발사대

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1. 개요
2. 역사
3. 건설
4. 시설
5. 엔진 성능 및 시스템 준비 상태 검증
참조

1. 개요

발사대는 로켓을 지지하고 발사하는 데 사용되는 구조물이다. 초기에는 로켓의 크기가 작아 전용 발사대가 필요하지 않았지만, 로켓의 크기가 커지면서 특수한 발사 시설이 필요하게 되었다. 발사대 건설은 지리적, 물류적 요소를 고려하여 부지를 선정하며, 해안 지역에 배치하는 것이 일반적이다.

발사대는 로켓을 발사대로 수송하는 방식에 따라 수평 통합, 수직 통합, 사일로 발사 방식으로 나뉜다. 또한, 발사대에는 로켓 조립 및 정비를 위한 서비스 구조, 화염, 열, 배기 가스를 분산시키는 화염 도피 장치, 소음 감소 시스템, 수소 연소 시스템 등 다양한 시설이 갖춰진다. 발사 전에는 엔진 성능 및 시스템 준비 상태를 검증하기 위한 고정 기능이 사용되기도 한다.

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발사대
개요
유형	고정식 발사 시설
용도	로켓 발사
구조 및 기능
주요 구성 요소	발사 플랫폼 화염 방출구 또는 트렌치 서비스 구조물 (엄빌리컬 타워) 연료 및 산화제 저장 시설 제어 센터 발사 통제 센터
발사 플랫폼	로켓을 지지하고 안정화하는 구조물
화염 방출구	로켓 엔진의 화염과 배기 가스를 안전하게 분산시키는 장치
서비스 구조물	로켓에 접근하여 점검, 연료 공급, 탑재물 설치 등을 수행하는 데 사용되는 타워 형태의 구조물 발사 직전에 철회되거나 분리됨
엄빌리컬 타워	로켓에 연료, 산화제, 전기 및 데이터를 공급하는 연결 장치 (엄빌리컬)를 포함하는 타워
작동 방식
발사 준비	로켓을 발사대로 이동 로켓을 발사 플랫폼에 고정 서비스 구조물을 사용하여 로켓 점검 및 연료 공급 발사 제어 시스템 설정
발사 과정	로켓 엔진 점화 서비스 구조물 철회 또는 분리 로켓 발사
안전 조치	발사 전에 발사 구역 주변을 통제 비상 상황 발생 시 발사 중단 시스템 작동
추가 정보
기타 명칭	로켓 발사대 우주선 발사 시설 미사일 발사대
관련 시설	우주기지 또는 미사일 기지 내에 위치

2. 역사

현대 로켓의 전신인 불꽃놀이와 로켓 발사기 등은 전용 발사대가 필요하지 않았다. 이는 휴대 가능한 크기였고, 케이싱 자체가 스트레스를 견딜 수 있었기 때문이다. 그러나 로켓 기술이 발전하면서 발사대의 필요성이 커졌다.

2. 1. 초기 발사대

로버트 H. 고다드는 1926년 일련의 발사 시험 이후 고다드 로켓 발사 기지로 명명될 예정인 곳에 최초의 액체 연료 로켓 발사대 중 하나를 설치하였다. 이 발사대는 매사추세츠주의 시골 지역의 탁 트인 들판에 설치되었으며, 로켓으로 연결되는 일련의 가솔린 및 액체 산소 라인이 있는 프레임으로 구성되었다.^[3]

1930년대에 이르러 로켓의 크기와 강도가 증가하면서 특수한 발사 시설이 필요해졌다. 독일의 우주 여행 협회는 1930년 자금 지원 요청 후 농장에서 탄약고를 개조한 베를린 로켓 발사 기지로 이동하는 것이 허가되었다.^[3]

1932년 쿠머스도르프에 액체 추진 로켓을 위한 시험대가 건설되었으며, 이후 아그레가트 계열의 탄도 미사일 초기 설계가 개발되었다. 이 기지에서는 로켓 개발에서 첫 번째 사상자가 발생했는데, 연소 전에 90% 과산화수소와 알코올을 혼합하는 실험을 하던 중 발사체 연료 탱크가 폭발하여 와흠케 박사와 조수 2명이 사망하고 다른 조수 1명이 부상을 입었다.^[4]^[5]

2. 2. 제2차 세계 대전과 V-2 로켓

1937년 5월, 발터 도른베르거와 그의 직원 대부분은 더 넓은 공간과 기밀 유지를 위해 발트해 해안의 우제돔 섬에 있는 페네뮌데 육군 연구 센터로 이동했다. 틸 박사와 그의 직원들은 1940년 여름에 합류했다. 페네뮌데의 시험대 VI는 쿠머스도르프의 대형 시험대를 정확하게 복제한 것이다.^[4]^[5] 이 기지에서 V-2 로켓이 개발되었다. 시험대 VII은 페네뮌데 비행장의 주요 시험 시설이었으며 최대 200톤의 추력으로 로켓 엔진을 정지 발사할 수 있었다.

2. 3. 우주 경쟁 시대

우주 경쟁 기간과 그 이후 수십 년 동안 발사대는 복잡성이 증가하였다. 엔진 시험 또는 차량 발사 중에 대량의 배기 가스가 배출되는 경우, 주변 발사대의 손상을 완화하고 배기를 유도하기 위해 화염 편향기가 구현될 수 있다. 이는 재사용 발사체의 경우 특히 중요한데, 발사 효율성을 높이는 동시에 재정비 시간을 최소화하기 때문이다.^[3]

3. 건설

발사대 건설은 다양한 지리적, 물류적 요인을 고려한 부지 선정으로 시작된다. 지구의 자전을 활용하고 발사의 비추력을 증가시키기 위해 발사대를 해안, 특히 동쪽에 바다가 있는 곳에 배치하는 것이 유리하다. 소련 우주 프로그램이나 프랑스 우주 프로그램과 같이 이러한 이점을 누리지 못하는 우주 프로그램은 바이코누르 우주 기지나 기아나 우주 센터와 같이 주 영토 외부에 있는 시설을 활용하여 발사하기도 한다. 이러한 배치는 또한 안전한 궤적 경로를 제공하여 상승 중 인구 밀집 지역에 대한 위험을 최소화한다.^[6]

4. 시설

발사대는 로켓을 안전하고 효율적으로 발사하기 위한 여러 시설을 갖추고 있다. 주요 시설로는 로켓 수송 시스템, 서비스 구조, 화염 도피 장치, 소음 감소 시스템, 수소 연소 시스템 등이 있다.

로켓 수송 시스템: 로켓을 조립동에서 발사대까지 안전하게 이동시킨다.
서비스 구조: 발사 전 로켓 점검 및 정비에 필요한 시설이다.
화염 도피 장치: 로켓 엔진에서 발생하는 고온, 고압의 배기가스로부터 발사대와 주변 시설을 보호한다.
소음 감소 시스템: 로켓 발사 시 발생하는 소음을 줄여 발사체와 탑재체에 가해지는 음향 하중을 줄인다.
수소 연소 시스템: 액체 수소를 연료로 사용하는 로켓에서 엔진 점화 전 과도한 수소 축적으로 인한 폭발 위험을 방지한다.

4. 1. 로켓 발사대로의 수송

로켓을 발사대로 수송하는 방법은 다양하며, 크게 수평 통합 방식, 수직 통합 방식, 사일로 발사 방식 등으로 나눌 수 있다.

수평 통합 방식: 로켓을 수평으로 운반한 후 수직으로 세우는 방식이다.
소유즈, 프로톤, N1, 에네르기아 등 모든 대형 소련 로켓이 이에 해당한다.
스페이스X 발사체 및 일렉트론 발사체도 이 방법을 사용한다.
최초의 로켓인 V-2는 페네뮌데에서 로켓 후부를 발사대를 향한 채 수평으로 이동시켰다.^[21]
소유즈 로켓을 기차로 발사대로 수송하는 모습
수직 통합 방식: 로켓을 수직으로 조립한 후 이동식 발사대(MLP) 또는 특수 운반 차량을 이용하여 발사대로 운반하는 방식이다.
케네디 우주 센터의 제39 발사 단지가 이 방법을 사용하는 시설의 예이다.^[7]
기아나 우주 센터의 ELA-3에서 아리안 5 로켓을 발사하는 데 유사한 시스템이 사용된다.
아틀라스 V 및 향후 벌컨은 조립 건물에서 발사 구역까지 이어지는 두 개의 평행한 표준 궤간 철도 선로 위에 놓인 이동식 발사대에서 운송한다.
우주왕복선은 우주왕복선 조립동에서 모바일 발사 플랫폼|Mobile Launch Platform^영어(MLP) 위에 수직으로 조립된 후, 크롤러 수송기에 실려 발사대로 이동한다.^[21]
우주왕복선과 MLP를 크롤러-운반차에 실어 발사대로 수송
스페이스X 팰컨 9 발사 인프라를 갖춘 SLC-40. 로켓을 둘러싼 4개의 탑은 피뢰기이며 거대한 페러데이 케이지 역할을 한다
사일로 발사 방식: 미사일 사일로에서 로켓을 조립하고 발사하는 방식이다.
개조된 ICBM에만 사용된다.

대한민국 나로우주센터는 수직 통합 방식과 유사하게, 발사체를 조립동에서 조립 후 발사대로 이송한다.

4. 2. 서비스 구조

서비스 구조는 발사대에 건설되는 강철 프레임워크 또는 타워로, 조립 및 정비를 용이하게 한다.

엄빌리컬 타워는 유지 보수 및 승무원 접근을 위한 엘리베이터를 포함한다. 로켓 모터 점화 직전, 타워와 우주선 사이의 모든 연결은 끊어지며, 이 연결이 통과하는 다리는 구조물이나 차량 손상을 방지하기 위해 빠르게 벗어난다.

4. 3. 화염 도피 장치 (Flame deflector systems)

화염 도피 장치는 로켓 엔진 또는 기타 추진 시스템에서 생성되는 화염, 열 및 배기 가스를 다른 방향으로 돌리거나 분산시키도록 설계된 구조물이다.^[9] 로켓 발사 시 생성되는 추력의 양은 발사 시 발생하는 소리와 함께 발사대 및 정비 시설뿐만 아니라 발사체에도 손상을 줄 수 있다.^[10] 도피 장치의 주된 목표는 화염이 장비, 기반 시설 또는 주변 환경에 손상을 입히는 것을 방지하는 것이다. 화염 도피 장치는 엔진 테스트 또는 차량 발사 중에 대량의 배기 가스가 배출되는 로켓 발사장과 엔진 시험대에서 찾아볼 수 있다.

4. 4. 소음 감소 시스템 (Sound suppression systems)

대형 로켓 발사장은 로켓 발사 시 발생하는 음향 에너지를 흡수하거나 반사하기 위해 종종 소음 감소 시스템을 갖추고 있다. 엔진 배기가스가 음속을 초과하면 주변 공기와 충돌하여 충격파가 생성되며, 소음 수준은 200dB에 육박한다. 이 에너지는 발사대 및 발사대 표면에 반사되어 발사체, 탑재체 및 승무원에게 잠재적인 손상을 입힐 수 있다. 예를 들어, 탑재체 완전성을 위한 최대 허용 전체 음향 파워 레벨(OASPL)은 약 145dB이다.^[11] 소리는 이륙하는 동안 발사대와 발사 플랫폼에 분산된 엄청난 양의 물에 의해 소멸된다.^[12]^[13]

물 기반 음향 억제 시스템은 발사대에서 흔히 사용된다. 이는 발사대 아래 배기 플룸과 발사대 위의 영역에 많은 양의 물을 분사하여 음향 에너지를 줄이는 데 도움이 된다. 불꽃 반사판 또는 불꽃 참호는 로켓 배기를 발사대에서 멀리 떨어뜨리도록 설계되었지만 음향 에너지를 다른 방향으로 전환하기도 한다.^[12]^[14]

4. 5. 수소 연소 시스템 (Hydrogen burn-off systems)

수소 연소 시스템(영어: Hydrogen burn-off systems)은 액체 수소를 추진제로 사용하는 로켓에서, 엔진 시동 전에 차량 후방 엔진 구역에 자유 기체 수소(GH2)가 축적되는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 방사형 외부 발사 점화기(ROFI)라고도 한다. 엔진 시동 시 후방에 과도한 수소가 있으면 과압 폭풍이 발생하여 발사체와 주변 발사대 구조물이 손상될 수 있다.^[15]

5. 엔진 성능 및 시스템 준비 상태 검증

스페이스X의 발사 절차에는 발사 전 완전한 엔진 점화 및 시스템 점검을 허용하는 발사대의 고정 기능이 포함되어 있다. 1단계 엔진이 시작된 후, 모든 추진 및 차량 시스템이 정상적으로 작동하는 것으로 확인될 때까지 발사대는 고정된 상태로 유지되며 발사되지 않는다. 새턴 V^[16] 및 우주왕복선과 같은 발사체에도 유사한 고정 시스템이 사용되어 왔다. 비정상적인 조건이 감지되면 자동 안전 종료 및 추진제 하역이 발생한다.^[17] 스페이스X는 발사일 전에 때때로 3.5초의 1단계 엔진 정적 점화로 절정에 달하는 테스트 주기를 완료하기도 한다.^[18]^[19]

참조

_[1] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[2] 웹사이트 A8FJ - Day 1: Launch and Ascent to Earth Orbit https://www.nasa.gov[...] 2024-11-20
_[3] 웹사이트 Highlights in German Rocket Development http://history.msfc.[...] 2016-06-14
_[4] 서적 V-2 The Viking Press, Inc. 1954
_[5] 서적 The Wehrmacht Weapons Testing Ground at Kummersdorf Schiffer Publishing Ltd. 1997
_[6] 웹사이트 Building KSC's Launch Complex 39 https://public.ksc.n[...] 2024-07-12
_[7] 웹사이트 LAUNCH COMPLEX 39, PADS A AND B https://web.archive.[...] NASA KSC
_[8] 웹사이트 Cpsb Launchpad https://web.archive.[...] Viswanath 2023-06-16
_[9] 웹사이트 Moonport, CH11-7 https://www.hq.nasa.[...] 2023-09-01
_[10] 웹사이트 The Purpose Of A Flame Trench At A Rocket Launch Site https://headedforspa[...] 2022-10-26
_[11] 논문 A correlation of scale model and flight aeroacoustic data for the Space Shuttle Vehicle https://arc.aiaa.org[...] 2022-11-16
_[12] 학술지 Sixty years of launch vehicle acoustics 2017
_[13] 학술지 Liftoff Ignition Overpressure-A Correlation 1982-11
_[14] 웹사이트 Acoustic Loads Generated by the Propulsion System (NASA SP-8072) https://ntrs.nasa.go[...] 1971-06
_[15] 웹사이트 Heritage hardware: Testing the hydrogen burn off system for SLS https://www.nasaspac[...] 2015-06-01
_[16] 웹사이트 Hold-Down Arms and Tail Service Masts https://www.hq.nasa.[...] NASA 2017-06-24
_[17] 웹사이트 Falcon 9 Overview (2010) http://www.spacex.co[...] SpaceX 2010-05-08
_[18] 웹사이트 Falcon 9 completes full-duration static fire http://spaceflightno[...] Spaceflight Now 2014-12-20
_[19] 웹사이트 Starlink satellite deployments continue with successful Falcon 9 launch https://spaceflightn[...] Spaceflight Now 2020-07-27
_[20] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[21] 웹사이트 スペースシャトル概要, 帰還後の整備 https://iss.jaxa.jp/[...] JAXA 2010-07-30
_[22] 서적 A Dictionary of Aviation https://archive.org/[...] Osprey

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