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안녕하세요~. 전남 고흥 나로우주센터에 나와 있는 이윤선 기잡니다. 지난 11월 28일 오후 4시, 누리호의 시험발사체가 하늘 높이 날아올랐습니다. 이로써 누리호 개발을 위한 시험발사체의 최종 관문을 통과한 셈인데요, 그렇다면 이번 발사에서 확인한 핵심적인 기술은 무엇일까요? 앞으로 또 어떤 과정이 남았을까요? 제가 직접 알아보겠습니다!

누리호 VS 시험발사체

우광쾅쾅~! 굉음과 함께 날아오른 시험발사체는 10여 분을 비행한 뒤 바다로 떨어졌어요. 이번 발사는 2021년 우주로 날아갈 누리호 발사에 대비해 75t급 엔진의 비행 성능을 시험하기 위해 이뤄졌지요. 그렇다면 시험발사체는 누리호와 어떤 점이 다를까요?

시험발사체는 75t급 엔진 성능 검증이 주 임무!

누리호는 발사체의 개발과 조립, 발사까지 모든 과정을 우리나라 과학자들이 직접 진행하고 있는 ‘한국형 우주 발사체’예요. 지구 저궤도(600~800km)까지 날아올라 1.5t급 인공위성을 올려놓는 게 임무지요. 오는 2021년, 전남 고흥 나로우주센터에서 발사될 예정이랍니다.

현재 한국항공우주연구원이 개발 중인 누리호는 3단형 우주발사체예요. 1단(4기)과 2단(1기)에 75t급 엔진이, 3단에 7t급 엔진 1기가 사용되지요. 누리호가 나로우주센터에서 발사되면 1단부터 차례로 연소되며 점차 높은 고도로 날아오를 거예요. 엔진 점화와 단 분리를 반복해 원하는 궤도에 인공위성을 올려놓을 수 있지요. 

한편 시험발사체는 누리호가 실제로 발사되기 이전에 여러 가지 성능을 확인하기 위해 만들어진 발사체예요. 시험발사체는 누리호의 2단 부분에 해당돼요. 우리나라에서 개발한 75t급 엔진이 제대로 작동하는지, 이 엔진의 힘으로 발사체가 원하는 높이까지 날아오르는지 확인하는 것이 주 임무였지요. 그래서 2021년 발사할 누리호와 달리 시험발사체는 우주 궤도에 진입하지 않고, 단이 분리되거나 위성을 탑재하지 않았답니다.

75t급 엔진, 클리어!

과학자들은 이번 발사가 우리나라에서 개발한 75t급 액체엔진의 비행성능을 확인한 핵심 과정이라고 말했어요. 그리고 엔진의 성능을 확인하기 위해 이미 수차례의 연소 시험을 진행했지요. <;어린이과학동아>;는 지난 7월 나로우주센터에서 진행한 종합 연소시험을 직접 취재하고 왔답니다.

75t급 엔진 154초 동안 타올라!

‘우르르르~, 콰광쾅쾅쾅!’

천둥이 치듯 굉음이 울리더니, 이내 붉은 화염과 함께 연기가 피어올랐어요. 순식간에 건물과 주변 산이 연기로 뒤덮였지요. 지난 7월 5일, 전남 고흥 나로우주센터의 연소시험장에서 진행된 75t급 액체엔진의 종합 연소 시험을 성공하는 순간이었답니다.

당시 현장에서는 안전을 위해 연소시험장과 1.4km 떨어진 연구동 옥상에서 광경을 지켜보았어요. 하지만 엔진의 위력은 기자가 있던 1.4km 떨어진 연구동에서도 충분히 느껴질 정도로 어마어마했지요. 현장에 있던 사람들은 점화가 시작되자마자 하나 같이 시계를 들고 시간을 재기 시작했어요. 엔진이 연소하는 시간을 통해 엔진이 제대로 작동하는지 확인할 수 있거든요.

엔진은 안에 있던 연료를 태워 힘을 만들고, 그 힘으로 무거운 로켓을 위로 들어올려요. 중력보다 더 큰 힘으로 로켓을 원하는 위치까지 들어올리기 위해선 충분한 시간 동안 연료를 태워야 하지요. 발사체의 실제 비행시간은 140초! 종합 연소 시험에서는 이 시간보다 14초 더 긴 154초 동안 엔진이 작동되었어요.

이번 시험발사체 최종 발사에서도 75t급 엔진은 목표 시간보다 더 오래 연소하는 데 성공했어요. 총 151초간 연소하면서 140초였던 목표 시간을 10여 초 정도 넘겼지요. 이로써 한국형발사체의 핵심기술인 75t급 엔진의 성능을 완벽하게 검증할 수 있었답니다.

한국한공우주연구원 발사체추진기관체계팀 백승환 박사는 “나로호 발사 이후 우리나라는 발사체 제작이나 시험에 필요한 시설을 갖추었다”며 “여기에 나로호 때의 경험을 토대로 75t급 액체엔진을 비교적 짧은 시간에 개발할 수 있었다”고 설명했어요.

75t급 엔진, 4개로 묶는다!

앞으로 과학자들은 75t급 엔진 4기를 한꺼번에 묶는 클러스터링 연구에 집중할 예정이에요. 이는 1단에 사용되는 엔진으로, 300t급의 힘을 낼 수 있지요. 그러나 클러스터링은 단순히 75t급 엔진 4기를 묶는 것이 아니라, 하나의 엔진처럼 작동시켜야 해요. 또 엔진의 수가 늘어난 만큼 발사체가 더 많이 흔들릴 수 있기 때문에 자세를 제어하는 기술도 필요하지요. 또 1, 2, 3단을 오차 없이 정교하게 조립하는 기술도 필수적이랍니다.

한국형발사체개발사업본부 고정환 본부장은 “우주발사체는 낮은 *추력을 가진 엔진 여러 개를 묶는 방식(클러스터링)과 고출력의 엔진 하나를 쓰는 방식으로 나뉘는데, 클러스터링이 요즘 추세”라며 “누리호의 성공적인 발사를 위해 6개의 엔진 중 5개를 같은 엔진으로 사용할 예정”이라고 밝혔답니다. (*추력 : 물체를 운동 방향으로 밀어붙이는 힘.)

누리호 발사를 향해 한 걸음 더!

과학자들은 그동안 성공적으로 진행된 엔진 연소 시험과 시험발사체 성공을 통해 한국형 우주발사체인 누리호 개발에 한 발짝 다가섰다고 말했어요. 1단 크기의 시험발사체로 여러 성능을 검증했다면, 이제는 누리호와 같은 크기인 3단형 발사체로 실제 발사를 위한 과정을 거치게 되지요. 과연 누리호 개발을 위해 어떤 단계가 더 남아있을까요?

3단형 발사체 누리호로 꿈에 다가서다!

시험발사체를 개발하고 발사할 때까지 총 3종류의 발사체 모델을 만들어요. 첫 번째 단계는 체계개발모델(EM)이에요. 각 부품을 조립하고 기능이 제대로 작동하는지 확인하는 과정이지요. 다음 단계는 인증모델(QM)이에요. 엔진이 잘 작동하는지 지상에서 연소 시험할 때 사용하는 모델이지요.

비행모델(FM)은 실제로 하늘에 날려 발사체의 모든 성능을 최종적으로 검증하는 모델이에요. 이번에 발사된 시험발사체도 비행모델에 포함돼요. 이때에는 발사 과정에서 발생하는 진동과 소음, 전자파는 물론 우주 환경과 같은 진공상태에서도 잘 버티는지 확인하는 시험이 이뤄진답니다.

이제부터는 본격적으로 누리호 개발을 위해 3단 크기의 발사체를 연구할 계획이에요. 시험발사체 때와 마찬가지로 체계개발모델부터 만들어 여러 가지 성능을 시험해요. 이후 인증모델과 비행모델 조립과 점검까지 통과해야, 최종적으로 누리호가 발사대에 오를 수 있답니다.

● 인터뷰  <;누리호 개발자들의 이야기>;

“높이 솟아오르는 발사체처럼 잠재력을 발휘해 보세요!”

2021년 누리호의 성공적인 발사를 위해 80여 개 기관 1000명의 개발진이 힘을 모으고 있어요. 발사체와 희노애락을 함께한 과학자들의 이야기를 직접 들어봤어요!

Q1 시험 발사를 준비하면서 가장 기억에 남는 일은 무엇인가요?

Q2 <;어린이과학동아>; 친구들에게 한 말씀 부탁드려요!

엔진시험평가팀 조남경 박사

A1 지난 2016년 5월, 75t급 엔진의 첫 연소 시험이 있었어요. 엔진이 연소될 때 진동이 얼마나 큰지 400m 이상 떨어진 곳에서도 진동을 온몸으로 느낄 수 있었지요. 그동안의 고생이 눈 녹듯 녹아내렸고, 마음 속에 있던 열정이 다시 끓어오르는 걸 느낄 수 있었어요. 이제는 우리가 직접 개발한 엔진을 우주로 보내도 되겠다는 생각이 들어 뿌듯하답니다.

A2  어린이는 발사체 연료와 같다고 생각해요. 발사체 연료 속에 숨겨진 에너지가 발현되면, 무거운 발사체를 우주까지 들어 올리는 어마어마한 힘을 발휘하지요. 이처럼 어린이들은 비록 작지만 그 안에 숨겨져 있는 잠재력이 무한히 커요. 이를 발휘하면 우리나라와 세계를 변화시킬 수 있을 거라고 믿어요. 모두 잠재력을 발휘해서 발사체처럼 높이 솟아오르기를 기대합니다.

발사체추진기관체계팀 백승환 박사

A1 발사시퀀스를 만들어 작동시켰을 때의 일이에요. 우리는 발사시퀀스가 시작된 이후 어떤 지점에서 멈추도록 설정했어요. 그러나 시퀀스 프로그램은 멈추지 않았지요. 마치 신호등에 빨간 불을 켜 놨는데, 자동차가 이를 무시하고 지나가는 것처럼 말이에요. 이럴 때는 하나씩 뒤로 돌아가면서 의심이 되는 점을 찾아야 해요. 그러다 보면 사소한 실수나 전혀 생각하지 못했던 문제가 발견되곤 한답니다. 이를 방지하기 위해 시험을 수없이 반복했지요.

A2 아마 어린이 친구들도 앞으로 이렇게 당황스러운 상황을 겪을지도 몰라요. 예상했던 일이 일어나지 않거나, 원인을 알 수 없는 문제를 만날 수도 있지요. 하지만 포기하지 말고 끝까지 해결하려고 노력해 보세요. 이 과정에서 스무고개를 넘는 듯한 재미는 물론, 한 차례 발돋움 한 나를 발견할 수 있을 거예요. 

발사대팀 문경록 박사

A1 일반적으로 발사대는 발사체를 잡아 두는 하나의 구조물로 생각하기 쉬워요. 하지만 실제로 발사대는 발사체를 지지하는 구조물이면서, 동시에 연료의 저장과 공급, 발사체 제어 운용 설비 등을 모두 포함해요. 그야말로 넓은 지역에 걸쳐 있는 대규모 복합 시스템이지요.

따라서 발사대팀은 발사에 필요한 과정 전체를 이해하고, 각 부분의 담당자와 수시로 만나서 상의하고 협의해야 해요. 마치 여러 악기를 조율해 아름다운 화음을 내는 오케스트라처럼 말이지요. 발사대 시스템 개발 담당자들은 기나긴 개발과정을 보상받는 뿌듯함은 물론, 발사대와 건물을 오르내리면서 생긴 튼튼한 다리 근육을 선물로 얻었답니다.

시험발사체 관문을 무사히 통과한 누리호는 본격적으로 개발이 시작될 예정이에요. 2021년까지 수많은 과정을 거치며 3단 발사체의 위용을 뽐낼 예정이지요. 누리호가 나로우주센터 발사대에서 멋지게 발사되는 그날까지, 많은 관심 가져 주세요~!