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한국형발사체 누리호

우주로 가기 위한 유일한 운송 수단, 우주발사체

우주발사체

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 개발하는데는 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 우주발사체 개발 능력 확보를 위해 러시아와의 국제협력으로 1단 액체엔진과 2단 고체엔진으로 구성된 2단형 우주발사체 나로호(2013년 발사 성공) 개발을 통해 우주발사체 기술과 경험을 확보했다. 현재 이를 바탕으로 고도 약 600~800km의 태양동기궤도에 1.5t급 실용위성을 발사할 수 있는 3단형의 한국형발사체(누리호)를 국내 기술로 개발하고 있다.

한국의 로켓 개발 현황

한국의 로켓 개발 현황에 대하여 구분하여 설명하는 표입니다.
구분 KSR-I KSR-II KSR-III 나로호(KSLV-I) 한국형발사체(KSLV-II)
목적 1단형 무유도 과학 관측로켓 국산화 개발 및 한반도 오존층 탐사 초기자세제어 기능을 갖춘 2단형 고체추진 과학관측 로켓의 국산화 개발 액체추진로켓 독자 개발 및 소형위성 발사체 개발을 위한 기반기술 확보 100kg급 인공위성을 지구저궤도에 진입시킬 수 있는 발사체 개발 및 독자개발을 위한 기술과 경험 확보 1.5톤급 실용위성을 지구저궤도에 투입시킬 수 있는 발사체 개발 및 우주발사체 기술 확보
개발기간 1990.7 ~ 1993.10 1993.11 ~ 1998.06 1997.12 ~ 2003.02 2002.08 ~ 2013.04 2010.03 ~ 2022.10
개발비(억원) 28.5 52 780 5,025 19,572
길이(m) 6.7 11.1 14.0 33.0 47.2
직경(m) 0.42 0.42 1.0 2.9 3.5
중량(kg) 1,268 2,048 6,000 140,000 200,000
발사일 1호기 1993.06.04 1997.07.09 2002.11.28 2009.08.25 2021.10.21
2호기 1993.09.01 1998.06.11 - 2010.06.10 2022.06.21
3호기 - - - 2013.01.30 -
특징 - 1단형 고체추진 과학로켓
  • - 2단형 고체추진 과학로켓
  • - 비행 중 2단 분리 성공
  • - 국내 최초의 액체추진로켓 독자개발 성공
  • - 소형위성발사체 개발을 위한 기반 기술 확보
  • - 국내 최초의 위성발사체 개발
  • - 한·러 공동개발
  • - 러시아 기술협력을 통한 체계기술 확보
  • - 국내 최초의 실용위성급 위성발사체 개발
  • - 국내 독자개발
  • - 75톤급 액체엔진 개발

한국형발사체 누리호

최근업데이트 : 2021.06.25
누리호 홍보 페이지 바로가기

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)는 설계, 제작, 시험 등 모든 과정이 국내 기술로 개발되었다. 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 구성된 1단형 발사체로 우리나라는 시험발사체 발사 성공으로 세계 7번째로 75톤급 이상의 중대형 액체로켓엔진 기술을 확보하게 됐다. 그 후 75톤급 엔진 4기를 하나로 묶는 클러스터링 기술이 적용된 1단 종합연소시험을 수행했으며, 2021년 10월 21일 누리호 1차 비행시험이 진행되었다. 이후 2022년 6월 21일 2차 비행시험을 통해 누리호 발사에 성공하였다.

한국형발사체 개발계획

한국형발사체 개발계획을 확인할 수 있는표로 1단계, 2단계, 3단계 계획을 확인 할 수있습니다.
1단계(’10.3~’15.7) 2단계(’15.8~’19.3) 3단계(’18.4~’22.10)
7톤급 액체엔진 개발, 시험설비 구축 75톤 액체엔진 1기를 이용한 시험발사(’18.11월) 75톤급 4기(1단)+75톤급 1기(2단)+7톤급 1기(3단)을 총 조립한 누리호 발사

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 진행해, 연소불안정 현상의 기술적 한계를 극복하고 지상 연소시험과 시험발사체 발사를 통한 비행성능 시험을 거쳐 세계 7번째로 중대형 액체엔진 개발에 성공했다. 또한 지름이 3.5m에 달하지만, 가장 얇은 부분의 두께는 2~3mm 정도에 불과해 설계와 제작에서 많은 기술적 어려움이 있었던 대형 추진제 탱크를 국내 기술로 개발했다. 그리고 나로호 개발 당시 엔진 핵심 구성품에 대한 성능을 시험할 수 있는 시험설비가 없어 해외 시험설비에 의존했었지만 현재는 나로우주센터에 엔진 핵심 구성품, 엔진 시스템, 추진기관 시스템의 성능과 신뢰성을 검증할 수 있는 추진기관 시험설비 구축을 완료했다.
누리호 개발 주요 참여기업 현황을 확인할 수 있는표로 체계총조립, 엔진, 임무, 체계종합, 유도제어, 전자, 구조, 열/공력, 지상장비, 실험설비 등을 확인 할 수있습니다.
분야 기업명
체계총조립 한국항공우주산업
엔진 엔진총조립 한화에어로스페이스
터보펌프 한화에어로스페이스, 에스엔에이치 등
연소기/가스발생기 비츠로테크
추진기관 공급계 하이록코리아, 네오스펙, 테바코퍼레이션 등
파이로점화기(시동기) 한화, 네오스펙, 삼양화학공업 등
계측시스템 이앤이
임무 임무제어시스템 한화디펜스 등
체계종합 지상제어시스템, 배관조립체 등 한화, 유콘시스템, 우레아텍
유도제어 구동장치시스템, 추력기시스템 등 한화, 스페이스솔루션 등
GPS수신기 넵코어스 등
전자 전자탑재 단암시스템즈, 기가알에프, 시스코어 등
구조 탱크, 동체 등 에스앤케이항공, 이노컴,두원중공업, 한국화이바, 하이즈복합재산업, 풍산, 라이노 등
열/공력 열제어/화재안전 등 한양이엔지 등
지상장비 발사대 현대중공업 등
시험설비 설비 구축 한화, 한화에어로스페이스 현대로템, 한양이엔지, 비츠로테크 등
토목/건축 한진중공업, 계룡건설, 동일건설, 대우산업개발, 선진엔지니어링건축사사무소 등
  • 총길이약 47.2m
  • 총중량200톤
  • 직격3.5m
  • 추력1단 300톤(75톤급 엔진 4기)/ 2단 75톤(75톤급 엔진 1기) / 3단 7톤(7톤급 엔진 1기)
  • 발사일2021년 10월 21일(1차 시험비행) / 2022년 06월 21일(2차 시험비행)
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
누리호 발사 장면
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립중인 누리호
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립되는 누리호
제2발사대에 기립중인 누리호
제2발사대에 기립중인 누리호
발사대 이송 완료 후 기립 준비과정 중인 누리호
조립동을 나와서 발사대로 향하는 누리호
대한민국발사체

01시험발사체

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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 비롯한 발사체를 구성하는 서브시스템인 구조체, 전자, 제어, 열/공력 및 발사대, 추적시스템 등과 같은 지상시스템 성능의 건전성을 확인하는 순간이었다. 시험발사체 발사 성공으로 우리나라는 75톤급 이상의 중대형 액체로켓엔진 기술을 보유한 세계 7번째 국가가 되었다. 시험발사체 개발 및 발사는 국가과학기술연구회가 선정한 2018년도 출연(연) 10대 우수 연구 성과로 선정되었다.
  • 총길이25.8m
  • 총중량52.1t
  • 직경2.6m
  • 추력75t
  • 발사일2018년 11월 28일

02누리호 엔진

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국내 기술로 엔진 개발

한국항공우주연구원은 한국형발사체(누리호)의 심장이라고 할 수 있는 엔진을 국내 기술로 개발했다. 엔진 터보펌프에 들어가는 베어링 등 일부 부품을 제외하고는 모두 국산화에 성공했으며, 복잡한 우주발사체 액체엔진의 공학적 설계와 제작을 우리 기술로 개발했다.

액체엔진 구성

- 연소기 : 연료와 산화제의 연소반응으로 생성되는 고온, 고압의 가스를 노즐을 통해 분출시켜 추진력을 얻는 장치 - 터보펌프 : 연소실에 고압으로 연료와 산화제를 공급해주는 장치 - 가스발생기 : 고압가스 연소반응을 통해 터보펌프의 터빈을 구동 - 밸브 등 공급계 부품
엔진시스템 = 연소기 + 터보펌프 + 가스발생기 + 공급계부품

담금질 하듯 엔진 성능시험 해야

액체로켓 엔진은 내부에서 맹렬한 화학반응이 일어나는 동시에 무게 대비 최고의 성능을 내도록 최소한의 무게로 제작되어야하기 때문에 수많은 위험 요소가 내재되어 있다. 따라서 새로 개발한 엔진을 로켓에 적용하려면 신뢰성 확보가 가장 중요하고 반복적인 시험이 필수적이다. 국내 기술로 개발한 누리호의 75톤급 액체엔진은 개발 초기 연소불안전 현상 등의 기술적 어려움을 극복하고 2018년 시험발사를 통해 비행과정에서의 연소성능을 확인했다. 한국항공우주연구원은 75톤급 엔진의 성능과 신뢰성을 확보하기 위해 지속적으로 엔진 연소시험을 진행했다. 75톤급 엔진은 2016년 4월 초도기 시험을 시작으로 2020년 11월까지 총 25기의 엔진을 조립해 시험을 거쳤다. 1호기와 2호기는 각 구성품의 작동성과 성능, 중요한 엔진의 각종 시퀀스를 결정하기 위해 제작됐다. 이를 바탕으로 3호기부터 비행모델과 유사한 형상을 갖추게 되었다. 이후 시험발사체 인증모델과 비행모델에 대한 수락시험을 진행해 성공적으로 발사체에 인도하고 엔진 검증시험을 지속적으로 수행하고 있다. 2020년 11월 기준으로 75톤급 엔진은 25기가 제작되었으며 총 168회 시험, 누적 연소시간은 16,690초이다. 단일 최장연소시간은 260초를 달성했다. 또한 7톤급 엔진은 2015년 4월부터 파워팩 시험을 통해 엔진시험 전 문제점 등을 파악해 초도품의 레이아웃을 설계했다. 이후 제작·조립을 통해 엔진 총조립 프로세스를 구축하고 그해 7월 첫 연소시험을 성공적으로 수행했다. 7톤급 엔진은 안정적인 제작과 시험 과정을 거쳐 3단 인증모델에 이어 비행모델 조립에 착수했다. 또한 3단 액체엔진은 1단, 2단 비행 시 작동하지 않고 진동환경에 노출되는 만큼 구조적인 안정성과 연소 시 작동성을 검증하기 위한 진동환경 시험도 완료했다. 7톤급 엔진은 11기가 개발되었으며 총 89회 시험, 누적 연소시간은 16,385.7초이다.

극한을 버텨라, 엔진 연소시험

연소시험은 엔진의 작동환경에 따라 지상 연소시험과 고공 연소시험으로 나눌 수 있다. 지상 연소시험은 누리호 1단의 작동 구간인 고도 약 50km에서 엔진이 정상적으로 작동하는지 확인하기 위한 시험이다. 고공 연소시험은 누리호 2단 및 3단의 작동 구간인 고도 약 50km 이상에서 엔진이 정상적으로 작동하는지 확인하는 것이 핵심이다. 2단 75톤급 엔진, 3단 7톤급 엔진처럼 고고도 환경에서 작동하는 추진기관은 작동 고도의 대기압이 지상보다 매우 낮고 노늘 팽창비가 크다. 이에 따라 지상에서 연소시험을 하면 노즐 유체의 흐름이 잘 흐르지 못하고 벽으로부터 떨어져 불규칙하게 나타나는 이른바 ‘유동 박리(flow separation)’ 현상이 발생해 정확한 추력을 측정하는 게 어렵다. 그래서 지상에서 추진기관의 성능을 최종적으로 입증하기 위해서는 실제 비행 환경을 지상에서 모사해 점화와 연소 등 정확한 추력 특성을 확인해야 한다.

엔진 4기 묶어 강력한 추력을, 클러스터링

누리호 1단은 75톤급 액체엔진 4기를 묶어 300톤의 추력을 내는 클러스터링(Clustering)방식을 사용한다. 클러스터링은 엔진 여러 개를 묶어 필요한 추력을 내는 방식이다. 구조적으로 안정성을 유지하면서 강력한 힘을 발휘할 수 있지만 클러스터링 방식은 1기의 엔진에 비해 제어가 어렵다. 결합하는 엔진 수가 많아질수록 제어는 더 어려워진다. 그래서 엔진 클러스터링에서는 여러 개의 엔진이 마치 하나의 엔진처럼 동일한 추력을 내야 한다. 이를 위해 연료와 산화제를 모든 엔진에 똑같은 요구 조건으로 공급해야 한다. 동일한 온도, 압력, 유량을 유지해야 4기의 엔진이 마치 하나의 엔진처럼 동일한 성능을 발휘할 수 있다. 또한 터보 펌프를 비롯해 배관, 연소기 등 각종 구성품의 신뢰성도 높아야 하며 4기 엔진 추력이 정상인지, 엔진 추력 오차가 어느 정도인지 파악할 수 있는 기술을 확보하는 것도 중요하다. 그리고 엔진 4기가 동시에 점화되어 화염을 내뿜을 때 서로 간섭하지 않도록 엔진의 수평과 균형을 유지하는 것도 신뢰성 높은 엔진 개발의 중요한 기술이다.

복합적이고 정밀한 우주 기술의 결정체

우주발사체 액체엔진은 극한 기술의 결정체로, 개발 과정에서 많은 기술적 어려움이 발생한다. 우선 극한의 온도와 높은 압력, 폭발성 높은 유체를 안정적으로 제어해야 한다. 누리호 액체로켓 엔진은 등유(케로신)와 -183°의 액체산소가 반응해 연소하며 추진력을 낸다. 연소가 시작되면 엔진 연소실 내부는 3,000℃까지 치솟는다. 엔진이라는 한정된 공간 안에 -183°에서 3,000℃의 극한 온도 차의 유체가 운용되어야 한다. 무엇보다 액체로켓엔진 개발이 어려운 이유는 구조가 복잡하기 때문이다. 또한 우주발사체 액체엔진은 시동을 걸기 상당히 어렵다. 1초가 채 안 되는 극히 짧은 시간 안에 연료와 산화제를 공급하는 여러 밸브와 부품들이 정밀하게 정해진 순서대로 정확히 작동해야만 한다. 누리호의 75톤급 엔진은 초당 255kg의 연료와 산화제를 연소시키는데 시동 순서가 조금만 어긋나도 곧바로 폭발로 이어질 수 있다. 가정에서 사용하는 가스레인지를 켤 때 스파크가 조금만 늦게 일어도 순간적으로 폭발성 점화가 일어나는 것과 같은 이치다.

다단연소 사이클 엔진 선행 연구개발

한국항공우주연구원은 누리호 개발 과정에서도 미래 우주발사체 선행연구를 진행 중이다. 기존의 개방형 사이클 액체엔진에 비해 개발 난도가 높지만, 연소 효율이 높은 추력 9톤급의 다단연소 사이클 액체엔진 개발도 병행하고 있다. 한국항공우주연구원은 미국과 러시아, 중국 등 일부 우주발사체 선진국만 이 기술을 보유하고 있는 다단연소 사이클 엔진 개발을 위해 2016년부터 현재까지 단일 최장 600초 연소시험 등 60회 이상의 시험을 완료했고, 엔진 추력을 40%까지 낮출 수 있는 성능을 확인했다. 다단연소사이클 엔진은 향후 누리호의 성능 향상에 활용될 예정이다. 누리호 이후 개발될 우주발사체에 9톤급 다단연소 사이클 엔진이 적용되면 탑재 위성 무게를 1.5톤에서 2.7톤까지 늘릴 수 있을 전망이다. 아울러 2기 이상의 위성을 여러 궤도에 투입하고 달 탐사선 발사도 가능할 것으로 보인다. 또한, 75톤급 엔진의 성능을 향상시키기 위해 기존의 75톤급 연소기 보다 높은 연소압을 견딜 수 있는 연소기도 개발하고 있다.

다단연소 사이클 엔진의 성능

다단연소 사이클 엔진의 성능을 확인할 수 있는표로 진공추력, 진공비추력, 혼합비, 터보펌프 입구압력, 예연소기 연소압력, 주 연소기 연소압력, 점화/시동 횟수, 추진제, 엔진사이클 ,무게, 운용시간등을 확인 할 수있습니다.
항목 설계규격
진공추력(tonf) 8 - 10 tonf
진공비추력, lsp (sec) 최종 350 초 이상
혼합비 (O/F) 2.5 - 2.6
터보펌프 입구압력(bar) 4/1.5
예연소기 연소압력 210 bar 이상
주 연소기 연소압력 90 bar 이상
점화/시동 횟수 Up to 3 starts
추진제 액체산소(LOX)/케로신(Kerosene)
엔진사이클 다단연소 사이클(Staged Combustion)
무게(kg) 300 kg 이하
운용시간 600 초 이상
  • 구성터보펌프, 연소기, 가스발생기, 각종 밸브 등
  • 추력75톤급 엔진 4기(1단), 75톤급 엔진 1기(2단), 7톤급 엔진 1기(3단)
  • 무게1단용 75톤급 엔진 1기당 912kg, 2단용 75톤급 엔진 1,115kg, 7톤급 엔진 187kg

03누리호 추진제 탱크

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고도의 기술로 추진제 탱크 개발

누리호는 극저온의 산화제와 상온의 연료를 추진제로 사용하는 우주발사체이다. 발사체의 대부분은 연료와 산화제를 싣는 추진제 탱크로 이루어져 있으며, 추진제 탱크는 발사체 부피의 70~80%를 차지한다. 추진제 탱크 경량화는 발사체 성능과 직결되어 추진제 탱크는 가볍고 내구성이 좋은 알루미늄 합금으로 제작되며, 몸통에 해당하는 실린더와 머리에 해당하는 돔으로 구성된다. 누리호의 추진제 탱크는 최대 높이가 10m, 직경은 3.5m에 달하지만, 가장 얇은 부분은 두께가 2.5~3mm이기도 하다. 반면 추진제 탱크는 비행 중추진제 탱크 내부에 가해지는 대기압의 4~6배의 압력, 관성력과 공력에 의한 하중을 견딜 수 있어야 한다. 특히 추진제 탱크는 원통형의 구조물 형태로 기둥의 길이가 횡단면의 길이에 비해 크기 때문에 기둥 양단에 압축 하중이 가해졌을 경우 하중이 어느 정도에 이르면 찌그러지는 좌굴(挫屈, buckling) 현상이 발생한다. 따라서 발사체 몸통에 해당하는 추진제 탱크 내부에는 이러한 압력과 하중에 버티기 위해 내벽을 ‘등방성 격자구조(Isogrid Structure)’라 부르는 형태로 내벽을 제작한다. 삼각형 형태의 격자 보강 구조가 반복되는 형태로 원통형 구조에 무게 대비 효율적으로 강성을 높일 수 있는 방법이다. 등방성 격자구조 제작은 반복적인 계산과 해석이 필요한 극히 까다로운 기술이다. 오랜 우주개발 역사를 자랑하는 미국과 러시아 등 우주 선진국과 달리 발사체 추진제 탱크를 처음 개발하는 만큼 반복적인 계산과 수치 해석을 통해 최적의 등방성 격자구조를 찾아야만 했다.

액체 유동 등에 최적화된 설계·제작

발사체의 연료인 케로신과 산화제인 액체 산소는 모두 액체이기 때문에 탱크 내부에서 끊임없이 움직이고, 이 유동은 탱크에 충격을 가하게 된다. 기름을 연료로 쓰는 자동차나 대형선박에도 이러한 유동 때문에 자세제어에 어려움을 격기도 하는데, 이런 현상을 줄이기 위한 장치들이 설치된다. 누리호의 추진제 탱크도 마찬가지다. 크기가 훨씬 크고, 연료와 산화제의 양도 많기 때문에 탱크 내부에서 강력한 유동이 발생하면 치명적인 영향을 미칠 수도 있다. 이 때문에 탱크 크기와 연료 및 산화제의 양의 유동 등에 최적화된 설계와 제작 방법을 찾아 적용해야 한다. 또한 누리호는 액체산소를 산화제로 사용한다. 액체산소 온도가 -183℃로 극저온 상태이고 기화 속도도 무척 빠르기 때문에 이를 주입하고 저장할 때에도 탱크의 역할이 중요하다.
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