일본의 액체 연료 로켓; N-1에서 H-2B까지

일본의 액체 연료 로켓 개발은 1969년대부터 NASDA(National Space Development Agency of Japan)에서 시작되었다.

액체 연료 로켓 개발은 N프로젝트와 H프로젝트로 크게 구분해 볼 수 있다. 그리고 N프로젝트에서는 N-1과 N-2로 불리는 액체 연료 로켓을 만들었고, H프로젝트에서는 H-1, H-2, H-2A, H-2B로 불리는 로켓을 각각 만들어 발사했다.

N프로젝트는 델타 발사체에서 사용된 기술을 라이선스를 받아 진행되었다. 미국은 핵심 기술은 비밀로 유지하는 블랙 박스의 조건으로 일본의 면허생산을 허용했다.

 

<N 프로젝트>

N프로젝트는 일본에서 최초로 액체 연료 로켓을 만들고자 하는 목적으로 1969년 시작된 프로젝트이다. N프로젝트는 고체 연료를 사용한 Mu 로켓보다 더 큰 추력의 로켓을 만글어 규모가 큰 위성의 발사에 활용할 목적이었다.

일본은 그당시 Mu 로켓을 가지고 있었으므로 고체연료의 기술력은 있었으나, 액체연료는 기술력이 현저히 떨어진다는 단점이 있었다. 이에 일본은 N프로젝트를 기획하게 되고, 미국 정부와의 협상 끝에 델타 발사체 기술을 이전받고 개발 협력을 얻어냈다. 그 후 일본은 일본 내에서 N 로켓의 생산을 할 수 있는 면허(license)생산까지 미국으로부터 얻어 냈다. 미국의 델타 발사체 개발사인 맥도널 더글러스로부터 설계, 생산, 발사시스템 등에 대한 전반적 기술이전을 받았다. 그리고 이때부터 일본의 미쓰비씨 중공업은 맥도널 더글러스의 델타 발사체의 부스터를 생산했고, 로켓다인의 1단 엔진(MB-3)을 면허 생산했다. 또한 미쓰비씨 중공업은 MB-3를 라이센스 생산하면서 2단 엔진인 LE-3를 개발하고, 맥도널 더글러스의 지원을 받아 2단 구조물과 노즈 페어링을 개발했다.

2단 엔진인 LE-3는 일본 최초의 LO2(액체산소)/LH2(액체수소)엔진이였으나, 로켓다인의 기술지원으로 개발된 것이므로 일본의 자체적으로 개발한 엔진은 LE-5로 보는 시각이 많다. 그 후 5년 뒤인 1975년 9월 9일, 일본은 최초의 액체로켓인 N-1을 성공적으로 발사하게 되었다.

이 N-1은 총 길이 32.6m에 지름 2.44m, 무게 90.4톤에 저궤도에 1.2톤을 올릴 수 있는 액체 연료 로켓으로 매우 큰 규모이다. N-1은 1975년 9월 9일 첫 발사 후 1982년까지 총 7회를 발사하여 6회를 성공하는 매우 높은 성공율을 보였다.

 

일본은 N-1의 개량형인 N-2발사체 개발을 시작했는데 그 시점이 N-1 첫 발사 성공한 바로 1년 뒤인 1976년이다. N-2발사체는 1981년에 처음 발사되었으며, 길이 35.4m, 직경 2.44m, 무게 135.2톤의 중형 발사체이며, 지구 저궤도로 약 2톤을 쏘아 올릴 수 있었다. N-2발사체는 1단에 MB-3엔진을 사용했으며, 외관은 Delta발사체와 매우 흡사하지만 1단 부스터가 9개란 점이 특징이다. N-2발사체는 1981년에 첫 발사 후 1987년 마지막 발사까지 총 8회를 발사해 8회 전부 성공하여 100% 성공율을 가지고 있다.

 

 

<H 프로젝트>

일본은 N-2보다 더욱 더 큰 발사체 로켓을 만들기 위해 H프로젝트를 시작하게 된다. N-2가 N-1에 비해 거의 2배의 성능을 가지고 있었지만, 통신위성같은 초대형 위성들을 띄워 올리기에는 성능이 부족한 상태였기 때문이다. 

1981년부터 개발이 시작된 H-1은 1986년 처음 발사되어 1992년까지 총 9기가 발사되었으며 9번 모두 성공하였다.
H-1의 길이는 40.3m, 직경 2.44m, 무게는 139.9톤에 달했으며 지구 저궤도로 2.2톤, 정지궤도로 550kg가량을 올려 보낼 수 있었다. H-1은 N-2와 외형이 매우 비슷했는데, 이 H-1은 N-2의 1단에 사용한 MB-3엔진과 부스터 9개, 그리고 N-2에 사용된 페어링을 그대로 사용하였다.

대신에 2단과 3단, 그리고 관성유도시스템을 자체 개발하였으며, 국산화가 78~98%로 당시까지 일본이 추진한 액체로켓 프로젝트중 가장 높은 국산화율을 보여주었다.

원래 H-1의 정식 명칭은 H-1A였으며, 후속으로 H-1B가 개발할 계획이었으나 당시 세계적으로 2톤급 정지궤도 위성의 수요가 매우 급증함에 따라 일본은 더 큰 로켓의 개발 필요성으로 그에 맞는 규모의 발사체를 개발할 H-2를 바로 시작하게 된다.

H-2는 2톤급 정지궤도위성의 수요가 증가함에 따라 1986년부터 1992년까지 개발된 발사체로서 세계적으로도 초대형 발사체에 속한다. H-2는 NASDA가 H-1으로부터 얻은 경험을 바탕으로 100%자체 기술만으로 개발을 한 로켓이다. H-2는 신뢰성은 H-1급으로 유지하면서도 낮은 비용으로 대형 위성을 정지궤도에 올리는 것으로 목표로 하였다. 

H-2기본형은 LH2(액체수소)와 LO2(액체산소)를 사용하며, 2개의 로켓 부스터(SRB)로 이루어져 있다. NASDA는 미쓰비씨와 IHI와 협력하여 LE-7이라는 새로운 1단 엔진을 장장 10년에 걸쳐 개발해내기에 이른다. LE-7은 H-1까지 사용되었던 MB-3와는 완벽히 다른 구조였는데, MB-3가 현재 나로호가 사용하는 것과 같은 액체산소/케로신을 사용하는것에 비해, LE-7은 액체산소와 액체수소를 사용하였다. 그리고 LE-7은 연소능력을 한층 향상시키기 위하여 단계적 연소 사이클을 이용하였는데, 타 엔진의 경우에는 액체수소와 액체산소를 주 연소실에서 혼합 후 점화하는 방식이지만 단계적 연소 사이클은 액체수소와 액체산소를 혼합한 뒤에 1차 연소실에서 한번 예비점화를 시킨 후 다시 주 연소실로 점화가스를 보내 액체산소와 혼합 후 재점화를 시키는 방법이다. JAXA에서 공식적으로 발표한 단계적 연소 사이클의 그래프를 보면 1차 연소실에서 점화한 가스가 주연소실에서 액체 산소와 만나 재점화하여 배기가스의 분사압을 키우기 때문에 비추력이 높아진다는 장점이 있다.

 

 

단점은 1차 예비점화 후 주 연소실로 보내는 터보펌프의 개발이 난제였다. 실제로 LE-7의 개발 중 터보펌프의 개발을 IHI가 맡았는데 이 터보펌프의 개발에만 LE-7엔진의 개발금인 800억엔 중 320억엔이 쓰였고, 터보펌프 개발에만 약 8년이 소모되었다. 이 LE-7은 1992년에 개발이 완료되었는데, 엔진의 구조적 결함으로 인하여 H-2초기형 모델의 경우에는 LE-7의 추진력을 10%정도 떨어트려 사용해야 됐었다. 1994년 2월 4일 첫 발사를 한 H-2 초기형 모델은 구조적 결함으로 추력이 10%정도 낮았으나 닛산자동차 항공우주개발부에서 개발한 SRB라고 불리는 고체연료부스터의 성능이 설계보다 훨씬 뛰어난 성능을 보여주었기 때문에 H-2는 순조롭게 발사되었다.

 H-2는 길이49.9m, 직경4m, 무게 244톤의 중대형 로켓이였고, 지구 저궤도에 10톤, 정지궤도까지 3.8톤을 운반할 수 있다.

그후 일본은 총 6번을 더 쏘아 올렸고, 결과는 총 7회 중 5회 성공이라는 꽤 성공적인 결과를 내게 된다.

NASDA는 더 무거운 위성을 올릴 수 있는 H-2의 개량형인 H-2A를 1996년부터 개발하기 시작했다. NASDA는 2001년에 H-2A를 첫 발사하여, 현재까지 22번의 발사를 하였는데, 1번의 발사를 제외하곤 21번의 발사가 성공하였다.
H-2A는 길이 53m, 직경4m, 무게는 445톤에 달하며, 1단에는 H-2에 쓰인 LE-7의 개량형인 LE-7A를 사용하였고, 2단에는 H-2에 쓰인 LE-5A의 개량형인 LE-5B를 사용하였다. 또한 H-2A는 총 4개의 변형모델이 존재하는데, 현재는 H2A202와 H2A204만 사용되고 있다.  H2A202의 경우에는 저궤도까지 10톤, 정지궤도에 4톤을 운반할 수 있으며, H2A204의 경우에는 저궤도에 15톤, 정지궤도에 6톤을 운반할 수 있다.

 

 

H-2A의 특징은 임무에 따라 발사체의 모양을 바꿀 수 있는데 H2A204의 경우에는 페어링의 지름이 우주왕복선의 직경과 비슷한 정도이다.

또한 제작비용을 최소화시켜 H-2의 2단 로켓에 사용하던 액체수소/액체산소 탱크를 외국에서 만들어 수입해 오고 있고, LE-7엔진을 개량한 LE-7A의 경우에는 제작 과정을 단순화시키고 내구성을 향상시켰으며, 부스터인 SRB-A는 H-2에 사용되던 SRB의 연료를 변경함에 따라 추력이 거의 5%이상 늘어나고도 제작가격은 줄어들었다.

 

일본은 2003년 NASDA와 ISAS, NAL을 합병하여 JAXA를 탄생시켰다. JAXA와 미쓰비씨 중공업은 2005년 개량을 시작해 2009년 9월에 H-2A의 개량형인 H-2B를 발사하게 된다. H-2A는 1단에 LE-7A로켓이 1기 있었지만, H-2B는 1단에 LE-7A로켓을 2기 탑재하고, SRB-A의 최종 개량형인 SRB-A3를 4기 장착하고 있다.

H-2B는 길이 56.6m, 직경 5.2m, 무게 531톤에 달하며 저궤도에 19톤, 정지궤도에 8톤을 운반할 수 있다. H-2B는 미국의 아틀라스5, 델타4H, 유럽우주국의 아리안5, 러시아의 프로톤과 같은 초대형 발사체에 속하며, HTV외에도 위성을 발사할 수 있으며 현재 총 3회 발사하여 3회 모두 성공했다.