한국형발사체

한국형발사체 개발사업에 의해 개발중인 대한민국의 우주발사체. KSLV-II라고도 한다.

1 개요

나로호와는 달리 순수하게 우리나라에서 독자 개발중인 발사체이며, 2019년에 첫 발사가 예정되어 있다. 총 3단 액체로켓으로 만들어질 예정이고, 300km 지구저궤도에 2.6톤 700km~800km 태양동기궤도에 1.5톤의 화물을 실어나를 수 있는 성능을 목표로 하고 있다. 나로호가 100kg의 위성을 300km 궤도에 올려놓는 성능을 가진것에 비교해볼때, 기술실증용 시험발사체의 성격이 강했던 나로호와는 달리 한국형발사체는 실제로 써먹을 수 있는 실용 발사체로 개발될 예정이다.

2 설계

총 3단으로 구성되어 있으며 KARI에서 개발할 75톤급 액체로켓엔진 (추력 735 kN) 과 7톤급 액체로켓엔진을 사용한다. 1단에는 75톤급 엔진 4개를 묶어 총 300톤의 추력을 낼 예정이고, 2단에는 75톤급 엔진 하나만 사용, 3단에 7톤급 엔진 하나를 사용한다. 이렇게 중형급 엔진 여러개를 묶어서 쓰고 여러 단에 공통적으로 사용하는 방식은 미국의 팰컨 9 로켓과 흡사한데, 이렇게 하면 각 단마다 다른 엔진을 사용하는것보다 기술적으로 단순하고 엔진을 개발하는 비용도 낮출 수 있다.#

1단 하단에 4개의 75톤급 엔진이 클러스터링된 모습

2.1 제원

• 3단 로켓
• 전장: 47.5m
• 직경: 3.3m
• 중량: 19.7톤
• 연료탑재량: 175.6톤
• 사용 연료: 액체산소 + 케로신
• 추력: 300,000kgf (2940 kN)
• 엔진:
  • 1단: 75톤급 엔진 x 4개
  • 2단: 75톤급 엔진 x 1개
  • 3단: 7톤급 엔진 x 1개
• 요구 성능: 1.5톤의 인공위성을 700km 태양동기궤도에 올릴 수 있고, 2.6톤의 인공위성을 300km의 저궤도에(경사각 80도) 올릴 수 있을 것.

2.2 엔진

한국형발사체에 사용될 75톤급 엔진은 터보펌프 방식의 가스발생기 사이클을 사용하는 액체연료연진이다. 로켓엔진은 연료를 연소시키면서 생기는 강한 압력으로 로켓을 밀어올리는데, 문제는 이 압력때문에 역으로 연료가 로켓 안으로 밀려들어갈 수 있다. 따라서 정상적으로 엔진을 작동시키기 위해서는 더 센 압력으로 연료를 밀어내줘야 하는데, 75톤급 엔진에서는 터보펌프라는 펌프의 일종을 사용해서 압력을 만들어낸다. 이게 바로 같은 액체연료를 사용하는 KSR-III과 결정적으로 다른점인데, KSR-III에 사용된 엔진은 미리 저장된 고압의 헬륨을 이용해서 연료를 밀어내는 가압식으로 터보펌프 방식보다 간단하지만 추력에 한계가 있다는 단점이 있다.

터보펌프를 돌리기 위해서는 엔진에서 본래 사용할 추진체 외에도 약간의 추진체를 따로 빼서 터보펌프를 돌리는데 사용해야한다. 가스발생기 사이클에서는 따로 뺀 추진체를 가스발생기에서 연소시켜서 가스를 만들고, 이 가스를 이용해서 터보펌프를 돌리는 동력을 만들어낸 뒤 사용된 가스는 따로 배출한다. 75톤급 엔진의 사진을 보면 종 모양의 노즐 옆에 짤막하고 굵은 파이프가 달려있는것을 볼 수 있는데, 이것이 바로 가스발생기에서 만든 가스가 배출되는 곳이다.

1단과 2단에 사용되는 75톤급 엔진은 기본적으로 동일한 모델이지만 노즐 부분이 약간 다른데, 2단 엔진은 어느정도 고도가 상승된 상황에서 점화되기 때문에 효율을 높이기 위해 노즐이 좀 더 크고 넓다.

3단에 쓰이는 7톤급 엔진은 역시 동일하게 가스발생기 사이클의 액체연료엔진이다. 추력은 75톤급 엔진에 비해 작지만, 보다 효율적인 성능을 내기 위해 연소압이 높고 무게도 작게 제한되는 등 개발 난이도는 결코 낮지 않다고 한다.

왼쪽 75톤급 엔진 시제품, 오른쪽 7톤급 엔진 모형

3 개발 일정

한국형발사체개발사업은 크게 3단계로 나눠서 이뤄진다.

• 1단계(2010.3 ~ 2015.7): 액체로켓엔진 시험 설비 구축, 7톤급 액체엔진 개발 (5,008억원)
• 2단계(2015.8 ~ 2018.3): 7톤급 및 75톤급 엔진 개발 완료, 성능검증용 시험발사 (8,020억원)
• 3단계(2018.4 ~ 2021.3): 75톤급 엔진 클러스터링 및 3단형 발사체 개발, 제작, 발사 (6,544억원)

국내에 액체로켓엔진 관련 시험 설비는 KSR-III 개발 중에 구축한 소형 시험설비 정도밖에 없기 때문에, 1단계에서는 우선적으로 75톤급 엔진을 시험할 수 있는 시험설비 구축을 진행한다. 동시에 기존 시험 설비 등을 이용한 7톤급 엔진의 단품 수준 시험개발도 진행한다. 이 시험설비 구축은 전체 예산 중에서 가장 많은 비중을 차지하며, 향후 있을지 모르는 차기 액체엔진 개발에도 사용할 수 있도록 최대 150톤급까지 시험 가능하게 건설한다고 한다.

2단계에서는 구축 완료된 시험설비를 이용해 75톤급 엔진의 시험을 본격적으로 진행하여 설계를 확정하고 개발을 완료한다. 이렇게 개발된 75톤급 엔진의 성능을 검증하기 위해 엔진 1기를 단 시험발사체를 제작하여 발사한다. 이를 통해 성공이 확정되면 3단계로 넘어가지만, 만약 실패하게 된다면 재기획 후 다시 시험발사를 추진하게 된다.

3단계에서는 본격적으로 실제 발사체의 개발을 진행한다. 한국형발사체 1단에는 75톤급 엔진 4개를 클러스터링하므로, 이에 대한 기술 개발이 가장 메인이 된다. 그 외에도 엔진 외의 각종 발사체 시스템 역시 개발하여 3단형 발사체를 완성한다. 이렇게 완성된 발사체를 이용해 2차례 시험위성을 발사하고, 이를 통해 개발 성공 여부를 확정짓게 된다. 만일 개발이 성공한다면 이제 한국형발사체는 실제 실용위성 발사에 사용될 수 있다.

4 현황

2010년에 개발이 시작되었지만 나로호 개발에 역량이 집중된데다가 예산투입이 지지부진하여 개발일정을 지킬 수 있을지 우려하는 목소리가 많았었다. 하지만 2013년 나로호 발사 성공과 같은 긍정적인 뉴스에다가 박근혜 대통령의 창조경제 구상의 영향으로 우주기술 개발에 예산투입이 증가중이어서 개발이 가속화되고 있다. 2010년부터 2013년까지 한국형발사체개발사업에 투자된 사업비는 다 합쳐서 1000억원도 안 되었지만, 2014년 2350억원이 배정된 이후 2015년 2555억원, 2016년 2700억원이 배정되는 등 매년 증액되는 중.

2014년 3월 7톤급 추력 엔진 연소기 연소시험

2014년 9월 23일에는 추진기관 시험설비 10종 가운데 7톤급, 75톤급 연소기를 시험하는 연소기 연소 시험설비와 터보펌프 실매질 시험설비가 나로우주센터에 구축되었고, 2014년 11월에는 75톤급 엔진의 연소기를 시험하는 영상이 공개되었다.

2015년 12월 6일 10개 시험설비 가운데 추진기관 시험설비를 제외한 9개가 구축되었다. 남은 추진기관 시험설비도 내년에 구축될 예정이며, 올해 말까지 75톤급 엔진 조립을 완료하고 내년 1월부터 연소시험에 착수할 예정이라고 한다.#

한국형발사체 7톤급 엔진(3단 엔진) 100초 연소시험. 2015년 말 7톤급 엔진 100초 연소시험을 성공했다.

2016년 1월 31일, 75톤급 엔진 연소기의 연소불안정 문제를 거의 해결했다고 한다. 연소불안정은 연소 과정에서 발생한 진동이나 교란으로 인해 연소실 내에서 불안정한 연소 상태가 발생하는 현상으로, 액체로켓엔진 개발에 있어 가장 큰 난관으로 꼽힌다. 최악의 경우 엔진이 연소 도중 폭발할 수도 있는 위험한 문제. 이를 해결하기 위한 반복되는 설계 변경에도 불구하고 결과가 들쑥날쑥하다가 2015년 말부터 제대로 방향이 잡혀가고 있으며, 현재 기술적으로 제대로 된 길을 가고 있다고 자신하였다. 이로서 엔진을 구성하고 있는 연소기, 터보펌프, 가스발생기, 밸브 등의 구성품 시험은 거의 끝났으며, 2017년 12월 시험 발사를 목표로 계속해서 시험을 진행중이라고. # ## 2016년 3월 75톤급 엔진 조립을 완료했고 이후 성능시험이 이어질 예정이다.

더불어 시험발사체의 제원 역시 공개되었다. 75톤급 엔진 1기와 7톤급 엔진 1기를 각각 사용한 2단 로켓으로 구성되며, 총길이 26.1m에 최대 지름 2.6m, 무게는 53t이다. 궤도에 위성을 올리는 용도가 아니라 고도 229km까지 올라갔다가 떨어지는 사운딩 로켓이므로 위성은 탑재되지 않는다.#

2016년 5월 3일 나로우주센터에서 75톤급 엔진의
1.5초간 첫 연소 시험에 성공했다. 앞으로 200회 이상의 연소실험을 할 계획이라고 한다.

2016년 5월 27일 75톤급 엔진의 30초 연소 영상을 공개했다.

2016년 6월 9일 75톤급 엔진의 75초 연소 영상을 공개했다.

김진한 한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부 발사체엔진개발단장은 “한때 고생했던 연소불안정 문제를 완전히 해결했다”며 “이번 시험 데이터를 꼼꼼히 분석해 143초까지 연소하는 시험(full duration)도 고려하고 있다”고 밝혔다. 이날은 9번째 연소 시험, 항우연은 연소 시험을 총 260회 진행할 계획이다. #

2016년 7월 1일 미래창조과학부와 한국항공우주연구원에 따르면 항우연은 지난 29일 정부 우주개발진흥실무위원회에서 2017년 12월로 예정된 시험 발사체 발사를 10개월 연기한다고 보고했다.
주된 원인은 엔진의 연소 불안정 문제와 연료탱크 제작지연에 있으며 현재 이 문제들은 기술적으로 어느정도 해결된 상태라고 밝혔다. 또한 오는 9월 1단 엔진의 140초 연소시험도 계획 되어있다.
미래부에선 문제가 어느정도 해결되었고 앞으로 본 발사에 여유시간이 남았기에 발사 지연은 성급한 관측이라고 선을 그었다. 이는 앞으로 계속 지켜봐야 할 부분이다. #

2016년 7월 20일 마침내 75톤엔진의 145초 연소에 성공하였다.
지난 7월 1일 있었던 발표에선 143초 연소 시험이 9월로 예정되었다고 발표했으나 계획보다 이른 7월 20일 연소시험을 진행하여 보란듯이 일정지연 논란을 종식시켰다. 당초 계획은 143초 연소였으나 시험에선 2초 추가 연소하여 145초동안 연소하였다.
지금까지 총 연소 시간은 306.5초이며 앞으로 17기의 시험엔진을 제작하여 200여차례의 시험연소를 진행 할 예정이다.#

이제 75톤급 엔진의 개발은 거의 다 완료된 둣 보이며 앞으로는 엔진의 연소효율과 안정성을 향상시키는 작업이 진행될 것으로 보인다.

5 전망

김승조 항우연장에 따르면 한국형발사체는 향후 상업발사체로 세계시장에서 경쟁력을 가질 수 있는 방향으로 개발될 것이라고 한다. 즉, 일본의 H-IIA 로켓과 같이 고성능이지만 지나치게 비싸 상업적으로는 적합하지 않은 개발방식을 지양하고 위에서 말한것과 같이 팰컨 9처럼 저렴하고 신뢰성있는 발사체를 개발하는 목표를 가지고 있다. #

2016년 기준으로는, 단기목표로 2017년 시험로켓 발사는 물론 2020년 한국형발사체의 성공적인 발사가 목표이다. 한국형발사체 개발사업이 성공적으로 마무리되면 한국형발사체를 기반으로 후속 발사체를 계속해서 만들어나갈 예정이라고 한다. 뿐만 아니라 75톤 엔진을 지속적으로 개량하여 2022년까지 95톤급 엔진으로 개량하는 것을 목표를 하고 있다. 계획을 보면, 1단에 75톤급 엔진 4개를 클러스터링한 한국형발사체와 달리 85톤급 엔진 9개를 클러스터링한 중궤도 및 정지궤도발사체, 95톤급 엔진 9개를 클러스터링한 1단 전체를 3개로 묶은 대형 정지궤도발사체를 목표로 할 생각이다.

6 비판

하지만 현재 세계 위성 로켓 발사 시장의 상황은 그리 유리하지 않다. 발사단가가 가장 비싼 편인 아틀라스 V 로켓의 경우 LEO 까지 페이로드 kg 당 1만 3천 달러이고 아리안 5 로켓은 1만 달러 수준, 싼 편인 팰컨 9 는 약 5천 달라 수준이다. 그러니 2020년에 LEO 까지 1.5톤 발사능력을 가진 한국형 발사체가 가격경쟁력을 가지려면 1회 발사비용이 150억 정도가 되어야 한다고 한다.# 게다가 상업적 발사가격은 2010년대 들어 시장경쟁과 기술발전으로 급격히 가격이 떨어지고 있어서 한국의 관련 연구자들도 개발비만 무려 2조원이 든 한국형 발사체는 경제성이나 시장경쟁력은 전혀 없다는 것은 잘 알고 있다. 2016년 들어 팰컨 9의 로켓 재사용시 발사가격이 kg 당 2천달라대로 폭락하여 1500kg을 발사하는 한국형 발사체는 1회 발사에 30억 정도에 발사해야 가격경쟁이 된다. 한국형발사체로는 30년후에도 이가격에 발사할 수 있을 가능성은 없다. 하지만 경제성이 전혀 없어도 한국형 발사체를 개발해야 한다고 주장하는 근거는 대체로 다음과 같다.

• 전후방 효과 - 로켓 관련 산업이 발전한다고 주장하는데 어떤 산업이 얼마나 발전하는지 또 지속가능한 건지 전혀 구체적이지 않은 뜬구름식 주장이다. 게다가 지속적 경제성이 없으면 미래 지속가능성이 없는 1회성의 경기부양 사업일 뿐이다. 무려 2조원을 투입하는데 나름 일부 하청업체가 헤택을 받기는 하겠지만 그건 말많은 4대강 사업도 건설이나 준설업체는 혜택을 받았다. 차라리 기존에 어느정도 경쟁력을 확보한 위성체 제작산업을 지원하는 것이 월등히 적은 돈으로 훨씬 효과적 투자이다.
• 장거리 미사일 기술 확보 - 가까운 북한을 빼고도 한국의 잠재적국의 수도인 도쿄와 베이징은 서울에서 불과 1000 km 남짓이라 그이상의 사정거리를 가진 장거리 탄도탄은 한국의 미래 국방력에 전혀 도움이 되지않는다.
• 정찰위성 등 민감한 화물 발사 거부 가능성 - 이제 위성발사능력은 더이상 일부국가의 독점이나 안보적 관심꺼리가 아니다. 이건 20세기 냉전식 주장에 불과하다. 한국이 북한같은 불량국가도 아니고 우주무기가 아닌한 정찰위성 같은 정당한 목적의 위성발사를 거부당할 가능성은 없다. 국방부가 추진중인 정찰위성도 현재 외국의 상업발사 서비스를 이용해 발사할 예정이고 이에 어떠한 장애나 방해도 없다.
• 우주개발 참여 - 캐나다 영국 등 많은 선진국들이 자체 발사체 기술 없이도 ISS 연구 참여 등 얼마든지 우주기술 개발에 참여하고 있다. 반대로 자체 발사체 기술을 가진 이란 브라질 북한이 우주개발 기술이 발전한 것도 아니다.발사체만 있다고 우주기술 개발이 되는게 아니다. 2조원이라는 막대한 예산을 발사체 개발이 아닌 위성체나 다른 우주기술 개발에 투자하는게 훨씬 더 효과적으로 다양한 우주개발 기술을 확보할 수 있을 것이다. 2조원이라면 대충 20억 달러인데 NASA에게도 결코 작은 돈이 아니고 얼마든지 ISS나 달이나 화성탐사선에 한국산 과학기재를 싣는 등 우주개발에 참여할 수 있다.

그리고 발사체 기술은 경제성에 관계없이 확보해야 하는 기술도 아니다. 현재 세계 10여개 국가가 자체 위성 발사체를 성공시켰지만 자국 위성 발상에 이를 이용하고 있는 국가는 미국 러시아 중국 정도이고 그외의 국가(영국, 프랑스, 일본, 인도, 이스라엘, 이란) 들은 경제성 때문에 대부분 위성발사는 외국의 상업적 발사업체를 주로 이용하고 있다. 즉 자국산 발사체도 경제성이 없으면 별로 쓸모가 없다. 일본도 자국 발사체의 가격이 너무 비싸서 정부가 발주하는 과학위성 등만 정부의 지원 차원에서 일본 로켓을 상요할 뿐 대부분의 일본 민간 위성은 외국의 발사체를 주로 이용하고 있다. 앞으로 한국형 발사체 개발에 완전히 성공한다고 해도 처음 두어 번정도는 과시용으로 발사하겠지만 결국은 경제성 때문에 대부분의 위성발사는 계속 외국에 의존하게 될 것이다. 한마디로 자체 발사체 능력은 있으면 좋지만 없어도 한국의 미래에 별 지장이 없는 기술에 불과하고 대통령 치적용의 낭비성 과시성 기술개발에 불과하다는 주장이 있다.

참고로 2조원이란 돈이 얼마나 큰 돈인지 대충 비교해 보자면 한국에서 가장 비싸고 큰 거대과학 실험장치인 핵융합 실험장치인 K-STAR의 건설비가 3천억원 , 건설중인 포항의 4세대 방사광 가속기가 4천260억원, 최근 중성미자 질량 발견으로 노벨상을 탄 일본의 슈퍼 카미오칸데 중성미자 탐지기는 건설비가 100억엔 우리 돈으로 1천억원 정도들었다. 중력파를 발견한 LIGO 중력파 탐지시설은 건설비가 6억2천만불 (약 7천4백40억원) 쯤 들었고 4톤 짜리 페르미 X선 우주 망원경이나 25미터 짜리 거대 마젤란 망원경은 7억 불 정도, 세계최대의 ALMA 전파망원경이나 현재 건설중인 세계최대의 유럽 극대 망원경(E-ELT)은 14-15억 달러 ( 1조 7천억원 정도) 들었다. 즉 2조원이면 세계최고의 거대 과학연구 시설 몇 개 정도는 충분히 만들 엄청나게 큰 돈이다. 국가적 자존심이나 과학기술 과시가 목적이라면 이런 순수과학에 투자해 노벨상을 노리는게 훨씬 효과적이고 인류의 지식의 지평을 넓힌다는 대의 명분도 있는 바람직한 방법이라는 주장이 있다.

6.1 반론

한국형 발사체의 궁극적인 목표는 저렴한 발사체를 양산하여 실용적으로 활용하겠다는 것이다. 그러나 현재 재사용가능한 로켓을 비롯하여 각종 저렴한 발사체가 속속히 등장하고 있고 이에 세계시장을 선점하기에는 어렵다는 평가가 많다. 또한 발사체는 MTCR(미사일통제체제)에 따라 국가간 기술이전 및 수출입이 대부분 불가능하여 처음부터 자체개발을 해야하므로 그 비용이나 노력으로 천문학적인 비용과 기술인력이 필요하다. 즉, 엄청난 예산을 쏟아부어야 하고 그 비용대비 효과는 미미하기 때문에 경제성에 의문부호를 가져다 쓸 수 밖에 없다.

한국형 발사체의 발사비용이 해외의 다른 상용발사체 가격보다 상당히 높은건 사실이고 국가에서도 이런 사실을 인지하고 있다. 항공우주학회지(韓國航空宇宙學會誌) 2011년 6월자를 보면 KSLV-II의 발사비용이 상대적으로 높고 대한민국에서 처음으로 개발된 발사체라는 점을 들어 서비스 이용자 입장에서 매력적이지 못하다고 분석하고 있다. 또한 2008년 작성된 한국형발사체 예비타당성 조사보고서에서는 '발사체 구성 및 개발 예산등을 고려해보았을 때 발사단가가 낮다고 보기 어렵고 한국형발사체로 인한 경제적 편익은 미미할것이라고 분석하고 있다.

하지만 지속적인 개발과 투자로 발사 비용을 줄이고 많은 발사를 통해 충분한 신뢰성을 확보한다면 상업용 발사체로서 충분히 매력적인 발사체로 거듭날 수 있다고 평가하고 있다. 또한 한국형발사체 사업은 전 제조업에서 소요되는 기술이 종합 결집되는 융합기술이며 산업의 전후방 연관효과가 높아 국가경쟁력 강화 차원에서 중요한 산업이라고 강조하고 있고, 따라서 본 사업의 타당성을 단순히 비용 대비 편익이라는 경제성 분석의 잣대로만 판단하는 것은 합리적이지 못하다고 지적하고있다.

설사 이를 제하고 보더라도 2009년도 조사에서도 한국형발사체의 파급효과를 분석한 결과 생산유발효과는 약 2조원대, 부가가치유발효과는 약 7천억~1조 4천억원, 고용창출효과는 약 1만 4천명~2만 7천명에 달할 것으로 분석되었다. 이러한 분석 결과에도 불구하고 경제성을 이유로 한국형발사체 개발을 반대한다면, 사실상 대부분의 R&D 연구 투자가 비경제적인 낭비로 지적되어 폐지되어야 할 것이다. 국가에서 일견 비경제적으로 보이는 사업을 진행하는것은 국가는 기업이 아니므로 경제성을 고려하는 방식도, 경제성 측면의 비중도 기업과는 다르기 때문이다.

또한, 비록 현대에 들어 우주발사서비스가 보편화되었다 할지라도 여전히 안보 측면에서 발사능력의 중요성은 의심의 여지가 없다. 우주발사서비스는 단순히 발사서비스 제공자가 화물을 넘겨받아 대신 쏴 주는 수준의 서비스가 아니라, 발사서비스 제공자와 서비스 수요자 간 긴밀한 협력을 통해 이뤄나가야 하는 과업이다. 그러나 그 과정에서 수요자는 화물에 대한 각종 정보들을 공유해야만 하며, 이는 국가안보와 관계된 민감한 화물의 경우 문제가 될 수 있다. 실제로 자국 발사체가 있는 국가에서는 민감한 군용 화물을 해외 발사 서비스에 수주하는 경우를 찾기 어려우며, 심지어 시장가격보다 훨씬 비싼 자국 발사체 비용을 감내하고서라도 굳이 자국 발사체를 사용한다. 미국의 USA 시리즈 군용위성은 거의 언제나 ULA의 EELV 발사체를 사용해왔으며, 일본의 IGS 위성은 전부 다 H-2A 발사체로, 이스라엘의 Ofeq 위성은 Shavit 발사체로 쏘아올려졌다. 러시아, 중국, 인도의 경우엔 말할 것도 없다. 뿐만 아니라 해외 발사서비스 이용은 외교적, 정치적 문제에 휘말리기 쉽다. 당장 아리랑 3A호는 한때 우크라이나와 러시아 간 외교갈등으로 발사 일정이 불투명해지기도 했고, 아리랑 5호는 러시아 내부 로스코스모스와 국방부 간 비협조로 2년이 넘는 일정 연기 끝에 발사되었다. 민감 화물의 경우 발사일정에 차질이 생기면 큰 문제가 생길 가능성이 높다.

나로호 2번의 발사실패를 비롯해 틀어진 계획들과 지체된 선례가 다시는 나타나지 않도록 장기적으로 구체화된 계획을 세워 많은 시험과 연구를 거쳐 신뢰성 높은 발사체를 개발해 성공하도록 해야할 것이다.