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한국형발사체(누리호)

독자 우주 발사체를 갖고 있다는 것은 자국의 위성을 원하는 시점에 우주로 발사할 수 있다는 것을 의미한다. 한국형발사체(누리호)는 대한민국이 안정적으로 우주개발을 수행하기 위한 핵심 수단으로 우주강국으로 도약하는데 반드시 필요한 우주운송수단이다.

한국형발사체(누리호)는 독자 기술로 개발하고 있는 우주발사체로 1.5톤급 실용위성을 지구 상공 600~800km 저궤도에 투입할 수 있는 3단형 발사체이다. 1단은 75톤급 액체엔진 4기, 2단에는 75톤급 액체엔진 1기, 3단에는 7톤급 액체엔진 1기가 사용된다. 발사체 개발을 위한 시험설비 구축과 75톤급, 7톤급 액체엔진 개발 및 시험발사체 발사를 거쳐 2021년 300톤급 추력의 3단형 한국형발사체(누리호)를 발사할 예정이다.

한국형발사체(누리호) 개발의 핵심인 75톤급 액체엔진 개발은 나로호 개발 당시 선행 연구한 30톤급 액체 엔진 기술을 바탕으로 추진되었다. 75톤 엔진 개발 과정에서 중대형 액체엔진 개발의 가장 큰 기술적 난제인 연소불안정 현상이 발생해 16개월 동안 10여 차례의 설계변경과 20회 가량 시험을 진행한 끝에 연소불안정 현상을 해결할 수 있었다. 2020년 2월 기준 75톤 엔진은 17기가 제작되었으며, 총 146회 시험, 누적연소시간은 14,365초이다. 단일최장연소시간은 260초를 달성했다. 7톤 엔진은 9기가 개발되었으며 총 77회 시험, 누적연소시간은 12,326초이다. 액체엔진 성능 및 신뢰도 향상을 위해 2015년부터 엔진 시험에 착수했으며 2020년에 개발시험을 완료할 예정이다.

실제 발사와 동일한 환경과 절차에 따른 추진기관 종합연소시험도 수행한다. 종합연소시험은 실제 비행 모델과 동일한 인증모델로 수행하며 엔진 및 주요 구성품의 성능을 확인한다. 시험발사체 개발 과정에서 누리호 2단인 75톤 엔진에 대한 종합연소시험을 완료하였고, 2020년에 1단과 3단에 대한 종합연소시험을 수행 할 계획이다.

또한 한국형발사체(누리호) 개발은 앞으로 액체엔진 4기의 클러스터링, 대형 추진제 탱크의 경량화, 3단형 추진기관시스템 시험 등의 단계를 거치게 된다. 기존 엔진에 비해 개발 난이도가 높지만 연소 효율이 높은 다단연소 사이클 액체엔진 개발도 병행하고 있다. 다단연소사이클 엔진은 향후 누리호의 성능 향상에 활용될 예정이다.

‘25~30년에는 500kg 이하의 소형위성 수요증가에 대비해 한국형발사체(누리호) 기술을 소형 발사체 플랫폼으로 연계 및 확장할 계획이며, ’30~40년에는 저궤도 대형위성, 정지궤도위성 등 다양한 우주임무 수행과 관련한 국내 수요가 풍부할 경우 대형발사체 플랫폼 관련기술을 확보할 계획이다.

  • 총길이약 47.2m
  • 총중량200t
  • 직경3.5m
  • 추력1단 300톤(75톤급 엔진 4기)/ 2단 75톤 / 3단 7톤
  • 발사일2021년 2월/2021년 10월
  • 01시험발사체

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    한국형발사체(누리호)의 주 엔진인 75톤급 액체엔진 성능을 실제 비행을 통해 확인하기 위한 발사체이다. 11월 28일 오후 전남 고흥군 나로우주센터 발사장에서 발사된 시험발사체는 목표시간인 140초를 넘어 151초 간 연소하면서 최대고도 209km를 기록하며 약 530초 동안 비행했다. 이를 통해 순수 독자 기술로 개발한 75톤급 액체로켓엔진의 성능을 확인했다. 시험발사체 성공으로 한국은 세계에서 75톤급 중형 액체로켓엔진을 보유한 7번째 국가가 되었다.

    시험발사체 체계모델은 엔지니어링모델(EM), 인증모델(QM), 비행모델(FM)로 총 3기였다. 2016년 8월부터 2017년 5월까지 엔지니어링모델 제작을 통해 시험발사체 총 조립 공정을 개발 및 확립했다. 2017년 7월부터 2018년 2월까지는 인증모델을 제작해 비행모델과 동일 조건의 구성품을 조립하고 연소시험을 3회 진행했다. 연소 시간은 1차 30초, 2차 60초, 3차 154.2초였다. 18년 1월부터 18년 7월까지는 실제로 비행할 비행모델을 제작했다. 또한 발사체를 구성하는 서브시스템도 종합적으로 검증했다.

    연구진은 시험발사체 발사를 통해 75톤급 엔진은 물론 발사체를 이루는 엔진, 탱크 등 주요 구성품이 비행 상황에서 안정적으로 작동한다는 사실을 확인했다. 또한 한국형발사체(누리호)에 활용될 탑재 서브시스템인 자세제어시스템, 전자탑재시스템, 구조, 열공력 시스템 등의 성능도 검증했다. 시험발사체 발사 성공은 국가과학기술연구회가 선정한 2018년도 출연(연) 10대 우수 연구성과로 선정되었다.

    • 총길이25.8m
    • 총중량52.1t
    • 직경2.6m
    • 추력75톤
    • 발사일2018년 11월 28일
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  • 02엔진

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    엔진은 발사체가 지구의 중력을 이겨내고 우주로 향할 수 있는 강력한 추진력을 제공한다. 현재 한국항공우주연구원은 한국형발사체(누리호)에 사용될 엔진을 순수 독자 기술로 개발 중이며, 2018년 시험발사체 발사를 통해 성능을 입증하였다.

    연구진은 나로호 개발과 함께 30톤급 엔진 개발을 병행했다. 국내 시험설비가 없어 러시아까지 부품을 가져가 시험을 수행하기도 했고, 시험 도중 부품이 폭발해 해결에만 1년이 넘는 시간이 소요되기도 했다. 하지만 연구진은 한정된 예산과 인력에도 불구하고 엔진의 핵심 구성품인 연소기, 터보펌프, 가스 발생기 개발에 성공했다. 30톤급 엔진의 핵심 구성품을 개발한 경험은 누리호의 핵심인 75톤급 엔진 개발의 밑거름이 되었다.

    75톤급 엔진 개발 과정도 순탄치는 않았다. 30톤급 엔진 개발 당시에는 발생하지 않았던 연소불안정 현상이 발생했기 때문이다. 연구진은 지속적인 설계 변경과 연소시험을 통해 1년여 만에 연소불안정을 해결할 수 있었다. 2018년 11월 28일에는 75톤급 엔진 1기를 장착한 시험발사체 발사에 성공, 엔진의 성능을 확인했다.

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  • 03연소불안정

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    한국형발사체(누리호) 엔진개발의 많은 기술적 어려움 중 대표적인 것이 연소불안정이다. 연소불안정은 연소 과정에서 연소실 내부의 유동과 압력이 급격히 요동치며 정상적인 연소를 방해하는 현상이다. 다량의 추진제를 짧은 시간 고온·고압으로 연료를 연소할 때 섭동이 발생하고, 이것이 연소실 내부의 특정 주파수와 맞아 들어가며 공진을 일으킨다. 이로 인해 연소실 내부의 압력과 진동이 급격하게 높아지고 이는 결국 폭발로까지 이어질 수 있다. 연소불안정 현상은 액체로켓이 개발되기 시작한 1930년대부터 발견된 기술적 문제이지만 지금도 전 세계적으로 완전하게 해결하지 못한 액체로켓 엔진 개발의 대표적 난제로 꼽힌다.

    현재 기술로는 연소불안정 현상의 근원적 제거가 불가능하기 때문에 일단 연소불안정 현상이 나타나면 연소안정화 장치 등 새로운 구조물을 장착하거나, 최악의 경우에는 설계를 변경해 새로 제작해야 한다. 한국형발사체(누리호) 엔진의 연소불안정 현상은 2014년 10월에 발견되었고, 연구진은 16개월 간 10여 차례의 설계변경과 20회 가량 시험을 진행한 끝에야 연소불안정 현상을 해결했다.

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  • 04탱크

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    액체추진제를 사용하는 우주발사체는 극저온의 산화제와 상온의 연료를 저장하는 탱크가 필요하다. 발사체의 대부분은 연료와 산화제를 싣는 추진제 탱크로 이루어지기 때문에 추진제 탱크는 발사체 부피의 70~80%를 차지한다. 따라서 추진제 탱크 경량화는 발사체 성능과 직결된다. 한국형발사체(누리호)의 추진제 탱크는 가볍고 내구성이 좋은 알루미늄 합금으로 제작되며, 몸통에 해당하는 실린더와 머리에 해당하는 돔으로 구성된다.

    실린더의 두께는 2~3mm에 불과하다. 발사체가 우주로 발사될 때 가해지는 하중을 견디기 위해 실린더 내벽은 삼각형 형태의 격자 보강 구조가 반복되는 형태로, 원통형 구조에 무게 대비 효율적으로 강성을 높일 수 있다. 실린더의 위와 아래에는 돔이 부착된다. 돔의 제작핵심은 일정한 곡률을 만들며 재료를 성형하는 것으로, 15mm 두께의 원판을 기계에 밀착시키고 롤러의 궤적을 제어해 원하는 두께와 형상을 제작한다.

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  • 05추진제

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    국내 독자 기술로 개발 중인 한국형발사체(누리호)는 케로신을 연료로 활용한다. 케로신은 가솔린보다 휘발성이 낮고 끓는점은 높아 상온 저장과 사용이 쉽고, 저렴한 가격과 비교적 환경오염이 적은 장점도 가지고 있다. 산화제로는 액체산소를 사용한다. 일반적인 연소는 공기 중의 산소를 이용하면 되지만 공기가 없는 우주까지 비행하는 우주발사체는 연료를 태울 수 있는 산소가 필요하기 때문이다.

    액체 상태의 산소를 활용하는 이유는 발사체 탱크 부피와 무게를 크게 줄일 수 있기 때문이다. 1kg 산소를 대기압 상태 가스로 담기 위해서는 약 750ℓ 탱크가 필요한 반면 액체 상태로 담을 경우 약 0.876ℓ 탱크가 필요하다. 산소를 액화시켜 저장할 경우 산화제 탱크 부피가 약 1/1000으로 감소하고, 결과적으로 발사체 무게도 줄일 수 있다.

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  • 06페어링

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    페어링은 우주발사체 상단에 실리는 위성이나 우주선 등의 탑재물을 비, 습기, 햇빛, 먼지 등의 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 우주발사체가 날아오르면 공기와의 마찰로 인해 발생하는 열, 압력과 같은 공력 하중으로부터도 탑재물을 보호한다.

    페어링이 정확한 시간에 제대로 분리되어야 탑재물이 목표한 임무 궤도에 투입될 수 있다. 한국형발사체(누리호)의 경우 1단이 연소를 마치고 2단이 점화한 후 비행 중 페어링 분리가 이루어질 예정이다. 페어링은 똑같은 크기와 모양을 가진 형상 두 개를 만들어 접합하는 방식으로 제작한다. 접합부에 화약을 장착시켰다가 분리될 시점에 터뜨려 접합을 해제시킨다.

    나로호 페어링은 지름 2m, 높이 4m 크기였던 것에 반해 한국형발사체(누리호) 페어링은 지름 2.6m, 높이 7m에 달한다. 나로호 연구개발 때부터 페어링을 독자 개발한 결과, 한국형발사체(누리호) 페어링의 무게는 약 650kg으로 나로호의 페어링(660kg)보다 중량이 가볍게 제작된다.

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  • 07클러스터링

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    클러스터링은 엔진 여러 개를 묶어 필요한 추력을 내는 방식으로 구조적으로 안정성을 유지하면서 강력한 힘을 발휘할 수 있다. 효율성, 경제성, 신뢰성 등의 측면에서 유리해 우주 선진국들은 발사체 개발 초기부터 클러스터링 방식을 대부분 채택했다.

    한국형발사체(누리호) 역시 75톤급 액체엔진 4기를 클러스터링해 1단에 사용한다. 클러스터링은 여러 기의 엔진이 하나의 엔진처럼 동일한 추력을 내는 것이 핵심 기술이다. 동일한 추력을 내기 위해서는 연료와 산화제를 똑같은 조건에서 공급해야 하며, 동일한 온도, 압력, 유량을 유지해야만 한다.

    엔진 각 구성품의 신뢰도가 높아야 하며 각 엔진이 동시에 점화될 시, 각 엔진이 서로 간섭하지 않도록 엔진 수평과 균형을 유지하는 것도 중요하다.

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  • 08소재

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    우주발사체에는 가벼우면서도 열에 잘 버틸 수 있는 소재들이 많이 활용된다. 한국형발사체(누리호)의 연소기에는 스테인리스강, 구리-크롬 합금 등이 사용된다. 산화제와 연료가 흘러들어오는 연소기 헤드 부분은 극저온에도 잘 깨지지 않고 충격에 강한 스테인레스 계열의 금속을 사용한다. 3,500도에 달하는 화염이 닿는 부분에는 빠른 냉각을 위해 열전달이 잘 되는 구리 합금을 사용하는데 구리를 단독으로 사용하기엔 강도가 약해 크롬을 섞어 사용한다. 발사체 무게의 대부분을 차지하는 추진제 탱크에는 무게를 줄이기 위해 가볍고 내구성 좋은 알루미늄 합금을 사용한다.

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  • 09소형발사체

    500kg 이하의 위성을 고도 500km의 궤도에 올릴 수 있는 소형발사체(‘25-’30) 개발을 위한 첫 단계로 소형발사체 선행기술을 개발 중이다. 소형발사체의 경제성 확보를 위해 3D 프린팅 엔진 소재 및 설계 연구와 극저온 연료용 추진제탱크 소재 및 설계 연구를 수행 중이다.

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