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누리호, 순수 국산 발사체로 자력 우주개발 시대를 열다

2021.10.08 박정주 한국항공우주연구원 책임연구원
박정주 한국항공우주연구원 책임연구원
박정주 한국항공우주연구원 책임연구원

2021년 10월 21일, 한국형발사체 ‘누리호’의 첫 시험 발사가 다가오고 있다. 한국형발사체개발사업이 2010년 3월 착수되었으므로 11년이 넘게 걸린 노력의 성과다.

우리나라의 첫 번째 우주발사체는 2013년 1월 30일에 발사된 나로호 발사체다. 나로호 개발 이전에는 국내에서 최초로 액체추진기관을 개발해 사용한 KSR-3 과학로켓을 개발했다.

KSR-3에 사용된 액체추진기관은 비교적 구조가 간단하고 성능이 떨어지는 가압식 액체추진기관이었다. 우주발사체에 적용하려면 성능이 한 단계 위인 터보펌프식 액체추진기관이 필요했으나 당시에는 그러한 기술이 없었다.

할 수 없이 러시아와 협력해 1단은 러시아의 액체추진기관을 이용하여 나로호를 개발했다. 나로호가 성공한 이후 우리가 원한다면 계속 러시아제 1단을 수입해 사용할 수도 있었겠으나, 우리나라는 독자적 우주발사체를 개발하기로 했다.

우리나라는 나로호 개발사업을 수행하면서도 터보펌프식 액체추진기관의 핵심기술을 선행 연구했다. 한국형발사체 개발 초기는 나로호개발사업과 중복되어 수행되었으므로 나로호 발사 운영을 담당하는 조직과 한국형발사체 개발 조직을 이중으로 운영했다.

한국 첫 우주발사체 ‘나로호(KSLV-1)’가 30일 오후 전남 고흥군 외나로도 나로우주센터에서 우주로 향해 발사되고 있다. (사진=저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지)

한국 첫 우주발사체 ‘나로호(KSLV-1)’가 지난 2013년 1월 30일 오후 전남 고흥군 외나로도 나로우주센터에서 우주로 향해 발사되고 있다. (사진=저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지)

한국형발사체 개발의 핵심 부분은 고성능 액체로켓엔진의 개발이었다. 한국형발사체 개발사업은 3단계로 나누어서 수행했는데, 각 단계의 목표를 보면 2015년 7월까지인 1단계에서는 7톤급 액체엔진 총 조립 및 지상연소시험을 목표로 삼았다.

이어 2019년 2월까지는 75톤급 액체엔진 개발 및 이의 확인을 위한 시험발사체 발사, 3단계는 3단형 발사체 개발 및 시험 발사로 엔진의 개발을 1, 2 단계의 주요 지표로 삼았다.

먼저 1단계 기간에는 7톤 엔진의 개발뿐 아니라 주요 시험시설의 구축도 중요한 목표였다. 액체로켓엔진을 개발하기 위해서는 여러 개의 전용 시험 설비가 필요한데, 시험이 잘못되면 큰 폭발로 이어지기 때문에 건물 자체도 방폭에 대한 대비도 필요하지만 주변의 안전거리 확보도 필요하므로 나로우주센터 내에 구축했다.

나로우주센터는 우주발사체의 발사장으로 구축된 곳이다. 외국의 경우 발사장과 시험장은 통상 다른 곳에 지어진다. 그러나 국토가 좁고 어느 곳이나 거주하는 주민이 있는 우리나라는 안전 영역 확보가 어려우므로 우주센터 내에 시험장까지 함께 구축한 것이다.

KSR-3 의 소형 가압식 엔진 시험 설비 구축의 경험을 바탕으로 대형 터보펌프식 엔진 설비들의 설계를 수행해야 했다. 부분적으로 외국 전문가의 자문을 받았지만, 국내 연구진이 모든 설계를 하고 국내 산업체가 건설했다.

설비를 구축하고 시험 가동할 때 처음 구축하는 설비에서 우리가 잘 못 설계한 부분이 없는지 노심초사했던 기억이 난다. 아울러 액체로켓엔진 개발에서도 난관이 있었다.

액체로켓엔진 개발자를 가장 괴롭히는 현상 중의 하나는 연소불안정이라는 현상이다. 고압과 고열의 연소기 안에는 압력 진동이 존재하는데 연소불안정이 발생하면 특정 주파수로 진동에너지가 집중되며 급속한 압력변화가 발생한다.

이때 구조적인 진동과 더불어 연소실 벽면으로 열전달이 급격히 증가해 일반적으로 약 1초 이내에 연소실의 열 손상 및 폭발을 일으키게 된다.

연소기 시험 설비에는 이러한 폭발을 예방하기 위해 고주파 압력 센서와 엔진 비상정지 장치가 설치되어 있다. 하지만 75톤 연소기 개발 과정에서 연소불안정이 발생했고, 연소불안정 현상은 해석적으로 해결책을 찾기가 어렵다.

결국 시험데이터 분석을 통해 개선안을 만들어서 연소기를 다시 제작해서 시험을 통해 재확인을 해야 하는데, 연소기의 재제작에는 10개월이 소요되어서 시간이 촉박한 연구진은 속이 탔다.

이에 따라 연구진은 시간을 단축하기 위한 여러 아이디어를 내어 시험을 반복했지만 연소불안정이 없는 연소기를 손에 넣기까지는 16개월이 걸렸다.

특히 발사체 기술은 기술적 진입장벽이 높다고 한다. 타 산업 분야에서 경험할 수 없는 영하 183도의 극저온과 영상 3400도의 초고온이 공존하고, 고압과 초경량 등의 극한 기술이 요구되기 때문이다.

지난 6월 1일 오전 전남 고흥군 나로우주센터에서 누리호 인증모델(QM)이 발사대로 이동하고 있다. 우리나라 기술로 제작한 한국형 발사체 누리호는 1.5t급 실용위성을 600∼800㎞ 상공의 지구 궤도에 진입시킬 수 있는 우주발사체다. (사진=저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지)

지난 6월 1일 오전 전남 고흥군 나로우주센터에서 누리호 인증모델(QM)이 발사대로 이동하고 있다. 우리나라 기술로 제작한 한국형 발사체 누리호는 1.5t급 실용위성을 600∼800㎞ 상공의 지구 궤도에 진입시킬 수 있는 우주발사체다. (사진=저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지)

한국형발사체의 개발을 통해 우리나라는 발사체 개발의 가장 큰 기술적 장벽을 넘었다. 앞으로 발사체의 성능을 개량하고, 대형이나 소형의 다양한 발사체를 개발하게 되어도 이미 구축한 시험 설비와 경험을 활용하면 훨씬 쉽게 개발할 수 있을 것이다.

외국의 상용 발사 서비스를 이용하면 인공위성을 발사할 수 있는데 우리는 왜 자력 발사체를 확보하기 위해서 노력했을까. 우주발사체가 우주로 향하는 유일한 운송 수단이고 진정한 자력 우주개발을 위해서는 이 운송 수단을 꼭 확보해야 하기 때문이다.

또한 위성에 의한 정찰이나 통신 등은 국가 안보와도 직결된다. 주요국들이 하나같이 우주군을 창설하고 있고, 우리나라도 최근 공군본부 우주센터를 발족했다. 각 군에서 다양한 국방 위성 프로그램들도 계획되고 있다. 그런데 자국 발사체가 없다면 국가 안보를 외국에 의존하는 것이 되는 것이다.

자력 우주발사체는 과학기술 발전과 우리의 미래와도 연결된다. 각국이 달 기지와 화성 개발을 이야기하고 있다. 앞으로 30년쯤 후에는 우리나라도 달에 기지를 구축하고 우주에 태양광 발전 위성을 띄워서 무공해 전력을 생산하며, 대형 우주망원경을 발사해 심우주 연구를 수행하는 것 등이 불가능한 꿈은 아닐 것이다.

이는 한국항공우주연구원의 미래비전 2050에도 포함되어 있다. 이와 같은 거대 우주활동은 우주로의 운송 수단이 갖고 있지 않다면 실현되기 어려울 것이다.

누리호의 개발은 우리나라 실용위성을 자체 발사하고, 앞으로 더 크고 다양하고 저렴한 우주 운송 수단 확보의 길을 열어서 대한민국이 우주 강국으로 나가는 초석이 될 것이다.

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<자료출처=정책브리핑 www.korea.kr>
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