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우주발사체
우주발사체(宇宙發射體, launch vehicle, Space Launch Vehicle)는 탑재물을 지구 표면으로부터 우주 공간으로 옮기는 데 사용되는 로켓을 말한다. 운반로켓(carrier rocket)이라고도 한다. '발사 시스템'에는 발사체, 발사대와 기타 시설들이 포함된다. 보통 탑재물로서 인공위성이 궤도에 놓이지만, 일부 우주 비행은 궤도에 오르지 않거나 우주선으로 지구의 궤도로부터 완전히 벗어나기도 한다. 궤도에 오르지 않는 적재물을 운반하는 발사체를 '탐사로켓' 또는 '관측로켓'(sounding rocket)이라고도 한다.
목차
개요
우주발사체는 탑재물을 싣고 지구를 벗어나 우주궤도의 정해진 곳까지 실어 올리는 로켓(rocket)이다. 로켓은 작용과 반작용을 이용한 추진기관 또는 이 로켓기관으로 추진되는 비행체를 말한다. 앞 머리 부분에 위성을 우주로 실어 올리는 로켓을 우주발사체라고 하는 반면, 앞머리 부분에 위성 대신 폭탄을 실으면 미사일(missile)로 구분한다.
우주발사체는 인공위성ㆍ인공행성(人工行星)·달 탐사선 등 우주비행체를 쏘아 올리는 로켓으로, 지상에서 우주공간까지 화물을 실어 나를 수 있는 운송수단을 말한다. 우주발사체는 고도 3만 6000㎞의 정지궤도(고궤도)나 고도 500~1500km의 저궤도에 위성을 진입시키는 역할을 한다. 많은 국가들이 자국의 인공위성을 보유하려 하는데, 인공위성을 발사하기 위해서는 초당 7.8㎞의 속도를 낼 수 있는 로켓이 필요하다. 만약 자체 발사체를 개발하지 못하면 엄청난 비용을 주고 외국의 발사체를 사용해야 한다. 우주발사체 개발은 초반에는 러시아와 미국을 필두로 시작되었으나 1990년대 후반부터는 유럽연합(EU), 중국, 일본, 인도 등이 신흥 우주기술 강국으로 등장하면서 다양한 나라가 우주발사체 개발에 주체가 되고 있는 추세다.
우리나라는 1993년 한국항공우주연구원에서 추진한 1단형 과학로켓(KSR-&Iota)이 처음으로 발사에 성공했다. 이어 1997년에는 2단형 고체추진 과학로켓(KSR-II) 발사 시험이 이뤄졌고, 우리나라 최초의 액체 추진 과학로켓(KSR-Ⅲ)을 개발해 2002년 발사 시험에 성공했다. 나로호(KSLV-Ⅰ)는 한국의 첫 우주발사체로 2009년 8월, 2010년 6월 두 차례의 발사 실패 및 2012년 10월 26일 한 차례의 발사 연기 후, 2013년 1월 30일 드디어 발사에 성공했다. 나로호(KSLV-I)는 1단은 러시아에서 개발한 액체엔진, 2단은 국내에서 개발한 고체 킥모터로 구성되는 2단 직렬형 발사체이며, 발사체의 조립과 운용은 러시아와 공동으로 수행하였다.
한편 우리나라는 2010년 3월부터 2021년 8월까지의 기간을 두고 한국형 발사체(KSLV-II) 개발 사업도 진행 중에 있다. 이는 1.5t급의 실용위성을 저궤도(고도 600~800km)에 투입할 수 있는 국내 독자적 우주발사체 개발을 목적으로 하고 있다. 한국형 발사체(KSLV-II)는 총 1조 5,449억 원의 예산이 책정되었으며, 3단형 발사체로 구성될 계획이다.
한국형 발사체 누리호
2021년 11월 25일 오후 5시 남해안 나로우주센터에서 발사된 누리호의 목표는 더미 인공위성을 지구 상공 약 700km 궤도에 올려놓는 것이었다. 총 3단 로켓으로 구성된 누리호의 제원은 길이 47.2m, 직경 3.5m, 무게 200톤이다.
이중 1단 로켓은 75톤급 엔진 4기를 결합해 추력을 300톤가량 생성했다. 2단 로켓은 75톤급 엔진 1기, 3단 로켓은 7톤급 엔진 1기를 각각 사용했다. 누리호 발사는 이들 로켓이 '발사체를 원하는 궤도에 알맞은 속도로 도달시킬 수 있는지'를 점검했다.
결과적으로, 누리호는 성공적으로 발사됐으며, 고도 700km까지 안정적으로 도달했다. 특히 1단, 2단 엔진은 연구진의 예측과 동일한 성능을 입증했다. 다만 3단 엔진의 연소가 예측보다 빨리 끝났다는 점은 아쉬움을 남겼다. 이번 발사로, 대한민국은 '1톤급 인공위성을 자력으로 발사할 수 있는' 7개국에 합류했다. 연구진은 이번 발사에서 얻은 데이터와 자신감을 바탕으로, 향후 2027년까지 5차례의 추가 발사를 준비하고 있다. 최종 목표는 향후 2030년까지 달에 무인 우주선을 보낼 수 있는 수준의 우주기술을 확보하는 것이다.[1]
로켓 단(stage)
우주 발사체는 대개 2~3개의 단을 연결한 다단(multistage)구성을 하고 있다. 여기서 단(stage)이란 그 자체가 추진제(엔진)를 가진 독립적인 로켓을 말하는 것으로, 단을 배열하는 방식에 따라 우주 발사체의 모양이 달라진다. 크게 직렬형, 병렬형, 부착형(strap-on), 피기백(piggy-back) 방식 등으로 나눌 수 있다.
대부분의 우주발사체에 사용되는 단 연결 방식은 직렬형으로 큰 로켓 위에 작은 로켓을 올려 놓은 모양이다. 아랫단인 1단의 규모가 가장 크고 그 위의 2단 혹은 3단의 크기가 점점 작아는 형식이다. 이 경우 추진제를 전부 사용한 단은 즉시 분리되며 다음 단이 순서대로 점화하게 된다. 이와 반대로 병렬형이나 부착형(strap-on)은 옆으로 단을 연결하는 방식이다. 러시아의 R-7이 대표적인 병렬형 우주 발사체인데, 이는 2단 로켓을 중심으로 1단 로켓이 4개가 붙어있는 형태를 갖고 있다. 이 경우 2단과 1단이 함께 점화되며 낮은 추력으로 작동되다 2단이 분리된 뒤엔 최대치의 추력으로 올리게 된다. 부착형은 병렬형과 크게 다르지 않으나, 부착식으로 결합된 단은 발사 시에 추력을 증가시키기 위한 보조로켓의 역할만을 하므로 '0'단으로 취급한다.
현재 많은 나라들이 직렬형으로 단을 연결한 우주발사체에 보조로켓을 부착하는 형태의 방식을 택하고 있다. 부착형에는 주로 고체 부스터가 사용되며, 소형 고체 부스터를 여러 개 부착하거나 대형 고체 부스터를 사용한다. 소형 고체 부스터를 사용하는 예로는 미국의 델타 로켓이 있고 대형 고체 부스터를 택하는 예에는 유럽의 아리안 5호가 있다. 마지막으로 피기백(piggy-back)방식은 1단 로켓에 2단 로켓이 등에 업히듯이 붙은 모양을 하고 있다. 비행기 아래에 같이 붙어 있다가 공중에서 분리ㆍ발사되는 미국의 페가수스 로켓이나 우주왕복선이 이러한 방식이라 할 수 있다. 한편 모든 단과 단은 폭발물이 내장된 볼트로 연결하여 절단할 수 있게 하고 이 사이에 스프링 또는 소형의 역추진 로켓을 사용하여 다음 단과 부딪치지 않도록 하고 있다.
유형
한 차례만 사용되도록 설계된 1회용 발사체가 있다. 이는 통상적으로 적재물과 분리되며, 대기권에 재진입하면서 파괴·분산된다. 반면, 재사용 발사체는 손상 없이 다시 회수할 수 있도록 만들어져 이후의 발사에 다시 쓰이게 된다. 2013년 현재로서는 운용중인 재사용 발사체는 없으며, 최근까지 운용되던 미국의 우주 왕복선들은 모두 퇴역하거나 손실된 상태이다.2018년 기준으로는 space x 같은 기업들이 재사용 로켓을 종종 발사하고 있다. 대표적으로는 팰컨 헤비(현재는 스타십)가 있다. 발사체는 종종 궤도에 올릴 수 있는 중량에 따라 특징이 정해진다. 예를 들면, 프로톤 로켓은 저궤도에 22톤을 올릴 수 있다. 또한, 발사체는 몇 개의 단계를 갖고 있는가에 따라 분류될 수 있다. 로켓은 5단까지 성공적으로 발사된 적이 있고, 하나의 단계를 갖는 발사체가 설계되기도 했다. 발사체는 고체 로켓 부스터(solid rocket booster, SRB)와 같은 여러 개의 보조추진 로켓부스터(rocket booster)로 보충되기도 하는데, 이들은 비행의 초기에 다른 엔진들과 함께 높은 추력을 공급한다. 보조추진로켓은 다른 엔진들의 크기를 줄여 각 단계의 연료 소모를 줄이고, 더 많은 중량을 적재할 수 있게 해 준다.
발사체에 관련하여 발사 국가나 우주국, 로켓을 제작한 회사, 컨소시엄 등이 보도에 종종 언급된다. 발사체들은 같은 이름을 사용하여 같은 계열임을 나타내기도 한다.
우주 엘리베이터와 같은 로켓을 사용하지 않는 발사가 구상 단계에 있다.
우주발사체와 대륙간 탄도 미사일의 차이
해설
원래 스푸트니크나 익스플로러나 모두 핵무기를 결합하면 핵미사일이 되는 대륙간 탄도 미사일로 발사한 인공위성이다. 즉, 우주발사체는 핵탄두를 결합하면 핵미사일이 되는 대륙간 탄도 미사일이다. 따라서, 이 양쪽의 기술을 엄밀하게 구별하는 것은 어렵다. 그런데 1966년 일본은 우주발사체의 발사를 시작해, 1970년에 람다 4S에 의해 인공위성의 궤도투입에 성공했다. 일본이 자력으로 고체연료 로켓으로 인공위성의 궤도 투입에 성공한 것에 의해, 미국은 액체연료 로켓의 기술을 일본에 제공하게 되었다. 일본 이외의 우주 발사체를 보유하고 있는 모든 국가는 탄도 미사일도 보유하고 있지만, 일본 만은 우주 발사체를 보유하면서 탄도 미사일을 보유하고 있지 않다. 일본이 탄도 미사일을 보유하는 것은 일본의 국내 정치 문제로 어렵지만, 기술적으로는 우주 발사체 기술을 전용하고 ICBM을 제조하는 것은 가능하다. 그러나 현재 우주 발사체와 탄도 미사일은 예전보다 기술적으로 분화가 진행 되었기 때문에, 시스템의 규모, 비용, 생산과 발사 준비 태세, 내구성, 제어면에서 다른 면이 있어, 새로 개발할 필요가 있다.
최신기술의 목표
우주 로켓의 최종 목표는 추력 (推力·Thrust, 단위는 뉴턴)와 비추력 (比推力·Specific impulse, 단위는 초)을 크게 늘려서, 인공위성 궤도에 올릴 수 있는 페이로드 중량을 최대로 늘리는 것이다. 반면에 ICBM의 최종 목표는 비추력을 올리는 것보다는 빠르게 발사하는 능력과 최초의 적의 공습에 살아남는 생존성이다. 이 차이점으로 인해, 차세대 우주 로켓이 극저온 연료(cryogenic fuel)를 사용하여 비추력을 극대화 하는 것에 비해, 차세대 ICBM은 이동식에 고체 연료를 사용하게끔 개발 방향이 달라지게 된다. ICBM은 최소 시속 8000km, 인공위성 발사용 로켓은 시속 29,000km의 속도를 갖는다.
그러나, ICBM이 반드시 고체연료를 사용하는 것은 아니다. 소련의 ICBM의 상당수가 액체연료를 사용하였다. 일반적으로 액체연료는 발사 직전에만 연료를 주입해야 하며, 연료 주입 시간이 오래 걸리기 때문에 정찰위성에 포착된다. 그러나 액체연료라도, 하이드라진은 장기보존이 가능하므로, 소련의 탄도 미사일은 액체연료가 많다. 반면에, 고체연료는 일단 미사일을 제작, 배치해 놓으면, 발사 버튼만 누르면 된다. 고체 연료는 액체 연료보다 강한 추력을 내는 것은 기술적으로 용이하지만, 비추력은 약하다.
발사 궤도
발사 이후 비행체의 궤적을 살펴보면 탄도 미사일인지, 위성발사체인지 쉽게 구분이 가능하다. 즉, 우주발사체는 수직으로 발사되고 탄도 미사일을 수직으로 발사되기는 하나 곧바로 30도 각도로 누워서 날아간다. 그래야 최대의 사거리를 낼 수 있다.
1998년 북한이 대포동 1호를 발사했을 당시, 한.미.일 3국은 북한이 장거리 탄도 미사일을 발사했다면서 맹비난하였다. 그러나, 후에 밝혀진 바에 의하면, 한미일 당국이 북한이 탄도 미사일이 아니라 인공위성을 발사했다는 사실을 즉시 확인할 수 있었다고 한다. 즉, 인공위성 발사시에는 로켓이 수직으로 상승하며, 탄도 미사일일 경우에는 지표면과 30도 각도로 누워서 비행하기 때문에, 발사 즉시 미사일인지 우주발사체(SLV: Space Launch Vehicle)인지를 쉽게 알 수 있다고 한다. 당시 대포동 1호는 수직으로 상승한 우주발사체였다고 한다.
사거리
미국의 타이탄 II 우주발사체 겸 ICBM은 LEO에 올리는 위성체의 중량이 3.6톤이며, 10,000km 사거리 미사일의 탄두는 3.7톤으로 알려져 있다. 즉, LEO에 올리는 인공위성 중량과 1만 킬로미터 사거리의 탄두 중량이 거의 같다.
우주발사체 목록
대한민국
독일
러시아(소련 포함)
이란
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미국
북한
브라질
영국
우크라이나
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유럽연합
인도
일본
중국
프랑스
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세계 최초의 우주발사체 비교
로켓명 무게(t) 국적 날짜 비교 VLS-1 50 브라질 1997년 11월 2일 실패 최초 우주발사체 V-2 미사일 12.5 나치 독일 1942년 3월 16일 전 세계 우주발사체의 시초 SLV 17 인도 1980년 7월 18일 최초 우주발사체, 세계 7위 R-7 세묘르카(스푸트니크 1호) 267 소련 1957년 10월 4일 최초 우주발사체, 세계 1위 치클론-3 189 우크라이나 1991년 9월 28일 구 소련으로부터 물려받은 우주발사체를 러시아에서 발사했다. (구 소련의 능력을 상속하였다.) 창정 1호 81 중화인민공화국 1970년 4월 24일 최초 우주발사체, 세계 5위 주노 I 29 미국 1958년 2월 1일 최초 우주발사체, 세계 2위 은하 3호 92 조선민주주의인민공화국 2012년 12월 12일 최초 우주발사체, 세계 10위 유로파 104 유럽 로켓개발기구 1968년 11월 30일 실패 최초 우주발사체, 오스트레일리아에서 발사했다. 아리안 1호 207 유럽 우주국 1979년 12월 24일 최초 우주발사체,프랑스령 기아나에서 발사했다. 소유스-U 313 러시아 1992년 1월 21일 구 소련으로부터 물려받았다. 샤빗 로켓 30 이스라엘 1988년 9월 19일 최초 우주발사체, 세계 8위 사피르 26 이란 2009년 2월 2일 최초 우주발사체, 세계 9위 블랙 애로우 18 영국 1971년 10월 28일 최초 우주발사체, 세계 6위. 오스트레일리아에서 발사했다. 람다 4S 9.4 일본 1970년 2월 11일 최초 우주발사체, 세계 4위 디아망 18.4 프랑스 1965년 11월 26일 최초 우주발사체, 세계 3위.알제리에서 발사했다. 나로호 140 대한민국 2013년 1월 30일 최초 우주발사체, 세계 11위 굵은 글씨는 현재도 발사 능력을 보유한 국가와 기관이다.
각주
- ↑ 한국과학창의재단 김재혁 선임연구원, 〈“세계 7대 우주강국 진입”… 한국형 발사체 누리호의 의미〉, 《사이언스타임즈》, 2021-11-25
참고자료
- 〈우주발사체〉, 《위키백과》
- 〈우주발사체〉, 《시사상식사전》
- 〈우주발사체〉, 《물리학백과》
- 한국과학창의재단 김재혁 선임연구원, 〈“세계 7대 우주강국 진입”… 한국형 발사체 누리호의 의미〉, 《사이언스타임즈》, 2021-11-25
같이 보기
