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프로톤 로켓

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목차

1. 개요

프로톤 로켓은 러시아에서 개발된 우주 발사체로, 원래는 대륙간 탄도 미사일로 개발되었으나, 너무 커서 실전 배치되지 않고 우주 발사체로 사용되었다. 1960년대부터 개발되어 살류트, 미르, 국제 우주 정거장 모듈 발사에 기여했으며, 상업 위성 발사에도 사용되었다. 프로톤 로켓은 여러 차례 개량을 거쳐 프로톤-M으로 발전했고, 2010년대까지 상업적 성공을 거두었으나, 앙가라 로켓의 등장으로 생산이 중단되었다. 2019년 마지막 상업 임무를 수행했다.

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프로톤 로켓
개요
즈베즈다 모듈을 국제 우주 정거장으로 운반하는 프로톤-K 로켓 발사.
즈베즈다 모듈을 ISS으로 운반하는 프로톤-K 로켓 발사.
기능중량물 운반 로켓
제조사흐루니체프 국가 연구 생산 우주 센터
화학 자동화 설계국
원산지소비에트 연방, 러시아
상태현역
발사 장소바이코누르 우주 기지, LC-200 & LC-81
최초 발사프로톤: 1965년 7월 16일
프로톤-K: 1967년 3월 10일
프로톤-M: 2001년 4월 7일
마지막 발사프로톤: 1966년 7월 6일
프로톤-K: 2012년 3월 30일
프로톤-M: 2023년 3월 12일
발사 횟수430회
성공 횟수382회
실패 횟수44회
부분적 실패 횟수4회
탑재물살류트 6호
살류트 7호
미르 (도킹 모듈 제외 모든 구성 요소)
ISS 구성 요소 (자랴, 즈베즈다, 나우카)
ViaSat-1
GLONASS
ExoMars
Spektr-RG
Eutelsat 5 West B
제원
높이53 m
직경7.4 m
질량693,810 kg (3단)
단프로톤-K: 3단
프로톤-M: 4단
발사 능력
LEO23,700 kg
GTO6,300 kg
1단
엔진6 × RD-275
추력10,470 kN
연소 시간126초
연료N₂O₄/UDMH
2단
엔진3 × RD-0210 & 1 × RD-0211
추력2,399 kN
비추력327 isp
연소 시간208초
연료N₂O₄/UDMH
3단
엔진1 × RD-0212
추력630 kN
비추력325 isp
연소 시간238초
연료N₂O₄/UDMH
4단
명칭Blok-D/DM
엔진1 × RD-58M
추력83.4 kN
비추력349 isp
연소 시간770초
연료LOX/RP-1

2. 역사

프로톤 로켓은 본래 100 메가톤급 이상의 수소폭탄 탑재용 초대형 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 설계되었으나, 실제로는 이 용도로 배치되지 않고 우주 발사체로 활용되었다.[11] 지구 저궤도(LEO)에 약 22.8톤의 화물을 운반할 수 있다.

주요 파생형과 최초 발사 시기는 다음과 같다.

파생형용도최초 발사
프로톤 (UR-500)ICBM1965년 7월 16일
프로톤-K우주 발사체1967년 3월 10일
프로톤-M우주 발사체2001년 4월 7일



개발 초기(1965년~1972년)에는 여러 차례 발사 실패를 겪었으나, 1977년까지 신뢰도를 90% 이상으로 끌어올렸다.[12] 로켓의 전체 설계는 1986년 미르 우주정거장 발사 TV 중계를 통해 처음으로 대중에게 공개되었다.[12]

프로톤은 살류트 우주 정거장, 미르 우주 정거장, 국제 우주 정거장의 주요 모듈 등 소련의 우주 개발 및 러시아의 우주 개발에서 중요한 역할을 수행했다.[11] 1996년부터는 국제 발사 서비스(ILS)를 통해 상업 위성 발사를 시작했으나,[14] 2019년 10월 마지막 상업 임무를 수행했다.[19]

2018년 6월, 로스코스모스는 차세대 앙가라 발사체 도입에 따라 프로톤 생산 중단을 발표했으며,[18] 이후에는 러시아 정부 주도 임무에만 사용되고 있다. 모든 프로톤 로켓은 모스크바의 흐루니체프 우주센터에서 제조되어[27] 카자흐스탄의 바이코누르 우주 기지에서 발사된다.[27]

2. 1. 개발 배경

프로톤 로켓은 본래 100 메가톤급 이상의 수소폭탄을 탑재하고 13000km의 사거리를 가지는 "초대형 대륙간 탄도 미사일" (ICBM)으로 개발되었다.[11] 그러나 너무 거대하여 ICBM으로 실전 배치된 적은 없었으며, 대신 지구 저궤도 (LEO)에 22.8톤의 화물을 운반할 수 있는 우주 발사체로 활용되었다.

이 로켓은 블라디미르 첼로메이의 설계국에서 세르게이 코롤료프의 N1에 대항하기 위해 설계되었다. N1 로켓은 유인 달 궤도 비행을 목표로 했으나, 프로톤은 초기에 무인 달 탐사선 발사에 사용되었다. 당시 저명한 로켓 설계자였던 코롤료프는 프로톤과 첼로메이가 설계한 다른 로켓들이 인체에 유해한 독성 추진제를 사용한다는 점을 공개적으로 비판하기도 했다.

개발 속도를 높이는 과정에서 1965년부터 1972년까지 수십 차례의 발사 실패를 겪었다. 프로톤은 1977년 국가 시험을 완료하고 나서야 신뢰도가 90% 이상으로 평가받을 수 있었다.

프로톤의 설계는 1986년까지 기밀에 부쳐졌으며, 초기에는 상단 로켓 부분만 사진이나 영상을 통해 공개되었다. 로켓 전체 모습이 대중에게 처음 공개된 것은 미르 우주정거장 발사를 텔레비전으로 중계하면서였다. 프로톤 로켓의 유도, 항법 및 제어 시스템은 1964년부터 우크라이나 하르키우에 위치한 "코뮤나드" 산업 협회에서 대량 생산되었다.[13]

프로톤 1단 로켓의 독특한 외형은 부품을 철도로 운송해야 하는 제약 때문에 만들어졌다. 중앙의 산화제 탱크는 철도 적재 한계에 맞는 최대 폭으로 제작되었고, 그 주위를 둘러싼 6개의 탱크는 연료를 담는 동시에 엔진을 부착하는 역할을 한다. 이 외부 탱크들은 일반적인 스트랩온 부스터처럼 보이지만, 실제로는 중앙 탱크에서 분리되지 않는다. 1단과 2단 사이는 격자 구조로 연결되어 있는데, 이는 2단 엔진이 1단 분리 직전에 점화되어 배기가스가 격자 사이로 빠져나가도록 하는 "핫 스테이징" 방식을 가능하게 한다. 이 방식 덕분에 2단 로켓에 별도의 얼리지 모터를 장착할 필요가 없었다.[12]

2. 2. 초기 개발 및 실패

프로톤은 원래 100 메가톤 이상의 수소폭탄을 탑재하고 사거리 13000km인 "슈퍼 헤비 대륙간 탄도 미사일(ICBM)"로 개발되었다.[11] 하지만 ICBM으로 사용하기에는 지나치게 컸으며, 실제로 그런 용도로 배치된 적은 없었다. 결국 우주 발사체로 사용되었다.[11] 이 로켓은 블라디미르 첼로메이의 설계국에서 세르게이 코롤료프의 N1 로켓에 대항하기 위해 고안되었는데, N1 로켓은 달 탐사를 목표로 하고 있었다.[11] 코롤료프는 프로톤과 첼로메이가 설계한 다른 로켓들이 독성 추진제를 사용한다는 점을 공개적으로 비판하기도 했다.[11]

프로톤 1단 로켓의 독특한 외형은 부품을 철도로 운송해야 할 필요성 때문에 생겨났다. 중앙 산화제 탱크는 철도 적재 한계의 최대 폭에 맞춰 제작되었고, 그 주변을 둘러싼 6개의 탱크는 연료를 담고 있으며 엔진을 부착하는 역할을 한다.[12] 이들은 겉보기에는 스트랩온 부스터처럼 보이지만, 중앙 산화제 탱크에서 분리되도록 설계되지 않았다.[12] 1단과 2단은 격자 구조로 연결되어 있는데, 2단 엔진은 1단 분리 직전에 점화되며 격자 구조를 통해 배기가스가 빠져나가는 "핫 스테이징" 방식을 사용한다.[12] 이 방식 덕분에 2단에 별도의 얼레이지 모터를 사용할 필요가 없었다.[12]

급하게 진행된 개발 프로그램으로 인해 1965년부터 1972년 사이에 수십 건의 발사 실패가 발생했다.[12] 프로톤은 1977년에 이르러서야 국가 시험을 완료했으며, 이 시점에 신뢰도가 90% 이상으로 평가되었다.[12]

프로톤의 설계는 1986년까지 기밀로 유지되었으며, 대중에게는 필름 클립과 사진을 통해 상단 부분만 공개되었다.[12] 프로톤 전체가 외부에 공개된 것은 미르 우주정거장 발사 TV 중계가 처음이었다.[12]

프로톤은 소련의 무인 달 궤도 비행 임무에 사용되었으며, 미국의 아폴로 8호 임무보다 먼저 유인 달 궤도 우주 비행을 목표로 하기도 했다.[11]

2. 3. 설계 공개

프로톤 로켓의 설계는 1986년까지 비밀로 유지되었다. 이전까지는 상단 로켓의 모습만 동영상이나 사진을 통해 부분적으로 공개되었을 뿐이다. 로켓 전체의 모습이 대중에게 처음 공개된 것은 미르 우주정거장 발사를 텔레비전으로 중계하면서부터였다.

프로톤 1단 로켓의 독특한 외형은 부품을 철도로 운송해야 하는 제약 때문에 생겨났다. 중앙에 위치한 산화제 탱크는 철도 적재 한계의 최대 폭에 맞춰 제작되었고, 그 주위를 6개의 연료 탱크가 둘러싸고 있다. 이 연료 탱크들은 엔진을 부착하는 역할도 한다. 겉보기에는 스트랩온 부스터처럼 보일 수 있지만, 실제로는 중앙 산화제 탱크에서 분리되지 않는 구조이다. 1단과 2단 사이는 격자 구조로 연결되어 있는데, 이는 2단 엔진이 1단 분리 직전에 점화될 때 배기가스가 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다. 이러한 방식을 "핫 스테이징"이라고 부르며, 이를 통해 2단에 별도의 얼레이지 모터를 장착할 필요가 없어진다.[12]

2. 4. 주요 임무

프로톤 로켓은 본래 100 메가톤급 이상의 열핵 무기를 탑재하여 13000km 거리까지 운반할 수 있는 초대형 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 개발되었다.[11] 그러나 실제로 ICBM으로 배치된 적은 없었으며, 개발 목적과는 달리 우주 발사체로 주로 사용되었다.[11]

프로톤은 소련의 우주 개발 역사에서 중요한 역할을 담당했다. 달 탐사를 목표로 한 존드 프로그램의 무인 시험선을 발사했으며,[11] 이는 미국 아폴로 8호 임무 이전에 소련이 유인 달 궤도 비행을 시도하려 했던 계획의 일부였다. 또한, 살류트 우주 정거장, 미르 우주 정거장의 핵심 모듈 및 확장 모듈, 그리고 국제 우주 정거장의 자랴와 즈베즈다 모듈 등 주요 우주 구조물들을 성공적으로 궤도에 올렸다.[11] 이 외에도 다양한 행성 탐사선 발사에도 활용되었다.

냉전 종식 이후 프로톤은 상업 위성 발사 시장에도 진출했다. 1996년 4월 9일, 국제 발사 서비스(ILS)를 통해 SES사의 아스트라 1F 통신 위성을 발사한 것을 시작으로,[14] 다수의 상업 위성을 궤도에 올렸다. ILS는 러시아 기업 흐루니체프와 에네르기아, 그리고 미국 기업 록히드 마틴이 합작하여 설립한 회사로, 프로톤 로켓을 이용한 상업 발사를 주관했다. 1994년부터 2010년 중반까지 프로톤 발사를 통해 약 43억달러의 매출을 기록했으며, 2011년까지 60억달러로 증가할 것으로 예상되기도 했다.[15]

그러나 2018년 6월, 국영 기업 로스코스모스는 새로운 앙가라 발사체의 도입에 따라 프로톤 로켓의 생산 중단을 발표했으며, 더 이상 새로운 상업 발사 계약은 체결되지 않을 것이라고 밝혔다.[18] 프로톤의 마지막 상업 임무는 2019년 10월 9일, 유텔샛 5 웨스트 B와 미션 익스텐션 비클-1을 정지 궤도로 보낸 것이었다.[19] 이후 프로톤은 로스코스모스 및 기타 러시아 정부 주도의 임무에만 제한적으로 사용되고 있다.

3. 기술적 특징

프로톤 로켓은 원래 소련 시절, 100메가톤급 이상의 열핵무기를 13000km 거리까지 운반할 수 있는 초대형 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 개발되기 시작했다.[11] 하지만 ICBM으로 사용하기에는 너무 컸기 때문에 실제 배치되지는 않았고, 대신 우주 발사체로 용도가 변경되었다. 이 로켓은 블라디미르 첼로메이가 이끌던 설계국(OKB-52)에서 세르게이 코롤료프의 N1 로켓에 대항하기 위해 설계한 것이었다. 당시 코롤료프는 프로톤 로켓이 사용하는 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 사산화 질소(N2O4) 추진제의 독성 문제에 대해 공개적으로 비판하기도 했다.

프로톤 로켓 1단의 독특한 외형은 부품을 철도로 운반해야 하는 제약 때문에 만들어졌다. 중앙의 거대한 산화제 탱크는 철도 적재 한계에 맞춰 제작되었고, 그 주위를 6개의 연료 탱크가 둘러싸는 형태이다. 이 연료 탱크들은 엔진을 부착하는 역할도 한다. 겉보기에는 스트랩온 부스터처럼 보이지만, 실제로는 분리되지 않는다. 또한 1단과 2단 사이는 격자 구조로 연결되어 있는데, 이는 2단 엔진이 1단 분리 직전에 점화되어 배기가스가 격자 사이로 빠져나가도록 하는 '핫 스테이징' 방식을 사용하기 위함이다. 이 방식 덕분에 2단에 별도의 얼레이지 모터를 장착할 필요가 없어졌다.[12]

개발 초기에는 급하게 진행된 탓에 1965년부터 1972년 사이에 수십 차례의 발사 실패를 겪었다. 하지만 지속적인 개량을 통해 신뢰도를 높여 1977년 국가 시험을 통과했으며, 이때 신뢰도가 90% 이상으로 평가되었다. 프로톤의 설계는 오랫동안 기밀로 유지되다가 1986년에야 일반에 공개되었고, 로켓 전체 모습이 대중에게 처음 공개된 것은 미르 우주 정거장 발사 TV 중계를 통해서였다.

로켓의 핵심 부품인 유도, 항법 및 제어 시스템은 1964년부터 우크라이나 하르키우에 있는 "코뮤나드" 산업 협회에서 대량 생산되었다.[13] 프로톤 로켓은 바이코누르 우주 기지에서 발사되며, 모든 부품은 모스크바의 흐루니체프 우주센터 공장에서 제작된다. 발사 준비 시 로켓은 수평으로 눕혀진 상태로 철도를 통해 발사대까지 운반된 후 수직으로 세워진다[27]。

프로톤 로켓은 상업 위성 발사 시장에서도 활발히 사용되었으며, 주로 ILS(International Launch Services)를 통해 발사가 이루어졌다. 첫 상업 발사는 1996년 4월 9일, SES 사의 아스트라 1F 통신 위성이었다.[14] 1994년부터 2010년 중반까지 프로톤 로켓 발사를 통해 약 43억달러의 매출을 올렸으며, 2011년까지 누적 매출은 60억달러에 달할 것으로 예상되었다.[15]

하지만 2017년에는 엔진 부품 문제로 잠시 운행이 중단되기도 했으며,[16][17] 2018년 6월에는 러시아 국영 기업 로스코스모스가 새로운 앙가라 로켓의 가동에 따라 프로톤 로켓 생산을 중단할 것이라고 발표했다.[18] 이에 따라 새로운 상업 발사 계약은 더 이상 체결되지 않을 것으로 보이며, 프로톤 로켓의 마지막 상업 임무는 2019년 10월 9일 유텔샛 5 웨스트 B 위성과 미션 익스텐션 비클-1을 발사한 것이었다.[19] 다만, 로스코스모스 및 러시아 정부 임무를 위한 발사는 당분간 계속될 예정이다. 2013년에는 앙가라 로켓이 성공적으로 데뷔하면 2020년 이후 프로톤 로켓을 퇴역시키는 방침이 제시되기도 했다[28]。

3. 1. 구조

프로톤 로켓은 OKB-52(첼로메이 설계국)가 중ICBM로 설계한 것을 기반으로 하며, 추진제로는 N2O4와 UDMH을 사용하는 액체 로켓 엔진을 사용한다.

프로톤 로켓의 1단은 독특한 구조를 가지고 있다. 겉보기에는 중심 코어 스테이지 주위를 여러 개의 보조 로켓이 둘러싼 것처럼 보이지만, 실제로는 중심부에 엔진 없이 산화제 탱크만 있고, 그 주위를 RD-253 엔진(현재는 추력 강화형 RD-275로 이행)을 장착한 6개의 연료 탱크가 둘러싸는 형태이다.

프로톤 로켓은 여러 형식으로 발전해왔다.

  • 초기형 (8K82/UR-500): 1965년 7월 16일부터 1966년 7월 6일까지 4기가 발사되었다. RD-253 엔진 6기를 장착한 1단과 RD-0210 엔진 4기를 장착한 2단으로 구성된 2단 로켓이었다.
  • 프로톤 K (SL-13): 초기형에 RD-0212 엔진 1기를 장착한 3단을 가진 구성이 되었다. 주로 저궤도 인공위성 발사용으로 사용된다.
  • 프로톤 K・블록 D (SL-12): 프로톤 K에 4단으로 블록 D 또는 블록 DM(RD-58 엔진 1기)을 사용한 4단 로켓이다. 이 4단은 원래 N-1 로켓의 5단으로 개발된 것이었다. 루나 계획, 존드 계획 등 정지 궤도 또는 그 이상의 궤도에 위성이나 탐사선을 투입하는 데 사용되었으며, 정지 천이 궤도에 약 4.8톤의 발사 능력을 가졌다.
  • 프로톤 M・브리즈 M: 프로톤 K의 개량형으로, 2001년 4월에 데뷔했다. 페어링을 5m로 대형화하고, 1단 엔진의 추력을 증강함과 동시에 비행 제어 시스템을 디지털화했으며, 4단도 브리즈 M(S5.98M 엔진 1기)으로 변경하여 발사 능력을 정지 천이 궤도에 약 5.5톤까지 향상시켰다.
  • 증강형 프로톤 M (Proton-M Enhanced): 2007년 7월에 데뷔했다. 기체를 경량화하는 등 발사 능력을 강화한 버전이다.


모든 프로톤 로켓은 모스크바의 흐루니체프 우주센터 공장에서 제조된다. 이후 바이코누르 우주 기지로 옮겨져 조립되고, 수평 상태로 철도를 통해 발사대(바이코누르 우주 기지 200번 발사대)까지 운반된 후 수직으로 세워진다[27]。

3. 2. 추진제

프로톤 로켓, 특히 프로톤-K는 연료로 매우 유독한 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 산화제로 사산화 질소(N2O4)를 사용한다.[20] 이 조합은 서로 접촉하는 것만으로 연소하는 초고추진제이기 때문에 별도의 점화 장치가 필요 없다는 장점이 있다. 또한, 추진제를 상온에서 보관할 수 있어 극저온 설비가 필요 없으며, 로켓을 발사대에 장기간 세워둘 수 있다.[20] 이는 발사 직전까지 연료를 계속 보충해야 하는 극저온 연료 로켓과는 대조적인 특징이다.

이러한 상온 저장이 가능한 액체 연료 로켓은 프로톤 외에도 미국의 타이탄 II GLV, 타이탄 III, 타이탄 IV 로켓, 중국의 창정 2호 및 창정 4호 로켓, 구 소련/우크라이나의 사이클론 발사체, 구 소련/러시아의 코스모스-3 및 코스모스-3M 발사체, 유럽의 아리안 1호부터 아리안 4호까지의 로켓들이 있다.[20]

하지만 UDMH와 N2O4는 부식성이 매우 강하고 인체에 치명적인 독성 물질이다. 따라서 이를 다루기 위해서는 고도로 숙련된 전문가와 특수 장비가 필요하며, 취급에 각별한 주의를 기울여야 한다.[20] 세르게이 코롤료프는 프로톤 로켓 개발 초기부터 이러한 독성 추진제 사용에 대해 공개적으로 반대하기도 했다.

프로톤 로켓의 개발을 주도한 블라디미르 첼로메이의 설계국(OKB-52)은 원래 이 로켓을 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 설계하면서 N2O4와 UDMH 추진제를 채택했다. 이후 우주 발사체로 용도가 변경된 후에도 이 추진제 조합은 계속 사용되었다.

그러나 추진제의 높은 독성 문제는 프로톤 로켓 운용에 부담으로 작용했으며, 러시아는 결국 유독성 추진제를 사용하는 프로톤 로켓을 점차 퇴역시키고 새로운 앙가라 로켓으로 대체할 계획을 세웠다.[28]

3. 3. 추력

프로톤 로켓의 1단은 RD-275 엔진 6개를 묶어 총 1,061톤의 강력한 추력을 낸다. 이는 대한민국의 나로호 1단에 사용된 RD-151 엔진(추력 170톤)과 비교했을 때 매우 큰 규모로, 단순 계산으로는 나로호 1단 엔진 6개를 합친 것과 비슷한 수준이다. 초기 프로톤 로켓의 1단에는 RD-253 엔진이 사용되었으나, 현재는 추력이 강화된 RD-275 엔진으로 변경되었다.

프로톤 로켓은 발사 목적과 시기에 따라 다양한 엔진 구성을 사용해왔다.

구분엔진비고
1단RD-275 × 6총 추력 1,061톤. 초기형은 RD-253 사용.
2단 (초기형)RD-0210 × 41965년~1966년 발사된 초기형(8K82/UR-500)에 사용.
3단 (프로톤 K)RD-0212 × 1프로톤 K부터 추가됨. 저궤도 위성 발사에 주로 사용.
4단 (프로톤 K)블록 D 또는 블록 DM (RD-58 × 1)정지 궤도 이상 투입 시 사용. 루나 계획, 존드 계획 등에 활용.
4단 (프로톤 M)브리즈 M (S5.98M × 1)프로톤 M에 사용. 정지 천이 궤도 발사 능력 향상.



2001년에 등장한 개량형인 프로톤 M은 1단 엔진의 추력을 더욱 증강시키고 비행 제어 시스템을 디지털화하는 등 성능 개선이 이루어졌다. 4단 로켓 역시 브리즈 M으로 변경되어 정지 천이 궤도에 대한 발사 능력이 약 5.5톤까지 향상되었다. 2007년에는 기체 경량화 등을 통해 발사 능력을 추가로 강화한 증강형 프로톤 M(Proton-M Enhanced)이 등장했다.

4. 개량형

프로톤 로켓은 초기 2단 구성(UR-500)에서 시작하여 여러 차례 개량을 거쳤다. 주요 개량형으로는 3단 로켓인 프로톤-K와 최신형인 프로톤-M이 있다.

프로톤-K(GRAU 인덱스: 8K82K)는 기존 2단 로켓(8K82/UR-500)에 3단을 추가한 형태로, 1967년부터 사용되었다. 주로 저궤도 위성 발사에 사용되었으며, 정지 궤도나 행성 탐사 등 더 높은 궤도로 위성이나 탐사선을 보내기 위해 N-1 로켓용으로 개발되었던 블록 D나 그 파생형인 블록 DM을 4단으로 추가하여 사용하기도 했다.[20] 프로톤 K는 살류트 우주 정거장과 미르 우주 정거장의 모듈 발사 등 소련 우주 프로그램에서 중요한 역할을 담당했으며, 2012년에 퇴역했다.[29]

프로톤-M은 2001년에 처음 발사된 최신 개량형으로, 프로톤-K에 비해 성능이 향상되었다. 주요 개량점으로는 1단 구조 경량화, 엔진 추력 증강, 디지털 비행 제어 시스템 도입 등이 있다. 또한 상단 로켓으로 주로 브리즈-M을 사용하여 운용 편의성을 높였다.[22] 프로톤-M은 모스크바의 흐루니체프 우주센터에서 제작되며, 인터내셔널 런치 서비스(ILS)를 통해 상업 위성 발사 시장에서도 활용되었다.[23] 하지만 여러 차례의 발사 실패를 겪기도 했으며[24][25][31][33], 러시아는 유독성 연료를 사용하는 프로톤 로켓을 신형 앙가라 로켓으로 대체할 계획이다.[18][28]

4. 1. 프로톤-K

'''프로톤 K'''(Proton K, Протон-К|프로톤-카ru, GRAU 인덱스: 8K82K)는 소련이 개발한 대형 운반 로켓으로, 프로톤 로켓 시리즈의 초기 모델 중 하나이다. 연료로는 매우 유독한 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 산화제 사산화 질소(N2O4)를 사용한다.[20] 이들은 서로 접촉하기만 하면 점화되는 초고속성 연료이기 때문에 별도의 점화 시스템이 필요 없으며, 상온에서 보관할 수 있다는 장점이 있다. 덕분에 저온 관련 설비가 필요 없고 로켓을 발사대에 장기간 세워둘 수 있다. 이러한 특징은 미국의 타이탄 시리즈, 중국의 창정 2호 및 창정 4호, 소련/우크라이나의 사이클론, 소련/러시아의 코스모스-3 및 코스모스-3M, 유럽의 아리안 1호부터 아리안 4호 등 다른 상온 액체 연료 로켓들과 유사하다. 이는 증발로 인해 주기적인 연료 보충이 필요한 극저온 연료 로켓과는 대조적이다. 다만, 사용되는 연료는 부식성이 강하고 독성이 높아 취급에 매우 세심한 주의가 필요하며 고도로 훈련된 작업자에 의해 다루어져야 한다.[20]

1965년부터 1966년까지 발사된 초기형 프로톤(8K82/UR-500)은 1단(RD-253 엔진 6기)과 2단(RD-0210 엔진 4기)만으로 구성된 2단 로켓이었으나, 이후 3단(RD-0212 엔진 1기)이 추가되어 프로톤 K(SL-13)가 되었다. 3단 구성의 프로톤 K는 주로 저궤도(LEO) 인공위성 발사에 사용되었다. 1단은 외형상으로는 중앙 코어 스테이지 주위에 부스터 6개가 붙어있는 것처럼 보이지만, 실제로는 중앙에 거대한 산화제 탱크가 있고 그 주위를 6개의 연료 탱크 겸 엔진(RD-253, 후기형은 추력 강화형 RD-275)이 둘러싸는 독특한 구조이다.

정지 궤도(GEO)나 행성 탐사 등 더 높은 궤도로 위성이나 탐사선을 보내기 위해서는 임무에 따라 4단(상단 스테이지)을 추가하여 사용하기도 했다. 4단 로켓 구성은 1967년에 처음 발사되었다.

  • 블록 D (Block D): 원래 N-1 로켓의 5단으로 개발되었으며, 프로톤 K의 4단으로 전용되어 루나 계획, 존드 계획 등 행성 탐사 임무에 주로 사용되었다(SL-12). 블록 D 자체에는 유도 모듈이 없어 탐사선 자체의 비행 제어 시스템에 의존했다.
  • 블록 DM (Block DM): 블록 D의 파생형으로 DM, DM2, DM-2M 등의 버전이 있으며, 주로 고궤도 위성 발사에 사용되었다. 블록 D/DM은 연료 탱크가 엔진 주위와 산화제 탱크 뒤쪽에 도넛 모양(토로이드형)으로 배치된 특이한 구조를 가졌다.


1971년 소련의 살류트 우주 정거장 프로그램이 시작되면서, 프로톤 K는 4단(블록 D)을 제거하고 대형 화물을 저궤도로 운반하는 발사체로 주로 활약했다. 주요 탑재물로는 모든 살류트 우주 정거장, 미르 우주 정거장의 대부분 모듈(미국 우주 왕복선이 발사한 도킹 모듈 제외), 그리고 국제 우주 정거장(ISS)의 자랴 모듈과 즈베즈다 모듈 등이 있다. 유인 TKS 우주선 발사 계획도 있었으나 취소되었고, 몇 차례의 무인 시험 비행만 이루어졌다. 1970년대에는 LKS 우주 비행기 발사도 계획되었지만 실현되지 못했다.[21]

45년간 사용되어 온 프로톤 K는 2012년 3월 30일, 310번째(발사 전 실패 1회 포함 시 311번째) 임무를 마지막으로 퇴역했다.[29] 이후 프로톤 로켓은 개량형인 프로톤-M으로 대체되었다.

4. 2. 프로톤-M

프로톤-M, 수직으로 회전하는 부분. 배경에는 이동식 서비스 타워가 보인다.


'''프로톤-M'''은 프로톤 로켓의 최신 개량형으로, 2001년 4월에 처음 발사되었다. 초기 버전은 정지 궤도에 3ton에서 3.2ton의 중량물을, 정지 천이 궤도(GTO)에는 5.5ton의 중량물을 올릴 수 있었다. 국제 우주 정거장(ISS)과 같은 51.6도 경사각의 저궤도에는 최대 22ton까지 탑재체를 보낼 수 있다.

프로톤-M은 기존 프로톤 K에 비해 여러 부분이 개선되었다. 1단 로켓의 구조적 무게를 줄이고 엔진 추력을 높였으며, 추진제를 최대한 사용할 수 있도록 개량되었다. 비행 제어 시스템은 디지털 방식으로 바뀌었다. 상단 로켓으로는 주로 브리즈-M(Бриз|브리즈ru, "Breeze")이 사용되는데, 이는 저장 가능한 추진제를 사용하므로 기존의 블록 D나 블록 DM 단과 달리 여러 번 연료를 공급하거나 액체 산소의 증발 문제에 신경 쓸 필요가 없다. 다만, 경우에 따라 블록 DM 상단 로켓과 함께 발사되기도 한다. 또한, 우크라이나 등 외국 부품 공급업체에 대한 의존도를 줄이려는 노력도 이루어졌다. 브리즈-M 상단 로켓을 사용할 경우, 탑재물을 덮는 페어링의 직경은 4.1m이다.[22]

프로톤-M 로켓과 브리즈-M 상단 로켓은 모스크바에 위치한 흐루니체프 우주센터(흐루니체프)에서 설계 및 제작된다. 흐루니체프는 프로톤 로켓의 상업 발사를 담당하는 인터내셔널 런치 서비스(ILS)의 최대 주주이기도 하다. 흐루니체프는 프로톤 생산의 설계, 조립, 시험 등 모든 과정을 담당하며, 최근 러시아 우주 기업 통합을 통해 전체 생산 과정의 약 70%를 직접 관리하고 있다. 이는 생산 과정을 수직적으로 통합하려는 흐루니체프의 목표를 보여준다.[23]

이후 성능이 더욱 향상된 Phase III, Phase IV 버전이 개발되어 운용 중이다. 그러나 여러 차례 발사 실패를 겪기도 했다.

2013년 3월, 러시아 정부는 유독성 추진제를 사용하는 프로톤 로켓을 신형 앙가라 로켓이 성공적으로 운용되기 시작하는 2020년 이후 퇴역시키는 방침을 발표했다.[28]

4. 2. 1. Phase III

Phase III 프로톤-M/브리즈-M 발사체는 기존 프로톤-M 브리즈-M보다 성능이 향상된 변종으로, 정지 천이 궤도(GTO) 투입 능력이 1150kg 증가하여 6150kg에 달한다. 이 향상된 버전은 2009년 2월 러시아 연방의 익스프레스 AM-44 및 익스프레스 MD-1 위성의 이중 발사 임무를 통해 비행 시험을 거쳤으며, 2010년 3월 에코스타 XIV 위성을 발사하며 첫 상업 발사를 수행했다.

그러나 이후 여러 차례의 발사 실패를 겪었다.

  • 2012년 8월 6일, 러시아와 인도네시아의 통신 위성을 프로톤 M으로 발사하려 했으나, 마지막 단계의 기술적 문제로 인해 위성을 잃었다.[24]
  • 2013년 7월 2일, 3기의 글로나스 항법 위성을 발사하던 프로톤-M은 발사 직후 고장을 일으켜 바이코누르 우주 기지의 발사대 근처에 추락했다(추락 영상). 이 사고로 30년간 이어져 온 1단계 고장 없는 발사 기록이 깨졌으며, 모든 프로톤 비행이 중단되었다.[25] 조사 결과, 속도 자이로 패키지가 거꾸로 설치된 것이 원인으로 밝혀졌다. 설치 과정의 어려움을 고려할 때, 크루니체프 공장의 불만을 품거나 술에 취한 작업자가 의도적으로 잘못 설치했을 가능성에 대한 의혹이 제기되기도 했다. 발사 17초 후 엔진 긴급 정지 명령이 내려졌으나, 발사 후 42초까지는 명령이 받아들여지지 않도록 설계되어 있어 작동하지 않았다.[32]
  • 2014년 5월 15일, 익스프레스 위성을 탑재한 프로톤-M/브리즈-M은 발사 545초 후 3단계의 터보펌프 베어링 불량으로 고장을 일으켜 태평양 상공에서 폭발, 추락했다. 잔해는 만주 지역에 떨어진 것으로 추정된다.[33]
  • 2014년 10월 21일, 또 다른 익스프레스 위성을 발사했으나 브리즈 상단 로켓이 예정보다 24초 일찍 연소를 종료하면서 위성이 목표 궤도에 도달하지 못하고 쓸모없는 궤도에 남겨졌다.
  • 2015년 5월 16일, 멕사트(MEXSAT) 통신 위성을 발사하던 중 또다시 3단계 오작동으로 인해 궤도 진입에 실패했다. 이는 2010년 이후 8번째 프로톤 발사 실패였다.


발사를 기다리는 프로톤 M

4. 2. 2. Phase IV

크루니체프는 시장 수요와 상업 위성 대량 성장 추세에 발맞추기 위해 4단계 향상 개발을 시작했다. 4단계 프로톤 브리즈-M 향상 적용은 2016년에 완료되었다. 4단계의 탑재체 질량 성능은 정지 천이 궤도(GTO)를 기준으로 잔여 델타 V 1500 m/s를 포함하여 6320kg까지 증가했다.[26]

'''프로톤 M'''은 최신 버전으로, 3~3.2톤의 중량물을 정지 궤도에 투입하거나 5.5톤의 중량물을 정지 천이 궤도에 투입한다. 저궤도에는 최대 22톤까지, 국제 우주 정거장의 51.6°의 궤도 경사각으로 투입할 수 있다.

프로톤 M의 개량점은 1단 구조 중량을 줄이고, 추력을 증강하여 추진제를 완전히 사용하도록 한 것이다. 전체적으로 블록 D나 블록 DM 대신 저장 가능한 추진제를 사용하는 브리즈-M을 상단에 사용하여, 여러 연료 공급의 필요성이나 액체 산소의 증발 문제를 해소했다. 프로톤-M도 블록 DM을 상단에 사용한다. 외국(주로 우크라이나)제 부품 사용을 줄이는 데에도 주력했다.

2007년 7월 7일, ILS는 디렉TV-10 위성을 실은 첫 번째 ''프로톤 브리즈 M Enhanced''를 발사 궤도에 투입했다. 이것은 326번째 프로톤 발사였으며, 16번째 프로톤 M/브리즈-M 발사이자, ILS에 의한 41번째 프로톤 발사였다.[30] '''프로톤-M Enhanced'''의 특징은 고효율 엔진을 1단에 탑재하고, 항공 전자 장비를 갱신했으며, 탱크를 증량하고, 더 강력한 버니어 엔진을 브리즈-M 상단에 갖춰 중량을 줄인 것이다.

2013년 7월 2일, 3기의 글로나스 위성을 탑재하고 발사했으나, 발사 직후 문제 발생으로 제어를 잃은 프로톤 M이 궤도를 벗어나 옆으로 비행하다 공중 분해되어 발사대에서 2.5km 떨어진 지점에 추락했다[31]([https://www.youtube.com/watch?v=ZWv4ZZArP-g 추락 영상]). 발사 17초 후에 엔진 긴급 정지 명령을 보냈지만, 이 명령은 사격장 보호를 위해 42초 후까지는 받아들여지지 않도록 설계되어 작동하지 않았다[32]

2014년 5월 16일, 카자흐스탄의 바이코누르 우주 기지에서 발사된 프로톤은 발사 545초 후에 제어용 엔진 고장으로 태평양에서 폭발하여 추락했다[33]

비교표 (2014.3)
형식운용 국가첫 비행발사 위도총 질량 (t)탑재량(t)직경 (m)성공률/총 발사 횟수
저궤도정지 천이 궤도정지 궤도
프로톤 M러시아200146°705236.153.254.3591% (76회)
아리안 5 ECA유럽 연합20025°78020105.498% (44회)
제니트 3SL러시아 / 우크라이나19990°47313.76.062.64.1585% (41회)
델타 IV Heavy미국200435°와 28°7322310.756.575.186% (7회)
델타 IV Medium+(5.4)미국200935°와 28°39913.55.53.125.1100% (4회)
아틀라스 V 551미국200635°와 28°54118.86.863.905.4100% (4회)
아틀라스 V 521미국200335°와 28°41913.494.882.635.4100% (2회)
H-IIB일본200930°5311985.1100% (4회)
H-IIA 204일본200630°4451562.34100% (1회)
창정 3호 B중국199628°42611.25.124.292% (25회)


5. 대한민국과의 관계

프로톤 로켓은 남북한 정상급 인사들의 러시아 방문과 관련이 있다. 2001년 8월 5일, 김정일 당시 북한 국방위원장이 흐루니체프 우주센터를 방문하여 프로톤 로켓 모형을 선물 받았다. 이는 푸틴 러시아 대통령과의 정상회담 직후였다.

이후 2004년 9월 22일에는 노무현 당시 대한민국 대통령이 같은 장소를 방문하여 알렉산드르 메드베데프 소장으로부터 프로톤 로켓 모형을 선물 받았다. 이 방문은 전날 크렘린에서 체결된 양국 간 우주 기술 협력 협정과 관련이 깊다.[34]

5. 1. 러시아와의 협력

2001년 8월 5일, 김정일 당시 북한 국방위원장이 흐루니체프 우주센터를 방문하여 프로톤 로켓 모형을 선물받았다. 이는 4일 크렘린에서 푸틴 러시아 대통령과 정상회담을 가진 직후의 방문이었다.

2004년 9월 22일에는 노무현 당시 한국 대통령이 흐루니체프 우주센터를 방문했다. 알렉산드르 메드베데프 소장으로부터 프로톤 로켓 모형을 선물받았으며, 전날인 21일 크렘린에서 체결된 양국 협정에 따라 흐루니체프가 한국을 위해 1단계 추진로켓을 제조하기로 했다.[34]

5. 2. KSLV 개발에의 영향

2001년 8월 5일, 김정일 북한 국방위원장이 러시아의 흐루니체프 우주센터를 방문하여 프로톤 로켓 모형을 선물 받았다. 이는 4일 크렘린에서 블라디미르 푸틴 러시아 대통령과 정상회담을 가진 직후의 일이었다.

2004년 9월 22일에는 대한민국의 노무현 대통령이 흐루니체프 우주센터를 방문했다. 당시 알렉산드르 메드베데프 소장으로부터 프로톤 로켓 모형을 선물 받았다. 이 방문은 전날인 21일 크렘린에서 체결된 양국 협정에 따른 것으로, 이 협정에 따라 흐루니체프는 한국의 나로호(KSLV) 개발을 위해 1단계 추진 로켓을 제조하기로 하였다.[34] 이는 한국 우주 발사체 기술 확보에 중요한 계기가 되었다.

6. 향후 전망

2018년 6월, 러시아 국영 기업 로스코스모스는 새로운 앙가라 발사체의 가동에 따라 프로톤 로켓의 생산 중단을 발표했다.[18] 이에 따라 새로운 상업 발사 계약은 중단되었으며, 2019년 10월 9일 마지막 상업 임무를 수행했다.[19] 향후 프로톤 로켓은 로스코스모스 및 러시아 정부의 임무에만 사용될 예정이다.

6. 1. 앙가라 로켓으로의 전환

프로톤 로켓은 사산화 이질소(N2O4)와 비대칭 디메틸히드라진(UDMH) 같은 유독성 추진제를 사용하며, 이는 과거 세르게이 코롤료프가 공개적으로 반대했던 문제점이기도 하다. 또한 1965년부터 1972년 사이 개발 과정에서 여러 차례 발사 실패를 겪었고,[12] 2017년에는 엔진 부품 결함 문제로 일시적으로 운행이 중단되기도 했다.[16][17]

이러한 문제점과 더불어 새로운 앙가라 발사체 개발이 진행되면서 프로톤 로켓은 점차 퇴역 수순을 밟게 되었다. 앙가라 로켓은 프로톤보다 더 단순하고 저렴하게 설계되었으며, 소유즈 로켓과 같이 독성이 없는 케로신/액체 산소(케롤록스)를 연료로 사용한다.

1992년 앙가라 발사체 계획이 발표되면서 프로톤의 주요 기술 개선 작업은 일시적으로 중단되었다. 예를 들어, 발사 용량을 크게 늘릴 수 있었던 극저온 방식의 KVRB 상단 로켓 개발은 엔진 자체는 성공적으로 개발되었으나, 전체 시스템 통합 문제와 발사대 설비 변경의 어려움 등으로 인해 실제 적용 단계까지 이르지 못했다.

2013년에는 앙가라 로켓이 성공적으로 운용되기 시작하면 2020년 이후 프로톤 로켓을 퇴역시키겠다는 방침이 보도되었다.[28] 2018년 6월, 러시아의 국영 기업 로스코스모스는 앙가라 로켓이 본격적으로 가동됨에 따라 프로톤 로켓의 생산을 중단하고 더 이상 새로운 발사 서비스 계약을 체결하지 않을 것이라고 공식 발표했다.[18]

프로톤 로켓의 마지막 상업 임무는 2019년 10월 9일에 유텔샛 5 웨스트 B 위성과 미션 익스텐션 비클-1을 정지 궤도로 보내는 것이었다.[19] 이후로는 로스코스모스 및 기타 러시아 정부의 임무 수행을 위해서만 사용될 예정이다. 모든 프로톤 로켓은 모스크바의 흐루니체프 우주센터에서 제작되어 바이코누르 우주 기지에서 발사된다.[27]

7. 유사 발사체



'''주요 발사체 비교 (2014년 3월 기준)'''
형식운용 국가첫 비행발사 위도총 질량 (t)탑재량(t)직경 (m)성공률 / 총 발사 횟수
저궤도 (LEO)정지 천이 궤도 (GTO)정지 궤도 (GEO)
프로톤 M러시아200146°705236.153.254.3591% (76회)
아리안 5 ECA유럽 연합20025°78020105.498% (44회)
제니트 3SL러시아, 우크라이나19990°47313.76.062.64.1585% (41회)
델타 IV Heavy미국200435° / 28°7322310.756.575.186% (7회)
델타 IV Medium+(5,4)미국200935° / 28°39913.55.53.125.1100% (4회)
아틀라스 V 551미국200635° / 28°54118.86.863.905.4100% (4회)
아틀라스 V 521미국200335° / 28°41913.494.882.635.4100% (2회)
H-IIB일본200930°5311985.1100% (4회)
H-IIA 204일본200630°4451562.34100% (1회)
창정 3호 B중국199628°42611.25.124.292% (25회)


참조

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[2] 웹사이트 Proton 8K82K http://www.friends-p[...] 2021-11-16
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[29] 뉴스 Russian Proton-K completes 45 years of service with US-KMO satellite launch http://www.nasaspace[...] NASASpaceflightnow.com 2012-03-30
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[31] 뉴스 プロトンロケット打ち上げ失敗、空中で分解 https://sorae.info/0[...] sorae 2013-07-02
[32] 웹사이트 Russia's Proton crashes with a trio of navigation satellites http://www.russiansp[...]
[33] 뉴스 露プロトンロケット打ち上げ失敗、太平洋上で炎上 https://www.afpbb.co[...] 2014-05-17
[34] 뉴스 러시아, 한국 우주로켓기지 건설 지원할 수도 연합뉴스 2004-09-23


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