세 되면 이륙 시 산소를 따로 탑 채 해야 할 필요가 없어지므로 무게를 대폭 감소시킬 수 있으며 이것은 바로 우주공간까지 가속하여야 할 무게가 줄어든 든다는 것을 의미합니다. 이것이 가능하기 위해서는 마하 5의 속도를 내며 공기를 흡입하여야 하지만 이런 경우에는 흡입구에서 흡입되는 기기체의 온도가 약 1000도까지 올라가게 되므로 이렇게 올라가는 온도를 빠른 시간 안에 영하 150도까지 낮추어야 하는 기술적 어려움이 존재합니다. 하지만 2019년 마하 3의 속도로 유입되는 공기를 급속 냉각하는데 성공을 하며 이 열교환기의 성공으로 한발 더 앞당기기 시작했습니다. 2018년에는 영국과 BAE시슽스템, 보잉과 롤스로이스도 이 엔진의 개발에 투자를 하며 성공에 조금 더 다가섰습니다. 

현재는 마하5로 유입되는 기체를 순식간에 영하 150도로 급속 냉각하는데 성공을 하며, SABRE엔진은 향후 개발까지 3-5년을 보고 있습니다. 안전하게 우주궤도로 나아간다고 해도 다시 대기권으로 돌입을 하는 것과 이때 일어나는 엄청난 열을 제어하는 것도 SSTO개발의 큰 난관이 될 것으로 예측이 되고 있습니다.