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페이스북 바로가기우주로 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 1.5톤급 실용위성을 발사할 수 있는 3단형의 한국형발사체(누리호)를 국내 기술로 개발했으며, 오는 2027년 까지 누리호 반복발사를 통해 누리호의 신뢰성을 제고하고 발사체 기술의 민간이전을 추진할 계획이다.한국의 로켓 개발 현황
| 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 ～ 2023.06 | |
| 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 | 2023.05.25 | |
| 특징 | - 1단형 고체추진 과학로켓 |
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나로우주센터
추진기관 시험설비에서 누리호 엔진 개발
추진기관 시험설비는 액체엔진 독자 개발의 필수적인 요소이다. 그 동안 국내에는 고추력 엔진 시험이 가능한 대형 시험 설비가 없어 사실상 엔진 개발이 불가능했다. 국내에는 75톤급 액체로켓엔진 시험이 가능한 대형시험시설이 없어 설계‧해석 업무와 저추력 시험만을 진행하는 어려움이 있었다. 나로호 개발 당시 선행연구로 진행했던 30톤급 액체엔진의 핵심 구성품에 대한 성능 시험은 어렵게 해외 시험설비를 빌려 사용해야만 했다. 기술 유출을 꺼리는 해외 시험기관에 비싼 비용을 지불하며 해외 시험기관의 일정에 맞춰 시험 일정을 조정해야 했고, 축소형 모델로 성능 시험을 해야만 했다. 한국항공우주연구원은 나로호 발사 성공 이후, 나로우주센터에 한국형발사체(누리호) 추진기관 개발을 위한 시험설비가 구축했다. 한국형발사체 추진기관 시험설비는 엔진 구성품 시험설비 5종, 엔진 시스템 시험설비 4종, 단종합 시험설비 1종 등 총 10종으로 이 중에서 연소기 연소시험설비, 터보펌프 실매질시험설비, 3단 엔진 연소시험설비, 엔진 지상연소시험설비, 엔진 고공연소시험설비, 추진기관 시스템시험설비 등 6종은 나로우주센터에 들어섰다. 발사체 설계와 시스템 성능이 완벽한지 검증해야 하는 만큼 추진기관 시험설비는 실제 발사체 환경보다 더 정확하고 엄격한 규격과 성능이 요구된다. 엔진 구성품 개발부터 엔진 조립은 물론 성능 시험까지 수행할 수 있는 시험 설비를, 우리 기술로 구축했다.향후 발사체 엔진 개발도 가능
추진기관 시험설비 구축에는 극저온 유체(액체질소 -196 ℃, 액체산소 –183 ℃) 및 초고압(공기, 질소, 헬륨 400기압) 정밀 제어 및 공급기술을 적용한 설비이다. 또한 국내 우수한 IT기술을 활용한 최신 제어/계측 시스템 구현으로 해외설비에 비해 시험운용 안전성 증대 및 제어/계측 정밀도를 향상시켰으며, 높은 단차(20m 이상) 구성을 위한 특수 토목 설계와 150톤 하중 및 진동에 견디는 건축물 구조를 적용했다. 추진기관 시험설비가 가동되면서 엔진 및 추진기관에 대한 성능 시험이 본격적으로 시작되었다. 엔진 구성품인 터보펌프, 연소기 등 엔진 구성품 시험에서부터 엔진 연소시험과 추진기관 종합성능시험 등이 진행됐다. 발사체 엔진 개발에 가속도가 붙었고 지속적인 엔진의 성능 시험을 통해 국내 독자기술로 고유의 75톤급 액체엔진이 탄생했다. 추진기관 시험설비는 한국형발사체(누리호) 개발 이후, 발사체 인증 및 엔진성능 개량 등에 지속적으로 활용할 계획이다. 발사체 양산단계에서 엔진 구성품, 엔진 전체 시스템 등에 대한 요구조건 만족을 점검하는 인증시험에 시험설비를 활용하며, 현 시험설비가 필요추력의 두 배 성능까지 시험이 가능하도록 설계되었기 때문에, 향후 75톤급 액체엔진의 성능개량 및 신형 엔진 개발에도 지속적으로 활용할 예정이다.추진기관 시험설비 현황
| 시험설비명 | 용도 |
|---|---|
| 연소기 연소시험설비 | 연소기/가스발생기 연소시험 |
| 터보펌프 실매질 시험설비 | 실매질을 이용한 7톤/75톤급 터보펌프 시험 |
| 3단 엔진 연소시험설비 | 7톤 엔진 지상/고공조건 연소시험 |
| 엔진 지상연소시험설비 | 액체엔진 지상조건 연소시험 |
| 엔진 고공연소시험설비 | 액체엔진 고공조건 연소시험 |
| 추진기관 시스템 시험설비 | 1/2/3단 추진기관 개발/인증 시험 수행 |
| 터보펌프 대형 상사시험설비 | 상사매질을 이용한 75톤급 터보펌프 시험 |
| 터보펌프 소형 상사시험설비 확장 | 상사매질을 이용한 7톤 터보펌프 시험 |
| 추진공급계 시험설비 | 기체/엔진 공급계 개발/인증 시험 |
| 엔진 조립/기능 시험설비 | 엔진 시스템 총조립 및 기능시험 |
발사체 설치와 최종 발사 진행
발사대는 발사체의 설치와 최종 발사를 진행하는 장소이다. 발사대는 발사체를 고정하고 전기신호선을 연결하며 연료와 산화제 등 추진제를 공급하는 임무를 수행한다. 지하 3층 규모의 발사대 지하에는 액체엔진에 들어가는 연료, 산화제, 각종 가스를 저장하는 탱크가 자리 잡고 있으며, 이것을 발사체로 공급하기 위한 수많은 배관과 각종 기계들이 연결되어 있다. 일정 압력을 유지하도록 설계된 배관이 1.5km의 길이로 문어발처럼 연결되어 있고, 각종 전선의 길이만 총 140km에 달한다. 그래서 단순 발사대가 아니라 ‘발사대 시스템(Launch Complex)’으로 불린다. 나로우주센터에는 총 부지 면적 약 49,000㎡에 지하 시설물로 이루어진 발사대 시설, 중앙공용시설, 유도정렬빌딩 등이 있다. 2008년 준공한 제1발사대(LB1)는 지하 3층 지상 1층 규모로 건축면적 84㎡에 연면적 3,305㎡이다. 중앙공용시설은 추진제공급설비와 각종 저장시설, 공급시설을 중심으로 이를 제어하는 발사관제설비의 주요 장비들이 위치한다. 지하 1층, 지상 2층 규모로 건축면적 1,826㎡에 연면적 2,983㎡이다. 유도정렬빌딩에는 발사체의 비행경로를 관장하는 관성항법장치의 기준점을 설정하기 위한 데오드라이트(Theodolite)가 있다. 규모는 지상 1층이며 건축면적 51㎡에 연면적 50㎡이다.누리호 발사를 위한 제2 발사대 구축
한국형발사체(누리호) 발사를 위해 순수 국내 기술로 제2 발사대를 구축했다. 제2 발사대에는 발사체 고정장치(VHD), 다중 엄빌리컬 수거장치, 엄빌리칼 타워 등 한국형발사체를 위한 신기술들이 적용됐다.
제2 발사대는 지하 3층 지상 1층, 연면적 5,667㎡ 규모로 일부 장치의 초기 형상설계를 제외한 모든 과정을 국내 기술로 개발했다. 누리호는 나로호에 비해 크기와 중량이 커지고 1단 엔진의 추력이 증가한 만큼 제 2발사대의 규모도 약 1.5배정도 커졌다. 그리고 1단은 물론 2단 및 3단으로도 추진제를 공급하기 위해 각 단별 엄빌리컬(Umbilical) 연결이 필요하므로 대형 엄빌리컬 타워와 각 단별 엄빌리컬 수거장치를 추가하는 등 한 단계 업그레이드한 구조와 기능을 갖췄다.
발사대시스템은 복잡한 화학 플랜트를 연상시킨다. 일반 플랜트와 다른 몇 가지 장치들로 발사대시스템을 특징하기도 하는데, 발사 시 액체로켓엔진에서 뿜어 나오는 고온의 화염을 식히기 위한 냉각수 분사시스템이나, 발사체의 추력을 이기고 발사체를 지상에 붙잡아 두었다 신호에 따라 놓아주는 지상고정장치(VHD, Vehicle Holding Device) 등이 대표적이다. 이와 함께 발사대시스템은 마치 반도체 공장처럼 초고압, 극저온, 청정 기술이 적용된 첨단 설비이다. 공기 내의 수분과 분진 함량 및 크기 등을 엄격히 제한하는 기술, 질소 및 헬륨 등을 초고압으로 만들어 8개의 시스템에 공급하는 기술 등이 필요하다. 한국항공우주연구원은 국내 산업체와 함께 초기 설계부터 제작, 조립까지 발사대 건립에 필요한 모든 과정을 국산화했다.
우주발사체의 지속적인 추적과 정보 수신
나로우주센터는 우주발사체의 안정적인 추적(과 비행상태정보 획득)을 위해 제주도 서귀포시 표선면의 제주추적소를 운용하고 있다. 연면적 2,031㎡의 제주추적소에는 나로우주센터에서 발사한 우주발사체의 지속적인 추적과 정보 수신을 위해 추적레이더 장비 1기와 대형 안테나를 갖춘 원격자료수신(Telemetry) 장비 2기를 보유하고 있다. 추적레이더 장비와 원격자료수신장비는 위성이 분리되어 궤도에 진입할 때까지 우주발사체의 위치 및 방향, 속도 등의 정보,와 동작상태 및 특성 등에 관한 제반자료를 실시간 획득하여 발사통제시스템에 전송한다. 나로우주센터에서 발사한 우주발사체의 추적은 3단계로 이루어진다. 발사 초기구간에는 나로우주센터 내에 있는 추적레이더, 광학추적장비 및 소형 원격자료수신장비를 이용해 발사대에서 약 60㎞ 떨어진 남해까지 발사체를 추적하고 자료를 수집한다. 이후에는 제주추적소에서 가시선이 확보되면 제주 추적레이다 및 원격자료수신장비가 추적을 시작하여 일본 오키나와 인근 상공을 거쳐 필리핀 남동쪽으로 비행하는 발사체를 추적을 맡는다. 추적레이더의 통신 신뢰성이 확보되는 가용거리는 약 3,000㎞에 달하지만, 저궤도 위성의 경우, 투입고도와 지구 곡률반경을 고려한 실제 전파 수신 거리는 약 1,700~1,800㎞ 정도다. 이 후 구간은 팔라우해외 추적소에서 담당하며 위성이 발사체와 분리되는 3,000㎞ 지점까지 추적을 담당한다.국내는 물론 해외 발사체 추적 임무도
제주추적소는 우리나라 첫 우주발사체인 나로호 발사부터 발사임무를 수행해 왔으며, 제주추적소 원격자료수신장비의 경우 국제협력을 통해 해외에서 발사된 우주발사체의 추적 및 원격자료 수신 임무도 수행한다. 해당 국제협력은 프랑스 기아나 우주센터에서 발사하는 소유즈와 베가발사체 발사 시 동북아 상공 비행 구간의 추적 및 원격자료 수신을 위해 시설 및 인력을 요청하여 추진된 것으로, 이를 위해 우리 정부와 유럽우주청(ESA)은 2010년 기본협정을 체결한 데 이어 2011년 4월 한국항공우주연구원과 유럽우주청(ESA) 간 제주 원격자료수신장비 활용을 위한 이행협약을 체결했다.- 개소2009. 6. 11.
- 면적연면적 2,031㎡
- 주요시설추적레이다 1기, 텔레메트리 2기
- 위치제주도 서귀포시 표선면 하천리
해외에서 우주발사체 추적 가능
한국항공우주연구원은 남태평양 팔라우에 해외추적소를 운영하고 있다. 팔라우 추적소는 발사체 및 탑재체 대한 실시간 비행 위치와 비행 상태 등을 추적, 확인하기 위한 시설로 한국형발사체(누리호) 발사 시 3단 엔진 연소구간에 대한 비행 정보 획득과 위성분리 신호 수신할 수 있다. 과거 나로호 발사 당시에는 해경 선박에 이동형 원격자료수신 장비를 싣고 필리핀 인근 해역까지 출항해야 했으며, 해상 날씨 및 해상체류 가능 기간의 제한 등으로 발사운용 상의 많은 제약이 있었다. 팔라우 추적소는 약 2만 8,000㎡ 면적의 부지에 7.3m급 대형 원격자료수신 안테나와 위성통신망 등을 갖추고 있으며, 약 1,700km 거리의 발사체로부터 원격자료와 영상 수신이 가능하다. 팔라우 추적소 구축으로 우주발사체 발사 시 나로우주센터와 제주추적소, 팔라우 추적소를 연계하여 발사 전 구간에 대한 발사체의 비행 위치와 비행 상태에 대한 데이터를 안정적으로 수신할 수 있으므로 비행안전성을 확보하고 상시 발사임무 수행 능력을 갖추게 되었다. * 원격자료수신 안테나(Telemetry Ground Station)는 발사체 및 탑재체(위성)에 대한 실시간 비행위치, 동작상태 및 특성(속도, 가속도, 위치, 자세, 단 분리, 위성 분리 신호 및 압력, 온도, 전압, 전류 등)에 관한 제반자료를 획득하는 무선통신 시스템으로 발사 임무수행 및 비행안전통제를 위한 필수 장비이다.
한국항공우주연구원은 누리호 발사 등 향후 우주발사체 발사 및 운용에 대비해 지난 2012년부터 해외추적소 구축을 위한 기초조사에 착수하여 2014년 팔라우를 최종후보지 결정했으며, 2016년 팔라우정부 사업허가 및 현지 토목공사와 장비 설치 등을 통해 2019년 11월 7일 문을 열고 나로우주센터 추적 장비와의 연동시험 등을 거쳐 본격적인 운영을 시작했다.
팔라우 추적소의 정식 법인명은‘한국항공우주연구원 팔라우 추적소(Korea Aerospace Research Institute Palau Tracking Station)’이다. 팔라우 추적소는 유지비용을 최소화하기 위해 이동형 장비로 제작해 발사 임무 시에만 운용하고 이후 장비를 국내로 철수해 관리한다. 팔라우 추적소는 누리호 발사부터 본격적으로 활용할 예정이다.
팔라우 추적소는 유지비용을 최소화하기 위해 이동형 장비로 제작해 발사 임무 시에만 운용하고 이후 장비를 국내로 철수해 관리하고 있다.
국민에게 우주개발 꿈과 비전을
나로우주센터 입구에는 우주과학관이 자리하고 있다. 지하 1층, 지상 2층 규모의 우주과학관에는 상설전시관, 로켓전시관, 3D·4D 영상관, 야외전시관, 편의시설 등이 있으며 관람객을 위한 다양한 체험 프로그램을 운영한다.전시관과 체험시설, 다양한 프로그램 제공
우주과학관 1~2층의 상설전시관은 기본원리, 로켓, 인공위성, 우주 공간, 달 탐사 등 5개 주제로 구성되어 있다. 또한 우주과학관은 관람객 체험시설로 4D 돔 영상관과 3D 영상관을 운영하고 있다. 4D 영상관에는 180° 대형스크린에 진동과 바람의 효과를 더해 영상을 오감으로 체험할 수 있다. 3D 영상관에서는 별들이 바로 눈앞에 쏟아지는 듯한 입체적인 영상으로 신비로운 우주를 경험할 수 있다. 야외전시관은 로켓 광장, 포물면 통신, 태양 정원 등으로 구성되어 있으며, 편의시설로는 식당과 카페, 어린이 놀이터 등을 운영하고 있다. 또한 전시관 내에 약 1,000여 권의 도서를 갖춘 도서 휴게실을 운영하고 있다.
우주과학관은 초·중·고 학생을 대상으로 우주체험교실을 운영하고 있으며 우주과학 분야 교원의 전문성 향상을 위한 교사직무 연수와 소외지역 아동을 위해 찾아가는 우주과학교실 등도 운영하고 있다.
