PSLV

1. 개요

PSLV(극궤도 위성 발사체)는 인도의 다단식 우주 발사체로, 다양한 위성을 궤도에 올리는 데 사용된다. 1978년 개발을 시작하여 1993년 첫 발사 이후 여러 차례 개량을 거쳐 다양한 파생형이 존재한다. PSLV는 고체 및 액체 추진 시스템을 결합한 4단 로켓으로, 각 단은 고유한 엔진과 추진제를 사용하며, 특히 저궤도 위성 발사에 기여해왔다. PSLV는 여러 번의 발사를 통해 다양한 위성을 궤도에 올렸으며, 2024년 12월까지 총 61번 발사되어 58번 성공했다.

2. 개발

S. 스리니바산 (S. Srinivasan) 휘하의 PSLV 계획 그룹은 1978년, 600 kg의 탑재체를 SHAR에서 550 km 태양 동기 궤도에 투입할 수 있는 발사체 개발을 시작했다. 1981년, 바스카라-1의 발사로 원격 감지 위성 개발에 대한 신뢰도가 높아지면서 PSLV 프로젝트 목표는 1000 kg의 탑재체를 900 km SSO에 투입하는 것으로 상향 조정되었다.

1982년 7월, 최종 설계 자금이 승인되었다. SLV-3 1단에서 파생된 6개의 9톤 스트랩온(S9)을 갖춘 단일 대형 S125 고체 코어 1단, 액체 연료를 사용하는 2단(L33), 그리고 2개의 고체 상단(S7 및 S2)을 사용하는 구성이었다. 1993년에 발사될 PSLV-D1의 최종 구성은 (6 × S9 + S125) + L37.5 + S7 + L2였다.

관성 항법 시스템은 트리반드룸의 ISRO 관성 시스템 부서 (IISU)가 개발했다. PSLV의 2단 및 4단에 사용되는 액체 추진 시스템과 반작용 제어 시스템(RCS)은 케랄라 트리반드룸 근처 발리아말라에 위치한 액체 추진 시스템 센터(LPSC)에서 개발한다. 고체 고체 추진 로켓 모터는 안드라 프라데시 스리하리코타의 사티쉬 다완 우주 센터(SHAR)에서 처리 및 발사 작전을 수행한다.

PSLV는 1993년 9월 20일에 처음 발사되었다. 1단과 2단은 예상대로 작동했지만, 우주선 자세 제어 문제로 2단과 3단이 분리될 때 충돌하여 탑재체가 궤도에 도달하지 못했다. 이 초기 실패 이후, PSLV는 1994년에 두 번째 임무를 성공적으로 완료했다. PSLV는 특히 저궤도(LEO) 위성을 위해 인도 및 해외 위성 발사를 계속 지원하고 있으며, 각 후속 버전에서 추력, 효율성 및 무게와 관련된 여러 개선 사항이 이루어졌다.

2018년 6월, 연방 내각은 2019년과 2024년 사이에 예정된 PSLV의 30번의 운용 비행에 대해 6131c를 승인했다.

ISRO는 PSLV의 생산 및 운영을 합작 투자를 통해 민간 산업에 넘기기 위해 노력하고 있다. 2022년 9월 5일, 뉴 스페이스 인디아 리미티드는 힌두스탄 항공 및 라르센 & 투브로가 주도하는 컨소시엄과 경쟁 입찰에서 승리한 후 5대의 PSLV-XL 발사체 생산 계약을 체결했다.

3. 각 단의 상세 정보

PSLV는 고체 및 액체 추진 시스템을 번갈아 사용하는 4단계 로켓이다. 각 단의 상세 정보는 다음과 같다.

* 부스터: 1단 주위에는 폴리부타디엔(HTPB)계 복합 추진제를 사용하는 고체 연료 로켓 부스터가 6기 장착된다. 발사 능력을 줄인 PSLV-CA에서는 로켓 부스터가 사용되지 않는다. PSLV는 1기당 추진제 중량이 9ton인 부스터(PSOM)를 사용하며, PSLV-XL은 1기당 추진제 중량이 12ton로 확장된 PSOM XL을 사용한다. 부스터 중 2기에는 SITVC(Secondary Injection Thrust Vector Control System)가 채용되어 로켓의 롤 제어를 돕는다. SITVC는 로켓 노즐 내에 과염소산스트론튬 용액을 분사하여 로켓의 자세를 제어하는 방식이다.

* 2단: 액체 추진제(41.5ton 정도)를 사용하는 액체 연료 로켓으로, 비카스 엔진을 사용한다. 비카스 엔진은 유럽 우주국의 아리안 로켓에 사용되는 바이킹 엔진의 라이센스 생산품이다. 비대칭 디메틸히드라진과 사산화 이질소를 연료로 사용하며, 추력은 800kN이다. 엔진 전체를 ±4° 범위에서 각도 제어할 수 있는 2축 제어 짐벌 방식으로 피치와 요를 제어하고, 핫 가스 자세 제어 모터(HRCM)로 롤을 제어한다.

* 3단: 고체 추진제(7ton - 7.6ton)를 사용하는 고체 연료 로켓으로, 추력은 최대 340kN이다. 로켓 케이스는 케블라섬유 강화 플라스틱으로 만들어졌다. 가동 노즐을 장착하여 2축으로 ±2°의 가동 범위로 피치 및 요를 제어하고, 롤 제어는 4단에 장착된 RCS(자세 제어 시스템)를 사용한다.

* 4단: 액체 연료 로켓으로, 모노메틸히드라진과 일산화 질소를 첨가한 사산화 이질소를 추진제로 사용한다. 액체 추진제 총 중량은 2ton 또는 2.5ton(연소 시간 연장형)이며, 추력은 최대 7.4kN이다. 엔진 전체를 ±3° 범위에서 각도 제어할 수 있는 2축 제어 짐벌 방식으로 피치 및 요를 제어하고, RCS로 롤을 제어한다.

3.1. 1단 (PS1)

1단은 세계에서 가장 큰 고체 로켓 부스터 중 하나로, 138MT의 수산기 종단 폴리부타디엔(HTPB) 추진제를 탑재하고 있으며, 최대 약 4800kN의 추력을 낸다. 직경 2.8m의 모터 케이스는 마레이징강으로 제작되었으며, 빈 질량은 30200kg이다.

1단 비행 중 피치 및 요 제어는 이차 주입 추력 벡터 제어(SITVC) 시스템에 의해 제공되며, 이 시스템은 24개의 주입 포트 링에서 S139 배기구에서 과염소산 스트론튬의 수용액을 주입하여 비대칭 추력을 생성한다. 용액은 코어 고체 로켓 모터에 묶여 있는 두 개의 원통형 알루미늄 탱크에 저장되며 질소로 가압된다. 이 두 개의 SITVC 탱크 아래에는 소형 이중 추진제(MMH/MON) 액체 엔진을 갖춘 롤 제어 스러스터(RCT) 모듈도 장착되어 있다.

PSLV-G 및 PSLV-XL에서는 1단의 추력이 6개의 스트랩온 고체 부스터에 의해 증가된다. 4개의 부스터는 지상에서 점화되며, 나머지 2개는 발사 25초 후에 점화된다. 고체 부스터는 9MT 또는 12MT(PSLV-XL 구성의 경우)의 추진제를 탑재하고 각각 510kN 및 719kN의 추력을 낸다. 2개의 스트랩온 부스터에는 추가적인 자세 제어를 위해 SITVC가 장착되어 있다. PSLV-CA는 스트랩온 부스터를 사용하지 않는다.

1단 분리는 단간 (1/2L)에 설치된 4쌍의 역추진 로켓에 의해 지원된다. 스테이징 중, 이 8개의 로켓은 사용된 단을 2단에서 밀어내는 데 도움을 준다.

1단은 HTPB 추진제가 138ton 충전된 직경 2.8m, 길이 20m의 고체 연료 로켓으로, 용기는 마르에이징강으로 만들어져 있다. 추력은 최대 4910kN이다. 로켓의 피치, 요 제어는 SITVC를 사용한다. 롤 제어는 RCT(Roll Control Thrusters)를 사용한다. RCT는 서로 상대적으로 고정된 2기 × 3세트의 소형 액체 추력기 총 6기를 1단 로켓 케이스 표면의 부스터와 부스터 사이 3곳에 설치하고, 추력기를 분사하여 수행하는 롤 제어 방식이다.

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📌 열 고정 해제

단수	1단
형식명	NA
사용 엔진	고체 연료 로켓 S-138 (x 1)
추력	4430kN - 4910kN
추진제	폴리부타디엔계 복합 추진제 (HTPB)
추진제 중량	138ton
연소 시간	98s - 108s
전장	20m
외경	2.8m

3.2. 2단 (PS2)

2단은 비카스 엔진 1기로 구동되며, 41.5MT의 액체 추진제를 탑재한다. 연료는 비대칭 디메틸히드라진(UDMH), 산화제는 사산화 질소(N₂O₄)를 사용하며, 이들은 공통 격벽으로 분리된 두 개의 탱크에 보관된다. 최대 800kN의 추력을 낸다. 엔진은 두 개의 액추에이터로 피치 및 요 제어를 위해 두 평면에서 짐벌(±4°)로 작동하며, 롤 제어는 비카스 엔진의 가스 발생기에서 나오는 뜨거운 가스를 배출하는 열 가스 반응 제어 모터(HRCM)로 제어한다.

PS2 단간(1/2U)에는 PS1/PS2 분리 중 양의 가속도를 유지하기 위한 2쌍의 울리지 로켓과, PS2/PS3 분리 시 사용된 단을 밀어내기 위한 2쌍의 역추진 로켓이 있다.

2단은 또한 바닥의 환형 탱크에 소량의 물을 탑재한다. 물 분사는 터보 펌프에 들어가기 전 비카스 가스 발생기에서 나오는 뜨거운 가스를 약 600 °C로 냉각하는 데 사용된다. 2단의 추진제 및 물 탱크는 헬륨으로 가압된다.

2단은 액체 추진제 총 중량 41.5ton 정도의 액체 연료 로켓이며, 로켓 엔진은 비카스라고 불린다. 이 엔진은 유럽 우주국에서 개발된 아리안 로켓의 바이킹 엔진을 라이센스 생산한 것이다. 비대칭 디메틸히드라진과 사산화 이질소를 연료로 사용하며, 추력은 800kN이다. 피치와 요 제어는 엔진 전체를 ±4° 범위에서 각도 제어할 수 있는 2축 제어 짐벌 방식을 사용하며, 롤 제어에는 핫 가스 자세 제어 모터(HRCM)를 사용한다.

3.3. 3단 (PS3)

3단은 7.6ton의 HTPB 고체 추진제를 사용하며 최대 추력 250kN을 낸다. 연소 시간은 113.5초이다. 케블라-폴리아미드 섬유 케이스와 ±2° 추력 벡터를 가진 플렉스 베어링 씰 짐벌 노즐이 장착된 잠수 노즐을 갖추고 있어 피치 및 요 제어를 수행한다. 롤 제어는 추력 단계 동안과 PS3가 PS4에 부착된 상태로 연소된 후에도 4단 반작용 제어 시스템(RCS)에 의해 제공된다.

고체 추진제가 7톤에서 7.6톤까지 충전 가능한 고체 연료 로켓으로, 추력은 최대 340kN이다. 로켓 케이스는 케블라섬유 강화 플라스틱제이다. 피치 및 요 제어를 위해 가동 노즐을 장착하고 2축으로 ±2°의 가동 범위를 가진다. 롤 제어는 4단에 장착된 RCS(자세 제어 시스템)를 사용한다.

3.4. 4단 (PS4)

4단은 모노메틸히드라진(MMH)과 혼합 산화 질소(MON)를 연소하는 재생 냉각 방식의 쌍발 엔진으로 구동된다. 각 엔진은 7.4kN의 추력을 발생시키며, 짐벌(±3°)을 통해 유도 비행 중 피치, 요, 롤 제어를 제공한다. 관성 비행 단계의 자세 제어는 6개의 50N RCS 추력기로 제공된다. 이 단은 헬륨으로 가압되며, 임무 요구 사항에 따라 1600kg에서 2500kg의 추진제를 탑재한다. PS4는 추진제 탱크 용량에 따라 L1.6, L2.0, L2.5의 세 가지 변형이 있다.

PSLV-C29/TeLEOS-1 임무에서 4단은 처음으로 재점화 기능을 시연했으며, 이후 여러 차례의 발사에서 단일 임무로 여러 궤도에 탑재체를 배치하는 데 사용되었다.

우주 잔해 완화 조치로, PSLV 4단은 주요 임무 목표를 달성한 후 가압제와 추진제 증기를 배출하여 수동화된다. 이러한 수동화는 저장된 내부 에너지로 인한 의도하지 않은 파편화 또는 폭발을 방지한다.

4단의 쌍발 엔진에 사용되는 니오브 합금 노즐은 더 가볍고 탄화 규소 코팅된 탄소-탄소 노즐 발산기로 교체될 예정이다. 새로운 노즐은 2024년 3월과 4월에 IPRC, 마헨드라기리 시설에서 열 테스트를 거쳤다. 이러한 교체는 PSLV의 탑재 중량을 15kg 증가시킬 것으로 예상된다.

ISRO는 선택적 레이저 용융을 통해 Wipro 3D에서 생산한 3D 프린팅 PS4 엔진의 665초 열 테스트를 성공적으로 완료했다. 이 과정을 통해 총 19개의 용접 접합부가 제거되었으며, 엔진의 14개 부품이 1개로 줄었다. 이는 생산 시간을 60% 절감했으며, 엔진당 사용되는 원자재 양을 금속 분말 565kg에서 13.7kg으로 대폭 줄였다.

PSLV (2)와 PSLV (3), PSLV-CA, PSLV-XL에서 사용되는 4단의 제원은 다음 표와 같다.

3.4.1. PS4 궤도 플랫폼

PS4는 PSLV-C8에서 AAM, PSLV-C14에서 루빈 9.1/루빈 9.2, PSLV-C21에서 mRESINS와 같은 탑재체를 운반했다. 그러나 현재 PS4는 주 임무 완료 후 장기간 궤도 플랫폼 역할을 수행하도록 보강되고 있다. PS4 궤도 플랫폼(PS4-OP)은 탑재체를 위해 자체 전원 공급 장치, 원격 측정 패키지, 데이터 저장 및 자세 제어를 갖추게 된다.

PSLV-C37 및 PSLV-C38 캠페인에서, PS4는 우주선을 인도한 후 10궤도 이상 작동 상태를 유지하고 모니터링하여 시연했다.

PSLV-C44는 PS4가 자체 전력 생산 능력이 없어 단기간 동안 독립적인 궤도 플랫폼으로 기능한 첫 번째 캠페인이었다. 인터오비탈 시스템즈 키트를 기반으로 한 Space Kidz India의 1U 큐브위성인 KalamSAT-V2를 고정 탑재체로 탑재했다.

PSLV-C45 캠페인에서 4단계는 PS4 추진제 탱크 주변에 고정된 태양 전지 배열을 추가하여 자체 전력 생산 능력을 갖추게 되었다. PS4-OP에 탑재된 3개의 탑재체는 IIST의 이온층 연구를 위한 고급 지연 전위 분석기(ARIS 101F), ISRO의 실험적인 AIS 탑재체, 그리고 새틀라이즈의 AISAT였다. 궤도 플랫폼으로 기능하기 위해 4단계는 RCS 추력기를 사용하여 스핀 안정화 모드로 전환되었다.

PSLV-C53 캠페인에서 PS4-OP는 PSLV 궤도 실험 모듈(POEM)으로 불리며, 6개의 탑재체를 탑재했다. POEM은 주 임무와 단계 패시베이션 이후 헬륨 기반 저온 가스 추력기를 사용하여 능동적으로 안정화된 최초의 PSLV 4단계 기반 궤도 플랫폼이었다.

3.5. 페이로드 페어링

PSLV의 페이로드 페어링은 "열 차폐막"이라고도 하며, 구형 노즈캡이 있는 원뿔형 상부, 원통형 중간 부분, 하부 보트 테일 부분으로 구성된다. 무게는 1182kg이고, 직경은 3.2 미터, 높이는 8.3 미터이다. 등각격자 구조로 제작되었으며, 3mm 두께의 강철 노즈캡이 있는 7075 알루미늄 합금으로 만들어졌다. 페어링의 두 반쪽은 수평 및 측면 분리 메커니즘으로 구성된 화약 장치 기반 분리 시스템을 사용하여 분리된다. 발사 중 과도한 음향 부하로 인한 손상으로부터 우주선을 보호하기 위해, 열 차폐막 내부는 음향 담요로 덮여 있다.

4. 파생형

PSLV는 다양한 임무 요구 사항을 충족하기 위해 여러 파생형이 개발되었다. 현재 운용 중인 버전은 크게 두 가지로, 부스터가 없는 기본형(PSLV-CA)과 6개의 고체연료 부스터를 장착한 PSLV-XL 형이다.

이러한 구성을 통해 PSLV는 저궤도(LEO)에 최대 3800kg, 태양 동기 궤도에 최대 1800kg까지 다양한 탑재체를 발사할 수 있다.

ISRO는 표준형(PSLV-G), 코어만 있는 형식(PSLV-CA), 그리고 고체 연료 보조 로켓의 길이를 연장한 형식(PSLV-XL)의 세 가지 형식을 개발하여, 탑재체 무게에 따라 저궤도에 600kg에서 태양 동기 궤도에 1900kg까지 폭넓은 발사 수요에 대응하고 있다.

5. 발사 프로파일 (PSLV-XL 기준)

PSLV-XL 로켓의 발사 프로파일은 다음과 같다.

* T+0초: PS1이 점화되어 4846 kN의 추력을 제공한다.
* T+1초 이내: 6개의 부스터 중 4개가 지상에서 점화되어 각각 703 kN의 추력을 발생시킨다. PSOM과 PS1의 결합된 추진력으로 총 7658 kN의 추력이 발생한다.
* T+23/26초: 점화되지 않은 나머지 2개의 부스터가 공중 점화되어 로켓을 최대 추력으로 끌어올린다.
* T+1분 10초: 처음 지상 점화된 4개의 PSOM은 추진제를 소모하고 분리되어 바다로 떨어진다. 나머지 2개의 PSOM과 PS1은 계속 연소한다.
* T+1분 35초: 나머지 2개의 PSOM이 70초 연소를 완료하고 분리되어 로켓은 코어 단독(Core Alone) 구성을 갖게 된다.
* T+1분 50초: PS1이 110초 연소를 완료하고 분리되며, PS2 내부의 비카스 엔진이 점화된다.
* T+4분: 2단은 약 130초 동안 연소하며, T+4분 즈음에 2단이 종료되고 분리된다.
* T+8/10분: 3단은 고체 로켓 부스터로, 80초 동안 연소한 후 나머지 시간 동안 탄성 비행하며, T+8/10분 즈음에 분리되고 4단이 점화되어 로켓을 궤도로 밀어 넣는 최종 추진력을 제공한다.
* T+16/18분: 4단의 연소는 탑재체의 질량과 개수에 따라 다르며, 일반적으로 약 500초 동안 지속된다. 4단은 T+16/18분 즈음에 종료될 수 있으며, 이어서 탑재체 전개가 이루어진다.

6. 발사 기록

PSLV는 1993년 9월 20일에 처음 발사되었다. 1단과 2단은 예상대로 작동했지만, 우주선 자세 제어 문제로 인해 2단과 3단이 분리될 때 충돌하여 탑재체가 궤도에 도달하지 못했다. 이 첫 실패 이후, PSLV는 1994년에 두 번째 임무를 성공적으로 완료했다. 1997년에는 PSLV의 네 번째 발사가 부분적인 실패를 겪어 탑재체가 계획보다 낮은 궤도에 놓였다. 2014년 11월까지 PSLV는 34번의 발사에서 추가 실패가 없었다. (그러나 2017년 8월 41번째 발사인 PSLV-C39는 실패했다.)

PSLV는 특히 저궤도 (LEO) 위성을 위해 인도 및 해외 위성 발사를 계속 지원하고 있다. 각 후속 버전에서는 추력, 효율성, 무게와 관련된 여러 개선 사항이 있었다.

; 발사 시스템 상태:

; PSLV 발사의 10년 단위 요약:



; PSLV-G (운용 종료)

: 이 표준형은 4단 로켓으로, 고체 연료 로켓 엔진과 액체 연료 로켓 엔진으로 구성되어 있으며 상단 로켓은 용도에 따라 변경 가능하다. 1,678 kg을 622 km의 태양 동기 궤도에 투입할 수 있다.

; PSLV-CA (운용 중)

: CA는 "Core Alone"(코어만)을 의미하며, 2007년 4월 23일에 처음 발사되었다. CA형은 표준형이 사용하는 6개의 고체 연료 부스터를 제1단에 부착하지 않는다.

; PSLV-XL (운용 중)

: PSLV-XL은 표준형의 강화형으로, 연장된 고체 연료 보조 로켓을 갖춘다.

: 2005년 12월 29일, 추진제를 증가시킨 ISRO의 신형 부스터 (PSOM-XL) 시험에 성공했다. 2008년 10월 22일, PSLV-C11에 의해 찬드라얀 1호를 발사하며 처음 사용되었다.

; PSLV-DL (운용 중)

: PSLV-DL은 PSOM-XL 고체 연료 부스터를 2개만 (PSLV-XL은 6개) 사용한다. 2019년 1월 24일 PSLV-C44를 통해 처음 발사되었다.

7. 한국과의 관계

우리별 3호는 PSLV 로켓으로 발사되었다.