지난 10여년간 국내 기술로 개발돼 온 한국형발사체 ‘누리호’가 오는 10월 첫 발사돼 우리나라도 우주개발시대에 진입할 것으로 기대되고 있다. 이에 따라 발사체 상용화에 필요한 비용절감과 제작기간 단축에 효과적인 금속 3D프린팅 기술도 주목받고 있다.

과학기술정보통신부(장관 임혜숙)는 12일 ‘제20회 국가 우주위원회’를 개최하고 ‘한국형발사체 발사허가 심사 결과(안)’, ‘한국형발사체 개발점검 진행경과 및 발사 준비상황’ 2개의 안건을 논의했다.

독자 우주 발사체를 갖고 있다는 것은 자국의 위성을 원하는 시점에 우주로 발사할 수 있다는 것을 의미하기 때문에 우주강국으로 도약하기 위해 반드시 필요하다. 누리호는 1.5톤급의 인공위성을 지구 저궤도(600~800km)에 투입할 수 있는 3단형 우주발사체로서 정부는 지난 2010년부터 1조9,572억원을 투입해 국내 기술로 개발 중이다.

누리호 3단의 설계, 해석, 제작, 조립, 시험 등은 물론 발사체에 필요한 시험설비와 발사대까지 국내 기술로 개발됐으며 국산화율은 94%에 달한다. 누리호 1단부의 75톤급 엔진은 한화에어로스페이스에서 제작했다.

이날 한국연구재단 주관으로 17명의 외부전문가로 구성된 ‘발사허가 심사위원회’는 우주개발진흥법에 따라 한국형발사체의 사용 목적 및 발사체 등의 안전 관리, 우주사고의 발생에 대비한 재정부담 능력 등에 대해 심사한 결과, 발사허가가 적합하다는 결과를 도출했다.

이번 발사는 위성모사체와 성능검증위성을 700km 태양동기궤도에 투입하는 2회의 비행시험을 통해 한국형 발사체의 성능을 확인하는 것으로, 발사목적이 우주의 평화적 이용 등 우주조약을 위반하지 않음을 확인했다.

또한 전담평가단 점검결과에 따르면 한국형발사체는 75톤 및 7톤 엔진, 추진제 탱크 등 발사체의 부분품들이 모두 개발 완료됐고, 각 단별 성능검증 또한 모두 성공하였으며 현재 비행모델 조립이 최종 완료 단계에 들어서고 있다.

이밖에도 발사 시 공공 안전을 유지하기 위한 발사안전통제계획을 수립하였으며, 발사체에 비행안전시스템을 구축하고 발사장 안전을 위한 계획이 수립되어 있음을 확인했다.

항우연에서 신청한 발사예정일은 오는 10월21일(1차발사, 발사예비기간 ’21.10.22~10.28)과 2022년 5월19일(2차 발사, 발사예비기간 ’22.5.20~5.26)이며, WDR(극저온테스트) 이후 해당 결과를 면밀히 분석한 후 9월말 발사관리위원회에서 1차 발사가능일을 최종 검토‧확정할 예정이다.

현재 전 세계에서 발사체를 직접 만드는 나라는 단 10여개국으로, 누리호 발사 성공시 우리나라는 세계에서 7번째로 중대형 발사체를 보유하는 국가로 발돋움하게 된다.

이 날 임혜숙 장관은 국가우주위원회를 주재한 후, 항우연 내에 있는 발사체 시험 설비를 시찰하고 연구원들을 독려했다.

임장관은 ”우리나라의 독자적인 우주발사체가 10월 발사되면 국내 우주개발 역사에 한 획을 긋는 순간이 되리라 생각한다”며 “발사를 앞둔 중요한 시기이므로 연구자들이 차분한 마음으로 마지막까지 최선을 다해 연구개발에 매진할 수 있도록 정부도 적극적으로 지원하겠다”고 밝혔다.

▲ 생산기술연구원에서 DED 방식 3D프린팅 기술로 제작하고 있는 공통격벽 형태의 발사체용 추진제 탱크

■발사체 시제품·탱크 등 제작 금속 3D프린팅 적용 활발

항우연은 2025~30년에는 500kg 이하의 소형위성 수요증가에 대비해 누리호 기술을 소형 발사체 플랫폼으로 연계 및 확장할 계획이다. 2030~40년에는 저궤도 대형위성, 정지궤도위성 등 다양한 우주임무 수행과 관련한 국내 수요가 풍부할 경우 대형발사체 플랫폼 관련기술을 확보할 계획이다.

이를 위해선 비용 절감이 중요하기 때문에 시제품 제작 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고 자유로운 설계와 부품 경량화도 가능한 3D프린팅 기술이 적극 활용되고 있다. 3D프린팅은 이미 오래전부터 우주항공에서 널리 활용되고 있는데 미국 나사(NASA)는 지난 28년간 30개가 넘는 적층제조 기술과 시스템을 실험했으며 최근 6년간 PBF 방식 3D프린팅 기술개발에 1,500만달러를 투자한 바 있다.

일례로 NASA는 고체 및 액체로켓을 개발하는 과정에서 우주발사시스템(SLS), 엔진, 연료 터보펌프, 연소챔버, 인젝터, 밸브 등 35가지 부품을 적층제조 부품으로 교체했다. 과거 100여개 부품을 용접해야했지만 적층제조를 통해 30개로 줄여 비용을 30% 절감시키고 제작시간도 줄였다. 지난 2017년부터 2년반 동안에는 150개의 로켓 엔진 부품과 다양한 구조부품 제조에 적층제조를 적용했다. 또한 과거 절삭가공으로는 불가능한 구리 및 인코넬 합금 등 이종소재 적층제조 부품 생산이 가능해져 효율성이 증대됐다.

항우연은 PBF 방식 금속 3D프린팅으로 1톤급 액체메탄(LNG)·액체산소 엔진용 연소기 시제품을 제작했는데 기존 가공으로 수개월 걸리던 제작기간을 1/3로 단축했으며 DfAM 설계를 통해 내부 부품을 통합했다. 연소기 적층에는 구리와 스테인리스가 사용됐다.

한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터 손용 박사 연구팀은 DED(Directed Energy Deposition, 직접에너지적층) 방식 금속 3D프린팅 기술로 우주 발사체용 추진제 탱크의 시제품 제작에 성공하고 항우연 미래발사체연구단의 성능평가에 합격하면서 상용화가 기대되고 있다.

기존의 발사체용 추진제 탱크는 ‘산화제’와 ‘연료’ 탱크를 별도로 제작해 이어붙인 ‘숫자 8’의 형태로, 불필요한 여백이 생기고 부피도 커서 공간 효율성이 떨어졌다. 이에 연구팀은 금속 3D프린팅으로 하나의 탱크 벽면 위에 또 다른 탱크를 바로 겹쳐 쌓아 올리는 공통격벽 형태를 구현해 냈다. 소형발사체 상단 설계 시 공간 효율성은 12% 높이고, 부품 무게는 27% 감량하는 효과를 거뒀다.