[지식정보] 우주 발사체 현황

2022년 6월 21일 우리의 독자 개발 우주발사체 '누리호'가 인공위성을 싣고 우주 저궤도로 성공적으로 날아갔다. 한국은 세계에서 7번째로 자체 개발한 발사체를 우주로 쏘아 올린 국가에 등극했다. 2022년 8월 3일에는 한국 최초 달 탐사 위성 '다누리'가 미국 스페이스X의 팰컨9을 이용해 달로 간다. 한국의 이노스페이스는 액체와 고체 로켓을 합친 하이브리드 기술의 소형 발사체 업체다. 대한항공도 발사체 상단부에 들어갈 2단 3t급 엔진을 2027년 목표로 개발 중이다.

일론 머스크의 스페이스X는 부분 재사용이 가능한 팰컨9 로켓을 주력으로 이미 세계 발사체 시장을 60% 이상 점유했다. 스타십을 100% 재사용 로켓으로 개발하면서, 로켓을 자주 발사하고, 추진체의 빠른 재사용, 발사 비용 하락으로 규모의 경제를 달성하고 있다. 팰컨9은 2010년 6월 첫 발사부터 2022년 4월 말까지 150회 이상 발사됐다. 비행 중 폭발은 2015년 6월에 한 번 있었다. 팰컨9의 1~50회 발사에는 8년(2010~2018년)이라는 기간과 회당 발사에는 평균 56.6일이 걸렸다. 1단 추진체 재사용은 7회였고, 이 기간에 디자인과 성능 개선이 많이 진행됐다. 팰컨9의 51~100회 발사는 2년 8개월(2018년 3월~2020년 11월) 동안 평균 19.4일에 한 번꼴로 발사됐고, 1단 추진체 재사용은 35회였다. 54번째 비행(2018년 5월 11일)에 사용한 팰컨9은 '블록5' 버전의 1단 추진체를 사용했다. 이 모델은 1단 추진체의 지상 착륙 성공률을 높이고, 간단한 정비로 최대 10회까지 재사용할 수 있으며 전체적인 재정비로 100회까지 재사용이 가능하다. 같은 4월 말 현재 1단 추진체 최다 재사용 횟수는 12회다. 블록5는 2020년 5월 30일 우주정거장으로 가는 첫 유인우주선 발사와 그 후 여러 차례 유인 우주비행 미션을 성공했다. 팰컨9의 101~150회 발사는 1년 5개월(2020년 12월 6일~2022년 4월 27일) 걸렸고, 발사된 모든 팰컨9의 1단이 블록5다. 평균 10.1일마다 발사돼 1단 추진체 재사용이 47번이나 된다.

러시아의 우크라이나 침공 이후 세계 발사체 물량이 스페이스X, ULA(록히드마틴과 보잉 합작사), 아리안스페이스(프랑스) 등 검증된 발사체 기업으로 몰리고 있다. 러시아가 시장에서 퇴출되고 있기 때문이다. 영국의 우주 인터넷 기업 원웹도 올 3월 초 러시아 소유즈 로켓을 이용한 통신위성 발사를 중단하고, 스페이스X와 발사 계약을 새로 체결했다. 러시아는 2021년에 로켓을 25회 발사해 세계 발사체 시장을 17% 차지하고 있다. ULA는 2022년 말까지 최신형 '벌컨 센타우르' 로켓을 상용화한다. 로켓 1단에 사용할 BE-4 엔진은 아마존의 블루오리진이 제작 중이다. 이로써 ULA의 운용 발사체는 델타, 아틀라스-5, 벌컨으로 늘어나고 발사 횟수와 중량도 늘어난다. ULA는 2021년 델타를 1회, 아틀라스-5를 4회 발사했다. 아틀라스-5의 1단 추진체에 사용하는 러시아산 엔진은 올해 필요한 발사 수량을 이미 확보했다.

아리안스페이스는 2022년 최신형 발사체 아리안-6를 첫 상용 발사하면서 아리안-5, 베가, 아리안-6 등 발사체를 운용하게 된다. 그동안 유럽우주국과 러시아가 체결한 발사체 협력 프로그램으로 2011년부터 러시아 로켓을 남미 기아나에서 발사해왔다. 아마존의 블루오리진은 현재 1단 로켓을 재사용하는 대형 로켓 '뉴 글랜'을 개발 중이며 한 번에 인공위성 60기를 운송할 계획이다. 그동안 2015년 개발한 발사체인 '뉴 셰퍼드'를 우주 관광용에 사용했다.

중국은 1970년 '창정 1호' 발사체가 인공위성을 궤도에 올려놓으면서 현재 '창정 11호'까지 발전해 왔다. 400여 회 발사를 통해 위성 수송, 유인 우주비행, 우주정거장 건설 등을 수행했다. 창정 8호는 2022년 2월에 22개 위성을 각기 다른 궤도에 올려놓았고, 창정 9호는 우주 탐사, 창정 11호는 발사 기간 단축은 물론 지상과 해상에서도 발사할 수 있다.

한국의 누리호는 국내 기술로 개발한 3단 액체로켓으로 1단은 75t급 액체엔진 4개, 2단은 1개, 3단은 7t급 액체엔진으로 구성돼 있다. 누리호에 들어갈 엔진의 성능을 검증하기 위한 시험발사체는 2018년 11월 28일 성공적으로 발사됐으며, 누리호의 첫 발사는 2021년 10월 21일 이뤄졌다. 누리호 1차 발사에서는 '1단, 페어링, 2단, 위성모사체 분리' 등의 모든 비행 절차가 성공적으로 완료됐지만, 로켓에 실렸던 위성모사체(더미위성)의 궤도 안착에는 실패했다. 그러나 2022년 6월 21일 진행된 2차 발사는 성공적으로 이뤄지면서 우리나라는 전 세계에서 7번째로 1톤(t)급 실용 위성을 우주 발사체에 실어 자체 기술로 쏘아올린 나라가 됐다.

자료: https://www.ajunews.com/view/20220608090949972

https://www.dongascience.com/news.php?idx=54053

위키피디아

스페이스X

아리안스페이스

https://www.dongascience.com/news.php?idx=53372

델코지식정보

https://www.delco.co.kr/

http://www.retailon.kr/on/

1. 스페이스X의 로켓 재사용

자료: https://www.dongascience.com/news.php?idx=54053

스페이스X는 부분 재사용이 가능한 팰컨9 로켓을 주력으로 이미 세계 발사체 시장의 60% 이상을 점유했다. 여기에 ‘게임 체인저’라 불리는 100% 재사용 로켓 스타십의 운영이 조만간 시작된다. 스페이스X 진화 방향은 로켓을 최대한 자주 발사하고, 한번 사용한 팰컨9의 1단 추진체를 최대한 빨리 수리해 다시 사용하여, 로켓 발사 당 비용이 지속적으로 낮아지는 ‘규모의 경제’를 달성하는 것이다. 또 축적된 비행 데이터를 이용해 발사 빈도를 높이면서, 발사의 안전성과 성공률을 최대한 끌어올린다.

스페이스X의 도전은 2010년 6월 4일 팰컨9의 첫 발사와 함께 시작됐다. 이때부터 2022년 4월 말까지 팰컨9은 150회 이상 발사됐으며, 비행 중 폭발은 2015년 6월에 한 번 있었다. 2022년 들어 4월말까지 17회 발사가 이루어졌다.

발사1회-50회 기간

팰컨9은 매 50회 발사를 전후로 발사 빈도는 더 빨라지고, 재사용 1단 추진체의 사용 비율도 높아지고 있다. 팰컨9의 첫 발사부터 50번째 발사까지는 8년(2010~2018년)이 걸렸다. 당시 로켓 조립동에서 발사장까지의 운송, 로켓의 핵심인 엔진 보급 등이 원활하지 않았다. 이 기간에 팰컨9은 평균 56.6일에 한 번꼴로 발사됐다. 한번 발사 후 수리를 거쳐 재사용하는 1단 추진체를 사용한 비행은 7회였다.

팰컨9의 유일한 비행 중 폭발도 2015년 6월 28일 발생했다. NASA 의뢰로 국제우주정거장(ISS)에 보내는 화물을 운송하던 팰컨9은 발사 139초 후 2단 로켓에 있던 액체산소 탱크에 문제가 생겨 비행 중 폭발했다. 2021년 10월에 발사된 한국의 누리호도 이와 유사한 원인으로 위성 모사체를 궤도에 올리는 데 실패했다. 사고 당시 사용된 팰컨9의 1.1 버전은 2016년 2월 발사를 마지막으로 퇴역했다. 지상에서 연소시험을 하던 도중 팰컨9이 폭발하는 사고도 이 기간에 있었다. 사고는 2016년 9월 1일에 발생했는데 당시 발사대에 세워져 있던 팰컨9의 2단 액체산소 탱크가 폭발했고, 그 결과 로켓은 물론 탑재되어 있던 이스라엘의 통신위성 에이모스(Amos)-6도 함께 파괴됐다. 스페이스X는 팰컨9의 디자인 및 성능개선 작업을 다수 진행했고, 그 결실이 다음 50번 발사 때 나타났다.

발사51회-100회 기간

팰컨9의 51번째 발사는 2018년 3월 30일, 100번째 발사는 2년 8개월이 지난 2020년 11월 25일에 있었다. 이 기간 팰컨9은 평균 19.4일에 한 번꼴로 발사됐고, 그중 35회는 1번 이상 사용된 재사용 1단 추진체를 이용해 추진됐다. 2018년 5월 11일 54번째 비행은 ‘블록 5’라는 버전의 1단 추진체를 사용한 첫 번째 팰컨9 발사로 특별한 의미가 있다..

블록5는 기존 설계와 부품에서 많은 것이 개선됐다. 우선 1단 추진체를 더 많이 그리고 빠르게 생산하고, 1단 추진체의 지상 착륙 성공률을 더 높이고, 추진체를 쉽고 빠르게 재정비해 재사용할 수 있도록 하였다. 블록5 버전의 1단 추진체는 한번 발사 후 간단한 정비를 통해 최대 10회까지 재사용한다. 전체적인 재정비를 하면 최대 100회까지 재사용이 가능하다. 2022년 4월 말 현재 1단 추진체 최다 재사용 횟수는 12회다. 지난 3월 19일 B1051이라는 이름의 추진체가 이 기록을 처음 세웠고, 4월 21일 B1060 역시 이 기록을 달성했다. 그 밖에 B1058 11회, B1049 10회, B1061 7회, B1062 6회, B1059 6회, B1048 5회 등을 기록하고 있다.

스페이스X는 블록5의 첫 비행 2년 후인 2020년 5월 30일 첫 유인우주선 발사에 성공했다. NASA 우주인 두 명을 팰컨9 상단에 실린 크루 드래건 캡슐에 태우고 국제우주정거장(ISS)을 향해 성공적으로 비행했다. 그 후 스페이스X는 ISS와 지구를 오가는 다수의 유인우주비행 미션을 성공적으로 수행했다.

발사 101회-150회 기간

팰컨9의 101번째 발사는 2020년 12월 6일에 있었고, 150번째 발사는 2022년 4월 27일로 1년 5개월 만에 50회 발사를 했다. 평균 10.1일에 한 번씩 발사가 진행됐고, 50번 발사 중 47번이 재사용 1단 추진체를 사용했다. 이 기간 발사된 모든 팰컨9의 1단이 ‘블록5’이다. 로켓의 성능 및 효율성 개선에 블록5가 결정적인 역할을 했다.

지금 스페이스X는 두 가지 궁금증을 풀기 위해 노력하고 있다. 첫 번째는 1단 추진체를 실제로 몇 번까지 재사용할 수 있는가다. 이는 12회 재사용된 1단 발사체 2기(B1051·B1060)가 답이 된다. 두 번째는 한번 사용된 1단 추진체를 다시 발사에 투입하는 데까지 걸리는 시간을 최대한 얼마큼 줄일 수 있는가다. 이 답은 3주 내 재사용이다. 스페이스X는 2022년 지난 4월 29일 스타링크 위성을 발사했는데, 이 발사에 사용된 1단 추진체는 이로부터 3주 전인 4월 8일 민간 우주인 4명을 국제우주정거장으로 보내는 액시엄-1 미션에도 사용됐다.

2. 러시아 퇴장과 세계 발사체 시장 재편

자료: https://www.dongascience.com/news.php?idx=53372

러시아 제재를 지지하는 많은 정부와 기업들이 소유즈를 포함한 러시아 발사체의 ‘시장 퇴출’을 지지하고 있다. 영국의 우주 인터넷 기업 원웹은 2022년 3월 초 소유즈 로켓을 이용한 자사 통신위성의 발사를 전면 중단했다. 러시아는 2021년 로켓을 총 25회 발사해 세계 발사체 시장(총 145회 발사)에서 약 17%를 차지했다.

러시아 발사 물량은 미국의 스페이스X와 프랑스의 아리안스페이스 같은 실력이 검증된 발사체 기업으로 몰리고 있다. 이들 기업은 예정된 발사 횟수나 중량을 조정해 유입되는 물량을 최대한 소화하고 있다. 원웹도 새롭게 스페이스X와 통신위성 발사 계약을 체결했다.

스페이스X는 독보적인 발사체 재사용 기술로 저렴하면서 신뢰도 높은 발사 서비스로 말미암아 세계 발사체 시장에 60% 이상을 점유하고 있다. 수직 계열화된 내부 공급망과 재사용이 가능한 부스터(1단 추진체)를 다수 보유하고 있기 때문이다. 인공위성의 긴박한 발사가 필요한 고객을 위한 예비공간도 있다. 필요할 경우 스타링크 통신위성의 발사 스케줄을 조정해서 로켓에 고객의 위성을 싣을 공간을 마련할 수도 있다.

록히드마틴과 보잉의 합작사인 유나이티드 론치 얼라인언스(ULA)는 2022년 말까지 최신형 ‘벌컨 센타우르’ 로켓을 배치할 예정이다. 구체적인 발사 일정은 로켓 1단에 사용되는 BE-4 엔진의 납품시기에 따라 결정된다. BE-4 엔진은 제프 베조스가 이끄는 미국의 우주기업 블루오리진이 제작하는 것으로 현재 최종 품질 테스트가 진행 중이다. 벌컨의 배치가 예정대로 진행되면 ULA이 운용하는 발사체는 델타, 아틀라스-5, 벌컨으로 늘어나고 자연히 발사의 횟수와 중량도 늘어날 것으로 전망된다. ULA는 2021년 델타를 1회, 아틀라스-5를 4회 발사했다. 아틀라스-5의 1단 추진체에 러시아산 RD-180 엔진이 사용된다. 그래서 우크라이나 전쟁 발발 이후 아틀라스-5의 운용이 어려워질 수 있지만, ULA는 2022년 예정된 발사에 필요한 수량은 이미 확보하여 한동안 어려움은 없어 보인다.

프랑스의 아리안스페이스는 이르면 2023년 최신형 발사체 아리안-6의 첫 상용 발사를 한다. 예정대로 진행되면 아리안도 아리안-5, 베가, 아리안-6 등 세종류 발사체를 운용하게 된다. 아리안은 유럽우주국(ESA)과 러시아가 체결한 발사체 협력 프로그램을 지원하는 형태로 2011년부터 러시아산 소유즈 로켓을 남미에 있는 프랑스령 기아나에서 발사해오고 있다. 하지만 이는 우크라이나 전쟁 발발 이후 전면 중단됐다.

3. 중국의 우주발사체

자료: https://www.ajunews.com/view/20220509151512653, 월간 중국

1970년 4월 24일 ‘창정 1호’ 우주발사체가 중국의 첫 번째 인공위성인 ‘둥팡훙(東方紅) 1호’를 궤도에 올려놓는 데 성공하면서, 중국은 세계에서 다섯 번째로 인공위성을 자력 발사할 수 있는 국가가 되었다. 반세기 동안 창정 로켓은 창정 11호까지 발전해 왔다. 400여 차례의 발사를 통해 위성 수송, 유인우주비행, 우주정거장 건설 등 임무를 성공적으로 수행하였다.

‘창정 2호’는 현재 중국에서 유일하게 유인우주 비행에 쓰이는 로켓 모델이다. ‘창정 3호’는 100%의 발사 성공률을 기록하고 있다. ‘창정 4호’는 주로 태양동기궤도(SSO) 위성 발사에 이용된다. ‘창정 5호’는 몸집이 가장 크고 탑재 능력이 뛰어나며, 독성과 오염이 없는 냉장 액화 산소와 액화 수소 연료를 사용한다. ‘창정 6호’는 중국 로켓의 재활용 기술 공백을 메웠다. ‘창정 7호’는 현재 중국 우주발사체의 주역으로 80% 정도의 발사 임무를 맡고 있다. ‘창정 8호’는 2022년 2월 27일, 하나의 로켓으로 22개의 위성을 각기 다른 궤도에 올려놓았다. ‘창정 9호’는 우주 탐사다. ‘창정 11호’는 작지만, 발사 준비기간을 시간 단위로 축소시켜 지상이나 해상에서 발사할 수 있어 중국의 우주 쾌속 진입 능력을 향상시켰다.

4. 한국형 우주 발사체

자료: https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3377330&cid=43667&categoryId=43667

누리호

국내 기술로 개발한 3단 액체로켓으로 1단은 75t급 액체엔진 4개, 2단은 1개, 3단은 7t급 액체엔진으로 구성돼 있다. 누리호에 들어갈 엔진의 성능을 검증하기 위한 시험발사체는 2018년 11월 28일 성공적으로 발사됐으며, 누리호의 첫 발사는 2021년 10월 21일 이뤄졌다. 누리호 1차 발사에서는 '1단, 페어링, 2단, 위성모사체 분리' 등의 모든 비행 절차가 성공적으로 완료됐지만, 로켓에 실렸던 위성모사체(더미위성)의 궤도 안착에는 실패했다. 그러나 2022년 6월 21일 진행된 2차 발사는 성공적으로 이뤄지면서 우리나라는 전 세계에서 7번째로 1톤(t)급 실용 위성을 우주 발사체에 실어 자체 기술로 쏘아올린 나라가 됐다.

누리호는 한국항공우주연구원 등이 국내 독자 기술로 개발한 탑재 중량 1500kg(총중량 200톤), 길이 47.2m의 3단형 로켓이다. 2010년부터 지상 600~800km 궤도에 위성을 쏘아 올릴 수 있는 성능을 갖추기 위해 개발이 이뤄졌으며, '누리'라는 명칭은 공모전을 통해 선정한 것으로 '우주까지 새 세상을 개척한다'는 의미를 담고 있다. 누리호는 2018년 11월 시험발사체 발사(성공)에 이어 2021년 10월 1차 발사(실패)가 이뤄졌으며, 2022년 6월 21일에 진행된 2차 발사가 성공적으로 이뤄졌다. 누리호는 이후 2027년까지 4차례에 걸쳐 신뢰도 확보를 위한 추가 발사가 이어진다.

누리호(KSLV-II) 1차 발사는 2021년 10월 21일 오후 5시 나로우주센터에서 이뤄졌다. 누리호는 발사 직후 우주 700km 고도까지 상승하며 '1단 분리 → 페어링 분리 → 2단 분리 → 위성모사체(더미(Dummy) 위성) 분리' 등의 모든 비행절차를 성공적으로 마쳤다. 하지만 목표 궤도 진입에 필요한 속도(7.5km/s)를 내지 못해 계획한 궤도 안착을 이루지 못하면서 최종 단계에서 실패했다. 그러나 누리호는 위성모사체 분리까지의 모든 절차는 성공시키면서, 세계 7대 우주강국 진입에 성큼 다가섰다는 평가를 받았다. 실제로 전 세계적인 우주 선진국들도 자체 개발한 첫 우주 발사체의 성공 비율은 27%에 불과하다.

이 1차 발사의 실패를 보완한 뒤 이뤄진 누리호 2차 발사는 2022년 6월 21일 오후 4시 나로우주센터에서 진행됐다. 고도 700km의 궤도에 올려 초당 7.5km의 속력으로 지구 주변을 안정적으로 돌도록 하는 목표로 발사된 누리호는 발사 뒤 정남향으로 비행하면서 ▷123초경에 고도 62km에서 1단 분리 ▷227초 후 고도 202km에서 페어링 분리 ▷269초 후 273km에서 2단 분리 ▷872초 후 고도 700km 도달 및 성능검증위성 분리 ▷922초 후 위성 모사체 분리 등 모든 과정을 완벽히 수행했다. 이후 성능검증위성이 계획된 궤도에 안착했고 남극 세종기지간 첫번째 접속도 성공했다. 이로써 우리나라는 자력으로 1톤급 실용 위성을 발사하는 능력을 입증한 7번째(러시아, 미국, 유럽(공동), 중국, 일본, 인도에 이어 무게 1톤 이상 실용위성 발사체를 쏘는 데 성공한 일곱 번째) 국가에 이름을 올렸다.

누리호에 이르기까지 우리나라의 발사체 개발 역사

우리나라는 1990년부터 고체연료를 쓰는 1단형(KSR-1)과 2단형(KSR-2) 과학로켓 개발에 뛰어들며 기술 축적에 나섰고, 2002년에는 우리나라 최초의 액체 추진 로켓인 KSR-3을 개발해 2002년에 발사했다. 이때부터 우주발사체 개발에 착수한 우리나라는 2013년 3번의 발사 시도 끝에 100kg급의 과학위성을 지구 궤도에 올려놓을 수 있는 저궤도 발사체인 나로호(KSLV-I) 발사에 성공했다. 그러나 나로호는 핵심기술인 1단 로켓을 러시아에서 도입하면서 반쪽 성공이라는 평가를 받았다. 이후 우리나라는 1.5t급 위성을 저궤도에 올려놓을 수 있는 한국형 발사체(KSLV-II, 누리호) 개발을 진행했으며, 이는 시험발사체 발사(2018)와 1차 발사(2021년 실패)를 거쳐 두 번째 도전 만에 성공을 거뒀다.

KSR 1·2·3호

우리나라의 본격적인 과학로켓 연구는 1990년 항공우주연구소(현 한국항공우주연구원)가 탄생하면서 시작됐다. 그리고 1993년 1단 고체로켓인 과학관측로켓 1호(KSR-I)가 발사에 성공한 데 이어 1998년에는 2단 고체연료 로켓인 과학로켓 2호(KSR-Ⅱ)발사도 모두 성공적으로 이뤄졌다. 다만 KSR-Ⅰ과 KSR-Ⅱ의 성공에도 이들의 추진력과 연료(고체연료)로는 인공위성을 쏘는 것이 불가능했다. 여기에 한·미 미사일협정으로 고체로켓을 만드는 데도 어려움이 있자, 우리나라는 액체연료 로켓엔진 개발에 돌입하게 된다. 이에 1997년 말부터 액체연료 로켓 개발에 들어간 결과 2002년 11월 과학로켓 3호(KSR-Ⅲ) 발사가 이뤄진다. KSR-Ⅲ은 액체연료 케로신과 액체 산화제를 추진제로 사용한 것이 특징으로, 당시 최고 고도 42.7km까지 올라갔으며 비행거리는 79.5km, 비행시간은 총 231초를 기록했다. 이 로켓은 추력이 12.5t에 불과했지만 향후 우리나라의 액체연료 로켓 개발의 기초가 됐다.