누리호 3단 엔진 고장 원인 조사 본격화

이해성 기자

입력2021.11.03 18:12 수정2021.11.03 18:38

과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 한국형발사체 '누리호' 3단 엔진 연소가 조기 종료된 원인을 규명할 '누리호 발사 조사위원회'를 구성해 3일 첫 회의를 열었다고 밝혔다.

과기정통부 관계자는 "이번 발사가 누리호를 개발하는 과정 중 실시한 '비행 시험'이었던 점을 고려해 조사위를 누리호 연구개발 담당기관인 항우연 연구진을 중심으로 구성했다"고 말했다.

현재 항우연 연구진들은 누리호 비행 추적 시스템이 설치된 전남 고흥 나로우주센터, 제주도, 팔라우 세 곳에서 계측한 2400여 개 비행 데이터를 확보해 분석중이다. 이들 데이터에 따르면 누리호는 1단 및 2단 비행시엔 추진제(산화제+연료) 탱크와 엔진이 정상 작동했다. 그러나 3단 비행구간에서 산화제 탱크 압력이 저하되면서 엔진 추력이 낮아져 연소가 일찍 종료된 것으로 확인됐다. 산화제 탱크 압력 저하 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 탱크 내 배관 또는 밸브 이상, 탱크 압력을 제어하는 센서 이상 등 여러 가능성이 검토되고 있다.

조사위는 최환석 항우연 부원장을 위원장으로 항우연 내부에서 한국형발사체개발사업본부 고정환 본부장, 오승협 추진기관개발부장, 민병주 발사체기술개발부장 등이 참여했다. 외부 전문가로 민성기 국방과학연구소 수석연구원, 방효충 KAIST 항공우주공학과 교수, 김정수 부경대 기계공학과 교수, 정상권 KAIST 기계공학과 교수, 박승용 대한항공 항공우주사업본부 팀장, 남궁혁준 현대로템 기술연구소 책임연구원이 위촉됐다.

이해성 기자

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국내 기술로 제작한 첫 한국형 발사체(KSLV-Ⅱ) 누리호가 지난달 21일 오후 5시 전남 고흥 나로우주센터에서 발사됐습니다. 지구 상공 700㎞ 지점까지는 성공적으로 올라갔는데 마지막 단계에서 1.5t짜리 위성 모사체를 궤도에 올려놓지 못했습니다.2010년 개발을 시작한 3단 발사체 누리호는 설계와 제작부터 시험, 인증, 발사에 이르기까지 전 과정을 국내 독자 기술로 수행했습니다. 한화에어로스페이스 현대중공업 등 300여 개 기업이 참여했죠. 1단 로켓은 추력(推力) 75t급 액체 연료 엔진 4기(300t)를 묶어(클러스터링) 한 치의 오차도 없이 작동했습니다. 75t급 액체 엔진 1기로 이뤄진 2단도 성공적으로 작동했죠. 7t급 액체 엔진 1기를 탑재한 3단은 계획된 521초보다 짧은 475초만 연소한 뒤 꺼져 위성 모사체가 궤도에 안착하는 데 필요한 속도(초속 7.5㎞)를 내지 못했습니다. 궤도에 진입하지 못한 위성 모사체는 지구로 떨어졌습니다.하지만 가장 어려운 과제인 1단 로켓이 지상 59㎞까지 날아올랐고 1·2·3단 로켓 및 위성 분리, 페어링(발사체 맨 윗부분 덮개) 분리까지 완벽하게 이뤄지면서 발사체의 비행 성능은 확보한 것으로 평가됩니다. 앞서 2013년 발사에 성공한 2단 발사체 나로호는 170t급 1단 엔진을 통째로 러시아에서 들여왔고, 우리는 2단만 개발했습니다. 나로호는 2009년과 2010년 두 차례 실패를 겪은 뒤 100㎏ 과학위성을 지상 300㎞ 궤도에 올려놓을 수 있었습니다. 나로호와 비교한다면 순수 국내 기술로 개발한 누리호는 첫 발사가 비교적 성공적이라고 봐도 되겠습니다.지금까지 1t급 위성을 자력으로 쏘아올린 나라는 러시아(1957년) 미국(1958년) 유럽(1965년) 중국(1970년) 일본(1970년) 인도(1980년) 등 6곳에 불과합니다. 첫 발사에서 성공할 확률은 30% 수준이라고 합니다. 이스라엘(1988년) 이란(2009년) 북한(2012년)은 실용위성인 1t급이 아니라 300㎏급 이하 발사 능력을 보유하고 있습니다. 무기 개발이 목적이었던 때문인 듯합니다. 로켓이 수직으로 발사돼 우주로 날아가면 우주발사체가 되지만, 각도가 기울어져 지구로 떨어지면 대륙간탄도미사일(ICBM)이 됩니다.한국은 내년 5월 2차 발사를 포함해 2027년까지 다섯 차례의 추가 발사를 통해 로켓기술 자립의 꿈을 달성할 계획입니다. 2030년에는 달 착륙을 목표로 하고 있습니다. 우주 강국으로 발돋움하려는 우리의 발걸음은 한층 빨라질 것입니다. 여러분은 우주로 나갈 준비가 되어 있나요.정태웅 한경 경제교육연구소 연구위원 redael@hankyung.com
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한국이 우주개발에 나선 것은 1992년 첫 인공위성 ‘우리별 1호’가 유럽의 아리안 발사체 V52에 실려 브라질 북부 프랑스령(領) 가이아나 쿠르기지에서 발사되면서부터입니다. 러시아의 전신인 옛 소련이 1957년 세계 첫 인공위성 스푸트니크 1호를 우주궤도에 올린 지 35년이 지나서입니다. 우리별 1호는 영국 세레이대학의 기술을 전수받아 제작한 48.6㎏의 소형 인공위성입니다. 고도 1300㎞ 궤도에서 영상 촬영 등 임무를 수행했죠. 1993년에는 순수한 우리 기술로 설계 제작한 ‘우리별 2호’가 발사됐고, 이후 20여개의 우리 위성이 우주에 올려졌지만 모두 다른 나라의 발사체에 실려서였습니다. 첨단기술의 총합 우주발사체발사체 기술은 국가 간 기술 이전이 엄격히 금지된 분야여서 우리가 독자 개발하기 어려웠습니다. 특히 1979년 체결된 한·미 미사일지침(MTCR)이 우리 로켓 기술 개발에 족쇄가 됐습니다. 일본에는 액체 로켓기술을 이전해준 미국이 1978년 한국의 비행거리 200㎞ 백곰 미사일 발사 성공에 놀라 미사일 개발 중단을 요구하면서 이 지침이 생겼죠. 당시 비행거리 180㎞, 탄두중량 500㎏으로 제한된 미사일 지침은 몇 차례 완화되다가 지난 5월 한·미 정상회담을 통해 42년 만에 종료됐습니다. 그동안 우리는 1993년 1단계 과학로켓(KSR-Ⅰ) 등 수차례 소형 발사체 개발을 추진하는 수준에 머물러야 했습니다. 과학로켓 1호는 화물중량 150㎏, 최고고도 75㎞였고, 이후 고도 258㎞까지 개량에 성공했지만 여전히 미흡한 수준이었죠.우주개발을 국가적 과제로 삼은 한국은 급기야 미국 대신 러시아와 기술협력을 하게 됐습니다. 2003년 3단계 과학로켓(KSR-Ⅲ)을 러시아와의 협력으로 쏘아올린 한국은 2008년 첫 한국인 우주인 이소연을 러시아 소유스 우주선에 태워 우주정거장(ISS)에 보냈고, 이어 본격적인 발사체 개발에 착수했습니다. 한국형발사체(KSLV-Ⅰ) 나로호는 1단을 러시아에서 통째로 들여왔고 2단은 우리가 자체 개발했습니다. 두 차례의 실패 끝에 2013년 100㎏의 소형위성을 궤도에 올려놓는 데 성공했죠.지난달 21일 700㎞ 상공에 쏘아올린 누리호는 ‘KSLV-Ⅱ’로 순수 우리 기술로 개발했습니다. 나로호 개발 과정에서 러시아 엔지니어가 흘리고 간 종이를 주워 밤새워 번역하고 그들이 버린 기름까지 몰래 분석하는 등 개발진의 눈물겨운 노력의 결과입니다. 누리호에 들어간 부품 37만 개 중 압력 센서, 온도 센서처럼 기성품을 쓸 수 있는 것을 빼고는 94.1%를 국산화했죠.우주개발은 과학기술의 최첨단입니다. 자동차에 2만 개의 부품(전기차 7000개), 비행기에 10만 개의 부품이 사용된다면 우주발사체에는 30만 개 이상의 부품이 들어갑니다. 특히 3400℃ 불꽃을 쏟아내며 지구 중력을 거슬러 올라가야 하고, 진공 상태에 초저온(대략 -270℃)인 우주공간에서도 제대로 작동하려면 정밀한 기술이 필요합니다. 예를 들어 연료를 태우는 데 필요한 액체 산소(산화제)를 담는 누리호의 탱크는 높이 10m, 지름 3.5m로 부품 가운데 가장 크지만 두께는 2㎜에 불과합니다. 발사체 무게를 줄이기 위해 얇고 가벼우면서도 대기압의 6배 정도인 내부 압력과 비행 중 외부에서 가해지는 힘을 견딜 정도로 강해야 합니다. 주성분은 알루미늄인데 이를 용접하는 것은 조선업 강국인 한국이 세계 최고 용접 기술을 갖고 있어 가능했습니다. 연료인 등유(추진제)와 초고온 가스가 흐르는 배관은 -200℃까지 견뎌야 하고 단 0.1㎜ 크기의 이물질이라도 혼입되면 오작동할 수 있어 극한의 정밀성을 요구하죠. 전자레인지 정수기 내비게이션 진공청소기 등은 그동안 우주개발과정에서 만들어진 제품입니다. 한화에어로스페이스 현대중공업 등 300개 국내 기업의 500여 명 연구자들이 누리호 개발에 참여한 것은 첨단 기술 개발과 그에 따른 경제적 파급 효과를 기대한 측면도 있습니다. 아직 갈 길이 먼 한국 우주개발누리호를 지상 700㎞까지 쏘아올리는 데는 성공했지만 우리의 우주개발은 아직 갈 길이 멉니다. 정부는 내년 5월 실제 위성을 실어 2차 발사에 나서는 등 2027년까지 다섯 차례 추가 발사를 통해 성능을 고도화한 뒤 달 탐사 등 차세대 우주개발 프로젝트를 추진할 계획입니다. 당장 내년에는 달 탐사선을 미국의 팰컨9 로켓에 실어 달 궤도에 보내고 2030년에는 달 착륙을 시도할 예정입니다. 830㎏짜리 달 탐사선은 약 38만㎞를 날아가야 하는 험난한 여정이죠.태양계 바깥까지 탐사선을 보낸 미국이나 우주정거장 건설을 위해 얼마 전 선저우 13호를 쏘아올린 중국은 물론 일본도 지구에서 3억㎞ 떨어진 소행성 ‘류구’의 토양 시료를 지구로 가져올 정도로 우주선진국들은 까마득히 앞서 나가고 있습니다. 블루오리진 스페이스X 등 미국 민간기업들은 자체 제작한 유인(有人) 우주선으로 우주 무중력을 체험하는 여행 상품도 내놓고 있죠. 우리가 뛰어놀 수 있는 무대를 무한의 우주공간으로 넓히기 위해 더욱 열심히 우주개발에 나서야겠습니다.정태웅 한경 경제교육연구소 연구위원 redael@hankyung.com
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항우연 "누리호서 페어링 2개 모두 정상 분리…지상에서 확인"

누리호 탑재 카메라 공개…"3단 엔진 조기 종료 원인 분석 중"지난 21일 한국형 발사체 '누리호'(KSLV-II) 발사 당시 위성 모사체(더미 위성)를 보호하는 덮개인 페어링이 정상 분리된 것이 지상에서 확인됐다.한국항공우주연구원 장영순 발사체체계개발부장은 27일 누리호 동체에 탑재된 카메라 영상 공개와 함께 진행된 온라인 기자간담회에서 "관계기관 협조를 받아 페어링이 분리되는 시점에 지상에 낙하물 2개가 떨어진 모습을 확인했다"고 말했다.이날 공개된 영상은 분리된 페어링 2개 중 하나가 지상으로 떨어지는 모습을 담고 있다.이와 함께 1단 엔진 정지와 분리, 2단 엔진 점화, 페어링 분리에 이어 3단 엔진 점화, 위성 모사체 분리까지 정상적으로 진행된 모습이 담겼다.다만 위성 모사체는 고도 700㎞까지 올라가고도 목표 속도인 원운동에 필요한 초속 7.5㎞를 내지 못해 궤도 진입에 실패했다.항우연은 위성 모사체가 지상으로 떨어졌을 것으로 추정했다.장 부장은 "1·2단 비행 과정은 예상 시퀀스대로 정상적으로 진행됐다"며 "3단 엔진이 제 속도를 내지 못하고 원래 연소시간보다 일찍 종료됐는데, 이는 카메라 시간대를 보고도 확인할 수 있다"고 설명했다.다음 2차 발사 때 발사 장면 생중계가 가능한지를 묻자 "영상 촬영은 페어링이나 위성 분리 등 이벤트가 제대로 진행되고 있는지 확인하기 위함인데, 아직 저희 발사체가 완벽하게 동작한다는 확신을 줄 수 없어 공개는 어렵다"며 "비행시험 단계라는 것을 이해해주길 바란다"고 답했다.항우연은 현재 3단 엔진 조기 종료 원인을 밝히기 위한 비행시험 데이터 기초 분석을 진행 중이며, 분석이 끝나는 대로 과학기술정보통신부와 발사조사위원회를 구성할 방침이다./연합뉴스