인류가 우주 발사체(로켓)를 지구를 벗어나 우주로 날아가게 하려면 지구의 중력을 벗어나야 합니다. 이를 위해서는 엄청난 힘이 필요한데요. 과학에서는 이 개념을 속도로 표현 합니다. 그래서 ‘지구에서 탈출하는데 필요한 속도’라는 뜻으로 탈출 속도라고 표현합니다.
탈출 속도는 탈출하고자 하는 행성의 질량에 따라 변화하는 중력에 의해 변화하는데, 지구의 경우 탈출 속도가 11.2 km/s(마하 34) 입니다. 그러나 탈출 속도 이상으로 비행하게 되면 우주로 날아가 버리기 때문에 우주 발사체는 대부분 인공위성을 띄우거나 유인 우주선을 발사하는 등 필요에 따라 탈출 속도보다 조금 느린 속도로 발사를 합니다. 중력은 뉴턴의 만유인력의 법칙에 따라 지구로부터의 고도에 따라 달라지는데, 이로 인해 인공위성 혹은 유인 우주 발사체의 속도가 결정됩니다. 그러나 느리다고 해도 수백 톤에 달하는 로켓을 고도 900m에서 7.5km/s의 속도로 움직이는 것은 매우 어려운 일입니다.
인류는 로켓을 만들고 연구한 이래로 수없이 많은 한계와 실패를 경험하며, 로켓 기술을 발전시켜 왔습니다. 그러나 언제나 로켓의 성능을 올리기 위해서 필연적으로 찾아오는 로켓의 대형화 및 중량 증가로 인한 엔진 추력의 증가가 꾸준히 발목을 잡아 왔습니다. 초창기 로켓은 오랜 세월 동안 강력한 단일 엔진을 통해 로켓이 필요로 하는 추진력을 확보해왔습니다. 그러나 거대하고 강력한 단일 엔진은 연구 개발의 난이도가 너무 높은 것은 물론, 탑재 연료의 소모 속도가 너무 빠르다는 문제가 있었습니다.
그리하여 과학자들은 새턴-5 로켓처럼 단일 엔진으로 필요한 추진력을 확보하는 것이 아닌, 이미 개발되어 충분한 시험을 통해 안정화가 된 비교적 소형 엔진을 여러 개를 묶어 하나의 엔진처럼 사용하는 방법을 활용하기 시작합니다. 이렇게 여러 엔진을 하나로 묶어 하나의 엔진처럼 기동하는 방식을 클러스터링 기술이라고 하는데, 이 덕분에 인류는 발사체 기술을 더욱 빠르게 발전시킬 수 있었습니다.
누리호 1단 로켓의 모습 : 75t급 엔진 4개를 클러스터링 – 출처 : 한국 항공우주연구원
새턴-5 로켓 : 5개의 엔진을 통해 3400t의 추력 달성 – 출처 : NASA
그러나 상대적으로 단일 로켓 엔진에 비하여 개발 난이도가 쉬울 뿐, 엔진 클러스터링 역시 쉬운 기술은 아닙니다. 클러스터링 기술의 구현은 클러스터링 된 엔진 전체가 각각의 추력 방향, 추력 제어, 연료 소모와 공급, 발화 시간, 최종 연소 시간, 엔진의 신뢰성 등 모든 부분을 동일하게 맞춰 주어야 하며, 필요에 따라 각 로켓의 추력 분사 방향을 각각 조절하여 자세도 조절해야 하는 고난도 기술입니다. 위 사진들이 클러스터링 기술을 접목한 발사체 사진이며, 우리나라가 최근에 발사에 성공한 누리호 역시 이 기술을 통해 발사에 성공하였습니다.
이 기술은 로켓을 개발하고 상용화하여 사용하는 다양한 국가들이 사용하고 있으며, 앞으로도 우주 발사체의 연구 개발과 실용화에 크게 기여 할 기술이 될 것입니다.