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지난해 우리 손으로 발사된 과학 1·2호는 비록 무유도 1단로켓에 불과하지만, 한반도 상공의 오존층 분포를 성공적으로 측정했다. 과학 1·2호에서 축적된 기술로 2단 중형로켓을 개발해 본격적인 대기탐사를 수행할 예정이다.

1963년 6월 4일 충남 태안군 안흥시험장에서는 우리나라 최초의 국산 과학로켓이 자체개발된 이동식 발사대에서 성공적으로 발사됐다. 1호기의 최대고도는 39.0km, 3분간 비행하면서 한반도 상공의 오존층을 탐사했다. 9월1일에는 1호기의 성능 자료를 활용해 최대고도를 49.4.km로 높인 2호기기 발사됐다.

과학 1,2호는 한반도 상공의 오존층 탐사를 성공적으로 수행함으로써 대기환경 보호에 대한 세계적 추세에 능동적으로 대처하고 과학로켓의 설계 제작에 대한 국내 기술진의 잠재적 가능성을 보임으로써, 우리나라는 군사적이 아닌 평화적 우주개발을 추구하는 세계적 추세에 본격적으로 동참할 수 있게 됐다.
 

오존층 특성 분석

과학 1,2호의 탑재부에는 오존 측정 장치를 싣고 있다. 오존을 측정하는 방법은 오존기체가 자외선 파장 영역의 태양복사에너지를 흡수하는 물리적 성질을 활용했다. 오존측정기는 4개의 라디오미터와 태양센서로 이루어져 있다. 이들은 로켓 표면에 부착돼 로켓이 상승할 때 오존양과 로켓의 자세각을 측정한다.

광튜브와 간섭계 필터로 이루어진 오존측정기는 2백55, 2백90, 3백10, 4백50nm(10-9m) 파장대의 자외선 복사흡수량을 측정한다. 태양센서는 로켓표면에 나 있는 가는 슬릿을 통해 들어오는 빛의 각도를 측정해, 로켓이 얼마나 기울어져 있는가에 따른 오존측정값의 차이를 보정해준다.

측정된 신호는 5V 이내의 값들로 S밴드를 이용해 1백60kbps의 전송속도로 지상국에 전송됐다. 이들 초기자료는 몇가지 보정을 거쳐 오존량의 수직분포도가 구해졌다. 이를 비슷한 시각에 미국항공우주국(NASA)의 인공위성이 측정한 한반도 상공의 오존량 분포와 비교해본 결과 차이가 크지 않다는 것을 얻기 위해 돕슨광도계를 이용한 지상측정도 동시에 실시됐다.

측정값은 약 25km 부근에서 5×${10}^{12}$/㎤로 최대치를 보이고 있다. 이 값을 놓고 볼 때 한반도 상공의 오존층상태는 아직 크게 우려할 정도는 아닌 것으로 판명됐다(그림1).
 

최대 도달 고도가 핵심

이번에 개발된 과학로켓은 전체 길이 6.8m, 이륙무게 1.4t, 몸체 지름 0.42m의 1단형 무(無)유도로켓이다. 일반적으로 과학로켓의 성능은 최대 도달 고도를 중시한다. 낙하 거리 및 낙하 분산반경은 장거리를 비행하는 무유도로켓의 특성상 오차가 크기 때문에 크게 중요시하지 않는다.

그러나 발사 지역의 여러 제한 조건들이 있어 떨어지는 예상지점을 크게 벗어나면 안되기 때문에 낙하 분산반경을 줄이는 노력이 필요하다. 낙하 분산반경을 줄이기 위해서는 유도제어장치를 사용하는데, 과학 1,2호는 핀의 경사각을 이용한 로켓 회전에 의해 분산반경을 최소화했다.

과학 1·2호는 발사각과 무게중심 조종용 하중에 따라 최대고도 35-75km의 범위 내에서 측정 임무에 따라 조종하여 발사하도록 설계됐다. 이중1호는 로켓의 성능시험과 1차 오존층탐사에 목적을 두고 있으며 발사각 66.6도로 발사됐다. 이에 따라 최대성능의 약 60% 정도인 39.0km까지 도달해 약 3분간 비행한 후 수평거리 77.1km 지점에 낙하했다.

과학2호는 1호에서 측정된 각종 로켓 성능 자료를 활용해 최대고도를 향상시켰다. 발사각은 69.3도로 조정돼 최대고도 49.4km까지 도달했다. 낙하 수평거리는 1백1.2km.(그림2).

과학 1,2호는 비행하는 동안 오존측정 이외에도 로켓 각부의 온도 응력 압력 가속도를 측정해 실시간으로 완벽하게 지상국에 원격 송신했다.

과학로켓은 발사 못지않게 결과분석이 중요하다. 특히 과학1,2호는 처음 수행하는 시험발사이기 때문에 더욱 그러하다. 설계 예상치와 실제 상황이 어떻게 차이가 나는지가 다음 단계의 로켓발사에 결정적인 영향을 미치는 것. 비행결과분석은 먼저 원격 측정된 가속도로부터 비행전 예측된 로켓의 추력과 공기저항의 오차를 추정하고, 오차교정을 거친 비행속도에서 바람의 영향을 보정하는 형식으로 이루어진다.

최초로 개발된 로켓의 경우 4-5회의 비행특성 분석을 수행함으로써 개발된 로켓에 대한 정확한 특성을 정립하고, 본격활용단계에서는 이 성능에 대한 확인과정을 밟는다.
 

90년 7월에 착수

과학 1,2호는 한국항공우주연구소를 중심으로 대학 산업계가 협동연구로 수행한 국책 과제로 국내에 있는 기존 제작 시험시설들을 최대한 활용한 것이 특징. 90년 7월에 착수한 과학1호는 해석은 물론 설계 전과정을 컴퓨터로 수행했으며, 설계된 형상은 축소모델로 풍동시험을 실시해 로켓의 안정성과 성능을 검증했다.

항공우주연구소에서 설계된 도면에 의해 1991년 하반기부터 각 전문업체는 부품개발에 착수했다. 추진기관은 1천5백psi(pound/${inch}  ^{2}$)이상의 고압과 2천-3천5백℃의 고열에 견뎌야 하기 때문에 각 분야 전문업체들의 참여 없이는 불가능했다. 이 사업을 통해 로켓 앞부분에 탑재되는 오존측정기를 비롯한 각종 측정기와 전자장치의 70% 이상을 국산화했다. 과학 1,2호에 채택된 전자 송수신기술은 요즘 각광받고 있는 이동통신 기술에 기여할 것으로 기대된다.

로켓을 탑재한 발사대는 신속하게 이동할 수 있는 차량견인식으로 개발됐다. 움직이는 부분은 모두 유압으로 자동화했으며 고도와 방위각 등을 0.1도 이내로 정밀조정이 가능하도록 제작했다. 이동식 발사대로는 세계 수준에 뒤지지 않는 기술을 확보한 셈이다.

개발된 로켓은 발사 후에 빠른 속도와 심한 진동으로 인해 힘을 받는 동시에 지상과는 환경조건이 다른 대기 중에서 작동해야 하기 때문에 발사 전에 가상으로 똑같은 조건을 만들어 철저한 지상시험을 거쳐야 한다. 실제 로켓과 동일한 모델을 만들어 92년 6월부터 철저한 지상시험을 수행했다. 93년 초부터는 개발된 탑재전자장치와 측정기기를 앞부분에 장착해 지상진동시험을 실시했으며 심한 충격 등 극한환경에서 작동되는지도 검증했다.

로켓은 고성능 화약이 타는 힘으로 나아가기 때문에 성공적 연소는 매우 중요하다. 실제 발사 후에 힘과 압력이 제대로 나오는지를 검증하기 위해 총 5회의 지상연소시험을 거쳤다. 최종 2회는 실제 발사될 로켓의 추진기관과 동일한 규모로 실시했다.

항공우주연구소는 1단형 과학로켓 개발로 축적된 기술을 바탕으로 1993년 11월부터 2단형 중형로켓 개발에 착수했다. 2단형 중형 로켓은 최대고도가 약 1백70km까지 가능하므로 오존층 탐사뿐 아니라 이온층 탐사, X선 탐사 등 본격적인 대기탐사가 가능하다. 2단로켓은 낙하지역이 한정되므로 유도제어시스템을 장착할 예정이며, 나중에 탑재부를 다시 찾을 수 있도록 회수시스템을 도입할 예정이다. 2단 중형 로켓은 1996년에 시험 발사될 예정이다.