나로호의 성공을 뒷받침한 '무결점 가스'
대기환경표준센터의 철저한 분석과 검사  
     

5,4,3,2,1 발사! 한국 최초의 우주발사체 나로호가 우주로 솟아올랐다. 2번의 실패와 수차례의 발사 연기로 보는 이들의 마음을 졸였던 나로호가 드디어 하늘 문을 뚫고 나로과학 위성을 궤도에 정상적으로 올려놓았다. 수많은 분야의 과학기술이 집결된 나로호 프로젝트 나로호가 발사대에 기립되어 준비를 하고 있던 모습을 유심히 지켜본 이라면 가질 수 있는 궁금증이 있다. 그것은 바로 나로호를 뒤덮고 있던 하얀 얼음조각이었다. 그 비밀의 해답은 바로 나로호가 산화제로 쓰고 액체산소 때문이다.

나로호가 연료로 쓰고 있는 등유(케로신)를 잘 타게 하여 큰 추진력을 갖게 하기 위해서는 영하 183도의 액체산소가 채워져야 한다. 액체산소가 너무 차갑기 때문에 나로호 발사체 표면에 얼음 조각을 만드는 것이다. 액체산소를 통해 나로호를 하늘로 올라가게 하는 추진력을 얻기 때문에 점화가 되었을 때 연소에 필요한 적합한 연료와 산소의 혼합비율을 유지하고 있는 것이 매우 중요하다. 나로호 발사에 필요한 액체산소 및 연료 등이 노출이 될 경우 폭발사고가 일어나 발사자체가 무산되는 것은 당연할 것이고, 또한 세부적으로 이들 성분들의 적합한 혼합비율조건이 이루어지지 않으면 나로과학위성의 안착지점까지의 도달에 필요한 추진력을 갖는 것이 어렵기 때문이다. 추진력을 얻기 위한 액체 산소 뿐만 아니라 다양한 가스들이 발사체의 이동에 필요한 밸브시스템 조절 및 이륙시스템의 통제시스템 관리에 사용됨으로 이들이 그 역할을 다해야만 발사성공을 이룰 수가 있다.

이처럼 중요한 나로호에 사용되는 가스의 품질 분석을 담당하고 있는 곳이 바로 KRISS의 대기환경표준센터이다. 대기환경표준센터(이하 ‘센터’)는 대기와 가스 분석, 표준가스의 제조·개발과 보급을 연구하는 대기환경 및 가스측정 분야 국가표준 연구실이다.

극미량 이상에도 가스 전량 교체…나로호 지구궤도로 밀어 올린다
센터는 가스표준 분야에서 국제적으로 손꼽히는 측정능력과 관련기술을 보유하고 있다. 이를 바탕으로 ‘나로호 발사’라는 또 하나의 국가적 과제를 1차 발사 때부터 꾸준히 지원했다. KRISS가 수행하고 있는 나로호 프로젝트의 중심에 이진복 책임기술원이 있다. 그는 1999년부터 15년째 온실가스 표준물질개발 업무를 해온 가스 측정분야의 베테랑이다. 그와 동료 연구원이 이번 나로호 발사에서 책임지고 있는 임무는 조립동부터 발사대에 이르는 마지막 순간까지 나로호에 사용될 모든 가스의 품질을 완벽하게 지키는 것이다. 발사 전 최종적인 연료주입은 가스 검사가 끝나야 비로소 시작할 수 있다.

“외부에서 수송된 가스를 나로호에 주입할 때까지 여러 단계에 걸쳐 세밀하게 성분 분석을 해야 합니다. 발사체에 투입될 가스에 조금이라도 이상이 발견되면 전량 교체하게 됩니다.”KRISS가 분석해야 하는 가스의 순도와 입자 크기, 오일과 수분함량은 나로호의 성공적인 지구궤도 진입을 위해 조심스럽게 다뤄져야 할 사안이다. 나로호 발사에 사용되는 가스는 5종으로 액체산소, 액체질소, 헬륨가스, 압축공기 및 질소가스가 있다.

액체산소는 끓는점이 -183 ℃로 로켓의 산화제로 사용되며 나로호를 대기권 밖까지 밀어 올리는 역할을 한다. 액화된 산소를 사용하는 이유는 로켓의 추진 연료(케로신)를 연소시킬 때 많은양의 산소가 필요하며 로켓의 부피와 무게를 고려해야한다. 액체질소는 끓는점이 -196 ℃로 액체상태로 저장되다가 로켓에 연료와 액화산소를 충전 할 때 밀도를 높이기 위한 냉각용으로 사용한다. 또한, 용도에 맞게 기화, 가압 등의 공정을 거쳐가스 상태로도 사용한다. 나로호에 사용되는 가압용 가스는 헬륨이다. 헬륨은 불활성 가스로 매우 안정하며 분자량이 작기 때문에 매우 가볍다는 장점이 있다. 따라서 대다수 발사체의 가압용 및 밸브 구동용 가스로 사용되고 있다. 그러나 가벼운 반면에 부피가 커지기 때문에 발사체에서는 보관 온도를 낮추어 밀도를 높이는 형식을취하고 있다.

다음으로 질소가스는 발사체 운영에 있어 다양하게 사용된다. 주요 용도로는 기밀시험, 발사대 시스템 및 발사체 퍼지, 각종 기기류 구동, 밸브 구동 등이 있다. 질소는 쉽게 구할 수 있으며, 불활성 기체이기 때문에 발사체 운영에 있어 매우 유용하다. 마지막으로 압축공기는 발사체 운영에 있어 다양하게 사용된다. 주요 용도로는 발사체 압력점검, 장비가동, 기밀시험, 발사체 퍼지, 각종 설비 시스템 구동 등이다. 공기는 다른 기체와는 달리 나로우주센터에서 자체적으로 생산하고 있다. 로켓에 사용된 가스들은 반도체산업, 의료산업 및 연구기관에서도 다양하게 사용되고 있다. 액체 산소 및 액체 질소는 극저온 특성을 이용하여 생명공학관련 실험 및 저장 보관과 초전도체 연구에도 사용되고 있다. 반도체산업에서도 마찬가지로 다양한 가스를 사용하고 있으며 현장에서 공기 중 질소와 산소를 분리하는 플랜트를 세워 직접 공급하고 있다.

특히 헬륨가스는초저온 냉각, 전구, 네온사인, 원자력발전소, 중성자 가속기 등 광범위한 분야에서 많이 사용되고 있다. 2009년 아쉬움을 뒤로 하고 지난 1월 모든 국민들은 행복감을 느낄 수 있었다. 그리고 우리나라 최초 우주발사체의 발사 성공에 한 몫을 다했다는 뿌듯함을 가지고 더 큰 책임감을 가져야 할 것이다. 앞으로 한국형 발사체의 개발이라는 새로운 목표가 생긴 지금, KRISS의 대기환경표준센터도 새로운 발사체에 활용되는 가스에 대한 분석을 맡게 된다면 정확한 분석능력을 통해 더 큰 즐거움을 준비할 것이다.

글 : 이진복 책임기술원