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과학로켓(KSR)

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. 누리호는 우주강국 도약에 필요한 우주 운송 수단이자, 안정적인 우주개발을 수행하기 위한 핵심 수단이다. 한국항공우주연구원은 누리호를 활용해 2022년부터 2027년까지 국내 개발 위성을 자력 발사할 계획이다. 누리호 개발로 인해 마침내 우주개발의 3요소인 위성, 발사체, 발사장을 모두 확보하여 우리의 위성을 원하는 시기에 발사할 수 있는 능력을 확보하게 된 것이다.

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
발사기 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 -
3호기 - - - 2019.01.30 -
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

과학로켓(KSR)

최근업데이트 : 2021.06.25

과학로켓으로 시작한 로켓 개발

한국항공우주연구원은 과학로켓(KSR, Korea Sounding Rocket) 개발을 통해서 로켓 기술을 확보하기 시작했다. 1990년 4월 26일 직경 42cm, 길이 42cm, 무게 687kg의 과학탐사용 관측로켓에 사용할 고체 추진제 로켓 모터에 대한 첫 지상 연소시험이 진행됐다. 이 고체 추진제 모터를 활용한 1단형 고체추진 과학로켓 KSR-I(1993) 개발에 이어 정확한 유도제어 기술과 높은 고도에서 1단과 2단을 분리하는 기술을 확보하기 위해 2단형 고체추진 과학로켓 KSR-II(1998)을 개발했다. 이후 1997년 말부터는 액체연료 로켓의 개발 확보를 위해 액체추진 과학로켓 KSR-III를 개발했다. KSR-III는 우리나라에서 개발한 첫 액체연료 로켓으로 추력이 12.5톤에 불과했지만, 액체연료 발사체 개발의 토대가 됐으며 시스템 통합, 액체 추진기관 설계 및 제작, 엔진 시험, 유도제어 및 자세제어 등 발사체 기반기술을 확보했다.
  • KSR-I1단형 고체엔진. 1993년 6월 4일 발사. 고도 39km
  • KSR-II2단형 고체엔진. 1997년 7월 9일 발사. 고도 137.2km
  • KSR-III2단형 액체엔진, 2002년 11월 28일 발사, 고도 42.7km

01액체추진 과학로켓 KSR-III

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국내 최초의 액체추진로켓 개발

2002년 11월 28일 오후 2시 52분에 우리나라는 세 번째 과학로켓이자 국내 최초의 액체추진로켓인 KSR-III 발사에 성공했다. 3,000여 개의 모든 부품을 순수 국내 기술로 설계하고 개발했다. 케로신을 연료로, 액체산소를 산화제로 사용하는 KSR-III는 총길이 14m, 총중량 6t에 13t급 추력의 엔진을 55초간 가동해 원래 목표보다 높은 42.7km 고도에 도달했다. KSR-III는 238초 동안 비행을 마친 뒤 서해상에 안착했다. KSR-III의 개발기간은 1997년부터 2003년까지 총 5년이 이었으며, 개발 사업비는 총 780억 원이었다.

나로호 개발의 토대 마련

KSR-III 개발 과정은 험난했다. 미사일 기술 통제가 엄격해 우주개발 선진국으로부터 기술 지원을 받을 수도 없었다. 우리는 교과서를 펴놓고 하나하나 해보는 수밖에 없었다. 액체로켓에 필요한 부품은 수천 개에 달했지만, 수입할 수 있는 것은 배관 등 일부에 불과해 거의 모든 부품을 국내에서 설계하고 제작했다. 로켓 발사 시험장이 없어 국방과학연구소(ADD)의 안흥 시험장을 이용해야 발사해야만 했다. KSR-III 개발에 성공하면서 우리는 액체추진기관을 비롯해 단 분리, 관성항법 유도제어, 탑재부 자세측정제어, 수직발사 시스템 등 발사체 운용에 필요한 기본 기술을 갖추게 되었다. KSR-III 연구개발을 통해 액체산소·케로신 액체추진기관, 관성항법장치, 추력벡터제어 시스템, 추력기 자세제어 시스템, 복합재 탱크 등의 경량화 구조 기술 개발, 탑재 전자장치를 국산화했다. 또한 추진공급계 및 지상 지원 설비에 대한 기반 기술과 액체로켓 발사 운용 기술 등 위성발사체 개발에 필수적인 핵심기술도 확보했다. 이러한 성과는 효율적인 산·학·연 협력 체제를 통해 대한민국의 우주발사체 관련 기술로 축적됐다. KSR-III 개발을 통해 확보한 우주발사체 기반기술은 이후 나로호와 한국형발사체 개발에 직접적으로 활용됐다.
  • 제원14m (1단 3.6m, 2단 7.5m)
  • 총중량6톤
  • 직경1m
  • 추력13톤
  • 발사일2002.11.28

022단형 과학로켓 KSR-II

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한국항공우주연구원은은 KSR-I의 성공 후 2단형 고체추진 과학로켓인 KSR-II를 개발했다. KSR-II는 1단 3.6m, 2단 7.5m 등 총길이 11.1m에 직경 0.42m, 발사 시 무게 2.1톤의 로켓으로 개발 목표는 초기 자세제어 기능을 갖춘 2단형 고체추진 과학관측 로켓의 국산화였다. KSR-II는 KSR과 비교했을 때 1단·2단 분리, 노즈페어링시스템 개발, 카나드 핀을 이용한 초기 자세제어 시스템, 관성항법장치 등이 적용됐다. KSR-II 개발 기간은 1993년부터 1998년까지 총 4년이 소요됐으며, 연구개발비는 총 52억 원이었다.

전체적인 로켓 발사·운용 기술 확보

KSR-II의 1차 비행시험은 1997년 7월 9일에 진행했다. 발사 10초 후 1단과 2단이 분리돼 2단 로켓이 점화됐고, 최고 고도 150km에 도달한 뒤에는 6분 4초간 123.9km를 비행했다. 이때 1단·2단 분리, 2단 점화, S-19 조종날개(카나드 핀)의 디커플 등은 정상 작동했지만 20.85초경에 탑재부 주 전원 이상으로 원격측정과 레이더 추적에 실패했다. 비록 통신 두절로 데이터를 얻지는 못했지만, 착륙 예정 지역에서 도착 예정 시간에 로켓이 입수한 것을 확인했다. 2차 비행시험은 1998년 6월 11일 진행했다. 발사 후 186.2초에 최고고도 137.21㎞에 도달했으며, 365.4초 만에 비행거리 123.9㎞에 도달했다. 최고 속도는 초속 1542.6m였으며 비행시간은 364초를 기록했다. 이로써 150㎏의 과학탑재물을 싣고 고도 150㎞ 한반도 상공의 이온층 환경과 오존층 분포 등 대기층을 탐사하는 과학관측 로켓의 국산화 개발을 완수했다. 한국항공우주연구원은 KSR-II 개발을 통해 구동장치, 제어장치, 유도알고리즘, 관성항법장치 설계 및 운용 등의 우주발사체 필수기술을 확보했다. 또한 단 분리·페어링 장치 및 원격 송·수신을 위한 전자 탑재부, 로켓 개발 및 전체 시스템 설계, 운용, 성능·공력해석 등의 설계 기술과 전반적인 로켓발사 운용 기술도 확보했다. 그리도 전자탑재시스템의 핵심부를 독자기술로 설계·제작해 국내 과학로켓 탑재 기술을 한 단계 상승시켰고 액체추진과학로켓(KSR-III) 연구개발에 직접적으로 활용됐다.
  • 총길이11.1m (1단 3.6m, 2단 7.5m)
  • 총중량2.1톤
  • 직경0.42m
  • 최고고도137.21km
  • 발사일1차 1997.7.9. 2차 1998.6.11.

031단형 과학로켓 KSR-I

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대한민국 최초의 국산 과학로켓

고체추진 과학로켓(KSR-I)은 총 길이 6.7m, 직경 0.42m, 중량은 1.3톤으로 구성된 1단형 무유도 로켓이다. 한국항공우주연구원을 중심으로 산·학·연 협동 연구로 개발했다. KSR-I 연구개발은 1990년부터 1993년까지 총 3년에 걸쳐 진행했으며, 개발비는 총 28억 5,000만 원이었다. 개발 목표는 150㎏의 탑재물을 싣고 고도 35~75㎞ 대기층을 탐사할 수 있는 고체 무유도 과학 관측로켓을 개발해 한반도 상공의 오존층을 관측하는 것이다. KSR-I는 1호와 2호 두 차례의 시험발사를 했다. 1호는 1993년 6월 4일 오전 9시 58분에 서해안 시험장에서 자체 개발·제작한 이동식 발사대로 발사했다. KSR-I 1호는 최고 고도 39㎞, 낙하 거리 77㎞를 비행하면서 한반도 상공의 오존층 측정과 가속도, 응력, 온도, 추진기관 내부압력 등 로켓 자체의 각종 성능 특성을 측정했다. KSR-I 2호는 같은 해 9월 발사했으며, 1호기 보다 더 높은 고도 49km, 낙하 거리 101km를 비행했다. 무유도 시스템인 KSR-I은 낙하분산 지역을 넓게 설정했고, 로켓 자체의 성능시험에 중점을 두기 위해 탑재부에 성능 조정용 추가 하중(Dummy Weight)을 실었다. 측정된 각종 자료는 원격 송·수신 장비에 의해 수신되어 지상에서 추적한 레이더 자료, EOTS 자료, 고속카메라 자료 등과 함께 로켓에 대한 성능 분석 작업에 활용됐다. KSR-I 비행을 통해 확보한 분석 결과를 토대로 과학로켓의 성능 예측을 보완해 이후 개발하는 과학로켓에 적용했다.

비행성능, 추진, 탑재 등 분야별 개발

KSR-I 개발은 시스템 종합, 비행성능, 공력 설계, 구조, 추진 및 탑재 분야로 나눠 연구개발을 진행하고 이후 전체적으로 통합하는 방식으로 개발했다. 시스템 종합 분야에서는 탑재부 개발, 비행성능 및 외형설계, 구조체 설계, 추진기관 시험 및 제작, 발사 운용 등 각 서브시스템의 종합과 조정을 진행했다. 비행성능 분야에서는 탑재 중량과 비행각도 등 로켓의 기본적인 비행궤도 특성에 따른 비행궤도 해석 프로그램을 개발했다. 구조 분야에서는 구조체 설계·해석, 시험 제작 연구개발을 통해 각 로켓의 무게와 평형 해석, 전체 조립체 하중 해석, 부분 조립체 하중 및 응력 해석 등의 결과를 얻었다. 또한 추진기관 분야에서는 시스템에서 필요한 추진기관의 성능을 충분히 낼 수 있도록 내탄도 설계와 노즐 유동해석, 열 해석 등의 성과를 도출했다. 탑재 분야에서는 과학탑재 센서를 비롯한 각종 센서 데이터 처리부와 이를 지상으로 송신하기 위한 원격측정 시스템 설계와 개발을 완료했다.
  • 총길이6.7m
  • 총중량1.3톤
  • 직경0.42m
  • 최고고도75km
  • 발사일1차 1993.6.4. 2차 1993.9.1.
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