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개발부터 발사까지 누리호 A to Z

15분 45초, 누리호를 위한 12년의 시간

한국형발사체, 누리호

  • 국내 독자 기술로 개발된 한국형 발사체 누리호의 2차 발사 모습 [연합뉴스]


    지난 6월 21일, 온 국민이 가슴 졸이며 지켜봤던 한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)가 우주로 날아올랐습니다. 

    누리호는 1.5톤(t)급 실용위성을 지구 저궤도(600~800㎞)에 올려놓을 수 있도록 개발된 우주 발사체입니다.
    누리호는 설계부터 시험과 제작, 발사와 운용까지 대한민국의 기술로 만들었습니다. 누리호의 ‘누리’는 ‘세상’이라는 순우리말로 우리나라의 독자 기술로 지구를 넘어 우주까지 확장된 새로운 세상을 연다는 의미가 담겼습니다. 2018년 한국형발사체 명칭 대국민 공모전에서 선정된 이름입니다.

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  • 2018년 개발 중 시험발사에 나선 누리호. 이 때만 해도 '시험발사체'로 불렸다. [사진 항우연]


    알고 보면 누리호 개발 사업은 이미 12년 이상 이어진 장기간의 우주 발사체 개발 사업입니다.


    2010년 3월부터 2023년 6월까지 총예산 1조 9572억원이 들어간 누리호 개발 사업은 크게 3단계로 구분됩니다.  2010년 3월부터 2015년 7월까지 진행된 1단계 사업 때는 누리호의 시스템 설계 및 예비 설계 작업이 주로 이뤄졌습니다. 이후 2015년 8월부터 2019년 2월까지 발사체 및 엔진의 상세 설계 및 제작과 시험이 이어졌죠.


    마지막 3단계 사업이 2018년 4월부터 2023년 6월까지로 남아 있습니다. 3단형 발사체를 만들어 기술 개발을 완료하고 지난해와 올해 두 차례 시험 발사를 통해 누리호가 1.5t급 위성을 실제 우주 공간으로 실어 나를 수 있는지 확인했습니다.


  • 화염을 내뿜으며 우주로 올라가는 누리호, 어느 정도 크기인지 느낌이 오셨나요? 


    누리호는 길이가 47.2m로 아파트 15층 이상의 높이를 자랑합니다. 아랫부분부터 1·2·3단으로 구성돼 있고, 무게는 총 200t입니다. 대부분이 연료와 산화제 무게로 이 정도 무게는 70㎏ 성인 2860명 무게와 맞먹습니다. 누리호에 실을 수 있는 총중량은 1.5t으로 쏘나타 한 대와 비슷합니다. 최대 직경은 3.5m로 경차 한 대 길이 정도입니다.  

  • 부품 37만 개가 한 치의 오차도 없이 움직여 성공적으로 발사된 누리호는 한국항공우주연구원과 300여 개 민간 기업이 참여해 핵심 부품 개발과 제작을 수행했습니다. 주요 역할을 맡은 30여 개 기업에서만 500명이 넘는 인력이 투입됐습니다. 누리호 개발 예산 80%에 달하는 1조5000억원은 산업체에서 집행된 예산일 정도입니다.
     
    누리호 제작 참여 주요 기업인 한국항공우주산업(KAI)은 누리호의 총 조립을 맡았습니다. 300여 개 기업이 납품한 제품의 조립을 총괄하는 역할입니다. 1단 연료탱크와 산화제 탱크도 만들었습니다. 한화에어로스페이스는 누리호의 심장으로 불리는 엔진을 만들었습니다.

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  • 전남 고흥 나로우주센터로 가는 길에는 '우주로 가는 길'이란 이름이 붙어 있다. [항우연 블로그 캡쳐]


    누리호 발사가 이뤄진 나로우주센터는 전라남도 고흥군 봉래면에 있는 한국 유일의 우주발사체 발사장입니다. 나로우주센터 가는 길에는 ‘우주로가는길’이라는 이름도 붙었습니다. 2001년 부지를 선정해 2003년부터 짓기 시작했고 2009년 완공됐습니다.  
     
    발사장은 왜 우리나라 남쪽 최말단에 짓게 됐을까요? 안전 영역의 확보 때문입니다. 로켓이 날아가는 경로가 다른 나라의 영공을 침범하면 안 되고, 로켓의 낙하물이 떨어지는 지점의 안전성 확보가 중요하기 때문입니다. 전남 고흥 외나로도는 남해안에서 발사장 입지 조건을 가장 잘 갖춘 곳으로 꼽힙니다. 

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누리호의 특징은

  • 1·2·3단으로 만들어진 누리호의 모습. 그래픽=박경민 기자 minn@joongang.co.kr 


    누리호는 1·2·3단으로 구성된 다단 로켓입니다. 로켓 추진제의 무게가 로켓 전체 무게의 대부분을 차지하는데 발사 이후 연료는 줄어드니 텅 빈 탱크를 우주까지 가지고 갈 필요는 없습니다. 누리호에서 1단만 분리해도 전체 무게의 60%를 절감할 수 있습니다. 그러면 나머지 2·3단은 더 쉽게 속도를 높일 수 있습니다.  

     

    단을 분리해 설계하면 고도마다 가장 효율적인 엔진을 설계할 수 있다는 장점도 있습니다. 단이 많으면 장점이 많은 걸까요? 꼭 그렇지도 않습니다. 단이 많을수록 발사체가 무겁고 복잡해지고, 제작비도 많이 듭니다. 단마다 어떤 오류가 생길지 모르니 신뢰성도 떨어지죠. 대체로 2단 또는 3단 로켓이 일반적입니다.


  • 누리호 엔진을 개발한 한영민 항우연 발사체엔진개발부장은 75t급 엔진에 1.5초 동안 불을 붙인 2016년 5월 3일을 ‘엔진 독립의 날’로 칭하고 싶다고 말했습니다. 순수한 국내 기술로 설계와 제작, 조립, 시험까지 우주 발사체 엔진의 원천 기술을 확보한 날이기 때문입니다. 


    한국은 액체엔진을 개발하고 이를 시험해 볼 설비도 없던 나라였습니다. 미국과 러시아, 유럽에 도움을 요청했는데 여러 이유로 거절당했습니다. 이후 나로우주센터에 시험 설비를 짓고 75t급 33개의 엔진을 만들어 시험 횟수만 184회, 1만8260초 시험을 진행했습니다. 이렇게 개발한 75t급 액체엔진 4기가 누리호 1단에, 변형을 거친 엔진 1기가 2단에 사용됐습니다.

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  • 한영민 누리호 엔진 개발부장이 75t급 액체연료 엔진 4기가 클러스터링 된 누리호 1단 로켓 엔진 앞에 서 있다. 프리랜서 김성태 


    누리호 1단에는 우리가 개발한 75t급 액체엔진 4기가 클러스터링(묶음) 돼 있습니다. 누리호같은 발사체가 우주로 가려면 매우 큰 추력이 필요한데 엔진은 커질수록 개발 비용과 기간이 급격하게 늘어납니다. 그래서 여러 개의 엔진을 묶어 마치 하나의 엔진처럼 작동하게 하는 클러스터링 기술이 중요합니다. 300t급 엔진 하나를 만드는 것보다 훨씬 효율적이기 때문입니다.  

     

    하지만 기술 개발은 쉽지 않았습니다. 엔진 4기의 정렬이 정확해야 하고 움직이면서도 균일한 추진력을 내야 하기 때문입니다. 우리나라도 누리호 1차 발사 7개월 전인 2021년 3월에야 클러스터링 기술 확보에 성공했습니다. 

  • 누리호가 발사된 발사장의 모습 [사진 항우연]


    누리호 발사가 가장 임박한 순간, 1단 로켓의 추력인 300t을 버티고, 3300℃ 이상의 화염을 견디는 초록색 구조물. 바로 누리호 제2발사대의 엄빌리컬 타워(umbilical tower)입니다. 누리호 발사를 도운 제2발사대의 건축 연면적은 6000㎡에 달합니다. 발사대는 설계부터 제작, 조립까지 발사대 건립에 필요한 모든 과정이 국산 기술로 이뤄졌습니다. 키를 잡은 곳이 현대중공업입니다.  

     

    높이 48m에 달하는 엄빌리컬 타워는 쉽게 말해 거대한 주유소입니다. 엄빌리컬과 발사체가 연결돼 전기와 추진제 등이 공급됩니다. 정확한 타이밍에 누리호를 부딪힘 없이 부드럽게 놓아주는 것도 엄빌리컬 타워의 중요한 역할이었습니다.

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  • 누리호에 실리는 추진제 탱크의 제작 과정 모습. [사진 항우연]


    100원짜리 동전의 테두리를 만져본 적 있으신가요? 누리호 전체 무게의 90%가량을 차지하는 추진제를 담는 산화제 탱크와 연료탱크의 두께가 이 100원짜리 동전 두께와 비슷합니다. 2㎜ 정도 되는 얇은 두께의 특수 알루미늄 합금판으로 최대 높이 10m, 직경 3.5m의 추진제 탱크를 만듭니다. 이런 탱크는 1·2·3단에 각 2개씩 총 6개가 들어가 있습니다.  

     

    맥주 캔처럼 얇은 탱크 벽은 수작업 용접으로 만듭니다. 오징어를 불에 구우면 뒤틀리듯 탱크 벽도 열이 닿으면 변형돼 매우 까다로운 작업입니다. 얇으면서도 대기압의 6배의 내부 압력, 비행 중 관성을 견디고 3300℃ 이상의 화염과 영하 183℃의 극저온도 견뎌야 합니다. 하나 만드는 데 10개월 걸리는데, 조금의 흠집이 나면 바로 폐기 후 새로 만듭니다. 2000곳 이상의 기밀(氣密)시험도 통과해야 탱크로 쓰일 수 있습니다.

누리호는 무얼 싣고 가나

  • 누리호 2차 발사 탑재 위성과 기능 그래픽=박경민 기자 minn@joongang.co.kr 


    누리호는 1.5t급의 위성을 우주로 실어나를 수 있게 개발된 로켓입니다. 그런데 아직 로켓의 성능을 시험 발사하고 있는 단계이니, 진짜 1.5t가량의 인공위성을 만들어 싣기에는 부담이 큰 것이 사실입니다. 만약 시험 발사에 실패하면 큰 돈을 들여 개발한 인공위성을 그대로 허공에 날리는 셈이 되니까요.

     

    그래서 지난해 누리호 1차 발사 때는 1.5t의 무게만 맞춘 더미 위성(가짜 위성)을 누리호 3단에 탑재해 올려보냈습니다. 지난달 2차 발사 때는 이보다 한발 더 나아가서, 성능검증위성이라는 진짜 위성과 큐브 위성을 싣고(약 200㎏) 여기 1.3t가량의 더미위성을 함께 붙여 누리호 3단에 탑재했습니다.

  • 한국 기술로 만든 기술 부품을 싣고 임무를 수행하는 성능검증위성 [사진 항우연]


    누리호 2차 발사 때 실린 성능검증위성에는 한국이 독자 개발한 발사체에 위성을 최초로 실어 발사했다는 의미가 있습니다. 민간업체 AP위성에서 만든 성능검증위성은 이름대로 누리호의 성능을 검증하기 위해 개발된 가로·세로·높이가 1m 내외인 실험 위성입니다.

     

    임무 수명은 2년으로 누리호가 고도 700㎞ 정도에 올라가면 성능검증위성을 분리해 우주 공간에 던져 놓습니다. 이 위성은 누리호가 우주 공간에서 얼마나 정확하게 위성체를 분리해낼 수 있는지를 검증합니다. 또 큐브위성 4기를 품고 우주로 올라가 때가 되면 하나씩 우주 공간에 사출(분리)하는 역할을 수행합니다. 우리 기술로 만든 발열 전지나 S-밴드(지상 데이터 송신용 2.2~2.3㎓ 주파수 대역) 안테나 같은 기술 부품을 싣고 가서 우주 공간에서 실제로 작동하는지 확인해볼 기회도 제공합니다.

  • 성능검증위성에 실린 4기의 큐브위성은 국내 4개 대학에서 제작했다. [사진 항우연]


    큐브위성(큐브샛·CubeSat)은 보통 단위로 U(유닛)을 사용하는데, 1U 큐브샛은 부피는 가로·세로·높이가 각 10㎝이고, 무게는 1.33㎏인 초소형 인공위성을 말합니다. 이 큐브샛을 두 개 합치면 2U, 세 개 합치면 3U가 되는 겁니다. 크기가 작은 만큼 개발에 드는 비용도 적고, 발사 비용도 적습니다. 그래서 우주 연구가 필요한 대학이나 우주 스타트업에서 주로 개발해 활용합니다.

     

    누리호 2차 발사에 실린 큐브위성 4기는 2019년 큐브위성 경연대회에서 선발된 작품들입니다. 누리호 2차 발사가 진행된 올해에도 큐브위성 경연대회가 진행됐습니다. 이번에 선발된 큐브위성은 차세대 누리호에 실려 또다시 우주에서 임무를 수행하게 됩니다.

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  • 국내 4개 대학이 개발한 큐브위성 제원 그래픽=김경진 기자 capkim@joongang.co.kr 


    누리호 발사 후 8일째. 700㎞ 궤도를 도는 성능검증위성이 4개의 큐브위성을 분리했습니다. 지난달 9일 조선대 큐브위성 스텝큐브랩-Ⅱ를 시작으로 이틀 간격으로 하나씩 총 4개 대학의 큐브위성을 사출(분리)합니다. 이달 1일에는 한국과학기술원(KAIST)의 랑데브, 3일은 서울대 스누글라이트-Ⅱ, 5일은 연세대 미먼이 사출됐습니다.  

     

    사실 큐브위성을 우주에 분리한 적은 과거에도 있었습니다. 이번에는 대한민국 발사체에 실려 우주로 올라갔고, 우주에서 지구의 지상국과 양방향 통신이 가능할지 주목됐습니다. 6일 기준으로는 KAIST의 랑데브와 서울대 스누글라이트-Ⅱ가 양방향 통신에 성공했습니다. 이들은 6개월~1년의 기간 동안 지구 관측 임무를 수행하게 됩니다.

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2022년 6월 21일 누리호 2차발사

  • 누리호 2차 발사를 하루 앞둔 6월 14일, 나로우주센터에 강한 바람이 불고 있다. [연합뉴스]

    당초 6월 15일로 예정된 누리호 2차 발사는 성공까지 우여곡절이 많았습니다. 첫 관문은 바로 ‘강풍’이었습니다. 누리호 발사 하루 전인 14일 누리호를 무진동 이동 차량에 실어 발사대로 옮겨야 하는데 강한 바람이 불어 이송 작업 시 안전을 담보하기 어려워졌기 때문입니다.  


    누리호 발사 조건은 아주 까다롭습니다. 온도는 물론이고 바람도 중요합니다. 평균 풍속이 초속 15m가 넘어가면 누리호 이송이 어렵습니다. 만약 벼락을 맞으면 훼손되니까 비행 경로 100㎞까지 낙뢰도 감지하고, 수분을 머금은 두꺼운 구름이 있는지도 확인합니다. 이런 조건을 통과하면 지구 저궤도에서 빠른 속도로 돌고 있는 우주 물체와 충돌 가능성을 분석한 뒤 발사 시각을 확정하게 됩니다.

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  • 고정환 본부장이 누리호 자체 문제로 2차 발사 두번째 연기를 알리는 기자회견을 하고 있다. 이수정 기자.


    발사 하루 연기로 무사히 ‘날씨’의 관문을 넘긴 누리호. 그런데 이번엔 누리호 자체의 문제가 발견됐습니다. 16일 발사를 위해 15일 발사대에 세워진 누리호를 점검하던 중 1단 산화제 탱크의 레벨 센서가 비정상 작동하는 것이 발견됐기 때문입니다.


    누리호 발사 현장에 있던 연구진의 분위기는 급속히 가라앉았습니다. 누리호를 다시 조립동으로 옮기고 분석해야 했기 때문입니다.


    두 번째 발사 연기 소식을 전한 고정환 항우연 한국형발사체개발본부장은 “당혹스럽고, 이런 일이 발생해 매우 죄송스러운 심정”이라며 “어떻게든 문제를 해결해 도전하도록 하겠다”고 말했습니다. 사실 이륙 직전까지 단 하나의 사소한 문제라도 발견되면 발사가 연기되는 건 흔한 일입니다. 고 본부장은 “연구진의 명예회복을 위해서라도 발사에 성공하겠다”고 각오를 다졌습니다.

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  • 발사 준비 중 부품 결함이 발견된 누리호를 조립동으로 이송하기 위해 발사대에서 내리고 있다. [연합뉴스]


    누리호를 다시 조립동으로 옮기기로 결정한 15일부터 누리호 재발사를 결정한 17일까지 3일은 긴박하게 돌아갔습니다. 항우연은 매일 한 차례씩 기자회견을 열어 누리호의 점검 상황을 공유했습니다.


    그 결과 누리호에 발생한 문제를 로켓 분리 없이 해결할 수 있는 방법을 찾았습니다. 당초 점검이 길어지면 장마의 영향으로 가을까지 발사가 미뤄지는 것 아니냐는 우려가 나왔지만 21일 누리호 2차 발사를 다시 추진하기로 결정했습니다. 


    강풍과 부품결함으로 두 번이나 미뤄진 발사지만 “이번에는 할 수 있다”는 연구진의 결의가 느껴졌습니다. 고정환 본부장은 “많은 연구원이 의기소침하고 실망했지만, 문제를 해결하며 우주발사체 개발 능력을 업그레이드한 기회였다”고 회고했습니다.

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  • 6월 21일 누리호가 화염을 발사하며 우주로 발사됐다. [연합뉴스]


    누리호가 우주로 솟아오른 지난 6월 21일은 비도, 바람도 누리호를 도운 날이었습니다. 쾌청한 날씨에 바람도 잔잔했고, 마지막까지 진행된 누리호 점검에서 어떤 이상도 발견되지 않았습니다.


    6월 21일 15시 59분 59초. 자동운용 시스템으로 발사 카운트다운에 들어간 누리호가 우주의 문을 활짝 열기 위해 지구를 떠난 시간입니다. 발사 123초 만에 고도 62㎞에 도달한 누리호는 1단 로켓을 성공적으로 분리했고, 202㎞에서는 위성을 감싼 페어링이 떨어져 나갔습니다.


    성능검증위성을 목표궤도인 700㎞에 무사히 올려놓았을 때 연구진의 박수 소리가 들렸습니다. 마지막으로 1.3t의 더미 위성을 분리한 15분 45초, 누리호는 우주에서의 이송 임무를 완수했습니다.

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  • 이종호 과기정통부 장관이 누리호 2차 발사의 공식적인 성공을 확인하고 있다. [연합뉴스]


    21일 오후 5시 10분. 이종호 과학기술정보통신부 장관이 ‘누리호 2차 발사’의 공식적인 성공을 선언했습니다. 발사체 설계, 제작, 시험, 발사 운용 등 모든 과정을 국내 기술로 진행해 성공했다는 큰 의미가 있습니다. 대한민국이 다른 나라에 손 벌리지 않고, 원할 때 우주발사체를 보낼 수 있는 국가가 된 것입니다.


    발사체 개발 기술은 미사일 기술 개발과 닮아 있어 국가 간 기술 이전이 엄격히 금지된 분야입니다. 누리호 2차 발사 성공으로 대한민국은 무게 1t 이상 위성을 자국의 힘으로 발사할 수 있는 7번째 국가가 됐습니다. 러시아, 미국, 유럽(프랑스 등), 중국, 일본, 인도가 우리나라보다 앞선 나라입니다.

누리호가 남긴 숙제는

이수정 기자 lee.sujeong1@joongang.co.kr
UPDATE
2022.07.06

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