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[↑ 화성 15형 발사 동영상]

▲ 육중한 미사일을 순식간에 창공높이 쏘아올린 화성-15형 쌍둥이 로켓엔진이 힘차게 화염을 내뿜으며 대지를 박차고 있다.     © 자주시보

북의 대륙간탄도미사일 화성-15형이 미 본토 전역을 타격할 충분한 사거리를 가지고 있다는 미국의 군사전문가들의 주장에 이어 국방부도 미국 서부 수도 워싱턴을 타격할 사거리를 가진 것으로 평가하여 세인들의 비상한 관심을 모으고 있다. 

✦ 보조로켓이 과연 없나?

이런 엄청난 힘을 만들어낸 로켓엔진에 대해 국내 로켓전문가들은 한결같이 3.18엔진, 일명 백두산엔진을 쌍둥이로 장착하여 엔진 1개를 설치했던 화성-14형보다 비추력을 획기적으로 높였다고 평가했다.  

화성-14형은 한 개의 대형노즐에 소형 보조로켓노즐을 4개 장착하였는데 이 보조로켓노즐이 방향전환에만 이용되는 것이 아니라 비추력의 일부를 담당할 수 있을 만큼 꽤 컸다. 그래서 발사단계에서부터 대형노즐과 보조노즐에서 모두 화염이 뿜어져나왔던 것으로 추정되었다.

▲ 이 사진은 화성-14형이 상승비행하는 장면이다. 4개의 소형 보조노즐이 초기 발사단계에서 가동되고 있다.

화성-15형은 발사단계에서 쌍둥이 중심노즐 2개만 화염을 내뿜었고 모든 전문가들은 보조노즐이 없이 이 중심노즐만으로 비추력도 만들고 방향전환도 하게 한 것으로 추정하였다. 

장영근 항공대 교수는 화성-15형은 중심노즐을 회전식으로 만들어 방향전환까지 해내는 것으로 추정하였다.

미국의 제프리 루이스 미들버리 국제학연구소 비확산센터 연구원도 중심노즐을 움직여 방향전환을 하는 것으로 판단하였다. 그는 이를 짐벌(gimbal) 시스템이라고 말하고 매우 발전된 기술이라고 평가하였다. 첨단 전투기에서도 날개와 함께 노즐을 움직여 방향전환을 한다. 미국의 B-2스텔스기는 레이더 포착을 피하기 위해 수직꼬리날개조차 없애버리고 이런 노즐을 회전식으로 움직여 자유자재로 방향전환을 하고 있다.

루이스 연구원은 날개로 방향전환을 할 때는 뒤로 잡아끄는 힘이 생겨 비추력이 떨어진다는 것이었다. 다만 보조로켓을 이용한 방향전환과 짐벌시스템에 의한 방향전환에 대한 비교대조는 하지 않았다.

무엇이 더 좋은 방식인지는 어느 쪽이 더 안정적이며 값이 싸고 가벼운 장치인가로 결정될 것이다. 특히 무거우면 그만큼 비추력을 확 떨어뜨린다. 

▲ 화성-15형 로켓 밑면, 대형 쌍둥이 노즐이 선명하게 보인다. 자세히 보면 작은 꼭지가 하나는 아주 선명하게 보이고 3개정도 더 흐릿하게 보인다.     © 자주시보

필자는 화성-15형에도 보조로켓이 있는 것으로 판단하고 있다. 상승하는 로켓의 바닥을 자세히 관찰해보면 화염은 내뿜지 않고 있기는 하지만 작은 꼭지가 최소 2개에서 4개가 보이는데 그것이 방향전환용 보조로켓노즐일 가능성이 있다고 본다.

실제 발사 동영상을 보면 비상하는 도중에 이 보조로켓이 가동되어 양 옆으로 화염이 뻗어나오는 것으로 보이는 장면도 포착되었다. 물론 대기권을 벗어나면서 나타나는 현상일 가능성 등 꼭 보조로켓 가동현상이라고 단정할 수는 없기는 하다.

▲ 화성-15형 화염이 비상하다가 위에서부터 갑자기 두꺼워졌다. 보조로켓을 이때부터 가동해본 것이 아닌가 추정되기는 하는데 확신할 수는 없다. 보조노즐 크기에 비해 화염이 너무 굵어지고 있어서 더욱 확신은 할 수 없다.    © 자주시보 이창기 기자

허나 짐벌시스템의 경우 무게를 특별히 늘리지 않고 아주 간단하게 만들 수 있다면 그걸 도입할 수도 있겠지만 엄청난 추력을 뿜어내어 그 무거운 로켓을 그 빠른 속도로 비상하게 하는 반작용 힘을 견디어 내기 위해서는 튼튼한 구조적 안정성이 담보되어야 할텐데 회전식으로 노즐을 만든다는 것이 상식적으로 그리 간단치 않아보인다. 

또 북이 그런 기술이 있다고 해도 어차피 한번 사용하고 나면 떼어내어 떨어뜨릴 1단로켓에 값비싼 돈을 들여 꼭 그런 체계를 적용하겠는가 하는 점도 의문이다. 

대신 보조로켓은 터보펌프에서 뿜어내는 가스화된 고압의 연료 중 극히 일부를 작은 관으로 빼서 작은 연소실을 만들어 연소만 시키면 되기 때문에 퍽 간단하게 만들 수 있지 않겠나 싶다.

다만 이번에 그 보조로켓노즐이 매우 작았고 점화와 초기 상승단계에서는 아예 작동을 시키지 않은 것은 화성-14형처럼 비추력까지 담당한 것이 아니라 순전히 방향전환용으로만 이용하려고 아주 작게 만들었기 때문이 아닌가 싶다. 

물론 회전식 짐벌시스템을 도입했을 수도 있다. 그렇다면 북이 첨단 전투기제작 기술에 있어서도 매우 높은 기술력을 확보했다는 한 증거가 될 수 있다. 북이 핵무장력을 완전히 구축하고 나면 미국의 랩터에 대적할 최첨단 전투기 비행구름으로 창공을 뒤덮는 것은 아닌지 모르겠다. 

어쨌든 필자는 쌍둥이 노즐을 달아 힘이 넉넉해져서 굳이 보조로켓으로 비추력까지 낼 필요가 없었던 것이 아닌가 싶다. 그만큼 이번 화성-15형의 엔진은 힘이 남아돌 정도였던 것 같다. 

연합뉴스, YTN 등이 소개한 발사 동영상을 보니 정말 그 육중한 덩치를 순식간에 창공 높이 올려 한점 불빛으로 만들어버렸다.

조금도 흔들림이 없이 안정적인 자세로 대지를 박차고 쓕~쓕~! 비상하는 화성-15형은 마치 힘을 주체하지 못해 콧김을 힝힝 내뿜으며 마구 돌진하는 코뿔소같았다. 

✦ 추종불허의 초강력 쌍둥이 노즐 엔진

발사 후 약 2분 10초만에 1단과 2단이 분리되어 2단로켓이 밝고 영롱한 힌 빛을 뿜으며 우주 공간으로 까마득히 사라져갔는데 이 1단 가동시간은 사실 매우 긴 시간이다. 화성 14형은 약 1분 5초만에 1단과 2단이 분리되었으니 화성-15형은 1단로켓가동시간이 거의 두배나 길었던 것이다. 그래서 그렇게 높이 올라갈 수 있었던 것이 아닌가 생각된다.

일반적으로 생각하면 노즐이 2개면 연료 분사량도 두배가 되기 때문에 비슷한 연료통이라면 오히려 비행시간이 단축되어야 하는데 2배로 늘었다는 사실이 잘 납득이 되지 않을 것이다.  

원리는 간단하다. 화성-14형의 큰 구멍 노즐 한 개를 화성-15형에서는 두 개 노즐로 쪼개 구멍을 작게 하여 더 적은 양의 연료를 사용하면서도 내뿜는 속도를 훨씬 높였던 것이 아닌가 싶다. 화염분출 속도가 비추력에 결정적 영향을 미치기 때문이다. 노즐의 구멍을 줄이면 상식적으로 속도는 세제곱에 비례해서 높아진다. 하지만 구멍을 줄이는데 한계가 있다. 최적의 구멍크기를 찾아서 노즐을 여러개로 만들어 다발로 묶는 것이 효율적인데 이 경우도 노즐이나 관등이 많아져 오히려 무게가 늘어나기 때문에 무한정 노즐수를 늘릴 수는 없다. 보통 대형 중심 노즐을 2-4개를 가장 많이 사용한다.

▲ 9축 18륜 차량에 탑재된 육중한 화성-15형, 화성-14형에 비해 바퀴가 2개나 늘었고  운전석 앞으로 탄두부가 튀어나와있는 것을 보면 그 크기가 꽤 커졌음을 짐작할 수 있다. 특히 2단의 지름이 획기적으로 커졌다. 이로써 1단의 연료양도 약 10-20% 늘었을 것이다. 그에 비해 1단 비행시간은 배나 늘었다. 1단 로켓의 효율이 대폭 증가한 것이다.      ©이정섭 기자

북의 화성-15형은 두개 즉, 쌍둥이 노즐을 장착한 것이다. 물론 소모하는 연료양을 절반까지 줄이지는 못해 미사일 크기를 더 키웠고 차량의 바퀴도 16개에서 18개로 2개를 늘렸던 것이다. 필자의 계산으로는 1단만 따졌을 때 연료양이 약 10%, 많아야 20% 늘었은데 그 가동시간이 2배 즉, 100%나 늘었다는 것은 그만큼 이번 화성-15형 엔진의 효율이 획기적으로 좋아졌다는 것을 말해준다. 

사실, 4개 중심노즐을 한 다발로 묶은 은하-4호 로켓도 1단가동시간은 1분 30여초 정도였다. 지금까지 북이 쏜 로켓 중에서 화성-15형의 1단로켓 가동시간이 가장 길었다. 그래서 그 먼거리를 비행할 수 있었던 것이다.

▲ 러시아의 스틸레토 대륙간탄도미사일

따라서 이것은 거의 완전히 새로운 엔진을 개발한 것이나 같다고 본다. 북이 러시아의 스틸레토 대륙간탄도미사일처럼 이 엔진을 4개 노즐 한다발로 만들어낸다면 세계 최강의 전략탄도미사일을 개발하게 될 것이다. 10발 이상의 다탄두에 수많은 기만탄까지 장착할 수 있는 괴물대륙간탄도미사일도 북은 마음만 먹으면 얼마든지 만들 수 있게 되었다고 판단된다.  

▲ 북이 은하-4호를 이용하여 광명성위성 발사 성공 후 김정은 제1위원장의 위성개발 현지지도 관련 동영상에서 공개한 북의 은하-4호 엔진 노즐 대형 중심노즐 4개에 보조노즐이 4개장착되어 있다. 보조노즐은 회전식으로 움직일 수 있게 되어 있어 방향조종을 담당하는 것으로 보인다.

북은 이미 대형노즐4개를 하나로 묶은 은하-4호를 이용하여 광명성 위성 발사에 성공한 바 있다. 이미 북도 러시아 못지 않은 다발엔진기술 즉, 엔진크러스터링 기술을 확보하고 있는 것이다.

하기에 마음만 먹는다면 얼마든지 더 크고 위력적인 대륙간탄도미사일을 만들 수 있을 것으로 보인다. 북의 로켓기술의 끝이 어딘지 도무지 짐작조차 못 하겠다.