2025. 9. 7. 오전 9:07:34
K-방산의 대한민국, 이제 우주로 도약할 차례
출처: 한겨레 ( 한국 / 한국어 )
우주발사체
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목차
1. 개요
우주 발사체는 인공위성, 우주선 등을 궤도에 진입시키기 위한 로켓 시스템을 의미한다. 1926년 로버트 고다드의 액체 연료 로켓 개발을 시작으로, 제2차 세계 대전 중 V-2 로켓 개발을 거쳐 우주 시대를 열었다. 우주 발사체는 일회용 발사체와 재사용 발사체로 구분되며, 궤도에 올릴 수 있는 중량에 따라 소형, 중형, 대형, 초대형으로 나뉜다. 발사 플랫폼은 육상 기지, 해양 플랫폼, 잠수함, 공중 등 다양하며, 최근에는 분산 발사 및 발사장 귀환 기술이 발전하고 있다. 우주 발사체는 대륙간 탄도 미사일과 기술적 유사성을 가지며, 각국의 우주 개발 경쟁과 기술 발전을 통해 지속적으로 발전해왔다.
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| 우주발사체 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 발사체 |
| 용도 | 우주선을 우주로 운반 |
| 관련 용어 | 캐리어 로켓(carrier rocket) 발사 시스템(launch system) 로켓(rocket) |
| 설명 | |
| 역할 | 우주로 화물을 운반하는 데 사용되는 로켓 |
| 작동 원리 | 추력을 발생시켜 지구 중력을 극복하고 우주로 나아감 |
| 주요 구성 요소 | 로켓 엔진(rocket engine) 추진제 탱크(propellant tank) 구조체(structure) 제어 시스템(control system) |
| 작동 방식 | 발사 준비: 연료 주입, 시스템 점검 등 발사: 엔진 점화 후 추력 발생 상승: 중력과 대기 저항을 극복하며 상승 궤도 진입: 목표 궤도에 도달 후 엔진 정지 |
| 필수 속도 | 지구 저궤도 진입을 위해 약 의 속도 필요 |
| 고도 | 최소 고도 이상으로 발사되어야 지구 궤도 진입 가능 이는 카르만 선으로 정의되는 우주의 시작점보다 높은 고도임 |
| 발사체 종류 | |
| 유형별 분류 | 액체 로켓(liquid rocket) 고체 로켓(solid rocket) 하이브리드 로켓(hybrid rocket) |
| 크기별 분류 | 소형 발사체 중형 발사체 대형 발사체 |
| 재사용 가능성 | 일회용 발사체(expendable launch system) 재사용 발사체(reusable launch system) |
| 주요 발사체 | |
| 현재 사용 발사체 | 팰컨 9(Falcon 9) 아리안 5(Ariane 5) 프로톤(Proton) 델타 IV(Delta IV) 창정(Chang Zheng) H-IIA(H-IIA) 베가(Vega) 소유즈(Soyuz) 앙가라(Angara) |
| 과거 사용 발사체 | 새턴 V(Saturn V) 스페이스 셔틀(Space Shuttle) 에너지아(Energia) |
| 활용 | |
| 위성 발사 | 통신 위성(communication satellite), 지구 관측 위성(earth observation satellite), 군사 위성(military satellite) 등 다양한 위성 발사에 사용 |
| 우주 탐사 | 화성 탐사(Mars exploration), 달 탐사(lunar mission), 행성 탐사(planetary exploration) 등 우주 탐사 임무에 사용 |
| 유인 우주 비행 | 국제 우주 정거장(International Space Station) 보급, 우주 비행사(astronaut) 수송 등에 사용 |
| 미래 전망 | |
| 개발 동향 | 재사용 발사체(reusable launch vehicle) 개발 경쟁 심화 소형 위성 발사 수요 증가에 따른 소형 발사체 개발 활발 민간 우주 기업의 발사체 개발 참여 확대 |
| 기타 | |
| 관련 기술 | 로켓 엔진 기술(rocket engine technology) 항법 기술(navigation technology) 제어 기술(control technology) |
2. 역사
1926년 로버트 고다드가 액체 연료 로켓을 개발하면서 우주 발사체의 역사가 시작되었는데, 이는 인류가 개발한 최초의 액체 연료 로켓이었다. 1940년대에는 제2차 세계 대전의 일환으로 독일에서 V-2 로켓이 개발되어 사용되었다. 이 로켓은 탄도 미사일로, 오늘날 우주 발사체와 많은 기술적 유사성을 공유한다. 전쟁이 끝난 후, 미국과 소련은 독일의 과학자들과 V-2 로켓 기술을 포획하여 자체적인 우주 프로그램 개발에 활용했다. 소련은 1957년 스푸트니크 1호를 발사하면서 우주 시대를 열었다. 이는 인공위성을 궤도에 올린 최초의 인공 물체였다. 미국은 1958년 익스플로러 1호를 발사하며 이에 대응했다. 1960년대에는 미국과 소련 간의 우주 경쟁이 심화되었다. 이 시기에는 유인 우주 비행과 달 탐사가 주요 목표였다. 소련은 1961년 유리 가가린을 우주로 보낸 최초의 국가가 되었고, 미국은 1969년 아폴로 11호를 통해 달에 인간을 착륙시키는 데 성공했다. 1970년대에는 우주 발사 기술이 발전하면서 더 크고 무거운 탑재체를 발사할 수 있게 되었다. 미국의 스페이스 셔틀은 재사용 가능한 우주 발사체의 시대를 열었다. 1980년대와 1990년대에는 다양한 국가들이 우주 발사체 개발에 참여했다. 유럽 우주국, 중국, 일본 등이 자체적인 우주 발사체를 개발하여 우주 발사 능력을 확보했다. 21세기 들어 우주 발사체 기술은 더욱 발전하여, 발사 비용을 절감하고 발사 빈도를 높이는 데 초점이 맞춰졌다. 스페이스X와 같은 민간 기업들이 우주 발사 시장에 진출하여 재사용 가능한 로켓을 개발하고 있다.
3. 유형
일회용 발사체는 한 번만 사용하도록 설계되어, 통상적으로 적재물과 분리된 후 대기권에 재진입하면서 파괴된다. 반면 재사용 발사체는 손상 없이 회수하여 이후 발사에 다시 사용할 수 있도록 만들어진다. 2013년까지는 운용 중인 재사용 발사체가 없었으며, 최근까지 운용되던 미국의 우주 왕복선은 모두 퇴역하거나 손실되었다.[8] 2018년 기준으로 스페이스X와 같은 기업들이 재사용 로켓을 종종 발사하고 있으며, 대표적으로 팰컨 9이 있다.
4. 특징
우주발사체는 궤도에 올릴 수 있는 중량에 따라 특징이 정해진다. 예를 들어, 프로톤 로켓은 저궤도에 22ton을 올릴 수 있다.[3] 발사체는 몇 개의 단계를 갖고 있는가에 따라서도 분류될 수 있는데, 5단까지 성공적으로 발사된 적이 있으며, 하나의 단계를 갖는 발사체가 설계되기도 했다. 발사체는 고체 로켓 부스터(SRB)와 같은 여러 개의 보조추진 로켓부스터로 보충되기도 하는데, 이들은 비행 초기에 다른 엔진들과 함께 높은 추력을 공급하여 각 단계의 연료 소모를 줄이고 더 많은 중량을 적재할 수 있게 해준다.[3]
발사체와 관련하여 발사 국가나 우주국, 로켓을 제작한 회사, 컨소시엄 등이 보도에 종종 언급된다. 발사체들은 같은 이름을 사용하여 같은 계열임을 나타내기도 한다.
우주 엘리베이터와 같이 로켓을 사용하지 않는 발사가 구상 단계에 있다.
NASA는 저궤도 탑재 능력을 기준으로 발사체를 다음과 같이 분류한다.[3]분류 탑재 능력 (저궤도 기준) 예시 소형 발사체 2000kg 미만 베가[4] 중형 발사체 2000kg에서 20000kg 소유즈 ST[5] 대형 발사체 20000kg에서 50000kg 아리안 5[5] 초대형 발사체 50000kg 초과 새턴 V[6]
사운딩 로켓은 소형 발사체와 유사하지만, 일반적으로 더 작으며 탑재체를 궤도에 올리지 않는다. 개조된 SS-520 사운딩 로켓은 2018년에 4킬로그램 탑재체 (TRICOM-1R)를 궤도에 올리는 데 사용되었다.[7]
일회용 로켓은 한 번의 사용을 목적으로 설계된다. 일반적으로 탑재체와 분리된 후 대기권 재진입 시에 붕괴된다. 반면, 재사용 발사체는 그대로 회수되어 다시 발사에 사용된다. 로켓 이외의 발사 방식은 현재로서는 개념적인 것에 지나지 않는다.
대부분의 로켓은 2단에서 4단의 다단 로켓으로 구성된다. 다단식이 아닌 발사체로서 단단 로켓(SSTO)이라는 개념이 존재하지만, 개발에 성공한 사례는 없다.
5. 발사 플랫폼
발사대는 육지의 우주 기지, 고정 해양 플랫폼(산 마르코), 이동식 해양 플랫폼(시 런치), 잠수함에 위치할 수 있다. 발사체는 공중에서 발사될 수도 있다.
6. 우주발사체와 대륙간 탄도 미사일(ICBM)
스푸트니크나 익스플로러와 같은 초기 인공위성은 핵무기를 결합하면 핵미사일이 되는 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 발사되었다. 우주발사체는 핵탄두를 탑재하면 ICBM이 되기 때문에, 이 둘을 기술적으로 엄밀하게 구분하기는 어렵다.
1966년 일본은 우주발사체 발사를 시작하여, 1970년 람다 4S로 인공위성 궤도 투입에 성공했다. 일본은 자력으로 고체연료 로켓을 이용해 인공위성 궤도 투입에 성공하여, 미국으로부터 액체연료 로켓 기술을 제공받게 되었다. 일본을 제외한 다른 모든 우주발사체 보유국은 탄도 미사일도 보유하고 있지만, 일본은 우주발사체는 보유하면서도 탄도 미사일은 보유하지 않은 유일한 국가이다. 일본이 탄도 미사일을 보유하는 것은 국내 정치 문제로 어렵지만, 기술적으로는 우주발사체 기술을 전용하여 ICBM을 제조하는 것이 가능하다.
미국의 타이탄 II 우주발사체 겸 ICBM은 저궤도(LEO)에 올리는 위성체 중량이 3.6톤이며, 10,000km 사거리 미사일의 탄두 중량은 3.7톤으로 알려져 있다. 즉, LEO에 올리는 인공위성 중량과 1만 킬로미터 사거리의 탄두 중량이 거의 같다.
6. 1. 기술적 차이
우주발사체는 핵탄두를 결합하면 핵미사일이 되는 대륙간 탄도 미사일(ICBM)과 기술적으로 유사하다. 그러나 시스템 규모, 비용, 발사 준비 태세, 내구성, 제어 면에서 차이가 있어, 현대에는 기술적으로 분화가 진행되고 있다.| 구분 | 우주발사체 | 대륙간 탄도 미사일 |
|---|---|---|
| 최신 기술의 목표 | 추력과 비추력 극대화 | 빠른 발사 능력, 적의 공격에 대한 생존성 |
| 최신 기술의 수단 | 극저온 연료 사용, 액체 연료 사용 | 고체 연료 사용, 장기간 저장 가능한 액체 연료 사용 |
| 최저 속도 | 시속 29,000 km | 시속 8,000 km |
| 발사 궤도 | 수직 발사 | 비스듬하게 발사 (최대 사거리 확보) |
우주 로켓은 추력과 비추력을 크게 늘려 인공위성을 궤도에 올리는 것이 목표인 반면, ICBM은 빠른 발사와 생존성이 중요하다. 이러한 차이로 인해 우주 로켓은 극저온 연료를, ICBM은 고체 연료를 사용하는 경향이 있다.[37] 그러나 소련의 ICBM은 하이드라진과 같이 장기 보존이 가능한 액체 연료를 사용하기도 한다.
발사 후 궤적을 통해 탄도 미사일과 위성 발사체를 구분할 수 있다. 우주발사체는 수직으로 발사되지만, 탄도 미사일은 30도 각도로 기울어져 비행하여 최대 사거리를 확보한다.[37] 1998년 북한의 대포동 1호 발사 당시, 한미일 당국은 발사 즉시 인공위성 발사임을 확인했으나, 탄도 미사일 발사로 맹비난하였다.[37]
7. 세계의 최초 우주발사체
알제리에서 발사
오스트레일리아에서 발사
프랑스령 기아나에서 발사