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클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 6월 8일부터 9일까지 누리호 1, 2단과 3단의 최종 결합 작업이 전남 고흥군 나로우주센터 발사체 종합조립동에서 진행됐다. 항공우주연구원 제공
2010년부터 12년간 2兆 투입, 엔진·발사대 자력으로 제작해
작년 10월 3단 엔진 조기 연소 위성 안착 못시켜 ‘절반의 성공’
항우연, 3단 엔진기술 보강하고 큐브위성 4기·모사체 1기 탑재
성공땐 10번째 우주발사체 보유...2030년대 달 착륙선 발사 목표
오는 16일 오후 4시(잠정) 전남 고흥군 나로우주센터에서 국내 1호 한국형 발사체 ‘누리호’가 2차 발사를 시도한다. 과학기술정보통신부와 항공우주연구원은 나로우주센터에 강한 바람이 불고 있고 향후 더 세어질 가능성이 있어 안전 확보를 위해 발사 일정을 당초 15일에서 하루 연기했다. 이번에는 진짜 인공위성을 싣고 지상 700㎞ 우주 공간을 향한다. 지난해 10월 1차 발사 때 마지막 3단 로켓의 불완전 연소로 실제 위성과 무게가 비슷한 테스트용 가짜(dummy·더미) 인공위성조차 목표했던 제 궤도에 올리지 못해 ‘절반의 성공’이란 아쉬움을 남겼던 경험을 딛고 100% 완벽한 성공을 거둘지 주목된다. 누리호는 지난 2010년 3월부터 약 12년간 2조 원가량의 막대한 예산을 들여 우주 발사체의 설계·제작·발사 전 과정을 모두 우리 기술로 완성한 순수한 한국 로켓이다. ‘누리’는 순우리말로 ‘세상’을 뜻한다. 특히 로켓의 심장인 75t급 엔진과 발사대까지 자력으로 제작, 운용하면서 대한민국 우주 독립 시대의 원년을 열어 나가고 있다. 한국의 기술력을 총동원한 ‘국산 1호 우주발사체’ 누리호는 말 그대로 새 세상을 여는 신호탄이 될 전망이다. 우리 로켓으로 자력 발사를 성공시킨 후 2030년대 달 착륙선 발사까지 독자 기술로 성공시킨다는 원대한 장기 계획도 잡혀 있다. 이에 2차 발사를 계기로 우주발사체의 정의, 한국형 발사체의 의의, 향후 우리나라 우주개발 계획과 지금까지 한국의 우주 개척사를 함께 알아본다.
1. 이번 2차 발사에서 개선한 내용은
지난해 10월 21일 오후 5시에 실시된 누리호 1차 발사 때는 발사대 이륙과 1, 2단 및 페어링 분리까지 순조롭게 성공했으나 마지막 3단에 장착된 7t급 액체엔진이 원래 예정 연소시간인 521초보다 짧은 475초 만에 조기 연소됨으로써 추력이 부족해 더미 인공위성을 목표한 지구 저궤도에 올려놓지 못했다. 누리호발사위원회는 정밀조사 결과, 비행 중 진동과 부력으로 인해 실제 비행 시 헬륨탱크에 가해진 액체산소의 부력이 상승하면서 고정 장치가 풀려 탱크가 하단 고정부에서 이탈한 것으로 결론 내렸다. 이후 이탈한 헬륨탱크가 움직이면서 배관을 변형시켜 헬륨이 누설되고, 산화제 탱크의 균열도 발생시켜 산화제까지 누설되면서 3단 엔진에 유입되는 산화제 양이 감소해 3단 엔진의 조기 연소 종료로 이어졌다. 이에 항공우주연구원은 헬륨탱크 하부의 고정부를 보강하고, 산화제 탱크 맨홀 덮개의 두께를 강화하는 기술적 조치를 취했다.
2. 이번엔 진짜 위성을 싣고 발사되는데
1차 발사 때 더미 인공위성으로 궤도 진입 테스트를 했던 것과 달리 이번 2차 발사 때는 큐브 위성(네모난 소형위성) 4기를 포함한 성능검증용 진짜 인공위성이 탑재된다. 물론 1.3t짜리 위성모사체도 함께 싣는다. 이는 궁극적으로 1.5t급 실용위성을 지구 저궤도(600∼800㎞)에 투입할 수 있는 우주발사체 개발 및 발사체 기술 확보가 최종 목표이기 때문이다. 정부는 한국형 발사체 기술의 고도화를 통해 독자적인 우주 수송 능력을 확보한다는 목표에 따라 2023년부터 2027년까지 누리호를 반복 발사하면서 신뢰성을 제고할 계획이다. 이 과정에서 발사체 기술의 민간 이전을 통해 체계적으로 우주 종합기업도 육성할 예정이다.
3. 한국형 발사체란 무엇인가
로켓의 설계에서부터 제작 및 시험·인증, 발사 그리고 발사 후 관제와 통신까지 모두 우리 기술로 완성한 첫 번째 발사체란 뜻이다. 한국의 우주 자립에 첫걸음을 떼는 역사적 이정표인 셈이다. 지난 2013년 발사한 ‘나로호’는 우주 강국 러시아와의 협력으로 만든 합작 발사체였다. 누리호는 지난 12년 동안 세밀한 단계별 계획에 따라 치밀하게, 조직적으로 국산화가 진행됐다. 보통 발사체는 최소 3번의 반복 제작 과정을 거친다. 엔지니어링 모델(EM·Engineering Model), 인증 모델(QM·Qualification Model), 비행 모델(FM·Flight Model)이 그것이다. 부품을 조립해 전체 시스템이 잘 돌아가는지 제작 단계에서 검증하는 EM, 제작된 발사체가 연료 주입과 기립 등 발사에 필요한 공정 및 동작을 무리 없이 해내는지 테스트하는 QM, 실제 비행에 사용하는 FM은 겉보기엔 똑같이 생겼다. 지난해 10월 21일 실제로 발사된 누리호는 FM이다. 2차 발사가 예정된 누리호도 마찬가지다.
4. 누리호 2차 발사의 의의는
누리호는 한국이 우주 강국으로 발돋움하는 주춧돌이 될 전망이다. 발사체 개발 기술은 국가 간 기술이전이 엄격히 금지된 분야로, 미사일기술통제체제(MTCR) 및 미국의 수출 규제(ITAR) 등으로 우주발사체 기술 이전이 통제돼 독자적인 우주발사체 개발이 필요하다. 누리호는 1.5t급 실용위성을 지구 저궤도에 투입할 수 있는 우주발사체로 독자 우주 수송능력을 확보, 국가 우주개발을 안정적으로 수행할 수 있는 바탕이 된다. 현재 우주발사체 자력 발사 능력을 보유한 나라는 9개국뿐이다. 실용급 인공위성(무게 1t 이상)을 발사해 지구 순환궤도에 안착시킬 수 있는 나라는 전 세계에서 미국·러시아·유럽연합(EU)·일본·중국 등에 이어 한국까지 아직 6개국밖에 없다. 특히 누리호는 우리나라 정부와 기업의 컨소시엄이 처음부터 끝까지 독자적으로 손잡고 만들었다. 발사체를 지지하는 발사대, 즉 영어로 탯줄을 의미하는 엄빌리컬(umbilical) 타워도 우리가 만들었다. 기립한 발사체에 케로신·산화제 등 연료를 공급하는 지상 구조물이다. 발사체를 쏘아 올린 다음, 비행 중 통신을 교환하고 관제하는 기술도 모두 우리 힘으로 완성했다.
5. 발사 준비 과정은
우선, 1단계로 총 조립 후 발사대로 하루 전날 이송된다. 발사체 종합조립동에서 완성된 누리호는 대형 트럭인 트랜스포터(Transporter)를 이용해 발사 하루 전에 발사대로 옮겨진다. 2단계는 발사체를 발사대에 설치하는 작업이다. 누리호는 발사 패드까지 수평으로 이송된 후 수직기립 장치 이렉터(Erector)로 세워져 발사 패드에 고정된다. 3단계는 발사 당일 최종 점검 및 추진제 주입 작업이다. 수직으로 발사대에 세워진 누리호는 연료와 전기 계통을 중심으로 모든 부분이 종합적으로 점검되고 발사 약 4시간 전부터 연료와 산화제 주입을 위한 절차가 시작된다. 연료와 산화제가 주입되면 모든 발사 준비는 완료된다. 마지막 4단계는 발사 자동운용 및 발사이다. 발사 예정 시간까지 모든 기기가 정상 상태를 유지하고 기상 상태와 주변 환경 등이 발사에 영향을 끼치지 않을 경우, 발사 10분 전부터 발사 자동운용을 시작한다. 10분 전부터 발사체 이륙 직전까지 1단과 2단의 발사관제시스템에 의해 자동적으로 이뤄지는 준비 작업이다.
6. 발사 연기 가능성은
발사 당일에도 다시 연기될 가능성은 상존한다. 온도·습도·바람·낙뢰 등 기상환경과 진입 예정 궤도상 유인우주선이나 우주 잔해와 충돌하지 않도록 경로를 점검·조정하는 분석 작업이 발사 직전까지 이뤄진다. 만약 기상이 악화하거나 발사대 및 발사체 오작동, 연료 누설 또는 화재, 발사대 미분리 등의 사고가 발생하면 발사는 중지, 연기된다. 발사 중 이륙 및 발사 과정에서 폭발하거나 궤도를 이탈하면 비행 종단(termination) 절차에 들어간다. 발사 후에도 엔진 연소 등의 비정상 작동으로 비행목표 미달 같은 리스크가 생길 수 있다. 세계적으로 자체 개발 우주발사체의 첫 발사 성공률은 30%에 채 미치지 못했다. 우리도 처음 시도해 절반의 성공을 거두었지만 두 번째에 성공하더라도 기적 같은 축복으로 평가될 것이다.
7. 발사체와 대륙간탄도미사일(ICBM)의 다른 점은
우주발사체는 인공위성·탐사선·우주정류장 등 우주 구조물을 우주 공간에 올려놓기 위해 사용하는 로켓을 말한다. 인공위성처럼 지구 주위를 빙빙 돌거나, 아예 지구를 벗어나 다른 행성으로 날아가는 비행체를 만들려면 지구 중력을 벗어날 수 있는 강력한 추진력이 필요하다. 이때 필요한 힘의 원천이 탈출 속도다. 물체를 초속 7.9㎞의 빠른 속도로 하늘로 쏘아 올리면 다시 땅에 떨어지지 않고 달처럼 지구 주위를 돌게 된다. 더 빠른 속도를 붙이면 지구 중력권을 벗어나 화성·목성 등 태양계 행성이나 아예 다른 태양계의 넓은 우주로도 갈 수 있다. 바로 이 탈출 속도를 만들어 주는 엔진이 우주발사체다. 흔히 로켓으로 불리는 비행체는 우주 탐사·과학적 연구 같은 평화적 목적에 이용되면 발사체로 불리지만, 군사 목적으로 원격지의 목표물을 파괴하는 데 쓰이면 미사일이 된다. 지구 반대쪽 대륙까지 날아갈 수 있는 장거리 미사일은 ICBM이라 불리는 강력한 무기로 공포의 대상이다. 미사일이냐, 발사체냐의 구분은 로켓 머리에 해당하는 탑재부에 탄두(화약)를 싣느냐, 인공위성 같은 평화적 목적의 페이로드(payload·적재화물)를 싣느냐의 차이에 달렸다. 그래서 독자적인 발사체 기술의 확보는 우주 강국에서 군사 강국으로 가는 미묘한 연결고리가 된다.
8. 왜 3단으로 분리하나
우주로 날아가는 발사체는 더 큰 추력을 얻기 위해 보통 여러 개의 로켓으로 쪼개는 단(stage) 분리 방식을 사용한다. 각 단의 추진제 연소가 끝나면 분리해 떨굼으로써 무게를 줄여 더 빠른 속도를 얻도록 설계하는 식이다. 맨 처음 불이 붙는 1단 로켓은 대기권 탈출용 우주 속도를 내기 위해 가장 추력이 세고, 그만큼 제작에도 가장 많은 돈이 든다. 1단 로켓으로 궤도에 올린 다음, 조금 경량급인 2단 로켓과 3단 로켓으로 우주 공간을 이동하거나 자세를 제어한다. 1단 로켓은 75t급 중대형 엔진 4개를 묶어(clustering·클러스터링) 구성한다. 2단 로켓은 75t급 엔진 1개다. 3단 로켓은 7t급 소형 엔진 1개다. 대형·소형 두 가지 엔진을 우리 기술로 설계·제작하고 성능이 안정될 때까지 끊임없이 테스트하는 과정을 거쳤다.
9. 한국형 발사체 개발의 역사는
누리호는 2010년 설계와 액체엔진 시험설비 구축부터 시작됐다. 7t급 소형 엔진을 조립하고 지상 연소시험을 하는 단계였다. 이 과정이 5년 걸렸다. 2015년부터 4년 동안 발사체와 엔진의 상세 설계를 하고 75t급 중대형 지상용 엔진과 시험발사체를 개발하는 데 성공했다. 2018년 11월 처음으로 시험발사체를 발사했다. 그리고 다시 4년간 3단형 발사체 시스템을 만들고 비행 모델 제작 후 올해와 내년에 두 차례 발사한다. 총 11년이 걸린 대장정이었다. 우리 고유 기술로 만든 한국형 발사체는 하루아침에 완성된 게 아니다. 누리호에 앞서 경험을 쌓았던, 2013년 발사한 나로호는 러시아의 기술 협력을 받은 합작품이었다. 1990년대부터 과학 로켓(KSR) 개발이 시작됐다. 1단으로 된 KSR-Ⅰ으로 고체 로켓을 처음 제작, 시험해 보고 2단형 고체 로켓 KSR-Ⅱ로 이어졌다. 단 분리 등 유도제어 기술이 축적돼 갔다. 세 번째 과학 로켓은 액체추진 KSR-Ⅲ였다. 13t급 액체엔진을 처음 개발해 관성항법시스템, 추력 및 자세제어, 비행종단, 노즈 페어링, 고압탱크 등 필수 기술을 갖춰 나갔다. 이런 성과를 딛고 100㎏ 소형위성 발사체인 나로호(KSLV-Ⅰ)가 완성됐다. 액체엔진도 30t급으로 커졌다. 위성을 궤도에 진입시킬 수 있는 수준이다. 그리고 1.5t급 실용위성을 지구 저궤도에 올릴 수 있는 발사체, 그것도 우리 기술로 완성한 한국형 우주발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)가 2차 발사를 앞두고 있다.
10. 향후 한국의 우주 개발은
누리호의 성공은 길게 보아 우리나라 달 탐사 계획의 실현으로도 이어질 전망이다. 한국은 최근 한·미 정상회담을 계기로 미국 주도의 달과 우주 탐사 프로젝트 ‘아르테미스’ 약정에 10번째로 가입했다. 우리나라는 2022년 8월 스페이스X의 팰컨9 발사체를 이용해 달 궤도선 ‘다누리호’를 보내는 것으로 독자적인 달 탐사를 시작한다. 더 길게는 2030년대에 한국형 발사체 누리호를 이용해 달 착륙선까지 보내는 게 큰 목표다. 누리호에는 ‘한국판 아폴로 계획’의 문을 여는 사명이 주어진 셈이다. 내년 8월 발사가 예정된 한국형 달 궤도선(KPLO·Korean Pathfinder Lunar Orbit) 다누리호는 그해 말 무사히 궤도에 안착할 경우 달 지표 100㎞ 상공에서 1년간 과학 임무를 수행하게 된다. 달 궤도선은 미국 발사체에 실려 날아가지만, 달 탐사 2단계(달 착륙선) 사업은 한국형 발사체로 달성하겠다는 것이 정부의 구상이다. 노성열 기자 nosr@munhwa.com
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