mecㆍviewer v1.4 :: [정책]160418_우주발사_능력과_전략적_고찰(上)

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우주발사 능력과 전략적 고찰(

)

上

미국 발사체를 중심으로

작성

한국항공우주연구원 이옥규 책임기술원

(

)

서 론

Ⅰ

우주발사는 국가우주전략의 핵심 요소이다 민수 상업과 국가안보 이용자는 우주에서의

목표를 달성하기 위하여 비용 계획 성능 필수조건에 부응하는 발사능력을 갖고자 한다

위성을 궤도에 올리는 것은 발사 특성상 가장 가시적인 우주활동중 하나이다

이러한 부

문은 우주비행의 가장 기술적 도전과 한 치의 오차도 없어야 하며 만일 사소한 실수 또

는 변화가 있을 경우 값비싼 위성의 파괴와 인명의 손실을 가져다준다.

우주 시대의 역사적 관점에서 볼 때 미국 발사체 고객이 정부 안팎으로부터 현재의 국

내 발사능력에 완전하게 만족해 왔다는 것은 명확하지 않다 정부와 상업 고객은 수년간

에 걸쳐 발사 신뢰성 성능 계획과 비용에 우려를 자아냈다 최근 미국 발사체 산업의

경쟁력에 관하여 우려를 표명하였다 그 이유는 상업용 발사 용역이 유럽과 러시아로 가

기 때문이다 그러는 동안 미국

NASA(National Aeronautics and Space Administration),

계약자와 다른 미국 고객은

년 스페이스 셔틀이 퇴역할 때 우주인을 지구 궤도에

2011

올리고 지구저궤도를 넘은 미래 탐사에 관한 대체시스템 개발에 대하여 논쟁을 벌였다

현재의 계획으로는

의 지구저궤도 승무원 화물 프로그램을 가진 상업용 발사체를

NASA

사용하도록 요구하고 있다 아울러

가 승무원용 우주비행체인 오리온 다목적 승무

, NASA

원 귀환발사체와 지구저궤도를 넘은 탐사를 지원하는 중형 우주발사시스템을 개발하도록

권고하였다.

수년 동안

와 국방성은 하나의 요소 즉 우주 접근 비용의 감소에 주로 초점을

NASA

둔 많은 사업을 지원하였다 우주왕복선 스페이스 셔틀 에 대한 기획은 재사용 발사체가

(

)

자주 비행하여 극적으로 발사비용을 낮추는 신념을 기반으로 하고 있으며 이는 이 셔틀

이 상업과 정부 고객을 위하여 위성을 발사하는 주요 수단으로 가능하게 하는 것이었다.

스페이스 셔틀이 자주 저비용으로 우주 접근을 위한 목표에 실패하였을 때

와 미

, NASA

공군은 다른 노력을 기울였다 즉 이러한 사업으로는 국가항공우주비행기 선진발사시스

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템 국가발사서비스시스템

와 결국

년대 초 우주

, DC-X, X-33/VentureStar, X-34

2000

발사 계획

이 있다 이러한 모든 노력은 궁극적으로 발사

(SLI : Space Launch Initiative)

비용을 줄이는 것이었다.

년

보고서에 따르면 상기 계획은

산업체 백악관과 의회가 인정한

2002

NASA

NASA,

필수불가결한 사실에 의하여 추진된다 우주발사는 모든 부문에 엄청난 고비용과 고위험

이 뒤따르고 있다 그러나 전 세계 방송위성과 같은 유리한 상업화 노력과 국방 탐사와

과학연구는 위와 같은 현상이 발생하고 있다.

는 다른 프로그램으로써 엄청난 고비용 발사를 감소하는 목표를 달성하는데 실패하

SLI

였다.

이러한 역사는 저비용 발사체 개발에 초점을 두는 부문은 국가의 민수 상업화와 국가

안보에 대한 우주 필요성에 대처하는 효과적인 전략이 아니다 그렇다면 효과적인 전략

이란 무엇인가

이를 답하기 위하여 첫째 모든 시장 부문에 걸쳐 현재와 잠정적인 발사

서비스 고객과 이러한 필요성이 현재 사용하고 있는 발사체에 의하여 얼마나 부응하고

있는가를 이해하여야 하고 또한 정부와 산업체가 현재의 발사능력과 고객의 요구를 보다

조정하기 위하여 어떠한 조치를 취할 수 있는 가를 점검해야 한다.

이 주제는 민수 상업화와 국가안보 분야에서 다양한 고객 군을 검토함으로써 미국의

국내 발사 산업의 현 주소와 그들에 대한 요구가 얼마나 효율적인 발사서비스에 부응하

고 있는가를 검토하는데 있다 이와 동시에 오늘날 발사산업체가 이러한 필요성에 얼마

나 기대에 부응하고 산업체에서 일어나고 있는 다양한 변화가 얼마나 현재의 상황에 영

향을 미칠 수 있는 가를 점검하는데 있다.

본 론

Ⅱ

미국 우주발사 고객의 분류

우주산업 분석에 있어서 사용자를 민수 상업화와 국가안보 등 세 가지 그룹으로 나누

는 부문은 흔한 일이다 그러나 이러한 분류는 다양한 잠재 고객과 발사 필요성을 충족

시키는데 충분하지 않다 이러한 부분에 있는 모든 사용자는 동일한 방법으로 요구하고

있다 예를 들면 유인 우주비행에서 승무원 안전은 가장 중요하며 비용과 계획보다 우선

시 한다 그러나 다른 민수 위성을 발사하기 위하여 비용과 계획은 특히 제한된 예산과

궤도역학에 의하여 고정된 발사 윈도우를 가진 임무를 수행하기 위하여 큰 역할을 한다.

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그러므로

가지 부류의 잠재적 고객 분류는 너무나 있는 그대로 이기 때문에 발사 고객

, 3

을 특성에 맞게 분류할 수가 없다.

이러한 분석의 결과로 발사고객을 개 그룹으로 나누며 이에는 민수 상업화와 국가안

보를 각각 개 그룹으로 분류한다 첫째 정교한 국가안보 우주 둘째 정확한 우주 대응

셋째 민수 로봇 우주 넷째 민간 유인우주 다섯째 기 확립된 상업용 우주 여섯째 기

업가 정신의 상업용 우주 등으로 구분한다 이들 고객이 부가적 그룹으로 세분화는 가능

하지만 이러한 분류는 비용 계획 신뢰성과 성능 등에 관한 몇 가지의 주요 요소에 국

내 발사서비스를 위하여 기존과 미래 고객 그룹의 다른 필요성을 나타내고 있다.

정교한 국가안보 우주

정교한 국가안보 우주란 주요 군사서비스 등을 포함한 기존의 군사와 정보 이용자들을

말하며 그 예로 국가정찰국

과 다른 정보기관

(NRO : National Reconnaissance Office)

이 있다 이들 고객은 통신 항행 정찰과 미사일 경고에 국한되지 않고 광범위한 활용을

위하여 우주를 이용한다 이들 임무는 가끔 커다란 안테나 또는 광구경 같은 탑재체를 지

원하기 위하여 대규모의 복잡하고 높은 동력을 가진 인공위성을 요구한다 가장 두드러진

경우로 지구위치시스템

이 있으며 위성체는 비교적 크게

(GPS : Global Position System)

만들어 지고 다른 경우로 이러한 위성체는 적게 제작될 수가 있다

이러한 요인들이 임무 수행을 위한 비용을 상당히 높였다 더욱이 최근에는 군사 위성

프로그램이 비용을 증가시키고 계획일정 차질을 초래한 획득문제로부터 고통을 받았으며,

또 다른 경우에는 사업취소를 가져 왔다 이러한 문제점은

년대 국방성과 함께 획득

1990

개혁에 관하여 비난을 받아 왔다 이에 대하여 전 록히드마틴사 사장인 토머스 영은 이

를 오늘날 우리에게 존재하고 있는 황폐하고 어려운 충격이라고 말했다.

이러한 고비용 프로그램은 이러한 임무 수행이 부수적인 감독 하에 이루어진다는 것을

의미한다 발사실패는 국가안보 이익을 위하여 주요 역할을 하고 있는 고부가가치 위성

손실을 가져다 줄 수가 있다 발사체 신뢰성은 아틀라스 델타 타이탄 프로그램의 최종

마지막 년도에 일련의 실패를 겪은

년대 후반에 감독이 이루어 졌다 이들 실패가

1990

일어난 후 위탁받은 우주발사체 광역검토 보고서는 발사체 신뢰성보다 더 비용 절감에

초점을 맞춘 산업이라고 비평하였다 위험 있는 자산 가치와 비교할 때 비용 절감의 가

능성은 최소이다 이 보고서는 타이탄

프로그램 평가 시 우주 발사에 있어서 보다 저

-4

렴하고 더욱 우수하고 신속성을 위하여 필요한 부문은 높은 신뢰성에 있다고 밝혔다.

최근 이러한 탑재체 발사를 위한 신뢰성에 초점을 두어 왔으며 그 이유는 획득과 개발

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지연이 발사 실패 또는 확대된 발사지연의 경우에 시행착오를 가져다주지 않았다. 2009

년

월 미 공군 장성이면서 미 전략사령부 사령관인

은 연설을 통하

Kelvin. P. Chilton

여 군사력이 우주시스템에서 갖고 있는 한계는

일 미만의 발사를 위하여 동원될 수 있

는 근거를 기반으로 마련해야 하는 다용도 위성이 있어야 하며 각자의 발사는 기존의 우

주시스템에서 갭 틈새 을 피하는 성공을 이루어야 한다고 경고하였다 이러한 의견에 대

(

)

하여 미국 공군 우주프로그램담당 부차관보

은

년 월 연설에서 이에

Gary Payton

2010

대하여 동의하였다 즉 발사 신뢰성은 최고의 우선순위라고 강조하였다

그러므로 이러한 고객을 위하여 발사 신뢰성은 최고로 중요하여 정부 관료가 공식적

으로 임무성공의 보장을 얻기 위하여 발사에 더 많은 비용을 지급하는 과정에서도 마찬

가지이다

은

년 월 연설에서 모든 발사체에 관한 임무보장을 위하여 더 많

. Payton

2010

은 비용을 지급하고 있다고 말했다.

계획 준수는 고객들에게 신뢰성만큼 중요하지 않지만 이 부문은 기존 위성의 궤도 진

입실패로 발생한 군집의 한계를 피하기 위하여 역시 중요하며 이와 반면에 이러한 위성

대체는 지연된다.

우주 대응시스템

지난 몇 년간에 걸쳐 새로운 국가안보 우주시스템 개념이 대체적으로 고비용에 대한 반

응과 정교한 시스템에 대한 확장된 개발에서 생겼다 우주대응시스템

(ORS : Operationally

이 인공위성 발사시스템과 관련 요소품을 포함한 우주능력 개발을 모

Responsive Space)

색하고 있으며 이러한 시스템은 시급한 국가안보에 부응하기 위하여 현 시스템보다 훨씬

빠르게 배치될 수가 있다

년 의회 보고서에서 국방성은

를 연합사령부의 필요

. 2007

ORS

성에 대하여 적절한 만족에 초점을 둔 확고한 우주력이라고 정의하였다.

년 보고서에는

를 가지 부문으로 나누었다 첫째 기존 능력에 대한 신속한

2007

ORS

활용이다 둘째와 셋째는 많은 경우에 있어서 이미지 수집 또는 통신증가 등에 대응하기

위하여 소형위성의 신속한 개발과 발사를 요구한다 기술적 능력 또는 특수임무 필요성에

의존하기 때문에 표준부품을 사용하는 이러한 위성은 신속하게 조립되거나 또는 발사체

에서 신속한 조립을 위하여 경우에 보관 장소에서 나올 수가 있다 발사용 위성을 신속하

게 동원하는 부문은

년

사

에 의하여 팰컨

2008

SpaceX (Space Exploration Technologies)

발사체위에 있는 트레일블레이져 위성 발사에서 엿볼 수가 있다 로켓이 위성을 궤도

-1

에 올리는데 실패하였지만 이 위성은 발사를 위하여 준비되었고 일주일 내에 발사체에

서 조립되었다.

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는 많은 점에서 기존 국가안보의 우주고객 필요성에 부응하는 기류를 반영한다 여

ORS

기에서 계획은 주요 동력원이며 즉각적인 수요에 부응하기 위하여 비교적 짧은 통지로

위성을 발사하는 것이다 이러한 신속한 조치가

에 의하여 이루어지며 이러한 사례

ORS

로 소형 위성과 발사체를 들 수가 있다 이들은 발사하기에 복잡하지 않고 준비하기 쉽

다 또한 적은 비용이 소요된다 의회는

사무국 비용으로 위성당 천만 달러와 발

ORS

사당 천만 달러를 제공하였다 속도와 비용이 강조되기 때문에 신뢰성은 특히 명확한 국

가안보 우주임무와 비교할 때 우선순위에서 밀린다 이 부문은 상당히 낮은 우선순위를

부여받는다 그 이유는 위성을 신속하고 비용이 저렴하게 제작하고 발사하는 능력은 발사

실패가 대형이면서 고비용 시스템 보다 비용이 적게 소요될 수 있기 때문이다.

기조에 대한 하나의 도전은 효율성에 있다 소수의 기술시범위성이

프로그

ORS

램 하에 비행을 해왔지만 몇몇 위성은 운용의 효용성을 보여 주었다 또한 최초 완전운

용

임무을 수행한

은

년 월 발사되어

년 월 완전하게 운용되고

ORS

ORS-1

2011

2012

있다고 발표하였다

은 운용시범사업으로서 전투명령작전을 지원하도록 기획된 국

. ORS-1

방부

프로그램 산하의 최초 위성이다

ORS

민수 로봇 우주

우주시대 초창기 이래로 민간 정부기관 주로

는 다양한 위성을 배치하기 위하여

NASA

발사체에 의존해왔다 이 위성은 기상과 지구관측에서부터 태양계를 탐사하는 임무를 말

한다 많은 경우에 있어서

는 군용과 민수용으로 이용된 발사체를 사용해왔다

, NASA

민수용 위성발사는 정확한 국가안보 우주고객에 제공하는 신뢰성과

에서 볼 수 있

ORS

는 비용과 대응간 사이에 있다 비록 신뢰성이 권위에 대한 재정적 손실을 유발하며 따

라서 추진요소가 아닐지라도 신뢰성은 중요하며 실패에 대하여 잠정적으로 국가안보에

영향을 미치지 않는다 비용은 어느 정도 이슈이며 최근에는 이 부문의 중요성이 증가하

였다 특히 그 이유는 델타

로켓을 지속적으로 사용하지 않는 것이며 이 로켓에 대한

-2

비용은

천만 불에서 억 천불까지 증가되었다 이러한 비용을 감안할 때

NASA

5 8

∼

는 부가적 비용을 위하여 보다 큰

급

NASA

EELV(Evolved Expendable Launch Vehicle)

발사체를 구입 중에 있거나 또는

사의 팰컨

또는 오비털사이언스사의 토러스

SpaceX

-9

와 같은 부상하는 발사체를 기대하고 있는 중이다 이들 발사체는 천만 불로 중형급

Ⅱ

탑재체를 발사하기로 되어 있다.

계획 보장은 임무마다 변화한다 어떤 임무는 특수한 시간 또는 가능한 빨리 발

NASA

사할 필요성이 긴급하게 요구하지 않는다 다른 임무 특히 행성탐사임무는 엄격한 계획

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필요성을 가지고 있으며 이는 어느 경우에 있어서는 국가안보 고객보다 더 엄격하다 예

를 들면 화성용 위성은 일반적으로

개월 마다 몇 주 동안 공개된 창으로 발사하는데

제한되어 있다 그 이유는 지구와 화성에 대한 궤도 역학과 이 임무를 위하여 최소 에너

지 추적장치

호만 전이 궤도를 사용하기 때문이다

예를 들면

큐리오시티라고 하는

의 가장 최신 화성탐사선은

년

월 발사되며 이 탐사선이 지연 될 경우에

NASA

2011

오류가 거의 없어야 한다 그 임무는 원래

년에 계획되었으나

년 발사에 해결

2009

, 2009

될 수 없는 위성체에 기술적 이유 때문에

년 발사기회로 연기되었다 큐리오시티는

2011

년

월 발사되어

년 월 화성에 성공적으로 착륙하여 과학임무를 착수하였다

2011

2012

와 다른 민수용 위성은 드물게 다른 나라 발사체를 사용할 수 있는 국가안보 고

NASA

객에 대하여 어느 정도의 융통성을 가지고 있다

년판 미국 우주수송 정책에 따르면

. 2005

정부 임무는 미국에서 제작된 로켓으로 발사되어야 한다고 요구하지만 몇몇 과학임무와

다른 정부 간 협력프로그램에 대하여 예외조항을 두고 있다 비록 이러한 선택이 자주 활

용되지 않지만 다가오는

위성에 대하여 외국 발사

JWST(James Webb Space Telescope)

체를 사용하고 있으며 이 위성은 허블우주망원경을 대신하여 역할을 수행하는 대형 우주

망원경이다

는 유럽우주청이 제공한 아리안

로켓에 의하여

년 발사될 계획

. JWST

-5

2018

이며 이 때

에게는 어떠한 비용도 부담하지 않는다 이 발사는 유럽우주청이 기부

NASA

형태로 이루어지며 그 대신 상기 청은 그 대가로

관측시간을 받을 것이다

JWST

민간 유인우주

년부터

년까지

년 동안

유인 우주비행 프로그램은 스페이스셔틀 우

1981

2011

NASA

(

주왕복선 에 의하여 구체적으로 시행되었다 우주왕복선이 원래 상업과 정부고객을 위하

)

여 우주에 빈번하고 저비용 접근을 보장한 다목적 우주운송시스템으로 원래 발전되어 왔

다 이 프로그램은 거의 독자적으로 유인 우주비행만을 위한 사업으로 발전되었다

. 1990

년대 후반부터 우주왕복선의 주요 임무는 국제우주정거장의 조립과 장비유지를 지원하였

다 우주왕복선 프로그램을 수행하는 동안 신뢰성 정확성 승무원 안전이 가장 중요한 요

소가 되었다 이 프로그램은

년 우주왕복선 챌린저호와

년 컬럼비아호가 각각

1986

2003

폭발함에 따라 잠시 중단되었으며 이 사고에 대하여 광범위한 조사와 남아있는 궤도 비

행체가 발사를 재개하기 전 예방조치에 관하여 조사가 이루어 졌다 우주왕복선 프로그램

은 우주접근 비용을 감소시키는 실패에도 불구하고 계속되었다 최근 우주왕복선 운용비

가 매년 우주정거장 사업에

억 달러가 소요되었다

유인우주 비행프로그램 특징은 대체적으로 민수 국가안보와 상업화가 부족한데

NASA

도 불구하고 유지할 수 있던 것은 국가 권위를 제고한다는 점이다 인간을 궤도에 올리고

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안전하게 귀환시키는 어려움 때문에 현재까지 미국 러시아 중국만이 유인우주 비행프로

그램을 가지고 있다 이러한 임무는 고도의 선명성과 부수적으로 국위선양을 한다 이러

한 국위선양은 국제우주정거장 같이 국가와 국제 권위를 높일 뿐만 아니라 유인우주 비

행발사의 주요 기준으로 안전성을 크게 강조하고 있다.

년 현재

유인우주 비행프로그램의 미래는 불확실하다

년 월에 제출

2011

NASA

. 2010

한

년 예산은 모든 군집화 사업인 발사체 인공위성 프로그램과

년 우주왕복선

2011

, 2011

퇴역 후 발사체 프로그램에 대한 취소를 제안하였다 그 후로 오바마 행정부는 다소 후퇴

하여 오리온 크루 탐사 발사체를 국제우주정거장 구명보트로 계속적으로 개발할 계획이

다 그러나 컨스텔레이션 계획을 취소하였고 이 부문은 오리온을 지구궤도에 발사하는

아레스 발사체이다

의

년 예산에는 오리온 크루 발사체와 중형 우주발

. NASA

2011, 2012

사시스템 개발 자금이 배정되어 있다.

그러나 컨스텔레이션을 개발하는 동안 탐사시스템 아키텍쳐 연구

(ESAS : Exploration

에 대한 시스템 도입이 된 이래 아레스

오리온 시스템에

Systems Architecture Study)

Ⅰ

대한 가장 우선순위는 안전이다

항공우주안전자문위원회는

년 보고서에서

. NASA

2009

이 시스템에 대한 안전에 관한 강조를 주목하고 있다.

아레스

발사체는 초기부터 안전을 명확하게 강조하고 있다

팀은 이러한 아키

. ESA

Ⅰ

텍쳐를 선택하였는데 그 이유는 현재의 왕복선처럼 승무원의 안전 수준을 최소한

번

전달하는 가능성이 있기 때문이다.

우주 상업화

우주 상업화 산업은 지난 수십 년 간에 걸쳐 상당한 발전을 가져 왔다 그 이유는 주로

위성통신 서비스가 성장해왔기 때문이다 위성산업협회에서는 위성과 발사체 제작 지상

장비와 위성서비스를 포함한 글로벌 위성산업 수익은

년

억 달러로서

년

2010

1,681

2009

보다

가 증가하였다 또한 상기 수익은

년부터

년 사이에 연평균

를

2005

2010

11.2%

유지하였다

년 대부분의 수익

억불은 소비자 기반을 둔 위성서비스 즉 주로 위

. 2010

942

성 텔레비전 기업과 정부 고객에게 위성 송수신기 임차가 차지하고 있다

이러한 서비스를 제공하기 위하여 주요 위성 운용자들은 많은 위성 주로 정지궤도위

성을 유지한다 새로운 위성이 정기적으로 발사되어 수명이 다한 위성을 교체하고 부가

적 역량을 제공하고 새로운 신흥시장 또는 새로운 지정학적 지역을 서비스하기 위한 기

존의 위성을 증가시킨다 비록 상업용 정지궤도위성의 가격이 거의 공표되지 않지만 이

들 위성의 가격이 대표적으로 억 달러 또는 억 달러 이상이며 가격은 시스템의 크기

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전력 복잡성에 의하여 좌우된다 이러한 비용에도 불구하고 정지궤도위성은 위성용 송수

신기를 통신위성 서비스 고객에게 임차함으로써

년 간의 수명을 걸치는 동안 몇 배의

수익을 올리기도 한다.

위성을 제작하는 높은 선불비용과 이들 위성이 유발하는 장기간 수익 흐름 때문에 위

성 운용자는 발사비용에 대한 발사신뢰성과 일정준수를 강조하는 경향이 있다 비록 대표

적인 상업용 정지궤도 통신위성의 발사가 억 달러 이상이 소요되지만 시스템 총괄비용

이 남아 있어 위성제작 보험과 지상장비 비용을 고려해야 한다 위성운용자들이 발사비

용을 낮추는데 관심이 있으면 안전하게 위성을 발사하는 것 보다 낮은 우선순위가 남아

있다 계획대로 위성을 발사한다면 위성은 가능한 빨리 수익을 창출할 수 있으며 새로운

위성 서비스에 대한 지체된 진입과 관련이 있는 다른 손실과 책임을 면할 수가 있다.

위성운용자 대표는 공개 포럼을 통하여 비용에 대하여 계획과 신뢰성에 대한 우선순위

를 확인한다

년 워싱턴에서 개최된 위성회의에서 위성

운용자

사 선

. 2007

DIRECTV

임 부사장인 제임스 버터워스는 획득 결정을 할 때 이 회사는 발사체 또는 위성 개발에

초점을 두는 것이 아니라 이 위성의 품질과 신뢰성과 적기 공급에 더욱 관심이 있다고

말했다.

이 글은 아래의 문헌을 참조하여 작성하였습니다.

※

Eligar Sadeh, "Space Strategy in the 21st Century(Theory and Policy)", 2013