누리호, 너는 누구니?…미리 풀어 본 '10대 궁금증'[누리호 2차발사]

한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ) 2차 발사일을 하루 앞둔 15일 전남 고흥군 나로우주센터 발사대에 누리호가 기립되고 있다. 한국항공우주연구원 제공

[아시아경제 김봉수 기자] 16일 오후 한국의 첫 독자 우주발사체 누리호(KSLV-II)가 두 번째 발사된다. 2010년부터 1조9572억원을 들여 실시된 '단군 이래 최대 우주개발 프로젝트'에 온 국민들의 눈이 쏠리고 있다. 누리호 2차 발사에 대한 궁금증을 풀어 봤다.

◇ 누리호, 너는 누구?

누리호는 KSLV-II라는 영문 별칭을 갖는다. 'Korea Space Launch Vehicle-II'의 약자다. 즉 한국의 두 번째 우주 발사체라는 뜻이다. '두 번째'인 까닭은 2013년 발사 성공한 나로호(KSLV-I) 때문이다. 그러나 나로호는 1단부 엔진을 러시아에서 수입했기 때문에 '한국형 발사체'로 간주되지 않는다. 누리호는 공식적으로 2010년부터 1조9572억원을 들여 개발됐다. 총 3기를 제작해 1, 2차 발사를 진행하며 세번째 기체는 '예비용'으로 남겨진다. 만약 2차 발사가 실패할 경우 예비 기체가 투입돼 마무리를 할 지, 아니면 내년부터 진행되는 별도의 프로젝트인 고도화 사업의 1호기로 사용될 지는 아직 미정이다.

누리호는 중형차 1대, 즉 1.5t의 인공위성을 지구 저궤도(600~800km)에 올릴 수 있는 3단 우주 로켓이다. 가장 아래쪽인 1단은 75t급 액체 엔진 4기를 묶어 300t의 추력을 낸다. 2단에는 75t급 액체 엔진 1기를 달았고, 3단에는 7t급 액체 엔진을 쓴다. 총 길이는 아파트 15층 높이인 47.2m, 연료를 채웠을 때 무게는 200t(비었을 땐 20t), 최대 직경은 3.5m에 이른다.

◇ 국산 기술 맞다

한국은 1990년대 초반 1단형 고체 과학로켓 KSR-I을 개발하면서 국산 발사체의 역사를 시작했다. 2단형 고체 과학로켓인 KSR-II, 첫 액체 추진 과학로켓 KSR-III을 거쳐 러시아와 함께 개발한 나로호에서부터 본격적인 우주 발사체 연구를 시작했다. 당시 한국항공우주연구원(KARI)은 러시아로부터 기술을 습득해 30t급 액체 엔진을 자체적으로 개발하는 데 성공했다. 특히 러시아가 나로호 개발 발표회 당시 1단용 '모형 엔진'을 넘겨줬는데, 알고 보니 170t급 다단연소사이클형 앙카라 엔진 실물인 것으로 밝혀진 일화는 유명하다. 이는 누리호의 75t 액체 엔진 개발 과정에서 참고가 됐다. 이로 인해 일각에선 누리호를 '국내 기술'로 보기 어렵지 않냐는 지적들이 나온다. 그러나 전문가들은 러시아가 당시 기술을 적극적으로 전수해주지 않은 데다, 그나마 어깨너머로 습득한 기술과 로켓 실물 엔진 등을 이유로 누리호의 국산 기술 개발을 폄훼할 수는 없다고 반박하고 있다. 당시 나로호 개발에 참여했던 한 인사는 "러시아가 KARI 기술자들을 데리고 공장을 견학시켜주긴 했지만 보안을 이유로 핵심 기술이나 중요 부품에는 접근 조차 허락하지 않았었다"면서 "그들은 우리가 자신들에게서 보고 듣기만 했지 한 번도 실습해보지 못한 것들을 스스로 구현해내자 깜짝 놀라고 있다고 하더라"고 전했다. 발사체 전문가인 이춘근 전 한국과학기술정책연구원 책임연구원도 "전세계 어떤 국가도 100% 국내 기술로 우주 발사체를 만들지 못했다. 러시아나 미국도 독일 V2로켓 기술을 참고했었다"면서 "설사 설계도나 자문이 있었다고 하더라도 기술의 특성상 실제 구현은 매우 어려운 작업이다. 비록 시간이 좀 걸렸다고 하더라도 우리 기술진이 누리호를 엔진부터 추진제 탱크까지 처음부터 끝까지 만들어 내는 데 성공한 것은 '국산 기술'이라고 밖에 할 수 없을 것"이라고 설명했다.

한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)가 15일 전남 고흥군 나로우주센터 내 조립동에서 나와 발사대로 이송되고 있다. 항공우주연구원 제공

◇ 발사 당일, 남은 절차는?

누리호 2차 발사용 기체는 15일 오후 현재 나로우주센터 제2발사대로 옮겨져 기립된 후 엄빌리칼을 연결해 최종 점검 작업을 진행 중이다. 발사는 16일 오후4시쯤 예정돼 있다. 당일 아침 나로도 상공의 풍속ㆍ구름ㆍ낙뢰 여부 등 기상 상황과 우주 물체와의 충돌 가능성 등을 고려해 최종 시점이 정해진다. 만약 미뤄지면 그 다음날부터 일주일간이 예비 기간으로 정해져 있다. 현재 누리호는 나로우주센터 발사체 종합 조립동에서 조립이 완료된 후 트랜스포터를 이용해 발사대로 이송된 후 수직으로 세워져 발사패드에 고정된 상태다. 탯줄과 비슷한 역할을 하는 엄빌리칼이 연결돼 연료ㆍ전기 계통 등에 대한 종합적인 점검을 진행 중이다.

발사 당일엔 4시간 전부터 연료ㆍ산화제가 주입되며, 최종 점검 결과 이상이 없을 경우 발사 10분 전 부터 카운트다운, 즉 발사자동운용이 시작된다. 발사 시간이 되면 1단부의 300t급 엔진(75t급 엔진 4개)이 점화되고 고정장치가 해제 된다. 몇초 후 충분한 추력이 형성되면 발사체가 읽하고 발사대와 연결된 엄빌리칼 플레이트가 분리되고 이륙한다.

◇ 발사 후 과정 및 잔해는?

이같은 누리호의 발사는 나로우주센터 내 발사지휘센터(MDC)에서 총괄 지휘한다. 발사된 누리호를 추적하기 위해 나로우주센터와 제주도에 추적 레이더 및 텔레메트리 안테나가 설치돼 운용된다. 비행 후반부의 추적은 필리핀 팔라우에 설치된 텔레메트리 안테나가 맡는다. 특히 나로우주센터에는 최대 3000km까지 발사체를 추적해 실시간 위치 정보를 확보할 수 있는 추적 레이더와 최대 2000km까지 비행 궤적, 동작 상태를 확인할 수 있는 텔레메트리(원격자료수신장비)가 운영된다. 누리호는 제주도와 일본 후쿠에지마에서 각각 약 100km 떨어진 곳을 지나 비행한다. 1단부는 발사장에서 약 413km, 2단부는 약 2800km, 페어링은 약 1514km 떨어진 해상에 각각 떨어질 것으로 보인다. 발사 당일 누리호 발사대를 중심으로 반경 3km 이내의 육상이 통제된다. 해상에서도 비행 방향으로 폭 24km, 길이 78km의 해역에 모든 선박 등의 출입이 금지된다. 하늘에서도 비행 방향 폭 44km, 길이 95km의 비행 금지 구역이 설치된다.

◇성공 여부 판단 기준

누리호가 예정된 대로 엔진이 정상 점화돼 이륙한 후 각 단ㆍ페어링 분리가 정확한 시점ㆍ고도에 이뤄져야 한다. 누리호는 발사된 후 약 127초 후 고도 57km에서 1단이 분리되며, 233초 후 고도 191km에서 페어링, 274초 후 고도 258km에서 2단이 각각 분리된다. 특히 최종 목표인 성능검증위성 및 위성 모사체의 궤도 진입 여부가 중요하다. 누리호가 발사 후 약 15분, 정확히 897초 후 목표 고도인 700km에 이르러 성능검증위성이 떨어져 나가고, 약 70초 후에는 위성 모사체가 분리된다. 여기까지가 정상적으로 진행되면 한국항공우주연구원(KARI) 기술진들은 약 30분 후 데이터 분석을 거쳐 발사 성공을 최종적으로 선언할 계획이다.

◇누리호 1차ㆍ2차 발사 차이점은?

1차 발사 당시 3단부 7t급 액체 엔진이 예상보다 46초 가량 빨리 꺼지면서 마지막 순간 힘을 얻지 못하는 바람에 최종 목표인 위성 모사체 궤도 진입에 실패했다. 추후 조사 결과 3단부 엔진 내 산화제 탱크에 균열이 생겨 연료가 샜다는 사실이 밝혀졌다. 원인은 헬륨 탱크 고정 장치가 부실해 비행 과정에서 풀렸기 때문이었다. 이에 2차 발사 일정이 당초 지난달 중순에서 한 달 정도 순연됐다. KARI는 2개월 가량의 원인 분석 작업을 거쳐 지난 1월부터 부품 설계 변경 및 검증 작업을 실시했다. 1, 2단부의 구조를 보강하기 위해 산화제 탱크 설계를 고정지지부 방식으로 변경했다. 또 액체 질소에 담궈서 문제가 없는 지 검증했다. 특히 이미 조립돼 있던 3단부를 다시 해체ㆍ분해해 수리하는 작업이 어려웠다. 고정환 KARI 발사체 사업단장은 "산화제 탱크 뚜껑을 열고 사람이 들어가서 교체해야 했다"면서 "내부에 다른 부품이 너무 많이 들어가 있어서 까다로운 작업이었지만 모든 교체 작업과 재조립까지 지난 4월 말 완료한 상태"라고 설명했다.

이번 2차 발사 때는 위성 모사체만 실었던 지난 1차 때와 달라 큐브 위성 4개가 포함된 성늠 검증 위성과 위성 모사체를 함께 궤도에 올린다. 누리호 성능 검증 위해 특별히 제작된 200kg 가량 무게의 실제 동작 위성과 1.3t 무게의 위성 모사체다. 누리호가 고도 700km에 올라가게 되면 성능 검증 위성이 먼저 분리되며, 나중에 위성 모사체가 분리된다. 이후 2시간 뒤 성능 검증 위성이 지상국과 지속적인 교신을 하고 4시간 후엔 남극 세종기지에서 위성 자세 정보를 확인한다. 다음날에도 지상국과의 원활한 교신으로 위성 상태에 대한 보다 정밀한 확인이 이뤄진다. 성능 검증 위성은 발사 일주일 뒤 내부에 탑재된 큐브 위성 4기를 사출하게 된다.

한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)가 15일 전남 고흥군 나로우주센터 내 조립동에서 나와 발사대로 이송되고 있다. 항공우주연구원 제공

◇성능검증위성과 큐브위성 4기도 관심거리

성능섬증위성은 단순히 탑재체로서의 역할 뿐만 아니라 다양한 과학실험과 성능 검증을 맡게 된다. 성능검증위성에는 우선 한국원자력연구원이 제작한 발열전지(ETG)가 실리는데, 무게는 1kg 미만이고 크기도 직경 85mm, 높이 125mm에 불과하지만 온도차를 이용해 전력을 생산해 최첨단 제품이다. 이 발열전지는 향후 달 착륙 탐사 때 활용될 예정이다. 또 민간업체 져스텍이 개발한 제어모멘트자이로(CMG)도 장착돼 성능 검증에 들어간다. 이 장치는 우주 발사체, 즉 위성이나 탐사선 등의 자세 제어에 필수적인 기능을 담당하기 때문에 우리나라가 추진 중인 우주핵심기술개발사업의 과제로 선정돼 있다. 또 우주에서 지구의 지상국과 통신을 주고받는 S-band 안테나도 이번 성능검증위성에 부착돼 성능을 검증한다. 역시 우주 개발에 필수적인 기술로 우주핵심기술개발사업 과제다. 이밖에 성능검증위성에는 큐브위성 발사관, 영상촬영ㆍ전송을 위한 VCS 등도 부착돼 있다.

성능 검증 위성 내부에 탑재돼 차례로 발사되는 큐브 위성들도 관심사다. 조선대가 제작한 국내 최초 전자광학ㆍ중적외선ㆍ장적외선 다중밴드 지구관측 위성(STEP Cube Lab-II), 서울대의 정밀 위성항법시스템(GPS) 반송파 신호를 활용한 지구대기관측 GPS RQ(Radio Occultation) 데이터 수집용 'SNUGLITE-II' 위성이 실린다. 또 카이스트의 초분광 카메라 지구관측 위성 RANDEV, 연세대의 미세먼지 모니터링 위성 MIMAN도 실려 있다. 이들 큐브 위성들은 오는 23일부터 이틀 간격으로 차례대로 성능 검증 위성에서 사출돼 임무에 들어간다.

◇ 75t 액체 엔진의 성능

1단에 장착된 4기의 75t 액체 엔진은 가로 1.9m, 세로 3.0m의 크기다. 2단부에는 같은 출력이지만 조금 더 큰 엔진이 실린다. 가로 2.2m, 세로 4.0m다. 1기만 달리기 때문에 보다 안정된 추력을 보장하기 위해서다. 개발 초기 현재보다 25% 더 무거웠지만 이후 경량화를 통해 최종적으로 무게를 줄였다. 지난해 10월 1차 발사 전까지 총 33기를 제작해 184회 1만8290초 가동 시험을 통해 신뢰도를 높였다. 그러나 2017년 한때 불안정 연소 현상으로 인한 진동이 발생해 6개월간의 연구 끝에 바로 잡는 등 어려운 과정을 거쳤다. 초당 산화제ㆍ연료를 1t(1016kg)씩 소모하는 '괴물'이다. 케로신 연료를 초당 314kg씩(드럼통 200리터짜리 2개)을 사용하는데 1단부 가동시간인 130초 동안 무려 드럼통 260개 분의 연료가 투입된다. 이를 통해 뿜어져 나오는 연소 압력은 대기압의 60개(60bar)에 달하며 연소 가스의 온도는 3500도에 이른다. 케로신을 연소시키는데 들어가는 '산화제', 즉 액체 산소는 영하 183도의 극저온이다.

◇ 세계 7대 우주강국의 기준

1t 이상의 상업용 위성을 저궤도에 투입할 수 있는 중형급 발사체를 보유하고 있냐는 것이다. 현재 우주 발사체를 보유하고 있는 국가는 미국, 러시아, 중국, 일본, 유럽연합(EU), 인도, 이란, 북한, 이스라엘 등 9개국이다. 그러나 이란, 북한과 이스라엘이 보유한 발사체의 능력은 300kg급에 불과하다. 따라서 우리나라는 누리호 2차 발사가 성공하게 되면 세계에서 7번째로 실용급 위성 자력 발사 가능 국가 대열에 오른다. 게다가 우리나라는 우주 발사체 엔진 개발 설비, 대형 추진제 탱크 제작 기술, 첨단 기술이 적용된 발사대 구축 등 우주발사체의 설계ㆍ제작ㆍ시험ㆍ발사 운용 등의 모든 과정을 스스로 개척해 핵심 기술을 모드 확보했다.

◇ 이륙 때 흰 연기의 정체는 '수증기'

우주 발사체가 이륙하는 순간 흰색 연기가 엔진 부위에서 엄청난 뭉게 구름을 형성하며 뿜어져 나온다. 이는 수증기다. 발사체는 1단부 엔진이 점화됐을 때 연소가스의 온도가 3500도에 이를 정도고 고온을 배출한다. 이를 식히기 위해 발사대 하단부에는 많은 양의 물을 뿌리는 발수 장치가 돼 있다. 여기에서 뿌려진 물이 고온의 연소가스와 부딪히면서 수증기가 대량 발생한다. 또 발사체가 이륙할 때 하얀 가루가 주변으로 흩어지는 것도 볼 수 있다. 얼음이다. 발사체에 주입된 추진제의 온도가 영하 180도에 이르기 때문에 기체가 냉각돼 얼음이 생성된다. 이륙 순간의 진동 때문에 이 얼음이 부서져 흩어진다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr