NEXT 나로호, 미리 보는 한국의 달 탐사

2013년 1월 30일은 나로호 발사에 성공한 역사적인 날이다. 10년의 노력 끝에 300km의 우주궤도에 도달한 우리나라는 이제 그 이상의 고도에 도달하기 위한 계획을 준비하고 있다.

나로과학위성보다 2배 이상 고도가 높은 700km가 첫 번째 계획이고 1,000배 이상 거리가 먼 38만 4,400km가 두 번째 계획이다. 700km는 1,500kg규모의 지구탐사위성을 위한 고도이고 38만km는 달탐사위성을 위한 고도로, 모두 넥스트(next) 나로호로 진행 중인 한국형우주발사체가 책임지게 된다. 특히 달 탐사는 나로호 성공 이후 본격적으로 논의되고 있다.

한국형 발사체는 700km의 태양동기궤도에 1,500kg의 위성을 발사할 수 있으며 이보다 고도가 낮은 300km에는 2,600kg이나 되는 화물을 운반할 수 있다. 달 탐사에서 3단형의 액체로켓으로 이루어진 한국형 발사체의 임무는 300km의 고도에서 끝나게 되며, 이곳에서 달 궤도까지 긴 타원궤도를 만들기 위해 필요한 추가분의 속도는 일종의 4단 로켓이 역할을 맡게 된다.

관련 연구에 의하면 4단은 최대 추력 10톤의 고체로켓과 분당 60회 회전을 통해 자세를 안정화하는 단순한 방법이 적합할 것으로 예상하고 있다. 2,010kg으로 예상되는 4단 로켓을 빼고 나면 달 탐사선의 무게는 550kg 정도가 될 전망이다.

현재 논의되고 있는 달 비행 시나리오는 다음과 같다. 2020년, 달 탐사선은 나로우주센터에서 한국형 발사체에 실려 나로과학위성과 같은 발사 방위각(비행경로를 정동쪽에서 시계방향으로 잰 각도) 80도로 발사돼 300km의 고도에 먼저 머물게 된다. 지구 저궤도에 진입하면 일단 1차 관문은 통과한 것이다.

이곳에서 달 탐사선은 달로 가기 위한 준비 작업을 하게 된다. 이런 종류의 중간 궤도를 ‘주차궤도’라 하는데, 여기서 각종 점검을 거친 후 투입 시간에 맞춰 4단 로켓을 점화한다. 필요한 속도증분은 3.1km/s로 비행시간은 3~6일 정도가 소요된다. 달 근처에서는 달 탐사선에 내장된 소형 로켓(추력기)을 이용해 달 궤도 투입을 진행하게 된다. 달 궤도선의 경우 달의 남북을 도는 궤도 경사각 90도에 100km의 고도가 예상된다. 지구에서 100km의 고도면 위성이 지구의 대기 때문에 곧 추락하고 말겠지만 달은 대기가 없어 낮은 고도의 위성이 가능하다.

달착륙선의 경우에는 달 상공 100km의 궤도에서 잠시 머물며 착륙을 위한 마지막 점검을 한다. 그 후 내장된 소형 로켓(추력기)으로 궤도 이탈을 한 후 히드라진 연료를 이용한 단일 추진제 추력기 3~6개를 묶은 역추진 로켓으로 임무 지역에 착륙하게 된다. 이미 2012년 12월 항공우주연구원의 항공센터(전남 고흥)에서 ‘달착륙선 지상 시험용 모델’을 이용한 역추진용 추력기의 성능과 착륙제어성능을 확인하는 실험을 실시한 바 있다. 달 착륙에 필요한 기반 기술을 확보하기 위한 작지만 소중한 첫발을 내디딘 셈이다.


[그림]고흥항공센터 내에 설치된 200N급 5기의 추력기가 장착된 달탐사선 지상시험모델과 화염(좌)과 달 환경 가상현실 시뮬레이터(우). 사진 출처 : 한국항공우주연구원

그럼 달착륙선은 어디에 착륙하는 것이 좋을까? 달은 크게 바다라고 불리는 철, 마그네슘이 포함된 어두운 현무암 지역과 칼슘, 알루미늄이 포함된 밝은 현무암 지대로 이루어진 대륙으로 나뉜다. 바다는 저지역이면서 크레이터(crater, 미행성이나 혜성, 유성체 등이 천체 표면에 충돌하여 만들어진 접시 모양으로 움푹 파인 구덩이)가 적은 반면 대륙은 고지대이면서 크레이터가 많다. 지구에서 보이는 달의 앞면에는 바다가 많고 우리가 영원히 볼 수 없는 달의 뒷면에는 대륙이 많은 편이다.

달의 뒷면은 단 한 번도 착륙선이 내린 적 없는 미지의 영역이라 우리나라 최초의 착륙선에 큰 의미가 될 수 있겠지만 지구와 통신을 주고받을 수 없어 달 궤도상에 릴레이 위성을 배치해야 한다. 이에 비해 달의 앞면은 늘 지구를 향해 있어 통신을 주고받거나 비상상황에 대비하기에 적합하다. 따라서 안전한 착륙을 위해서는 달 앞면의 중위도 지역이 될 것이다. 그러나 흥미로운 탐사 임무를 위해서는 얼음이 있을 것으로 예상돼 최근 달 탐사의 ‘핫 스팟’으로 주목받고 있는 극지점에 가까운 고위도를 선택할 수도 있을 것이다.

문제는 달궤도선이든 착륙선이든 한국형 발사체를 이용할 경우, 560kg의 탐사선에 위성의 기본 요소인 구조계, 추진계, 항법/자세제어계, 전력계 등을 제외하면 과학탐사임무를 수행할 탑재체의 무게가 매우 적다는 것이다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 전체 무게 중 가장 많은 부분을 차지하는 4단 로켓의 연료를 줄여야만 한다.

그렇다면 연료를 대폭 줄이고도 달에 갈 수 있을까? 기존의 화학추진장치가 아닌 획기적인 미래형 전기추진 장치라면 가능하다. 화학적 연소가 아닌 전기적인 힘으로 추진제를 밀어내는 전기추진에는 대표적으로 이온 엔진이 있다. 이 엔진은 이온화된 추진제를 자기장을 이용해 분사하는 것으로, 분사 입자의 질량이 매우 가벼워 그 속도가 기존 화학추진장치에 비해 5배 이상이나 되는 장점을 가지고 있다.

단점은 분사 입자의 질량이 가벼워 추력이 매우 작다는 것이다. 따라서 달까지 가는데 2~3주의 긴 시간이 소요되지만 기존 로켓의 절반정도의 무게만 실어도 되는 장점을 가지고 있어 탑재체의 무게를 대폭 증가시킬 수 있다. 나로호 1, 2차에 실렸다가 지구로 추락한 비운의 과학기술위성2호에는 우리나라 최초의 전기추진장치인 펄스형 플라즈마 추력기가 탑재된 바 있다. 아쉽게 우주에서 실험은 못했지만 관련 기술은 확보하고 있다.

달 탐사선에 요구되는 기술은 기존의 위성 제작 기술과 상당 부분 유사하다. 따라서 위성 제작과 운영 경험이 풍부한 우리에게 달 탐사선은 한 단계 업그레이드된 기술을 확보하는 좋은 도전과제가 될 것이다. 물론 달탐사를 완벽히 성공하기 위해서는 탐사선뿐 아니라 신뢰성 있는 로켓 기술과 우주항해 및 자동 착륙 기술, 달 탐사선이 송신하는 미약한 전파를 포착하기 위한 30m급의 대형 안테나로 이루어진 심우주 지상국 확보가 필수적이다.

300km를 날기 위해 우리는 10년의 노력을 들였다. 38만km를 날기 위해서는 어떨까? 나로호가 단 9분 만에 마하25에 도달했듯, 2020년경에는 3~4일이면 달에 갈 수 있는 시대가 올 것이다.

글 : 정홍철 과학칼럼니스트(스페이스스쿨 대표)

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나로호의 세 번째 도전! 발사에서 임무 완수까지

오는 2012년 10월 26일, 나로호의 마지막 카운트다운이 시작된다. 운명의 비행시간은 540초. 우주공간에 인공위성을 투입하는데 소요되는 시간은 고작 9분밖에 되지 않는 것이다. 9분의 비행으로 2002년부터 우주의 문을 열고자 한 우리의 첫 번째 노력은 막을 내리게 된다. 즉, 나로호는 한국형우주발사체 개발을 위한 첫 번째 단계로 원래 명칭은 한국형우주발사체-1(KSLV-1)다.

나로호를 개발하는 동안 러시아에서 선진 로켓기술을 제공받을 것으로 기대했지만, 러시아의 역할에 변화가 생기면서 결국 1단 전체를 완제품으로 제공받는 모양새가 되고 말았다. 러시아가 제공한 로켓은 놀랍게도 기존의 발사체가 아닌 차세대 우주발사체로 설계도를 그리고 있던 신형의 ‘앙가라’였다. 앙가라는 바이칼 호수와 연결된 강의 이름에서 따왔다. 나로호속에는 앙가라 로켓이 숨어 있는 것이다.

이미 많은 우주발사체를 가진 러시아가 새롭게 앙가라 로켓을 개발하게 된 가장 큰 이유는 연방 붕괴 후 주변 나라로 흩어져 있는 발사체 생산과 발사의 자립화, 세계 발사체 시장에서 앞으로도 우위를 점하기 위한 저렴한 발사체를 개발하기 위해서다. 저렴한 발사체란 제작, 조립, 발사가 간단하고 간편해 비용이 적게 소요되는 것을 말한다.

보통 러시아는 로켓을 개발하는 과정에서 추력(추진력)이 높은 대형엔진 1개보다 추력이 낮은 엔진을 여러 개 묶어 높은 추력을 내는 방식을 사용했다. 이 방식은 대형엔진 개발에 많은 시간을 뺏는 연소불안정 등의 문제를 줄일 수 있지만 로켓의 제작과 조립을 복잡하게 만든다. 이에 러시아는 4개의 연소실로 이루어진 RD-170엔진에서 1개를 떼어내어 연소실 하나로 이루어진 RD-191엔진을 개발, 앙가라에 부착한 것이다. 나로호 1단용으로 개조된 앙가라 로켓에는 이 엔진의 변형 모델로 추력을 낮춘 RD-151엔진이 사용되고 있다.

이렇듯 나로호 1단의 엔진은 심플하게 1개로 구성돼 있다. 하지만 이 엔진이 만들어 내는 추력은 170톤에 이른다. 1개의 연소실로 이루어진 액체 추진제 로켓엔진으로서는 현존하는 최고의 성능이다. 사실 RD-191 엔진은 190톤의 추력을 낼 수 있지만, 우주발사체는 보통 자신의 몸무게의 1.2배 내외를 적절한 추력으로 본다. 나로호가 약 140톤인 점을 고려해 추력이 170톤인 RD-151로 맞춘 것이다.

나로호 1단 엔진의 가장 큰 특징은 추진제(연료+산화제)를 100% 활용하는 효율에 있다. 액체로켓의 경우 추진제를 연소실로 보내기 위해서는 펌프와 이를 돌리기 위한 터빈, 이 터빈을 돌리기 위한 소형의 연소실(가스발생기)이 필요하다. 다시 말해 나로호 1단에는 연소실이 2개가 있는 셈이다. 각각 별도의 연료를 사용하기도 하지만 로켓기술이 발달된 경우, 가스발생기나 주엔진에 같은 연료를 사용해 엔진의 구조를 단순화시키고 무게를 절감하게 된다. 그리고 이보다 높은 기술은 가스발생기에서 사용된 불완전 연소한 연료를 버리지 않고 주엔진으로 보내 다시 연소시키는 것이다. 보다 고온고압의 연소가스를 얻을 수 있어 최상의 성능을 얻을 수 있다. 이런 엔진은 버리는 연료 없이 모두 사용할 수 있어 보다 무거운 위성을 발사할 수 있게 만들어 준다.

나로호의 1단 로켓에는 2개의 날개가 달려있다. 이런 날개는 미사일에서 흔히 볼 수 있지만, 우주발사체에는 없는 것이 보통이다. 이 날개는 나로호 1단에 1개의 엔진밖에 없기 때문에 필요한 것이다. 나로호 1단은 엔진이 움직이면서 방향을 조정하는 ‘김벌형’ 엔진이다. 1개의 엔진으로 피치(비행방향 상하)와 요우(비행방향 좌우)축의 움직임은 제어할 수 있지만, 롤(회전)축은 제어할 수 없게 된다. 이에 나로호는 날개모양의 공기 역학적 표면을 이용해 롤축의 움직임을 제어하고 있는 것이다.

나로호 1단은 발사 3분 52초 후 고도 193km에서 분리되지만, 그 역할이 끝나는 것은 아니다. 1단의 분리 후에도 우리 기술로 만든 상단(2단 킥모터, 위성, 전자탑재부)이 고도 300km까지 상승할 수 있도록 만들어주는 힘은 순전히 1단에서 온 것이다. 그만큼 1단의 속도는 매우 빠르다. 이런 빠른 속도를 내기 위해 나로호 1단 무게의 93%는 추진제로 이루어진다. 엔진과 연료통 등 구조물의 무게는 겨우 7%에 지나지 않는다. 아주 극한의 다이어트를 한 것이다.

300km까지는 나로호 1단의 도움을 받았지만 이것으로 위성이 되는 것은 아니다. 300km에는 대기가 거의 없어 위성이 자리하기에 최저의 높이라 할 수 있지만, 여기에도 중력은 존재하기 때문에 중력을 이길만한 속도에 이르지 못하면 다시 추락하고 만다. 나로호 1차 발사가 실패한 이유가 바로 이 때문이다.

300km에서는 최저 속도 7.7km/s는 돼야 하는데, 나로호 1단으로 모자란 속도는 2단 킥모터가 제공하게 된다. 킥모터는 궤도로 마치 공을 차듯이 위성을 차(킥) 넣어주는 고체추진제 로켓(모터)을 말한다. 고도가 아닌 속도만 증가시키기 위한 로켓이라 특별한 이름이 붙은 것이다. 무게는 1,800kg으로 나로호 1단 무게에 2%도 미치지 못하는 소형 로켓이지만, 나로과학위성이 궤도에 진입하기 위한 궤도속도의 50%정도를 책임지고 있다. 나로호 1단은 대기 중을 상승하며 중력과 공기 저항 등으로 속도를 잃지만 2단은 우주에서 작동하기 때문에 이런 손실이 거의 없어 보다 효과적으로 위성에 속도를 부여한다.

2단 킥모터가 작동하는 동안 자세제어는 전자탑재부에 있는 소형 가스분사형 추력기의 도움을 받아 이루어진다. 발사 540초 후 연소가 끝난 2단 킥모터에서 나로과학위성은 분리되지만 나로호의 임무는 끝난 것은 아니다.

2단 킥모터가 궤도속도에 도달했다 해도 마지막까지 마음을 놓아서는 안 된다. 빈껍데기인 2단이 나로과학위성과 충돌하는 아찔한 사고가 발생할 수 있기 때문이다. 이에 전자탑재부에 있는 추력기로 충돌 및 위성 오염 회피기동을 하게 된다. 이것으로 나로호의 임무는 끝나게 된다. 나로호의 3번째 도전, 이번에는 반드시 발사에 성공해 한국형우주발사체가 탄생하기를 기대해 본다.

글 : 정홍철 과학칼럼니스트(스페이스스쿨 대표)

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