누리호, Nuri, KSLV-II

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   대한민국의 우주발사체 자체개발 계획은 1996년 발표된 ‘우주개발중장기기본계획’에서 처음으로 수립되었다. 이 계획에 ‘우리가 개발한 위성을 우리 발사체로’란 문구의 목적을 따라 15년이라는 시간이 흐른 뒤, 자체 개발된 한국형 발사체 누리호가 발사되었다. 75톤급 액체 엔진을 탑재한 누리호의 시험발사체(TLV)부터 시작하여 누리호 발사까지의 과정에서 수많은 기술적 난관이 존재했다. 특히 75톤급 액체 엔진 개발 과정에서 중대형 액체 엔진 개발의 가장 큰 기술적 난제인 ‘연소불안정 현상’이 발생한 바 있다. 연구진은 2014년 첫 시험부터 발생한 이 문제를 해결하기 위해 수차례 설계변경과 시험을 진행하였다. 누리호의 추진체 탱크를 제작하는 일에도 기술적 한계가 존재했다. 누리호의 크기는 아파트 12층 높이 정도지만 추진체 탱크의 두께는 2mm에 불과하기 때문에 극한의 우주 환경에서 견뎌야 하는 탱크 설계는 기술적 난도가 높을 수밖에 없었다. 연구진은 설계와 제작의 무수한 반복 과정에서 핵심 기술을 확보하여 결국 1단 종합 연소시험을 성공적으로 마무리하였다.

 

 

<그림1> 누리호 1단 인증모델 3차 종합 연소시험

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   누리호는 8년전에 개발된 나로호와 규모와 임무 능력 측면에서 차이점이 있다. 누리호가 나로호와 갖는 차별점은 대한민국의 독자기술로 개발되었다는 점이다. 나로호의 엔진은 러시아의 기술로 설계되어 한국 최초의 우주발사체라 불리우지만 누리호는 엔진과 제작 기술, 설계 기술, 시험설비 기술, 발사대, 발사운용 기술 등이 모두 독자적으로 개발되어 한국형 발사체로 명명되었다.

 

 

<그림2> 역대 대한민국의 발사체

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<그림3> 누리호의 단 구성, 좌측부터 1단, 2단, 3단

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    대한민국의 독자 기술로 개발된 75톤급 액체 엔진은 누리호의 심장이다. 액체 엔진 개발 과정에서 4기의 엔진을 클러스터링하여 300t의 추력을 내는 1단 엔진 클러스터링 기술도 자체 개발하고 검증되었다. 누리호는 전체적으로 3단으로 구성되어 있으며 75톤급 액체 엔진 4기와 액체산소, 케로신 탱크로 구성된 1단, 75톤급 엔진 1기와 동일 연료 탱크로 구성된 2단, 7톤급 액체 엔진 1기와 연료 탱크가 탑재된 3단으로 구성되어 있다. 누리호는 발사 후 약 16분안에 발사 성공 여부가 결정된다. 고도 59km에서 1단 엔진이 분리되고, 2단 75톤급 엔진이 점화된다. 2단 엔진은 고도 258km에서 분리되며 이 후 3단 엔진이 점화되어 고도 700km에 도달한 뒤 위성모사체를 목표궤도에 안착시키는 것이 누리호의 목표이다.

 

 

<그림4> 누리호 비행 절차

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   누리호는 나로우주센터의 발사체 종합조립동에서 무인특수이동차량(트랜스포터)를 통해 1시간 10분에 걸쳐 제2 발사대로 이송돼 세워졌다. 이후 연료와 산화제를 주입하기 위한 엄빌리칼(추진체와 가스류 등을 지상에서 공급하기 위한 구조물) 등 5개의 엄빌리칼이 연결됐다. 최종 발사 시각은 기상 상황과 우주물체 충돌 가능성 등을 포함해 결정된다. 온도의 경우 영하 10도에서 영상 35도 사이, 최대 풍속은 초속 21m에서 25m이하여야 한다. 또 발사체 이륙 시점부터 발사체가 궤도에 진입해 지구를 한바퀴 도는 동안 국제우주정거장으로부터 최고 200km 이상 떨어져야 한다. 발사 시각과 조건이 정해진 후 주변에 대한 통제가 시작된다. 발사대 중심으로 반경 3km이내에는 외부 지상 이동이 금지되며 공중의 경우 폭 44km, 길이 95km 범위에 대한 비행 금지 조치가 내려진다.

 

 

<그림5> 누리호 이송 과정, 엄빌리칼 연결

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<그림6> 누리호 발사 사진

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   누리호는 긴 발사 준비과정과 참여 연구원, 국민들의 관심 끝에 10월 21일 오후 5시에 발사되었다. 누리호의 발사과정은 실시간으로 항공우주연구원(KARI)을 통해 생중계되었다. 1단 페어링과 2단의 분리까지 순조롭게 진행되었으나 3단 엔진의 연소시간이 목표한 시간보다 모자라 위성을 정상속도로 궤도에 투입하지는 못하였다. 그러나 각 단의 페어링과 분리가 성공적이고 마지막 위성모사체 분리까지도 원활하게 이루어졌다는 점에서 발사체 운용 면에서는 거의 성공한 것으로 분석되었다. 2013년에 발사에 성공한 우리나라 최초의 발사체 나로호에 이어 독자 기술로 개발한 한국형 발사체인 누리호를 통해 독자적인 우주 수송 능력을 상당 부분 확보했다는 점에서 의미가 있다.

 

   3단에 설치된 7톤급 액체 엔진의 연소시간 문제의 원인으로 다양한 분석이 나오고 있지만, 아직 추정 단계에 머물고 있다. 엔진의 연소가 조기 종료되기 전 산화제 탱크의 압력이 비정상적으로 떨어진 신호가 포착됐고 이에 따라 출력 감소로 인해 엔진이 스스로 작동을 멈춘 것이 현재까지 확인된 사실이다. 전문가들은 3단의 산화제 탱크 압력 감소 원인으로 가압시스템, 터보펌프 밸브 등 다양한 원인을 언급하기도 했다.

 

   누리호의 2차 발사일은 2022년 5월 19일로 예정되어 있다. 누리호 개발 사업의 마지막 단계이자 마지막 시험발사과정이다. 1차 발사와는 달리, 1.3톤의 위성모사체와 함께 0.2톤의 기술 실증용 위성을 탑재한다. 2차 발사가 성공적으로 이루어질 경우, 3차 발사부터는 실용위성을 탑재하게 된다.

 

   우주로의 첫걸음을 내디딘 이번 발사는 국내 항공우주산업 육성의 밑거름을 마련한 의미가 있다. 300여개의 국내 기업이 개발에 참여하여 독자적인 기술을 확보하고 총 사업비의 80%를 집행하는 등, 경험과 역량을 함께한 셈이다. 정부에서는 앞으로 총 5회 예정된 누리호 발사를 통해 항공우주 기술의 개발을 완수하고, 기업에 기술을 이전해 발사 서비스 전문기업을 양성할 수 있는 기회로 보고 있다. 2030년에는 달착륙선 자력 개발과 후속 발사체 개발을 추진할 예정이며 한국형 위성항법시스템(KPS), 초소형 위성과 6G 통신위성 등 혁신적인 위성과 서비스를 기업 주도로 개발하고 위성 정보의 활용도 확대할 예정이다.

 

 

 

 

원문         이규진[pos2323@kaist.ac.kr]

편집         이규진[pos2323@kaist.ac.kr]