액체산소 탱크내 헬륨탱크 결합이탈…산화제 누설로 조기 연소 종료

지난해 10월 21일 발사된 한국형 발사체인 ‘누리호’ 실패의 원인은 산화제인 액체산소 탱크내 헬륨탱크의 고정장치가 풀린 것이 결정적인 원인으로 밝혀졌다.

이로 인해 헬륨탱크가 내부 구조물과 충돌하면서 산화제가 누설됐기 때문에 누리호는 3단 로켓엔진이 예정보다 46초 빨리 꺼져 위성모사체가 목표한 궤도에 진입을 못하고 바다로 추락한 것이다.

지난 12월 29일 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 누리호 발사조사위원회가 누리호 1차 발사 실패 원인을 조사한 결과 누리호 3단 이상 징후는 3단 탱크 연결부와 위성 어댑터 등에서 특이 진동이 감지된 시점인 이륙 36초부터 나타났다고 밝혔다.

1, 2단 분리까지는 정상적으로 이뤄진 것으로 나타났으며 실패의 원인은 3단 산화제 탱크에만 적용된 것으로 볼 수 있다.

누리호 1단 분리와 2단 분리 시점 속도는 각각 초속 1.8㎞, 2.4㎞다. 일반 여객기 속도가 초속 250m임을 감안하면 누리호의 가속도는 상상을 초월할 정도다. 이에 더해 3단 분리 시 속도는 2단 분리 때의 세 배인 초속 7.5㎞에 이른다고 했다.

이러한 가속력에 의해 3단에 결합된 산화제(액체산소) 탱크 내부에 있는 헬륨탱크에 더 큰 부력이 가해진 상황에서 탱크의 고정장치가 압력을 견디지 못하고 풀린 것이 1차 원인인 것으로 나타났다.

추력 7톤 엔진이 장착된 3단 내부의 산화제 탱크 안에는 132ℓ용량의 고압헬륨탱크 2개가 고정돼 있으며 헬륨탱크는 산화제탱크 안의 압력을 일정하게 유지하기 위해 산화제가 빠져나간 자리를 헬륨으로 채우는 일을 한다.

조사위는 누리호 비행 중 획득한 2600여개의 텔레메트리(원격자료전송장비) 데이터를 분석해 3단 산화제탱크의 압력이 저하돼 엔진이 조기에 종료됐다는 것을 밝혀냈다.

최환석 조사위원장(항우연 부원장)은 “산화제탱크에는 액체산소가 들어 있는데, 그 안에 장착돼 있는 헬륨탱크의 고정장치를 설계할 때 가속도에 의해 액체산소의 부력이 상승하는 것을 고려하지 않은 것이 문제였다”고 말했다.

헬륨탱크 하나가 받는 부력은 약 482㎏이지만 부력을 감안하지 않고 구조물이 견딜 수 있는 최대 하중을 고려한 약 405㎏으로 설계됐다는 것이다. 따라서 지지력이 부력을 이기지 못하고 이탈한 헬륨탱크가 내부 구조물과 부딪혀 균열을 일으키면서 액체산소가 누설됐고 결국 3단 엔진이 조기에 꺼졌다는 게 조사위 설명이다.

과기정통부와 항우연은 조사위 분석을 바탕으로 곧바로 헬륨탱크 고정부와 산화제탱크 구조를 강화하는 등 기술적 보완 작업에 들어갈 계획이라고 밝혔다.