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누리호 시험발사체

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목차

1. 개요

누리호 시험발사체는 75톤급 액체엔진 1기로 구성된 발사체로, 대한민국의 우주 발사체 기술 개발을 위한 시험 발사에 사용되었다. 2018년 11월 28일 첫 시험 발사에 성공하여, 75톤급 액체연료 로켓 엔진을 실제 발사한 국가 대열에 합류했다. 이 발사체는 최대 고도 195km에 도달하며, 400km 떨어진 해상에 낙하하는 비행 궤적을 갖는다. 개발 과정에서 발사 일정이 연기되기도 했으며, 부스터 활용 가능성 및 미사일 지침 종료와 관련된 논의도 있었다.

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누리호 시험발사체
기본 정보
이름누리호 시험발사체(KSLV-II TLV)
영어 이름KSLV-II TLV, Korea Space Launch Vehicle-II Test Launch Vehicle
용도시험용 우주발사체
제작자한국항공우주연구원
크기 및 무게
전장25.8 m
직경2.6 m
중량52.1톤
적재 중량금속 탑재체 8톤
궤도 정보
운반 궤도준궤도, 최고고도 177 km
발사 정보
상태발사 완료
발사장나로우주센터
최초 발사일2018년 11월 28일
최후 발사일(후속 발사 없음)
부스터 정보
엔진 정보
엔진KRE-075 1개
단수1
추력76톤(해면추력)
연소 시간151초
추진제Jet A-1/LOX

2. 발사 계획

누리호 시험발사체는 75톤급 액체엔진 1기로 구성되어 있으며, 이륙 후 63초 만에 음속(초속 340m)을 돌파한다. 엔진 연소는 143.5초에 종료되며, 이후 164초에 고도 100km, 313초에 최대 고도 195km에 도달한다.[3] 이후 하락하여 발사 643초 뒤 400km 떨어진 제주도와 일본 오키나와 사이 공해상에 낙하한다.[3] 한국항공우주연구원은 엔진 추력이 73~77톤이고, 최대 고도가 180~220km에 도달하면 발사가 성공한 것으로 판단한다.[3]

지상 추력 77톤은 진공 추력 85톤 정도를 의미하는데, 1단 엔진은 원래 진공 추력 75톤, 지상 추력 65톤으로 알려져 있었다.

당초 2단 부분은 KARI 7톤급 로켓엔진을 사용할 계획이었으나, 8톤 무게의 질량 시뮬레이터를 탑재하는 것으로 변경되었다가, 다시 10.5톤 무게의 질량 시뮬레이터를 탑재하는 것으로 변경되었다.

3. 개발 진행 상황

누리호 개발 사업은 총 3단계로 진행되었다. 1단계에서는 독자적인 발사체 시스템 구축을 위한 시험 설비를 구축하고, 2단계에서는 75톤급 엔진과 7톤급 엔진 시험을 진행하여 2017년까지 75톤급 엔진 개발을 완료하고 그해 12월에 시험 발사체를 발사할 예정이었다.

액체 연료 로켓 엔진 개발에서 가장 어려운 부분은 연소 불안정 현상이다. 로켓 엔진 연소기는 1초 만에 수십 kg에 달하는 추진제를 연소시키면서 내부 에너지 밀도가 높아지는데, 이로 인해 발생하는 주파수가 연소기 고유의 주파수와 공명 현상을 일으켜 연소가 극도로 불안정해지는 현상이 발생한다. 심한 경우 연소 시험 도중 연소기가 깨지거나 폭발할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 충분한 연소 시험을 통해 설계를 개선하고 안정성을 확보하며, 이를 검증하기 위해 시험 발사를 한다.

3. 1. 발사 연기

미래부는 2016년 12월 22일, 발사 예정일을 2017년 12월에서 2018년 10월로 10개월 연기했다. 이에 대해 한국항공우주연구원장을 지낸 김승조 서울대학교 교수는 발사체 엔진 전반의 체계와 부품 기술은 이미 50~60년 전에 확립된 것이어서 최선을 다하면 납기를 맞출 수 있다고 보았다. 정부 예산도 이미 배정돼 있는 상황이어서 걸림돌도 없다고 주장했다.[4] 김승조 교수는 한국항공우주연구원 원장 시절 2016년 발사가 가능하다고 말했었다.

팰컨 1은 9000만달러의 개발비가 들었으며, 민간 자금으로 개발되었다. 1회, 2회 발사는 미국 국방부가 발사 계약을 했다. 2002년 6월 스페이스X가 설립되었는데, 3년 9개월만인 2006년 3월 24일 최초 발사했다. 반면에 누리호 시험발사체는 2007년 7월 최종 모델이 확정되어 개발이 시작되었는데, 11년 3개월만인 2018년 10월에 최초 발사할 계획이다. 느린 개발은 개발비 증가로 이어져, 우주발사체 시장에서 가격경쟁력을 상실하게 된다.

2017년 12월 25일, 고흥 나로우주센터 발사체종합조립동에서 누리호 총조립을 담당하고 있는 천진효 한국항공우주산업(KAI) 조장은 "현재 내년 10월 발사 예정인 시험발사체 인증모델(QM)의 조립이 85% 정도 진행된 상황"이라고 밝혔다. 천 조장은 "시험발사체는 최종 조립 작업자 7명과 품질 검사원 1명, 생산기술 지원 인력 7명이 약 7개월에 걸쳐 조립한다"고 말했다.[5]

3. 2. 제3차 우주개발진흥기본계획

과학기술정보통신부는 2018년 2월 5일 제14회 국가우주위원회를 열어 제3차 우주개발진흥기본계획을 확정했다.[6] 이에 따르면, 한국형 시험발사체는 2018년 10월에 1차 발사를 하고, 기술 검증이 부족하면 신뢰도를 높이기 위해 2019년에 2차 발사를 한다. 한국형 발사체 성공 후에는, 2025년부터 2030년까지 한국형 소형발사체 플랫폼으로 확장하여 500kg 인공위성을 자체적으로 발사할 것이라고 한다.

4. 시험 발사

2018년 11월 28일 오후 4시에 첫 시험발사를 성공했다. 이로써 대한민국은 미국, 러시아, 일본, 프랑스, 중국, 인도에 이어 75톤급 대형 액체연료 로켓 엔진을 실제 발사한 8번째 국가가 되었다.[3] 누리호 시험발사체는 8톤의 화물을 탑재하고, 최대 고도 209 km, 비행거리 429 km를 10여분간 비행해 제주도 공해상에 무사히 낙하했다.

75톤급 액체엔진 1기로 이뤄진 시험발사체는 이륙 후 63초 만에 음속(340m/s)을 돌파했다. 엔진 연소가 종료(143.5초)된 이후 164초에 고도 100 km, 313초에 최대 고도 195 km에 도달했다가 하락하기 시작해 발사 643초 뒤 400 km 떨어진 제주도와 일본 오키나와 사이 공해상에 떨어졌다.[3]

5. 부스터 활용 가능성

중국의 창정 로켓 시리즈를 보면, 누리호와 같은 진공추력 75톤 등유/액체산소 엔진 1개를 사용한 로켓을 부스터로 사용한다. 즉, 누리호의 1단 옆에 누리호 시험발사체를 부스터로 4개 붙이는 방식이며, 항우연은 이와 같이 창정 시리즈처럼 부스터를 4개 붙인 모델의 가상도를 발표하기도 했다. KSLV-III 참조.

6. 차후 활용 계획

75톤 추력 엔진 하나로도 소형 인공위성을 발사할 수 있다.[7]

2020년 항우연은 KSLV-S 개발을 시작했다.

7. 미사일 지침 종료와 ICBM 전용 가능성

2021년 5월 22일, 한미 미사일 지침이 종료되었다. 이로 인해 누리호 시험발사체는 한국의 ICBM으로 즉시 사용할 수 있게 되었다. 물론, 한국은 핵탄두가 없어서 미사일만 있다고 ICBM이 되는 것은 아니다. 또한, 몇 분 만에 액체연료를 주입하는 초고압 군사용 연료 주입 시설과 지하 사일로에서 콜드 런치로 52톤 무게의 시험발사체를 사출하는 기술 등이 아직 입증된 게 없다.

8. 개발 연표

누리호 개발사업은 총 3단계로 진행되었으며, 1단계에서는 독자적인 발사체 시스템 구축을 위한 시험설비를 구축하고, 2단계에서는 75톤급 및 7톤급 엔진 시험이 이루어졌다. 당초 2017년 12월에 시험 발사체를 발사할 예정이었다.[4]

액체 연료 로켓 엔진 개발에서 가장 어려운 점은 연소 불안정 현상이다. 이를 해결하기 위해 충분한 연소시험을 통한 설계 개선 및 안정성 확보가 필요하며, 시험발사를 통해 검증한다.

날짜내용
2016년 3월 21일한화테크윈 경남 창원시 소재 2사업장에서 누리호(KSLV-Ⅱ) 초도 엔진 출하 기념식을 열고, 75톤 액체로켓엔진 1대를 한국항공우주연구원에 납품했다.
2016년 7월 20일75톤 엔진 145초 연소시험 성공.
2016년 12월 22일미래부는 발사예정일을 2017년 12월에서 2018년 10월로 10개월 연기했다.[4]
2017년 12월 8일누리호 시험발사체 비행모델(FM) 75톤 엔진 40초 연소시험 완료.
2017년 12월 25일누리호 시험발사체 인증모델(QM) 85% 조립완료.[5]
2018년 2월누리호 시험발사체 인증모델(QM) 조립완료, 비행모델(FM) 조립시작
2018년 5월 17일누리호 시험발사체 인증모델(QM) 1차 종합연소시험, 30초 연소
2018년 6월 7일누리호 시험발사체 인증모델(QM) 2차 종합연소시험, 60초 연소
2018년 7월 5일누리호 시험발사체 인증모델(QM) 3차 종합연소시험, 154초 연소, 발사 전 최종 리허설
2018년 11월 28일누리호 시험발사체 비행모델(FM) 1차 시험발사, 나로호 발사장을 사용한다.


참조

[1] 뉴스 '[과학TALK] ‘나로호’ 이후 첫 로켓 현장을 가다...“해보지 않고 할 수 없는 길”' 조선비즈 2018-02-11
[2] 웹인용 사업개요 https://web.archive.[...] 2018-05-25
[3] 뉴스 독자 개발 75톤 엔진 단 한국형 '시험발사체' 다음달 25쯤 발사된다 한국일보 2018-09-06
[4] 뉴스 "[이슈분석]한국형 우주발사체 연기 의혹 눈덩이…안 하나 못하나" 전자신문 2016-07-17
[5] 뉴스 '"한땀한땀 직접 조립… 내년 발사 성공 기대"' 디지털타임스 2017-12-25
[6] 웹인용 과학기술정보통신부 사전정보공표목록(주요정책정보) http://www.msit.go.k[...] 과학기술정보통신부 2018-05-25
[7] 뉴스 '[2018 신년기획]한국형 발사체 시험 발사' 전자신문 2018-01-01


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