창정 5호

1. 개요

창정 5호는 중화인민공화국이 개발한 대형 운반 로켓으로, 다양한 궤도로 인공위성 및 우주선을 발사하는 데 사용된다. 2001년 처음 계획이 발표되었으며, 2016년 첫 발사에 성공했다. 창정 5호는 톈궁 우주 정거장 건설에 핵심적인 역할을 했으며, 2020년에는 개량형인 창정 5B가 개발되어 톈궁의 핵심 모듈 발사에 사용되었다. 이 로켓은 강력한 추력을 바탕으로 무거운 탑재체를 지구 저궤도 및 정지 천이 궤도에 투입할 수 있지만, 1단 로켓의 통제되지 않은 대기 재진입으로 인한 우주 파편 문제와 관련된 비판을 받기도 했다.

2. 연혁

2010년부터 창정 발사는 전 세계적으로 우주 발사의 15~25%를 차지했다. 국내 수요가 증가함에 따라 창정 로켓의 필요성이 계속 인정되고 있다. 미국의 금수 조치를 회피하기 위하여, 중국의 인공위성과 함께 발사하는 포괄 협상을 통한 국제적 협의가 있었다. 중국 정부는 20년간의 타당성 조사를 거쳐 2007년 창정 5호 로켓 개발을 승인했다. 창정 5호는 베이징 인근 해안 도시인 톈진에 있는 공장에서 제조되었다. 2008년 창정 5호의 첫 발사는 새로운 위성 발사 센터가 건설 중으로 알려진 중국 최남단 섬인 하이난성의 원창 위성발사센터에서 이루어질 것으로 예상되었다. 2016년 8월 16일, 발사될 첫 번째 CZ-5 로켓은 톈진 제조 시설에서 생산 및 테스트를 완료 한 직후 하이난 섬의 발사 센터로 선적되었다.

창정 5호는 20년, 30년 후 중국의 LEO·GTO 임무 요구를 충족할 수 있는 페이로드 성능을 갖추는 것을 목표로 개발되었다. 임무에 따라 6개의 서로 다른 버전이 계획되었으며, 각각 창정 2호, 3호, 4호를 대체할 예정이었다. 그러나 이후 창정 5호의 기술을 응용하면서도 당초 계획과는 약간 구성이 다른 창정 6호와 7호가 등장했으며, 창정 5호 운용 개시 시점에는 이미 이들이 일부 발사에 사용되기 시작했다. 하지만 기존 창정 2/3/4 시리즈가 연간 20기 이상으로 발사 횟수를 늘리고 있는 데 비해, 2015년과 2016년부터 운용이 시작된 창정 5/6/7 시리즈의 발사는 2020년 무렵에도 누계로 각각 2회 또는 3회밖에 실적이 없어, 아직 대체라는 상황에는 이르지 못했다.

2.1. 개발

2001년 2월, 창정 5호 프로젝트가 처음 발표되었고, 2002년부터 초기 개발이 시작되었다. 그러나 개발 자금은 2007년에야 중국 정부의 공식 승인을 받아 확정되었다.

2000년부터 2001년 사이에 중국 액체 추진 기술 연구원(AALPT)에서 신형 엔진 YF-77과 YF-100 개발을 시작했다. 2005년에는 중국 국가항천국(CNSA)에서 엔진 시험을 시작했고, 2007년 중반에 신형 엔진 시험에 성공했다.

2007년 10월 30일, 톈진시 빈하이 신구에 창정 5호 생산 공장 건설이 시작되었다. 이 공장은 항구와 가까워 대형 로켓을 육로로 운송하는 문제를 해결할 수 있었다. 로켓은 톈진에서 하이난성 원창 우주발사센터까지 바다로 운송될 예정이었다. 2012년에 톈진 생산 시설이 완공되면서 연간 30대의 창정 5호를 생산할 수 있는 능력을 확보했다.

2015년 3월, 창정 5호 시험 사진이 공개되었다. 2015년 9월 20일, 창정 5호는 톈진 항구에서 원창 우주발사센터로 운송되었다.

2018년에는 지구 저궤도 임무에 적합한 창정 5호B (CZ-5B) 시제품 개발이 시작되었다.

2.2. 초기 비행

창정 5호의 첫 발사는 2016년 11월 3일 UTC 12시 43분에 원창 우주 발사 기지에서 이루어졌다. 당초 10시경 발사 예정이었으나, 산소 배출 및 엔진 냉각 문제, 비행 제어 컴퓨터 및 추적 소프트웨어 문제로 인해 세 차례 연기된 끝에 발사가 이루어졌다. 이륙 과정에서 사소한 문제가 발생하여 로켓은 YZ-2 상단과 스젠 17호 위성을 예상보다 낮은 궤도에 올렸지만, YZ-2 상단 스테이지가 궤적을 보정하여 위성을 정상 궤도에 안착시켰다.

2017년 7월 2일, 창정 5호의 두 번째 발사는 실패로 끝났다. 발사 직후 이상 현상이 발생하여 완만한 궤도로 전환되었으나, 비행 45분 만에 실패가 선언되었다. 조사 결과, 1단 YF-77 엔진, 특히 산화제 터보 펌프의 문제로 인해 실패한 것으로 밝혀졌다. CASC는 엔진을 재설계했고, YF-77은 2018년에 시험 발사되었다.

2019년 12월 27일 UTC 12시 45분, 창정 5호의 세 번째 발사(Y3 미션)가 원창 우주 발사 기지에서 성공적으로 이루어졌다. 실천-20 통신 위성이 정지 천이 궤도에 진입하면서, 창정 5호 프로그램은 다시 비행을 재개하게 되었다.

2020년 5월 5일 UTC 10시, 창정 5호의 네 번째 발사이자 창정 5B의 첫 발사가 성공적으로 이루어졌다. 창정 5B는 창정 5호의 코어 단계와 4개의 부스터를 유지하고 2단계를 제거한 형태로, 톈궁 우주 정거장 구성 요소와 같은 무거운 저궤도 탑재체 발사에 사용된다. 이 발사에는 중국의 차세대 유인 우주선 시험기와 유연 팽창형 화물 재진입 차량이 탑재되었다.

3. 설계 및 사양

창정 5호는 모듈식 설계를 채택하여 다양한 임무 요구에 대응할 수 있도록 설계되었다. 창정 5호의 수석 디자이너는 중국운재화전기술연구원(CALT)의 리둥(李东)이다.

창정 5호는 지구 저궤도(LEO) 및 정지 천이 궤도(GTO) 임무에 대한 대형 탑재물에 대한 중국의 요구를 충족시키기 위해 개발되었다. 2001년 2월에 처음 발표되었고, 2007년에 개발 자금이 승인되었다. 톈진시 빈하이 신구 근처 톈진 경제기술개발구에 새로운 생산 시설을 건설하여 대형 로켓의 운송 문제를 해결하였다.

창정 5호는 직경 5.2m의 코어 스테이지와 다양한 직경(2.25m, 3.35m)의 부스터를 조합하여 다양한 임무를 수행할 수 있다. 1단과 부스터에는 1,200 kN 추력의 액체 산소/등유 엔진 또는 500 kN 추력의 LOX/액체수소 엔진을 선택할 수 있으며, 윗단에는 개선된 YF-75 엔진을 사용한다.

2012년 7월에는 1200 kN 추력의 액체 산소/케로신 엔진이 시험 발사되었다. 2015년 3월에는 창정 5호와 그 테스트의 새로운 사진이 공개되었다.

3.1. 구성

창정 5호는 중국운재화전기술연구원(CALT)의 리둥(李东)이 수석 설계한 로켓이다. 직경 5.2m의 핵심 모듈과 직경 2.25m, 3.35m의 부스터 모듈을 조합하여 다양한 발사체 구성을 할 수 있다. 1단 및 부스터 엔진으로는 1,200 kN 추력의 액체 산소(LOX)/등유 엔진(YF-100) 또는 500 kN 추력의 LOX/액체수소(LH2) 엔진(YF-77)을 사용한다. 2단 엔진으로는 YF-75 엔진의 개량형인 YF-75D를 사용한다.

엔진 개발은 2000-2001년에 시작되었으며, 중국국가항천국(CNSA)의 지시로 2005년부터 엔진 시험이 시작되었다. 2007년 중반까지 YF-100과 YF-77 두 가지 새로운 엔진의 시험이 성공적으로 완료되었다.

창정 5호 시리즈는 최대 23톤의 탑재체를 저궤도(LEO)에, 최대 14톤(이후 14톤으로 변경)의 탑재체를 정지 천이 궤도(GTO)에 운송할 수 있다. 이는 창정 2호, 창정 3호, 창정 4호 시리즈를 대체할 뿐만 아니라, 기존의 창정 로켓에는 없었던 새로운 기능을 제공한다. 창정 5호 발사체는 지름 5.0m의 코어 스테이지와 직경 3.35m인 부스터 4개로 구성되어, 저궤도에 약 25톤의 탑재체를 보낼 수 있다.

원래 6개의 창정 5호 변형이 계획되었으나, 경량 버전은 창정 6호 및 창정 7호 계열의 선호에 따라 취소되었다.

3.2. 제원 (운용 중)

4. 우주 정거장 건설

창정 5B는 톈궁 우주정거장 건설을 위해 개발된 로켓이다. 2021년 4월 29일, 창정 5B는 톈궁 우주정거장의 핵심 모듈 톈허 모듈 발사에 성공했다. 이후 2021년 하반기에는 실험실 1 모듈 원톈 모듈, 2022년에는 실험실 2 모듈 멍톈 모듈 발사가 예정되어 있었다. 2024년에는 우주 망원경 쉰톈 발사가 계획되어 있다.

창정 5B는 기본형인 창정 5호에서 코어 단계와 4개의 스트랩온 부스터는 유지하되, 2단계를 제거한 변형이다. 이러한 설계는 톈궁 우주 정거장 구성 요소와 같이 무거운 저궤도 탑재체를 발사하는 데 적합하다.

2020년 5월 5일, 창정 5B의 첫 번째 발사("Y1 임무")에서는 중국의 차세대 유인 우주선 무인 프로토타입과 유연 팽창형 화물 재진입 차량이 탑재되어 하이난섬 원창 우주 발사 기지에서 발사되었다.

4.1. 톈궁 우주정거장

중국은 2020년부터 2022년까지 톈궁 우주정거장을 건설할 계획이다. 국제우주정거장과 같은 모듈 방식으로, 하나의 모듈은 무게가 20ton 정도이다. 창정 5호는 이 모듈들을 쏘아 올리는 데 사용되는 로켓이다.

톈궁 우주정거장은 미르 우주정거장, 국제우주정거장에 이어 세계에서 3번째 다중 모듈 우주정거장이다. 연료와 식량을 공급하여 장기간 운용할 수 있는 3세대 우주정거장으로, 톈궁 역시 3세대 우주정거장에 해당한다.

톈궁 우주정거장은 3개의 모듈로 구성된다. 핵심 모듈인 톈허 모듈에는 우주정거장의 엔진과 조종석이 있으며, 톈허 모듈 앞에는 실험실 1 모듈, 뒤에는 실험실 2 모듈이 도킹된다.

2020년 5월 5일, 차세대 유인 우주선 발사에 성공했다. 이 우주선은 톈궁 우주정거장에 도킹하여 사람과 화물을 수송하며, 7인승이다. 화물만 운반하는 무인 화물우주선으로는 톈저우 1호가 사용될 것이다.

창정 5B는 톈궁 우주 정거장 건설의 주력 로켓이었다.

5. 우주 파편 문제

창정 5B 로켓의 1단(코어 스테이지)은 궤도에 진입한 후 통제되지 않은 상태로 지구 대기권에 재진입하여 우주 파편 문제를 야기할 수 있다는 우려가 제기되었다. 일반적인 로켓의 1단계는 궤도 속도에 도달하지 않지만, 창정 5B의 1단계는 상단과 결합되어 있어 궤도에 직접 진입하기 때문에 이러한 문제가 발생한다. 이는 1991년 소련의 살류트 7 우주 정거장과 1979년 미국의 스카이랩, 그리고 2003년 우주왕복선 컬럼비아의 통제되지 않은 재진입 실패 사건을 제외하고는 가장 거대한 물체의 통제되지 않은 재진입 사례로 꼽힌다.

이러한 문제는 국제적인 비판을 받았으며, 특히 2020년 5월 발사에서는 코트디부아르에서 가옥 피해가 발생했다는 보고도 있었다.

이에 중국은 재진입 과정 개선 및 패시베이션 처리를 통해 안전성을 확보하겠다고 밝혔다. 패시베이션 처리는 로켓 연료 탱크와 배터리 등을 비워 폭발 위험을 줄이는 기술이다.

실제 창정 5B 로켓의 낙하 사례는 다음과 같다.

6. 발사 목록