누리호 시험발사체

누리호 시험발사체()는 대한민국의 한국항공우주연구원에서 개발한 누리호(KSLV-ll)의 시험발사체이다. 2018년 11월 28일 나로 우주 센터에서 발사되었다. 진공추력 75톤인 KARI 75톤급 로켓엔진을 1단으로 사용하며, 2021년 첫 발사가 예정되어 있는 누리호에 사용할 75톤급 엔진의 기술실증 목적의 발사체이다. 대한민국 건립이래 최초로 순수 국산으로 개발, 발사되는 우주로켓이기도 하다.
누리호 시험발사체는 전체적으로 체계모델이라고 해서 전기체계를 만드는 개발모델(EM), 인증모델(QM), 비행모델(FM)을 하나씩 만든다. 2017년 8월 개발모델, 2018년 2월 인증모델 제작 및 시험이 완료되었으며, 2018년 7월 비행모델이 제작되었다. 인증모델과 비행모델은 동일한 완제품이다.
발사계획.
75톤급 액체엔진 1기로 이뤄진 시험발사체는 이륙 후 63초 만에 음속(초속 340 m)을 돌파한다. 엔진 연소가 종료(143.5초)된 이후 164초에 고도 100 km, 313초에 최대 고도 195 km에 도달했다가 하락하기 시작해 발사 643초 뒤 400 km 떨어진 제주도와 일본 오키나와 사이 공해상에 떨어지게 된다. 항우연은 엔진이 73~77톤의 추력을 내고, 시험발사체가 최대 고도 180~220 km까지 오르면 발사가 성공한 것으로 보고 있다.
지상추력 77톤이면, 진공추력 85톤 정도를 의미하는데, 1단 엔진은 원래 진공추력 75톤, 지상추력 65톤으로 알려져 있었다.
2단 부분은 당초 KARI 7톤급 로켓엔진을 사용할 것이라고 하였다가, 8톤 무게의 질량 시뮬레이터, 다시 10.5톤 무게의 질량 시뮬레이터를 탑재할 것이라고 보도되었다.
진행 상황.
계획.
누리호 개발사업은 총 3단계로 진행하면서 1단계에 우리나라에 독자적인 발사체 시스템 구축을 위한 시험설비를 먼저 구축하고, 2단계에서 75톤급 엔진과 7톤급 엔진의 시험을 진행해 2017년까지 75톤급 엔진의 개발을 끝낸 다음 그해 12월에 시험 발사체를 발사할 예정이었다.
액체 연료 로켓 엔진을 개발하면서 가장 어려운 부분은 연소 불안정 현상이 일어날 때이다. 로켓 엔진의 연소기는 1초만에 수십kg에 달하는 추진제를 연소하면서 내부 에너지 밀도가 높아지게 되는데, 이로 인해 생기는 주파수가 연소기 고유의 주파수와 공명 현상을 일으키면 연소가 극도로 불안정해지는 현상이 발생한다. 심한 경우 연소시험 도중 연소기가 깨지거나 폭발하는 경우가 생기기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 충분한 연소시험을 통해 설계를 개선하고 안정성을 확보하는 것이 필요하며, 이를 검증하기 위해 시험발사를 한다.
발사 연기.
2016년 12월 22일, 미래부는 발사예정일을 2017년 12월에서 2018년 10월로 10개월 연기했다. 이에 대해, 한국항공우주연구원장을 지낸 김승조 서울대 교수는 발사체 엔진 전반의 체계와 부품 기술은 이미 50~60년 전에 확립된 것이어서 최선을 다하면 납기를 맞출 수 있다고 보았다. 정부 예산도 이미 배정돼 있는 상황이어서 걸림돌도 없다고 주장했다. 김승조 교수는 항우연 원장 시절 2016년 발사가 가능하다고 말했었다.
롤모델인 팰컨 1는 9천만 달러의 개발비가 들었다. 민간 자금으로 개발했다. 1회, 2회 발사는 미국 국방부가 발사 계약을 했다. 2002년 6월 스페이스X가 설립되었는데, 3년 9개월만인 2006년 3월 24일 최초 발사했다. 반면에 누리호 시험발사체는 2007년 7월 최종 모델이 확정되어 개발이 시작되었는데, 11년 3개월만인 2018년 10월에 최초 발사할 계획이다. 느린 개발은 개발비가 증가되며, 따라서 우주발사체 시장에서 가격경쟁력을 상실한다.
2017년 12월 25일, 고흥 나로우주센터 발사체종합조립동에서 누리호 총조립을 담당하고 있는 천진효 한국항공우주산업(KAI) 조장은 "현재 내년 10월 발사 예정인 시험발사체 인증모델(QM)의 조립이 85% 정도 진행된 상황"이라고 밝혔다. 천 조장은 "시험발사체는 최종 조립 작업자 7명과 품질 검사원 1명, 생산기술 지원 인력 7명이 약 7개월에 걸쳐 조립한다"고 말했다.
3차 우주계획.
2018년 2월 5일, 과학기술정보통신부는 제14회 국가우주위원회를 열어 제3차 우주개발진흥기본계획을 확정했다. 이에 따르면, 한국형 시험발사체는 2018년 10월 1차 발사를 하며 기술 검증이 미진할 경우 개발 신뢰도 향상을 위해 2019년 2차 발사를 하게 된다. 한국형 발사체 성공 이후에는 2025년부터 2030년까지 한국형 소형발사체 플랫폼으로 확장하여 500 kg 인공위성 자력발사를 할 것이라고 한다.
시험발사.
2018년 11월 28일 오후 4시에 첫 시험발사를 성공했다. 이로써 미국, 러시아, 일본, 프랑스, 중국, 인도에 이어 추력 75톤급 대형 액체연료 로켓 엔진을 실제 발사한 7번째 국가가 되었다. 8톤의 화물을 탑재하고, 최대 고도 209 km, 비행거리 429 km를 10여분간 비행해 제주도 공해상에 무사히 낙하했다. 그러나 북한 화성 14호가 누리호 시험발사체 보다 먼저 발사되었기 때문에, 언론 보도와는 달리 8번째 국가로 보는게 정확하다.
부스터.
중국의 창정 로켓 시리즈를 보면, 누리호와 같은 진공추력 75톤 등유/액체산소 엔진 1개를 사용한 로켓을 부스터로 사용한다. 즉, 누리호의 1단 옆에 누리호 시험발사체를 부스터로 4개 붙이는 방식이다. 항우연은 이렇게 창정 시리즈처럼 부스터를 4개 붙인 모델의 가상도를 발표하기도 했다. KSLV-III 참조.
차후 활용.
1단인 75톤 추력 엔진으로 길이 25.8 m, 무게 52톤의 시험용 발사체를 고도 약 200 km까지 밀어올릴 수 있다. 이 엔진 하나로도 소형 인공위성을 발사할 수 있다.
그러나, 2018년 1월 기준으로, 언론 보도의 흐름이 약간 변경되는 조짐이 있다. 한국형시험발사체는 2단 액체연료가 아니라 1단 액체연료이며, 1단인 75톤 추력 엔진도 140초 연소가 아니라 40초 연소라는 뉴스가 있었다. 그러나 축소버전으로 시험발사를 한다고 해서 한국이 50톤 무게의 2단 액체산소 로켓 대량생산 능력을 완비한 것이, 취소되었다는 의미는 아니다.
2020년 항우연은 KSLV-S 개발을 시작했다.
ICBM.
모든 우주 발사체는 군사용으로 전용할 수 있다. 누리호 시험발사체는 액체산소/등유를 사용하는 추력 75톤 가스발생기 사이클 로켓엔진을 사용하는데, 미국 LR-87과 거의 똑같다. 미국 LR-87 로켓 엔진은 약간의 개조만으로 액체산소/등유에서 저장성 액체 추진제로 연료를 변경했다.
러시아 SS-18 사탄 ICBM은 2018년 현재 세계최대 핵미사일인데, 저장성 액체 추진제를 미리 미사일에 주입해 5년 동안 즉시 발사할 수 있게 하여, 현재 실전배치중이다. 즉, 고체연료 ICBM과 발사준비시간이 동일하다. 지하 사일로에서 콜드 런치로 즉시 발사가 된다.
북한의 화성 14호, 화성 15호 ICBM도 지하 사일로에서 발사하는 방식으로 알려져 있다. 사탄과 동일한 저장성 액체 추진제를 사용한다. 현재 이미 사탄과 동일한 방식의 미리 연료주입이 완료되어 5년간 사용하는 방식이거나, 앞으로 곧 그 방식을 도입할 것을 쉽게 추측할 수 있다.
2017년 9월 3일 북한이 6차 핵실험을 단행하자, 4일 트럼프 대통령은 문재인 대통령에게 전화를 걸어 탄두중량 해제 요청을 받아들였다. 이로써 한국은 사거리 800 km 이하, 탄두중량 2톤 이상의 탄도 미사일 실전배치가 가능해졌다. 2018년 11월 28일 오후 4시에 시험발사체 첫 시험발사를 했는데, 8톤의 화물을 탑재하고, 최대 고도 209 km, 비행거리 429 km를 10여분간 비행해 제주도 공해상에 무사히 낙하했다. 즉, 트럼프 대통령이 허가한 사거리 800 km 이내, 탄두중량 2톤 이상의 기준을 충족했다. 그러나, 한국은 고체연료 현무-4를 개발한다는 것이어서, 액체연료인 누리호 시험발사체를 미사일로 사용한다는 보도는 없었다. 그러나 시험발사한 내용을 보면, 유사시에 탄도 미사일로 발사할 수도 있다는 것을 추측할 수 있다.
누리호 시험발사체는 무게 50톤 액체연료 로켓으로, 전세계를 핵공격할 수 있는 러시아의 액체연료 ICBM은 무게 40 톤 정도이다. 따라서 ICBM으로 충분히 사용할 수 있으며, 오히려 누리호는 ICBM으로 사용하기에는 너무 크다. 한반도 6자 중에 미중러북은 ICBM을 보유중이고, 일본은 ICBM으로 전용이 가능한 고체연료 엡실론 로켓이 있다. 한국만 없었다가 누리호 시험발사체로 대등한 위치에 서게 되었다.
문제점은, 미국이 한국의 우주 로켓 개발에 ICBM 개발이 우려된다면서, 고체연료를 사용하지 못하게 한다는 점이다. 미국, 일본은 고체연료 ICBM, 북중러는 UDMH 액체연료 ICBM을 사용하는데, 한국의 누리호 시험발사체 KRE-075 엔진은 극저온 액체산소를 사용한다. UDMH ICBM은 부식문제를 해결해서, 10년 동안 연료를 미리 주입해 놓을 수 있게 되어, 고체연료와 동일하게, 핵버튼만 누르면 즉시 발사가 가능하지만, 극저온 액체산소 ICBM은 연료를 미리 주입해 놓을 수가 없다. 즉, 6자 중에서 한국만이 유일하게 핵버튼만 누르면 즉시 발사가 되는 ICBM이 없다.
미국 HGM-25A 타이탄 I ICBM의 LR-87 엔진도 KRE-075 엔진처럼 추력 75톤이고 액체산소를 사용하는데, 간단하게 개조해서 UDMH 엔진을 만들었다. 우리도 KRE-075 엔진의 UDMH 버전 개발이 시급하며, 연료부식 문제를 해결해 10년 동안 미리 연료주입을 할 수 있는 기술 개발이 시급하다. 북한이 이런 기술을 모두 갖추었는지는 불분명하지만, 이미 갖추었거나 곧 갖출 것으로 보는 것이 타당하다.
러시아 4세대 ICBM인 SS-19는 발사준비시간 25분이다. 북한과 같은 하이드라진 액체연료를 사용한다. 반면에 미국 HGM-25A 타이탄 I은 누리호 시험발사체와 같은 액체연료인 극저온 액체산소를 사용하는데, 연료주입시간이 15분, 대통령의 발사명령부터 실제 발사까지 20분이 걸린다. 누리호 시험발사체는 타이탄 보다 절반 크기이기 때문에, 군사용 초고압 액체연료 주입기를 사용한다면, 10분만에 발사가 가능할 것으로 추정된다. 즉, 현재 당장 ICBM으로 사용해도 부족함이 없다.
주피터.
미국 케네디 대통령 시절에 쿠바 미사일 위기가 있었다. 당시 소련은 미국이 터키 인시를릭 공군 기지에 배치한 사거리 2,400 km PGM-19 주피터 핵미사일에 대한 보복으로 쿠바에 소련제 주피터 미사일을 배치했고, 그래서 미국이 엄청나게 화를 낸 것이 쿠바 미사일 위기이다. 터키 인시를릭 공군 기지에서 모스크바 까지는 2,080 km 떨어져 있다.
미국 대통령이 핵미사일 발사를 지시하면, 옆으로 누워져서 보관되어 있는 토르를 수직으로 세운 다음, 액체산소와 등유를 주입하고서 발사하는데, 명령에서 발사까지 대략 10분 정도가 걸린다. 토르는 주피터와 무게와 연료가 같아서, 주피터도 동일한 시간으로 추측할 수 있다. 토르는 공군기지에 배치되었으며, 재래식 공습과 날씨로부터 미사일을 보호하기 위해 소프트한 격납고에 보관되었다.
이후에 주피터는 고체연료 퍼싱2 핵미사일로 교체되어 서독에 배치되었다가, 1987년에 퍼싱2가 INF 조약으로 폐기되었다.
그런데, 대통령이 핵공격 명령을 내렸을 경우, 청주공군기지의 F-35 스텔스 전투기에 B61 핵폭탄 2발을 장착하고 이륙하는데 걸리는 시간이 대략 8분이다. 즉 주피터 발사시간과 F-35 발사시간이 거의 비슷하다. 터키 인시를릭 공군 기지에는 현재 주피터 대신 F-16 전투기에 B61 핵폭탄을 장착해 핵공격을 한다. 발사에 걸리는 시간이 비슷하다. 이것을 핵무기 공유라고 하는데, 유럽의 핵공유 협정을 2019년 7월 미국 국방대학교에서 한국과 일본에 제안했고, 황교안, 유승민 보수당 대표들이 공식적으로 주장하고 있다. 곧 청주공군기지의 F-35 스텔스 전투기에 B61 핵폭탄 장착이 될 것으로 추측된다.
누리호 시험발사체는 이 쿠바 미사일 위기로 유명한 미국 주피터 핵미사일과 매우 유사하다.
한편, 2019년 12월, 미국이 고체연료 IRBM을 시험발사했다. 퍼싱2 핵미사일이 폐기된 1987년 이후 32년 만의 IRBM 개발이다. 이는 액체연료 주피터나 전투기 핵폭탄 장착의 10분 발사시간 보다 훨씬 발사시간을 줄일 수 있다. 미국 국방장관은 일본에 배치해 북한과 중국을 겨냥할 것이라고 말했다. 한국이 누리호 시험발사체와 동일한 성능의 고체연료 로켓을 개발한다는 보도는 없다. 아마도 미국의 최신형 IRBM이 한국에도 배치될 것으로 보인다. 2019년 현재 중국의 IRBM, MRBM 1,770발이 한국과 일본의 미군기지를 겨냥하고 있다.
미사일 지침 종료.
2021년 5월 22일, 한미 미사일 지침이 종료되었다. 이로 인해 누리호 시험발사체는 한국의 ICBM으로 즉시 사용할 수 있게 되었다. 물론, 한국은 핵탄두가 없어서 미사일만 있다고 ICBM이 되는 것은 아니다. 또한, 몇분만에 액체연료를 주입하는 초고압 군사용 연료주입 시설과 지하 사일로에서 콜드 런치로 52톤 무게의 시험발사체를 사출하는 기술 등이 아직 입증된 게 없다.