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로킷으로 상징되는 발사체기술은 인류가 가지고 있는 모든 지식의 총화라고 할 수 있다.

발사체개발기술은 우주개발을 위해서는 우선적으로 요구되는 기술이다. 지상에서 우주공간으로 위성체 등의 구조물이나 인간을 운반하기 위해서는 수송수단이 필요하다. 이러한 수송수단이 바로 발사체(Launch Vechicle)이다.
 

발사체라는 의미는 우리가 흔히 사용하는 로킷과 같이 쓰이기도 하지만 구별할 필요가 있다. 일반적으로 로킷은 지구표면에서 이륙하여 대기권의 저항을 뚫고 올려보내는 추진기관과 외형구조물을 의미한다. 그러나 우주공간에 물체(Payload)를 목적에 맞게 올리기 위해서는 강력한 부스트로킷(Boost Rocket)과 예정된 고도에서 궤도에 진입시키는 킥모터(Kick Motor), 궤도수정용 및 자세제어용 모터등 소형로킷이 필요하다.
 

발사체라는 의미는 이러한 각종 로킷을 결합한 수송체를 의미한다. 그러므로 모터 로킷 발사체순으로 좀더 큰 집합체가 되어 간다고 한다면 이해하기 쉽다.

우주에의 동경을 현실화
 

인간은 원래부터 창공에 대한 도전과 우주에 대한 동경을 갖고 있다고 한다. 우주에 대한 동경을 현실화 시켜주는 것이 바로 발사체가 된다.
 

세계최초의 로킷다운 로킷은 세계2차대전 종료직전에 독일군이 영국의 수도 런던을 공격했던 V-2로킷이라고 할 수 있다. 당시 독일 '페네문데' 우주센터에서 '폰 브라운' 박사팀에 의해 개발된 V-2로킷은 종전후에 바로 미국과 소련의 발사체 개발로 이어졌다. 미국은 폰 브라운박사를 위시하여 주로 연구진을 미국본토로 데려 갔고 소련은 기술진을 데려 갔다. 이렇게 하여 시작된 미·소의 우주개발경쟁은 지금까지 계속되고 있다.
 

당시 미국에서는 '고다드'(R.H.Goddard) 교수팀이 1930년대부터 로킷연구를 하고 있었다. 이들은 1944년에 '웩 코포럴'(Wac Corporal)이라는 고공탐사용 로킷(Sounding Rocket)을 성공리에 고도 70km까지 올렸다. 미국은 1949년 2월에 이 로킷을 폰 브라운박사팀이 개발한 V-2로킷위에 장착하여 무려 고도 3백90km까지 올리는데 성공하였다.
 

'범퍼 웩'(Bumper Wac)이라고 이름 붙혀진 이 로킷은 미국의 화이트 샌드(Whitesand)에서 발사되었다. 이후부터 미국의 로킷개발은 주로 군사적 목적에 의해 진행되었다. 즉 미국본토에서 소련까지 직접 공격할수 있는 대륙간탄도탄(ICBM)의 개발이 미육군을 중심으로 진행되었다. 인공위성을 운반하기 위한 발사체도 대륙간탄도탄의 개발결과에 따라 진행하는 것이 경제적으로 유리하다는 판단에서 우주발사체개발은 뒤로 미루어지게 되었다.
 

이러한 과정에서도 인공위성을 띄우기 위한 발사체의 연구는 부분적으로 이루어졌다. 미육군의 '레드 스톤'(Red Stone) 대륙간 탄도탄 위에 고체추진제로킷을 2단으로 연결시키는 발사체의 연구가 폰 브라운박사에 의해 연구되었고 미해군연구소에서는 '바이킹'(Viking)이라는 일단로킷을 개발하였다.
 

이 바이킹로킷은 그후 '뱅가드'(Vanguard)라는 3단로킷으로 발전하였다. 뱅가드로킷은 1단은 바이킹로킷을, 2단은 고공탐사용로킷인 에어로비(Aerobee) 로킷을, 3단은 고체추진제로킷을 장착하여 1957년 10월23일 첫번째 실험을 실시하였다.
 

미국의 이러한 발사체 개발 과정과 더불어 소련에서도 상당히 은밀한 연구가 추진되고 있었다. 독일의 기술자를 대거 본토에 데려간 소련은 원자탄을 운반할 수 있는 대형 로킷개발에 박차를 가하였다. 1957년 10월4일 드디어 소련은 세계를 놀라게 하면서 세계 최초의 인공위성인 스푸트닉(Sputnik) 1호를 지구궤도에 띄워 올렸다. 이 위성에는 무게가 84kg이며 지구표면에서 2백30km에서 9백40km까지의 타원궤도상의 공기밀도와 온도를 측정하는 계측기를 싣고 있었다. 이 위성을 올리는데 사용된 발사체는 SS-6대륙간탄도탄(ICBM)을 개량한 A형발사체였다.
 

그후 한달후 소련은 '라이카'(Laika)라는 강아지를 실은 스푸트닉 2호를 지구궤도에 올려보내는데 또다시 성공하여 우주개발에서 미국을 앞지르고 있다는 사실을 전세계에 과시했다. 이와 상대적으로 미국의 뱅가드계획은 계속 실패로 끝나고 만다. 이때 미국인의 자존심은 크게 땅에 떨어졌다.

미·소의 각축전
 

2차세계대전후 세계 최강국을 자부하던 미국이 소련에 의해 뒤지게 되자 미국은 매우 당황했다. 이때부터 미국은 과학기술진흥에 큰 집념을 보이고 무엇인가 보여주기 위한 결심을 한다. 우선 단기적으로 뱅가드계획을 보류하고 앞에서 언급한 폰 브라운박사팀의 레드스톤 발사체를 이용한 쥬피터C(Jupiter-C)발사체를 긴급히 개발할 것을 명령하고 유인우주선계획인 머큐리(Mercury)계획과 달착륙계획인 아폴로(Apollo)계획을 강력히 추진하게 된다.
 

그결과 1958년 1월31일 쥬피터C 발사체는 계획개시후 1백여일만에 드디어 미국도 소련에 이어 익스플로러(Explorer) 1호라는 인공위성을 지구궤도에 싣는데 성공한다. 그러나 이의 성공을 비웃듯이 1961년 소련은 또다시 보스톡(Vostok) 1호 우주선에 세계최초로 사람을 태운 유인우주비행을 성사시킨다. 이러한 세계 최초기록은 보스톡 3, 4호의 연속발사 후 랑데뷰, 보스톡 6호의 여성우주비행시도 등 미국의 달착륙성공까지 소련이 앞서 간다.
 

소련에게 계속 뒤지는 상태에서도 미국은 1958년에 설립된 미항공우주국(NASA)을 중심으로 1961년 5월5일 미국 최초의 유인우주비행계획인 머큐리계획을 성공시킨다. 계속하여 제미니(Gemini) 계획을 추진하고 각종 우주공간에서의 실험을 거친후 1969년 7월20일 드디어 인류역사상 가장 획기적분수령을 긋게 되는 달착륙에 성공하게 된다.

로킷은 첨단기술의 상징
 

로킷하면 국민학교학생부터 성인에 이르기까지 첨단기술의 상징으로 인식되고 있다. 이제 이러한 로킷을 개발하기 위해 필요한 기술은 어떠하고 그기술의 현황과 파급효과에 대해 살피기로 한다.
 

우선 발사체의 구성은 (표1)에서와 같이 탑재장비부분, 추진기관부분, 발사체 구조물부분으로 크게 나눌 수 있다. 탑재장비부분은 페이로드(Payload)라는 싣는 물체와 유도장치가 주가 된다. 페이로드는 인공위성을 실으면 인공위성이 페이로드가 되고 사람을 실으면 사람이 페이로드가 된다.
 

로킷의 종류는 (표2)에서와 같이 화학로킷과 비화학로킷으로 대별되고 다시 세부특징으로 나뉜다. 그러나 현재 사용되고 있는 로킷의 대개는 고체로킷과 액체로킷이다. 고체로킷과 액체로킷의 구별은 로킷의 추진에 쓰이는 연료 즉 추진체(Propellant)가 고체이냐 액체이냐에 따른 것이다.
 

액체로킷의 장점은 단위연료무게당 큰힘(추력)을 낼 수 있고 도중에 연소를 중단시킬 수도 있는 등 추력제어가 편리하나 구조가 복잡하고 액체연료의 취급이 매우 위험하다는 단점이 있다. 고체로킷의 장점은 구조가 간단하고 개발 및 제작이 쉬운점이 있으나 단점으로는 한번 연소를 시작하면 중단시키기가 어려워서 정밀한 추력제어가 어렵다는 점이 있다.

인류가 가진 지식의 총동원
 

발사체를 개발하기 위해서는 (표3)과 같은 복잡한 단계를 거쳐야 한다. 발사체는 개발에 드는 비용과 시간이 많이 요구되지만 정작 발사는 일순간에 이루어지게 된다. 그러므로 발사실패의 방지와 주어진 목적을 성공적으로 달성하기 위해서 발사직전까지 무수한 노력을 기울이게 된다.
 

개념설계 단계에서는 주어진 임무를 수행하기 위해서 어떠한 발사체가 적합할 것인가를 검토하게 된다. 발사체의 비행궤도분석, 발사체의 형상 및 크기, 추진체의 종류, 대기권내의 공력해석및 열해석, 유도제어 등과 관련된 수많은 검토사항을 계산하고 분석하게 된다. 이 일을 수행하는데는 물리 수학은 물론 기계공학 전자·통신공학 재료·화학공학 항공공학 등 이제까지 인류가 발견하고 창조한 지식과 기술이 총동원된다.
 

이렇게 하여 선정된 여러개의 계획안은 다음의 설계결정 단계에서 대체분석 및 예비설계 등을 거쳐서 최종설계안이 결정된다. 이과정에는 발사체가 외력과 추진력에 적합하게 설계되어 있는지를 알기위해 각종 응력해석(Stress Analysis)과 발사체 전체, 부분 동체, 각부품 순으로 진행되게 되며 추진기관의 설계, 유도제어방식의 결정, 탑재물에 대한 검토, 각종재료 선정 등에 필요한 각종 이론해석 및 기술검토가 이루어지게 된다.
 

이렇게 하여 결정된 설계요구사항은 다음의 세부설계 단계에 주어진다. 세부설계 단계에서는 이러한 요구사항에 맞게 설계를 하게 된다. 물론 이경우에 제작성을 고려하여야 하며 각종 해석팀과 기술팀이 계속 상호정보를 교환하고 설계안을 부분적으로 수정하면서 최종형태를 설계하게 된다. 이 단계에서는 설계와 별도로 각종 탑재장치와 부품에 대한 성능실험을 하게 된다.
 

이러한 단계가 끝나면 다음의 제작·실험단계로 가게 된다. 제작은 각 부품의 제작에서 시작하여 부분동체의 제작, 전체동체의 조립순으로 이어진다. 이와 함께 지상장비의 준비도 병행하게 된다.
 

또한 발사전에 지상에서 각종 실험을 하게 된다. 중요한 실험으로는 환경실험, 연소실험, 구조실험 등이 있다. 발사체에 탑재된 운반물체(Payload)는 지구상이 아닌 우주공간에 있게 되고 발사시와 회수시에 매우 큰 충격이 주어지게 된다. 이러한 환경에 견딜 수 있는지를 지상에서 실험하는 것이 환경실험이다. 이와 함께 이러한 환경에서 탑재된 장치가 제성능을 발휘하는지 여부를 알기위해 특성실험을 병행된다. 추진모터도 지상에서 충분히 연소실험을 수행하여 설계된 성능이 나오는지 확인한다.
 

다음으로 각 부분체와 발사체 전체를 대상으로 구조실험을 하게 된다. 구조실험은 가능한한 발사시에 받는 상태와 같은 최악의 조건을 지상에서 만들어서 실시한다. 이렇게 하여 수차 확인된 발사체는 최종적으로 그간에 준비해온 발사장에서 발사된다. 발사후도 실패든 성공이든 결과를 평가한다.
 

이와같이 발사체 개발 기술은 지금까지 인류가 지니고 있는 기술의 총화라 해도 무방하다. 그래서 우주개발기술은 시스팀기술의 결정체라고 하는 까닭이 여기에 있다. 우리가 우주개발을 위해 노력하면 모든분야의 기술이 같이 올라가게 되어있음을 지금까지의 미국 소련의 우주개발역사가 여실히 나타내 주고 있다.

「우주산업」이라는 용어 탄생
 

유럽 11개국의 공동출자방식으로 설립된 유럽우주기구(ESA)의 탄생은 이제까지의 미·소위주의 우주개발개념에 큰 변화를 주게 되었다.
 

그전까지는 우주개발의 목적이 인간의 꿈을 실현시킨다는 이상 아래 경제적측면보다는 군사적측면에서 신뢰를 찾으려 했다. 그 결과 우주개발 능력은 바로 그 나라 국력의 상징이 되다시피 했던 것이다.
 

그러나 순수한 경제적측면이 강조된 유럽우주기구의 탄생과 평화헌법문제로 군사적 우주개발이 금지된 일본의 적극적 우주개발참여결과는 인류에게 우주공간의 잠재적 이용가치를 실제적으로 보여주게 되었다.
 

이제 우주개발은 인류의 꿈의 실현이나 국력 과시용만은 아니다. 우주산업이라는 새로운 용어가 탄생되고 경제성이 이미 입증되고 있으며 20세기 초 부터는 최대의 산업으로 부상될 것임은 너무도 분명해지고 있다.
 

우주산업의 세계시장은 1983년도에 5백억달러였고 오는 1990년에는 1천억달러, 2000년에는 2천억달러 이상으로 전망되고 있는데, 여기에는 SDI(전략방위구상) 등의 군사목적은 포함되지 않은 수치이다.
 

분야로는 통신·정보 등의 우주정보자료산업과 발사체 위성체 등의 우주수송산업 그리고 위성체 이용산업으로 위성수신용안테나, 직접 위성수신 TV및 전화기, 텔리컨퍼런스(Tele-Conference) 장치 등 전자관련기기 및 시스팀산업은 그 수요를 예측하기 힘들 정도로 광범위하게 파급될 것으로 여겨지고 있다.
 

최근에는 군사목적의 우주개발도 크게 변화하고 있다. 이제까지의 대륙간탄도탄(ICBM) 경쟁은 '공격이 최선의 방위이다'라는 개념하에서 진행되었다. 적의 탄도탄을 방어하기 어려우므로 적공격시 바로 보복공격을 가해서 상호파멸이라는 위협으로 적의 공격을 심리적으로 차단시키는 것이다. 그러나 최근의 우주개발기술의 획기적 발전과 레이저(Laser) 기술 컴퓨터기술 발전에 힘입어 이제는 적공격시 즉시 보복공격을 하지 않고 적의 탄도탄을 우주공간에서 1백% 격추시키겠다는 계획이 추진중이다.
 

이 계획이 바로 미국에서 추진중인 소위 '별들의 전쟁'(Star Wars)이라고 알려진 '전략방위구상(SDI)'이다. 미국뿐만 아니라 소련 등에서도 비슷한 계획을 비밀리에 추진중인 것으로 알려지고 있다.
 

모든 구조물은 지상에서 발사체의 도움으로 올려져야 한다. 이러한 군사적 이용 이외에 우주공간의 이용은 앞에서 언급됐듯이 경제적측면에서 매우 희망적인 미래상을 보여주고 한다.
 

그중 하나가 태양발전위성 건설이다. 태양열은 우주공간에서 지표에 도달할 때 에너지의 태반이 상실되어 극히 일부만이 우리에게 도달한다.

우주공간에서 태양에너지를 집적 전기에너지로 바꾸고 다시 마이크로웨이브(Micro Wave) 형태의 에너지로 바꾸어서 지구에 송전하는 방식이 지금 한창 연구되고 있다. 5×6km의 태양전지판을 지구 정지궤도에서 고정시켜서 지구로 송전하면 5백만kW의 전력공급이 가능하다. 이는 우리나라의 전체사용량의 반에 해당된다.
 

이 경우 구조물의 무게는 3만t 정도여서 현재의 스페이스셔틀(Space Shuttle)이 30t 정도 운반가능하므로 1천배의 무게이다. 스페이스셔틀 50대가 1년간 10회씩 왕복하면 2년에 건설할 수 있는 것이다.

우주실험공장 건설도 추진
 

다음은 구체적으로 미·소, 유럽우주기구, 일본이 추진하는 계획에 우주실험 공장건설이 있다. 미국의 경우 1996년까지 완공예정으로 추진중인데, 3백20t 무게이고 8명이 상주가능한 우주정거장(Space station)이라는 항구적 인간거주연구소를 건설하는 계획을 갖고있다. 지구에서 5백km궤도를 선회할 우주정거장은 위성발사장이나 수리소, 지구관측소로 사용될 예정. 앞서 지적한 태양발전 우주위성건설의 전초기지도 될것이다.
 

소련은 비슷한 계획인 '샬류트'와 '미르라는 우주공장 건설계획을 착수하고 있는데 이 계획에 따르면 우주기지를 3백20km궤도에 둘 예정이고, 유럽우주기구 및 일본도 적극적이어서 20세기가 가기전에 달에 자원탐사기지를 건설할 계획도 갖고 있다 한다.
 

이렇듯 세계의 발사체 관련 개발추세는 이제 대류권내의 항공기와 같이 반복사용되는 방향으로 추진되고 있다. 특히 지구표면에서의 이동도 우주공간을 이용하려는 연구가 진행중이다. 현재 서울에서 워싱턴까지 13시간 소요되는 여행이 이러한 우주비행체가 탄생되면 2시간 이내로 단축될 것이다.
 

이 시점에서 이러한 연구개발에 대표적인 우주개발국가와 연구개발에 투자하는 예산을 살펴보면 (표4)와 같다. 미국은 우리나라의 1년 예산과 비슷한 금액을 우주개발에 투자하고 있으며 일본도 급격히 투자액을 늘려가고 있는 것이 인상적이다. 일본은 최근 무역흑자를 우주개발에 투자하고 있다고 한다.
 

우주공간에 존재하는 무한한 에너지이용, 달 등의 행성에서 자원을 얻는 자원 탐사계획 등은 분명히 꿈이 아니다. 이제는 주판으로 셈해볼만한 시기가 도래한 것이다.

한국형 우수개발 모델은?
 

우리나라의 우주개발기술에 대해서 소개하기 전에 앞서 소개한 세계의 우주개발 선진국을 크게 3그룹으로 나누어 볼 수 있다.
 

국가별 우주개발유형은 (표5) 에서와 같이 우주공간에 시설물을 설치하려는 우주개발주도국가 그룹과 산업적 측면에서 우주개발을 시도하는 우주기술 상품화국가 그룹, 그리고 실생활에 적용하기 위해 우주기술에 필요한 우주기술 응용국가 그룹으로 나누어 볼 수 있다.
 

우리나라의 현 위치는 우주기술 응용국가 그룹에 진입하려는 단계라 할 수 있다. 발사체 개발능력은 그간 지대지 장거리 유도탄 개발로 상당한 수준에 있음을 간간히 발표된 보도를 통해 알 수 있다.
 

우주개발 특히 발사체개발은 평화적이용과 산업적 측면에서 시도될 때 외국과의 국제교류와 기술이전이 용이하므로 우리나라의 우주개발 목표는 우주산업육성과 과학기술추진이라는 보다 실리적인 목표로 추진함이 필요하다. 이러한 목적을 위해 1986년 3월22일 국립천문대로부터 설립된 정부출연 연구기관이 천문우주과학연구소(ISSA ; The Institute of Space Science & Astronomy)이다.
 

천문우주과학연구소는 그간 수차례에 걸친 전문가들과의 자문, 정부, 관련연구기관과 협의끝에 한국형 우주개발 모델을 정립하고 연구개발사업 중장기계획을 수립하여 정부에 보고한바 있다.
 

본계획에 의하면 1991년까지 제1단계 사업으로 과학연구용 로킷 필수기술 연구와 발사능력 확보로 되어 있으며 다음의 1996년까지 제2단계사업으로 과학위성 설계및 운용기술 확보가 계획되고 있다. 다음의 2001년까지는 3단계계획에서 실용위성시스팀 설계및 운영기술확보를 목표로 하고있다.
 

이번 계획이 정부에서 승인되면 우리나라는 1991년 이후 부터는 과학연구용 로킷이 순수 우리의 힘으로 한반도 상공으로 발사될 수 있을 것이며 더우기 1996년 목표의 과학위성을 띄우기 위해서는 상당한 수준의 발사체가 필요할 것이다. 이러한 사업을 수행하기 위해서는 여러가지 거쳐야 할 단계가 있다. 각단계는 다시 보다 구체적인 세부과제로 나누어서 연도별로 추진계획을 수립하여 수행할 예정이다.

회의론을 극복하자
 

이러한 사업이 성공적으로 추진되기 위해서는 무엇보다 국민적합의와 지원이 필요하다. 우주개발 초기에는 반론이 많이 있을 수 있다. '무엇때문에 하는가?' '경제성이 있는가?' '과연 우리가 할 수 있는가?' 등의 회의적 견해가 자주 대두된다. 무릇 매사의 시작단계에는 이루어진 일이 없으므로 이러한 회의적 반론에 지배되기 쉽다. 그러나 이러한 회의적 견해에 우리 모두가 매달려 있으면 21세기의 우주산업국으로의 도약은 언제나 그 기간만큼 늦어지게 되고 경우에 따라서는 포기하여야할 상태로 갈 수도 있다. 우주산업은 분명 21세기에는 자동차 반도체산업을 능가하는 유망한 산업이 될 것이다.
 

발사체 수요는 급증할 것이고 우리가 발사체전체는 수출이 어렵다해도 부분체와 부품은 수출이 가능할 것이다. 과학위성개발 및 운용능력이 확보되면 관련 지상수신 전자기기 시장에 도전해 볼만하고 나아가서 위성정보처리 산업에도 진출 가능하다.
 

1995년의 세계시장 1천5백억달러의 1%를 우리가 점할 수 있다면 연간 15억달러 수출이 가능하며, 2000년에는 5%를 점할 수 있다면 연간 1백억달러 수출이 가능하다.
 

우리나라는 그간 VTR 세계시장의 15%를, 전자레인지시장은 50% 가까이 석권하는데 불과 5년 남짓 걸렸다. 각분야의 이러한 추세를 고려해볼 때 우리나라가 1990년대에 우주기술상품화 기술그룹에 진입하고 2000년대에는 현재 일본수준의 우주개발주도국가 그룹에 진입하는 것도 타당성이 있다. 이러한 계획을 추진하는 데에는 무엇보다도 꾸준한 연구개발에 대한 투자가 필요하다. 미·소를 제외한 각국 우주개발 예산은 GNP의 0.03%~0.09%정도 지출하고 있다.
 

우리나라가 GNP의 0.03%를 지출한다면 1987년 기준으로 우리나라 GNP가 1천억달러이므로 연간 2백40억원의 연구예산지출규모가 나온다.

2005년 정도에 현재의 일본 수준으로 올리기 위해서는 2005년에 예상되는 우리나라의 GNP 4천억달러의 0.06% 수준인 연간 2천억원의 규모의 연구개발이 투자되어야 한다. 이 시기가 되면 우리나라는 본격적인 우주산업국 위치에 있을 것이므로 연간수백억달러의 수출이 가능해 질 수 있을 것이다.