한국형 발사체 누리호 소개, 계획 및 기술, 발사 성공

안녕하세요? 꼬뿌리입니다. 오늘은 한국형 발사체 누리호에 대해서 탐구 - 개발계획, 우주발사체 핵심기술 확보, 고도의 기술 추진체 탱크 개발 - 하면서 발사 성공까지의 과정을 살펴보려고 합니다. 저와 함께 소중한 시간이 되기를 빌어 봅니다.

한국형 발사체, 누리호

한국형 발사체 누리호의 소개

한국형 발사체 누리호는 1.5톤급 실용위성을 지구 상공 600~800km 태양동기궤도에 직접 투입할 수 있는 3단형 발사체이다. 사용되는 엔진은 75톤급 액체엔진과 7톤급 액체엔진으로 1단은 75톤급 엔진 4기를 클러스터링해서 구성하고, 2단에는 75톤급 엔진 1기, 3단에는 7톤급 엔진 1기가 사용된다.
한국형 발사체(누리호)는 설계, 제작, 시험 등 모든 과정이 한국 기술로 개발되었다. 누리호 개발 사업은 1단계에서 추진기관 시험설비 구축과 7톤급 액체엔진 연소시험, 2단계 목표인 75톤급 액체엔진 개발과 시험발사체 발사(2018)에 성공했다. 시험발사체는 75톤급 액체엔진의 비행성능을 확인하기 위해 75톤급 액체엔진 1기로 구성된 1단형 발사체로 한국은 시험발사체 발사 성공으로 세계 7번째로 75톤급 이상의 중대형 액체로켓엔진 기술을 확보하게 됐다. 그 후 75톤급 엔진 4기를 하나로 묶는 클러스터링 기술이 적용된 1단 종합연소시험을 수행했으며, 2021년 10월 21일 누리호 1차 비행시험이 진행되었다. 이후 2022년 6월 21일 2차 비행시험을 통해 누리호 발사에 성공하였으며, 2023년 5월 25일 3차 발사가 진행되었다.

 

누리호의 계획 및 기술

1. 개발계획

- 1단계(2010.3~2015.7) : 7톤급 액체엔진 개발, 시험설비 구축

- 2단계(2015.8~2019.3) : 75톤 액체엔진 1기를 이용한 시험발사

- 3단계(2018.4~2023.6) : 75톤급 4기(1단) + 75톤급 1기(2단) + 7톤급 1기(3단)를 조립한 누리호 발사

 

2. 우주발사체 핵심기술 확보

누리호는 설계부터 제작, 시험, 발사 운용까지 모든 과정을 한국의 힘으로 수행하는 첫 번째 프로젝트다. 누리호 개발의 핵심 중 하나는 추력 75톤급 액체엔진과 누리호 전체 부피의 70~80%를 차지하는 연료와 산화제를 담는 추진제 탱크 개발이다. 75톤급의 중대형 액체엔진은 나로호 개발 당시 선행연구로 진행한 30톤급 액체 엔진 기술을 바탕으로 개발을 진행해, 연소불안정 현상의 기술적 한계를 극복하고 지상 연소시험과 시험발사체 발사를 통한 비행성능 시험을 거쳐 세계 7번째로 중대형 액체엔진 개발에 성공했다. 또한 지름이 3.5m에 달하지만, 가장 얇은 부분의 두께는 2~3mm 정도에 불과해 설계와 제작에서 많은 기술적 어려움이 있었던 대형 추진제 탱크를 국내 기술로 개발했다. 그리고 나로호 개발 당시 엔진 핵심 구성품에 대한 성능을 시험할 수 있는 시험설비가 없어 해외 시험설비에 의존했었지만 현재는 나로우주센터에 엔진 핵심 구성품, 엔진 시스템, 추진기관 시스템의 성능과 신뢰성을 검증할 수 있는 추진기관 시험설비 구축을 완료했다.

 

3. 고도의 기술로 추진제 탱크 개발

누리호는 극저온의 산화제와 상온의 연료를 추진제로 사용하는 우주발사체이다. 발사체의 대부분은 연료와 산화제를 싣는 추진제 탱크로 이루어져 있으며, 추진제 탱크는 발사체 부피의 70~80%를 차지한다. 추진제 탱크 경량화는 발사체 성능과 직결되어 추진제 탱크는 가볍고 내구성이 좋은 알루미늄 합금으로 제작되며, 몸통에 해당하는 실린더와 머리에 해당하는 돔으로 구성된다.
누리호의 추진제 탱크는 최대 높이가 10m, 직경은 3.5m에 달하지만, 가장 얇은 부분은 두께가 2.5~3mm이기도 하다. 반면 추진제 탱크는 비행 중추진제 탱크 내부에 가해지는 대기압의 4~6배의 압력, 관성력과 공력에 의한 하중을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 발사체 몸통에 해당하는 추진제 탱크 내부에는 이러한 압력과 하중에 버티기 위해 내벽을 ‘등방성 격자구조(Isogrid Structure)’라 부르는 형태로 내벽을 제작한다. 삼각형 형태의 격자 보강 구조가 반복되는 형태로 원통형 구조에 무게 대비 효율적으로 강성을 높일 수 있는 방법이다. 등방성 격자구조 제작은 반복적인 계산과 해석이 필요한 극히 까다로운 기술이다. 오랜 우주개발 역사를 자랑하는 미국과 러시아 등 우주 선진국과 달리 발사체 추진제 탱크를 처음 개발하는 만큼 반복적인 계산과 수치 해석을 통해 최적의 등방성 격자구조를 찾아야만 했다.
발사체의 연료인 케로신과 산화제인 액체 산소는 모두 액체이기 때문에 탱크 내부에서 끊임없이 움직이고, 이 유동은 탱크에 충격을 가하게 된다. 기름을 연료로 쓰는 자동차나 대형선박에도 이러한 유동 때문에 자세제어에 어려움을 격기도 하는데, 이런 현상을 줄이기 위한 장치들이 설치된다. 누리호의 추진제 탱크도 마찬가지다. 크기가 훨씬 크고, 연료와 산화제의 양도 많기 때문에 탱크 내부에서 강력한 유동이 발생하면 치명적인 영향을 미칠 수도 있다. 이 때문에 탱크 크기와 연료 및 산화제의 양의 유동 등에 최적화된 설계와 제작 방법을 찾아 적용해야 했다

누리호의 발사 성공

드디어 2023년 5월 25일 누리호의 3차 발사가 성공했다. 누리호 3차 발사는 25일 오후 6시 24분 전남 고흥 나로우주센터에서 이루어졌다. 목표 궤도에 오르고 차세대소형위성 2호를 성공적으로 분리, 안착시켰다. 누리호는 3차 발사 때 설정한 목표를 모두 이루면서 성공으로 기록됐다. 하지만 차세대소형위성 2호가 순항하고 있지만, 모든 인공위성이 정상적인 신호교신이 이뤄진 것은 아니다. 28일 오전 10시 기준으로 8기 중 2기의 신호가 아직 지상에 닿지 않은 것으로 전해진다. 위성은 이르면 8월부터 본격 가동되며 향후 2년간 태양동기궤도에서 하루에 지구를 약 15바퀴 돌면서 재난재해 관측등의 임무를 수행한다. 3차 발사가 성공한 가운데 누리호 4차 발사 작업도 한창 진행 중이다. 4차 발사에는 민간주도 위성개발로 KAI가 설계, 시험, 제작까지 전체 총괄한 차세대중형위성 3호가 실리게 된다. 4차 발사는 2025년으로 계획되어 있다. 한국의 우주로 향한 첫걸음은 늦었지만 한걸음 한걸음 우주로 향하는 발걸음이 점점 커져 우주 탐험에 도움이 되기를 바란다.