우주아저씨: 한국형 차세대 발사체

한국 우주항공청이 케로신 대신 메탄 기반 재사용 엔진을 선택한 이유는 무엇일까요? SpaceX 스타십과 Blue Origin 뉴 글렌이 모두 메탄 엔진을 택한 글로벌 트렌드 속에서, 한국형 차세대 발사체가 나아갈 방향을 심층 분석해보겠습니다.

한국형 차세대 발사체 메탄 엔진을 시각화한 이미지. 발사대에 서 있는 미래형 로켓의 웅장함을 담고 있다.

어린 시절 밤하늘의 별을 바라보며 우주를 꿈꿨던 기억이 있으신가요? 그 꿈이 현실로 다가오고 있습니다. 2024년 10월, 우주항공청이 발표한 메탄 기반 재사용 발사체 개발 계획은 단순한 기술 선택이 아닌, 우리나라 우주 산업의 미래를 좌우할 중대한 결정입니다.

하지만 왜 하필 메탄일까요? 기존 누리호가 사용하는 케로신(등유) 대신 액체 메탄을 선택한 근본적인 이유는 무엇일까요?

한국 우주항공청의 메탄 엔진 정책 전환

2024년 10월 29일, 경남 사천 우주항공청사에서 열린 공청회는 한국 우주 개발 역사의 새로운 전환점이 되었습니다. 우주항공청은 2030년대 중반 완성을 목표로 하는 재사용 발사체에 자체 제작한 메탄 연료 엔진을 장착하기로 공식 발표했습니다.

박순영 우주청 재사용발사체프로그램장은 "케로신 엔진 기반의 한국형 차세대발사체는 그을음이 많이 나와 재사용성이 떨어진다"며 메탄 엔진 개발의 필요성을 강조했습니다.

그런데 이러한 정책 전환은 단순히 기술적 고려만으로 이뤄진 것이 아닙니다. 2030년대 전 세계 대부분의 발사체가 재사용발사체로 전환될 것이라는 전망에 따른 전략적 선택입니다.

메탄 엔진의 혁신적 기술적 장점

청정 연소의 마법

메탄의 가장 큰 매력은 연소 과정에서 그을음이 거의 발생하지 않는다는 점입니다. 액체 메탄이 산화제인 액체산소와 결합해 연소하면 이산화탄소와 물만 생성됩니다.

반면 케로신(등유)은 연소 시 상당한 양의 그을음과 탄소 찌꺼기를 남깁니다. 재사용을 위해서는 매번 엔진 청소 과정이 필수이며, 이는 시간과 비용을 크게 증가시킵니다.

재사용성의 핵심 요소

한국추진공학회에 따르면, 메탄은 케로신 대비 코킹이 일어나는 온도가 높기 때문에 재사용 발사체에 적합한 특성을 가집니다. 코킹은 고온에서 탄화수소가 탄소로 분해되어 엔진 내부에 달라붙는 현상으로, 엔진 성능을 크게 저하시킵니다.

또한 박순영 프로그램장은 "한국이 누리호를 발사하며 다룬 액체산소(영하 183도)는 액체메탄(영하 161도)과 온도가 비슷하다"며 기존 기술 기반의 활용 가능성을 언급했습니다.

SpaceX 스타십의 메탄 엔진 혁신

세계 우주 산업을 선도하는 SpaceX는 랩터(Raptor) 엔진을 통해 메탄 엔진의 가능성을 현실로 증명했습니다. 2024년 10월 13일, 스타십의 5차 시험 발사에서 슈퍼 헤비 부스터가 발사 7분 만에 발사대로 성공적으로 귀환한 것은 메탄 엔진 기술의 완성도를 보여준 역사적 순간이었습니다.

랩터 엔진은 전유량 다단연소 사이클(Full Flow Staged Combustion)을 세계 최초로 실제 비행에 적용한 엔진입니다. 300기압의 높은 연소실 압력을 구현하여 880~2,210kN의 강력한 추력을 발생시킵니다.

특히 랩터 3 엔진은 이전 버전보다 획기적으로 단순화된 구조로 제조 비용을 50% 절감하면서도 성능은 향상시켰습니다. 일론 머스크 CEO는 "스타십 랩터 엔진들이 뿜어내는 불꽃 화염이 무려 300m에 달한다"며 엔진 성능에 대한 자부심을 드러내기도 했습니다.

Blue Origin 뉴 글렌의 메탄 엔진 도전

2025년 1월 16일, 제프 베이조스의 Blue Origin이 개발한 뉴 글렌(New Glenn) 로켓이 마침내 첫 발사에 성공했습니다. 높이 98m, 지름 7m의 이 거대한 발사체는 SpaceX의 팰컨 9보다 훨씬 크며, 지구 저궤도에 45톤의 화물을 운송할 수 있습니다.

뉴 글렌의 1단 로켓에는 BE-4 엔진 7개가 탑재되어 있으며, 이 엔진들은 액체메탄과 액체산소를 추진제로 사용합니다. BE-4 엔진은 약 245톤의 추력을 발생시키며, 팰컨 9을 비롯한 대부분 로켓이 사용하는 등유와 달리 그을음이 발생하지 않습니다.

비록 첫 발사에서 1단 회수에는 실패했지만, 궤도 진입에는 성공하여 메탄 엔진 기술의 실용성을 다시 한번 입증했습니다. 일론 머스크도 "첫 번째 시도에서 궤도 진입에 성공한 것을 축하한다"고 격려의 메시지를 전했습니다.

글로벌 메탄 엔진 개발 동향과 경쟁

흥미롭게도 세계 최초로 메탄 엔진 로켓 발사에 성공한 것은 SpaceX도 Blue Origin도 아닌 중국의 랜드 스페이스(LandSpace)입니다. 2023년 7월, 이 회사는 '중국판 SpaceX'로 불리며 메탄 엔진 로켓 발사에 성공했고, 2024년에는 위성 6기를 우주로 보내는 상업적 성과까지 달성했습니다.

하지만 기술의 완성도와 상업화 측면에서는 여전히 SpaceX가 압도적입니다. 재사용 발사체를 본격적으로 상업화한 곳은 전 세계에서 SpaceX가 유일하며, 이들의 팰컨 9는 부스터 1대를 22번까지 재사용한 기록을 보유하고 있습니다.

유럽과 러시아 등 전통적인 우주 강국들도 메탄 엔진 개발에 박차를 가하고 있습니다. 특히 러시아의 RD-180 엔진을 대체하기 위해 미국 ULA(United Launch Alliance)도 벌컨 로켓에 BE-4 메탄 엔진을 채택하기로 결정했습니다.

한국형 차세대 발사체의 전략적 포지셔닝

한국의 차세대 발사체(KSLV-III) 개발은 단순히 기술 확보를 넘어 경제성 확보에 집중하고 있습니다. 한화에어로스페이스 이준원 전무는 "누리호가 우주발사체 기술을 확보하기 위한 R&D가 목적이었다면 차세대발사체는 경제성 확보에 집중하고 있다"고 강조했습니다.

2032년까지 2조 132억원이 투입되는 이 대형 프로젝트는 10톤급 페이로드를 지구 저궤도에 투입할 수 있는 능력을 목표로 합니다. 이는 누리호(1.5톤급)보다 약 7배 향상된 성능입니다.

특히 한국형 차세대 발사체는 처음부터 재사용을 염두에 둔 설계를 채택했습니다. 1단부가 7개의 엔진으로 구성되어 향후 개량을 통해 팰컨 9처럼 중앙부 코어 엔진을 이용한 재사용이 기술적으로 가능합니다.

우주 현지 자원 활용(ISRU)의 미래

메탄 엔진의 가장 혁신적인 장점 중 하나는 우주 현지에서 연료 생산이 가능하다는 점입니다. 화성 대기의 90% 이상을 차지하는 이산화탄소를 활용하여 메탄을 생산할 수 있으며, 이는 화성 탐사 임무에서 결정적인 장점이 됩니다.

SpaceX는 이미 ISRU(In-Situ Resource Utilization) 기술 개발을 완료 단계에 있다고 발표했습니다. 이 기술이 완성되면 화성에서 지구로 돌아오는 연료를 현지에서 직접 생산할 수 있어, 왕복 임무가 현실적으로 가능해집니다.

한국도 이러한 글로벌 트렌드에 발맞춰 외계천체 현지자원 활용 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 특히 달 기지 건설 분야에서 한국은 이미 두각을 나타내고 있어, 메탄 엔진과 연계한 시너지 효과가 기대됩니다.

메탄 엔진에 대한 나의 소소한 생각

기술의 진보란 때로는 가장 단순한 아이디어에서 시작됩니다. 그을음이 나지 않는 깨끗한 연료라는 메탄의 단순한 특성이 우주 산업 전체의 패러다임을 바꾸고 있다는 사실이 놀랍습니다.

한국이 케로신에서 메탄으로의 전환을 결정한 것은 단순히 기술적 선택이 아닙니다. 이는 미래 우주 경제에서 우리의 자리를 확보하려는 전략적 의지의 표현입니다.

언젠가 우리의 아이들이 화성에서 생산한 메탄으로 지구에 돌아오는 날을 꿈꾸며, 오늘의 도전이 내일의 기적이 되기를 바랍니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 메탄 엔진이 케로신 엔진보다 정말 환경친화적인가요?
A. 네, 맞습니다. 메탄 연소 시 이산화탄소와 물만 생성되어 그을음이나 유독한 잔여물이 거의 발생하지 않습니다. 이는 엔진 재사용성뿐만 아니라 환경 측면에서도 큰 장점입니다.

Q. 한국형 차세대 발사체는 언제 완성되나요?
A. 우주항공청은 2032년까지 차세대 발사체 개발을 완료할 계획입니다. 2030년부터 두 차례 시험발사를 거쳐 달 착륙선 수송 임무를 수행할 예정입니다.

Q. 메탄 엔진 개발이 그렇게 어려운 기술인가요?
A. 메탄과 액체산소는 액화점이 비슷해서 연소가 잘 안 되는 성질이 있어 기술적으로 까다롭습니다. 하지만 한국은 누리호 개발 경험을 바탕으로 충분한 기술적 토대를 보유하고 있습니다.

Q. SpaceX와 경쟁할 수 있을까요?
A. 한국은 대형 발사체보다는 500kg급 위성의 저궤도 투입을 목표로 하는 소형 재사용 발사체에 집중할 계획입니다. 틈새 시장에서의 경쟁력 확보가 목표입니다.

Q. 메탄을 화성에서 직접 생산할 수 있나요?
A. 네, 가능합니다. 화성 대기의 90% 이상을 차지하는 이산화탄소를 활용한 메탄 생산 기술이 이미 개발되어 있으며, SpaceX는 이 기술을 완료 단계에 있다고 발표했습니다.

Q. 민간 기업이 주도하는 이유는 무엇인가요?
A. 우주항공청은 민간의 혁신역량을 활용하여 개발 속도를 높이고 상업화 가능성을 높이기 위해 기업 경쟁형 R&D 방식을 채택했습니다. 한국판 SpaceX 육성이 목표입니다.

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우주아저씨

2025년 9월 10일 수요일

한국형 차세대 발사체, 왜 메탄 엔진을 선택했나?