한국형 우주발사체(누리호)

한국형 우주발사체(누리호)

1. 우주발사체 개발

우주로 가는 운송수단

미국과 러시아는 1950년대부터 우주발사체 기술을 확보했다. 뒤이어 유럽, 일본, 중국, 인도 등도 우주발사체 기술을 확보해 인공위성과 우주탐사선 발사, 우주화물 수송 등 우주개발을 추진하고 있다. 그동안 국내 개발한 인공위성은 모두 해외 우주발사체를 이용해 발사됐다. 우주발사체 연구개발이 늦어 우주발사체를 보유하지 못했기 때문이다.

 

우주발사체는 국가간 기술이전이 제한되어 있어 독자 기술로 우주발사체를 개발하는 데는 많은 시간과 개발비용이 필요하고 기술적 어려움이 많아 기술 확보 까지는 많은 시행착오가 요구된다.

 

최근에는 미국 민간 우주기업 스페이스 X사의 혁신적인 재사용발사체 등장으로 유럽, 일본 등도 저비용·고효율 발사체 개발을 추진하고 있다. 또한 세계 여러 스타트업에서는 초소형위성 발사가 가능한 초소형 발사체를 개발하고 있다. 앞으로 우주개발국의 지속적인 증가, 소형위성 개발 증가로 전 세계 상업 우주발사체 시장은 갈수록 확대될 전망이다.

 

순수 국내 기술로 우주발사체 개발

한국항공우주연구원은 1단형 고체추진 과학로켓(KSR-Ⅰ, 1993년), 2단형 고체추진 중형과학로켓(KSR-Ⅱ,1998), 국내 최초의 액체추진 과학로켓(KSR-Ⅲ, 2002) 개발을 통해 로켓 설계 및 제작 능력을 길러왔다. 이어 러시아와의 국제협력으로 1단 액체엔진, 2단 고체엔진으로 구성된 2단형 우주발사체 나로호(2013년 발사 성공)를 개발해 우주발사체 기술과 경험을 확보했다.

현재 이를 바탕으로 고도 약 600~800km의 태양동기궤도에 1.5톤급 실용위성을 발사할 수 있는 3단형의 한국형발사체(누리호)를 국내 기술로 개발하고 있다. 누리호는 우주강국 도약에 필요한 우주 운송 수단이자, 안정적인 우주개발을 수행하기 위한 핵심 수단이다. 한국항공우주연구원은 누리호를 활용해 2022년부터 2027년까지 국내 개발 위성을 자력 발사할 계획이다. 누리호 개발로 마침내 우주개발의 3요소인 위성, 발사체, 발사장을 모두 확보하여 우리의 위성을 원하는 시기에 발사할 수 있는 능력을 확보하게 됐다.

 

 

2. 한국형발사체 누리호

• 총길이 : 약 47.2m• 총중량 : 200톤• 직 경 : 3.5m• 추 력 : 1단 300톤(75t톤급 엔진 4기)/ 2단 75톤급 엔진 1기 / 3단 7톤급 엔진 1기• 발사일 : 2021년

독자 기술로 우주발사체 개발

한국형발사체 누리호는 1.5톤급 실용위성을 지구 상공 600~800km 태양동기궤도에 직접 투입할 수 있는 3단형 발사체이다. 사용되는 엔진은 75톤급 액체엔진과 7톤급 액체엔진으로 1단은 75톤급 엔진 4기를 클러스터링해서 구성하고, 2단에는 75톤급 엔진 1기, 3단에는 7톤급 엔진 1기가 사용된다.

 

한국형발사체(누리호) 개발은 설계, 제작, 시험 등 모든 과정을 국내 기술로 진행하고 있다. 누리호 개발 사업은 1단계에서 추진기관 시험설비 구축과 7톤급 액체엔진 연소시험, 2단계 목표인 75톤급 액체엔진 개발과 시험발사체 발사(2018)에 성공했다.

시험발사체는 75톤급 액체엔진의 비행성능을 확인하기 위해 75톤급 액체엔진 1기로 구성한 1단형 발사체이다. 우리나라는 시험발사체 발사 성공으로 세계 7번째로 75톤급 이상의 중대형 액체로켓엔진 기술을 확보하게 됐다.

 

누리호 개발은 단별로 진행됐으며 2021년 3월 1단 종합연소시험을 성공적으로 수행하면서 단별개발 절차를 완료했다. 이후 발사체 인증시험, 비행모델 최종 확인시험 등을 수행한 후 2021년 10월 21일 17시에 첫 발사를 수행했다. 첫 발사에서 모든 발사 과정을 정상적으로 수행하였지만 3단 엔진 조기 연소종료로 인해 최종 목표는 달성하지 못했다. 이후 예정된 두 번째 발사에서는 180kg급 성능검증위성을 탑재하여 발사할 예정이이며, 2027년까지 국내 개발 위성을 발사하는 임무를 지속적으로 수행할 계획이다.

 

우주발사체 핵심 기술 확보

누리호는 설계부터 제작, 시험, 발사 운용까지 모든 과정을 우리 독자 힘으로 수행하는 첫 번째 프로젝트다. 누리호 개발의 핵심 중 하나는 추력 75톤급 액체엔진과 누리호 전체 부피의 70~80%를 차지하는 연료와 산화제를 담는 추진제 탱크 개발이다.

75톤급의 중대형 액체엔진은 나로호 개발 당시 선행연구로 진행한 30톤급 액체 엔진 기술을 바탕으로 개발을 진행했다. 연소불안정 현상의 기술적 한계를 극복하고 지상 연소시험과 시험발사체 발사를 통한 비행성능 시험을 거쳐 세계 7번째로 중대형 액체엔진 개발에 성공했다.

지름이 3.5m에 달하지만, 두께는 2~3mm 정도에 불과해 설계와 제작에서 많은 기술적 어려움이 있었던 대형 추진제 탱크도 국내 기술로 개발했다.

나로호 개발 당시 엔진 핵심 구성품의 성능을 시험할 수 있는 시험설비가 없어 해외 시험설비에 의존했던 것에서 나아가 나로우주센터에 엔진 핵심 구성품, 엔진 시스템, 추진기관 시스템의 성능과 신뢰성을 검증할 수 있는 추진기관 시험설비를 구축했다.

 

3. 시험발사체 발사 성공

• 제원 : 총길이 25.8m• 총중량 : 52.1t• 직경 : 2.6m• 추력 : 75t• 발사일 : 2018년 11월 28일

75톤급 엔진 안전성·성능 종합 검증

시험발사체는 한국형발사체 누리호의 주 엔진이자 1단과 2단에 적용되는 75톤급 액체엔진 성능을 실제 비행을 통해 확인하기 위한 1단형 발사체이다. 2018년 11월 28일 오후 전남 고흥군 나로우주센터에서 발사된 시험발사체는 목표 시간인 140초를 넘어 151초간 연소하면서 최대고도 209km에 도달한 후 남측 공해상으로 약 429km 지점에 낙하했다. 국내 기술로 개발한 액체엔진을 비롯해 발사체를 구성하는 서브시스템인 구조체, 전자, 제어, 열/공력 및 발사대, 추적시스템 등 지상시스템 성능의 건전성을 확인하는 순간이었다.

시험발사체 발사 성공으로 우리나라는 75톤급 이상의 중대형 액체로켓엔진 기술을 세계 7번째로 보유한 국가가 되었다. 시험발사체 개발 및 발사는 국가과학기술연구회가 선정한 2018년도 출연(연) 10대 우수 연구 성과로 선정됐다.

4. 누리호 1차 발사

2021년 10월 21일 오후 5시 발사로 예정되었던 누리호 비행모델 1호기는 오후 5시 정각에 이륙했다. 1단 및 2단 엔진 연소가 정상적으로 이루어졌으나 3단 엔진의 연소가 약 46.5초가량 빠르게 종료되어 위성모사체를 목표궤도인 고도 700 km 태양동기궤도에 투입하지는 못했다. 그러나 발사시 주요 비행과정인 1단 점화, 이륙, 1단 분리, 페어링 분리, 2단 분리, 위성모사체 분리와 같은 모든 비행과정은 정상적으로 수행됐다. 1단과 페어링, 2단 분리물은 예상 낙하영역 내에 안전하게 낙하하였음을 확인했다.

 

 

2021년 10월말, 항우연 연구진들과 외부 전문가들이 참여하는 누리호 1차 발사조사위원회(이하 조사위)를 구성하여 누리호 3단 엔진의 조기 연소 종료에 대한 객관적인 원인규명을 실시했다. 조사 결과 3단 산화제탱크부의 손상으로 인해 3단 엔진으로 유입되는 산화제의 양이 감소했고, 이에 따라 엔진이 조기 종료되었던 것으로 밝혀졌다. 과학기술정보통신부는 원인분석에 따른 후속조치를 완료하고 2022년 6월, 2차 발사를 실시할 예정이다.

 

 

 

 

출처 : 문화체육관광부, 정책브리핑