한국형 고체연료 발사체

한국형 고체 소형발사체는 국방과학연구소(ADD)가 개발한 고체연료 기반의 우주발사체이다. 군용 정찰위성 발사가 주임무이다. 태양동기궤도(SSO) 페이로드 500kg급과 1000kg급의, 두 종류의 발사체가 있다.

2023년 2월 과학기술정보통신부가 공개한 제4차 우주개발진흥기본계획안에 의하면, 정부는 2023년에서 2025년까지 페이로드 탑재능력 태양동기궤도(SSO) 500kg급의 기본형 발사체를 2회 발사하고, 곧바로 성능 개량을 거쳐 동일궤도 1000kg급의 확장형 발사체를 2026년과 2027년에 걸쳐 2회 발사할 예정이다. 계획안에는 발사체 운용 포트폴리오가 실려있으며, 이를 토대로 한국형 고체 소형발사체의 대략적인 제원이 예상 가능하다. 이를 토대로 정부가 우선 중국의 SD-2급(CZ-11 또는 창정 11호) 발사체를 발사하고, 곧바로 성능을 확장한 중국의 SD-3급(ZK-1A), 혹은 이와 비슷한 성능의 미국의 미노타우르4급(피스키퍼) 발사체를 발사할 계획에 있는 것으로 해석할 수 있다.

한국형 고체 소형발사체의 정확한 제원은 아직 공개되지 않았으나, 언론 보도에 따르면 총 4단 구조이고, 유럽(ESA)의 베가, 일본의 엡실론과 같이, 최상단부인 4단은 액체추진엔진(PBV) 기반으로 비행하고, 나머지 1-3단에는 고체추진 방식 엔진(고체로켓모터)이 적용된다. 통상적인 설계 방식이다. 과학기술정보통신부가 공개한 발사체의 외형은 시험발사체(TLV)에 1단 고체로켓모터를 결합한 형태이다. KSLV-2(누리호)와 같이 1단 모터의 직경이 상단에 비해 큼을 알 수 있다. 기본형과 확장형은 동일한 외형이지만, 길이와 직경이 다르다. 발사체의 길이는 기본형이 대략 20.5m 정도, 확장형이 대략 26.5m 정도로 추정된다. 발사체의 크기에 있어서 기본형은 중국의 창정 11호(CZ-11)와, 확장형은 누리호(KSLV-2)의 시험발사체(TLV)와 각각 흡사할 것으로 추측된다.

확장형 발사체의 1단 고체로켓모터는 향후 개발될 한국의 차세대 발사체(KSLV-3)의 고체부스터(SRB)로도 활용될 것으로 보인다. 정부는 또한 개발될 발사체를 기반으로 해상 발사(Sea Launch)를 운용해 나갈 예정이다. 실제로 2회에 걸친 시험 발사체(TLV)의 시험 발사가, 서해 해상의 바지선에서 이뤄졌다. 최종 시험 발사 역시 남부 해상에서 바지선을 이용한 해상 발사 형태로 진행이 될 것이다. 이와 같은 방식으로 중국의 SD-2(CZ-11)와 SD-3(ZK-1A)가 해상 발사를 운용하고 있다. 최근에는 바지선뿐만이 아니라 개발이 최종적으로 결정된 합동화력함 함상에서의 발사 개념 역시 제안되었다.

2023년 10월 최종 시험 발사를 끝으로, 기본형 발사체의 개발이 최종적으로 완료될 예정이다. 2023년 2월, ADD의 고체추진 우주발사체 기술을 민간에 이전하기 시작한다는 언론 보도는 물론, 이미 구체적인 외형까지 공개된 점으로 미루어 보아, 내부적으로는 이미 개발이 완료된 것으로 보인다. 2020년 7월 28일 우주 발사체에 대한 고체연료 사용 제한이 해제되고 대략 2년 6개월만이다.

역사 
2020년 7월 28일, 청와대 김현종 국가안보실 2차장은 오후 브리핑을 통해 "한미 미사일 지침 (제4차) 개정으로 우주 발사체에 대한 고체연료 사용 제한이 해제됐다"고 밝혔다. 약 1년 뒤인 2021년 5월 22일 한미정상회담을 통하여 한미 미사일 사거리 지침이 42년만에 폐지되었다. 우주 발사체에 대한 고체연료 사용 제한이 해제되고 정확히 1년, 한미 미사일 사거리 지침이 폐지되고 2달 뒤의 2021년 7월 29일, 국방과학연구소(ADD)는 우주발사체용 고체로켓모터(고체추진기관) 연소 시험을 공개했다. 이 모터는 누리호(KSLV-2)의 1단과 2단에 사용된 KRE-075와 동일한 75t급의 추력을 낸다.

2021년 이후 ADD 관계자는 “고도 500km에 중량 500kg 정도의 위성을 보내는 발사체를 목표로 개발하고 있다” 고 말했다. 이 관계자는 “2025년 정도에 전남 고흥 나로우주센터에서 고체추진 우주발사체 본 발사를 할 것” 이라며, “그 이전에 2~3번쯤 시험발사를 해야 할 것” 이라고 설명했다. 2022년 3월 30일과 12월 30일에 각각 1차와 2차 시험발사가 성공적으로 완료되었다.

페이로드 탑재능력에 있어서 중국의 SD-2(CZ-11)는 태양동기궤도(SSO, 500km) 500kg이다. 한편, 중국의 SD-3(ZK-1A)는 태양동기궤도(SSO, 500km) 1500kg이고, 미국의 미노타우르4(피스키퍼)는 태양동기궤도(SSO, 740km) 1000kg이다. ADD 관계자가 언급한 "고도 500km에 중량 500kg 정도" 는, 태양동기궤도를 기준으로 한 듯 하다. 또한 정부 발표 및 언론 보도 등에서 "저궤도 1t급" 발사체 역시 개발할 예정이라고 하는데, 이 역시 태양동기궤도를 의미하는 것으로 추측된다. ADD 관계자 및 언론 보도가 언급하고 있는 발사체가 그 성능에 있어서 전자의 경우 SD-2와 흡사함을  알 수 있으며, 후자의 경우 SD-3 또는 미노타우르4와 흡사함을 알 수 있다. 이 발언들은 차후 공개된 제4차 우주개발진흥기본계획안의 기본형 발사체와 확장형 발사체 성능과 각각 일치한다.

2023년 10월, 1단 고체로켓모터를 적용한 완성형 형태의 기본형 발사체를 우선 발사할 예정이다. 이로써 2023년에 기본형 발사체 개발을 최종적으로 완료하고, 2024년 이후로는 본격적으로 임무에 투입시킬 전망이다. 2025년까지 총 2회에 걸쳐 발사가 있을 예정이다. 이어서 확장형 발사체의 개발 완료 및 시험 발사가 2025년 정도에는 있을 것으로 예상된다. 2026년 이후로는 본격적으로 임무에 투입시킬 전망이다. 2026년과 2027년에 각각 1회씩 발사할 예정이다.

고체로켓모터(고체추진기관) 
고체 소형발사체는 대외비라 정확한 제원이 아직 공개되지 않았다. 다만 한국형 고체 소형발사체 확장형의 1단 고체로켓모터 추력은, 조선중앙통신 등이 최근 지상 시험에 성공했다고 공개한 북한의 고체로켓모터(140t급)을 상회하는 것으로 확인됐다. 제4차 우주개발진흥기본계획안에서 공개된 발사체 운용 포트폴리오를 토대로, 한국형 고체 소형발사체 확장형의 1단 고체로켓모터 직경이 대략 2.6m 정도로 추정되며, 따라서 추력은, 작게는 중국 SD-3(ZK-1A)의 1단 추력인 200t급이 될 수 있다. SD-3의 1단 모터 직경은 2.6m이다. 기본적으로는 미국의 미노타우르4 1단 SR-118과, 이 SR-118의 라이선스 생산 버전인 일본의 엡실론 1단 SRB-A3, 유럽(ESA)의 베가 1단 P80의 220t급이 될 것으로 전망된다. 이들 모터의 직경은 2.4-3.0m이다.

1단 고체로켓모터의 노즐(화염 분사구)은 1개로 전해졌는데, 이에 따라 보조 엔진없이도 추력 방향을 제어하는 '추력 편향'(TVC) 기술을 적용한 형태일 것으로 전망된다. 이는 과학기술정보통신부가 공개한 발사체의 외형으로부터도 확인된다. 제4차 우주개발진흥기본계획안 발사체 운용 포트폴리오를 보면 기본형 발사체의 1단 모터 직경은 대략 2.0m 정도로 추정된다. 중국의 SD-2(CZ-11)의 1단 고체로켓모터 직경이 2.0m 이고 추력이 120t급인 점과, 북한이 추력 140t급의 모터를 최근 공개한 점으로 미루어 보아, 한국형 고체 소형발사체 기본형의 1단 고체로켓모터 추력 역시 120-140t급일 가능성이 크다.

중국의 SD-3(ZK-1A)와 미국의 미노타우르4(피스키퍼)는 각각 추력 200t급과 220t급의 고체로켓모터를 1단으로 사용하고 추력 120t급과 140t급의 모터를 2단으로 사용한다. 중국은 SD-2의 1단을 SD-3의 2단으로 사용중인 것으로 추측된다. 이러한 방식으로 한국 역시 고체 소형발사체 기본형의 1단을 확장형의 2단으로 사용할 수 있다.

한국형 고체 소형발사체 확장형의 1단 고체로켓모터가 차세대 발사체(KSLV-3)의 고체부스터로도 활용될 전망이다. 유럽(ESA)의 베가(베가C)와 일본의 엡실론(엡실론S)이 각각 EU의 아리안5/6와 일본 H-2A/B, H3의 고체부스터로 활용된다. 한국이 개발할 차세대 발사체의 경우, 유럽과 일본의 발사체들과는 달리 다단연소 사이클 방식을 채택한 케로신 기반의 엔진을 사용하기 때문에, 미국 아틀라스5와 흡사한 설계 및 운용 방식이 될 것이다.

시험발사와 의미

1차
2022년 3월 30일, 국방부는 국방과학연구소(ADD)가 충남 안흥종합시험장에서 순수 국내 기술로 개발한 고체 추진 발사체 성능시험을 위한 시험 발사체(TLV)의 첫 번째 발사에 성공했다고 밝혔다.

국방부는 이번 시험이 2021년 7월 고체추진기관(고체로켓모터) 연소시험 성공 이후 8개월만에 이뤄졌다고 설명했다. 시험에서는 우주발사체 필수 기술인 △대형 고체 추진기관 △페어링(로켓 덮개 부분) 분리 △단 분리 △상단부 자세제어 기술 관련 검증이 이뤄졌다고 국방부는 설명했다. 이어 추가 검증 이후 실제 위성을 탑재해 발사를 진행할 것이라고 덧붙였다. 점화 및 연소 시험은 2단만 진행하였다. 2단 고체로켓모터의 추력은 75t급이다.

2차

1차 발사와 동일하게 안흥종합시험장에서 실시 되었다. 2022년 3월의 1차 시험 당시에는 기본적인 발사체 성능을 비롯해 일부 기능만 테스트됐다. 반면 2022년 12월 30일 2차 시험에서는 ‘발사→2~4단 분리→페어링 분리→더미위성 분리’에 이르는 전 과정을 테스트했으며, 모든 단의 점화 및 연소 시험 역시 진행되었다. 모든 기능이 정상 작동했다. 고도 450km에 더미위성을 투입하였다. 이번 발사는 1단을 제외한, 2단, 3단, 4단만 시험하였다. 2단 고체로켓모터의 추력은 75t급이다. 이번 시험에서 가장 하단인 1단 고체로켓모터는 적용되지 않았다. 2023년 10월 1단을 포함한 형태로 최종 시험 발사가 진행될 예정이다.

정부에 의한 별도의 언급은 없었지만, 한국판 미노타우르1(미니트맨3)이, 2022년 12월 30일에 이루어진 시험 발사로 개발이 완료됐다고 볼 수 있다.  2020년 7월 28일 우주 발사체에 대한 고체연료 사용 제한이 해제되고 2년 5개월만이다. 참고로 이스라엘은, 2~4단을 공유하며, 각 임무별 페이로드에 따라 1단 고체로켓모터를 모듈식으로 교체하는 방식으로 두 발사체 샤빗LK-1과 샤빗LK-2를 운용한다. LK-1은 이스라엘판 미노타우르1이고, LK-2는 이스라엘판 미노타우르C(피스키퍼)이다. 한국군의 시험 발사체(TLV)의 2단, 3단, 4단은 그대로 두고, 2단인 75t급 고체로켓모터를 1단에도 적용하면, 이스라엘 방식의 미노타우르1이 바로 완성된다. 공교롭게도, 한국의 75t급 고체로켓모터의 추력 역시 이스라엘의 고체로켓모터인 ATSM-13(추력 77t급)과 동일하다. 한국 정부는 공개된 고체로켓모터의 추력을 KRE-075급이라고 하는데, 추력에 있어서, KRE-075 SL이 75t급이고, KRE-075 VAC은 80t급이다. 미노타우르1(미니트맨3)의 1단 고체로켓모터 TU-122(M-55)는 80t급의 추력을 낸다. 태양동기궤도(SSO) 페이로드 탑재능력은, 샤빗LK-1이 고도 700km 350kg이고, 미노타우르1은 고도 740km 330kg이다. 샤빗LK-1의 1단 ATSM-13을 캐스터120(추력 160t급)으로 교체하면, 동일 고도(700km)에 페이로드 800kg을 투입할 수 있다. 이 발사체가 이스라엘판 미노타우르C인 샤빗LK-2이다.

미니트맨3는 최초로 MIRV를 적용한 미국의 ICBM으로, 핵탄두 3발을 운반하는 것으로 알려져 있다.

주요국 고체 소형발사체 비교

태양동기궤도(SSO) 페이로드 탑재능력에 있어서, SD-2(CZ-11)는 고도 500 km에 500kg이다. 엡실론은 고도 500 km에 590-700 kg 위성을 발사할 수 있다. 새로 개량중인 엡실론S는 고도 700 km에 600kg의 위성을 발사할 수 있다. SD-3(ZK-1A)는 고도 500 km에 1.5t 위성을, 미노타우르4는 고도 740 km에 1t 위성을 발사할 수 있다. 베가는 고도 700 km에 1.4t 위성을 발사할 수 있다.

2023년 2월 과학기술정보통신부가 공개한 제4차 우주개발진흥기본계획안에 의하면, 한국은 우선 2025년까지 SD-2급의 기본형 발사체(페이로드 탑재능력 태양동기궤도 500kg)를 2회 발사할 예정이다. 성능 개량을 거쳐 2026년과 2027년에는 SD-3 또는 미노타우르4급(페이로드 탑재능력 태양동기궤도 1000kg)의 확장형 발사체를 2회 발사할 예정이다. 이후로는 상황별 임무에 따라 이 두 발사체들을 병용하여 운용해 나갈 예정이다.

한국형 고체 소형발사체의 외형은 시험발사체(TLV)에 1단 고체로켓모터를 결합한 형태이다. KSLV-2(누리호)와 같이 1단 모터의 직경이 상단에 비해 큼을 알 수 있다. 기본형과 확장형은 외형에 있어서는 동일하다. 과학기술정보통신부의 발사체 운용 포트폴리오를 기반으로 추측하자면, 발사체의 길이는 기본형이 대략 20.5m 정도, 확장형이 대략 26.5m 정도로 추정된다. 발사체의 직경(1단 모터)은 기본형이 대략 2.0m 정도, 확장형이 대략 2.6m 정도로 추정된다. 기본형의 발사체 크기는 중국의 SD-2(길이 20m, 직경 2.0m)와 비슷할 것으로 추측된다. 확장형의 발사체 크기는 KSLV-2(누리호)의 시험발사체(TLV), 또는 일본의 엡실론S(길이 27m, 직경 2.6m)와 비슷할 것으로 추측된다.

2019년에 중국은 상업용 발사체 포트폴리오를 공개하였다. 공개된 SD-2는 CZ-11(창정 11호)를 기반으로 개발될 예정이다. 한편 SD-3는 ZK-1A를 기반으로 개발되었다. 포트폴리오 공개 당시의 SD-2와 SD-3는, 직경과 길이의 차이는 있지만 동일한 외형을 하였다. 그러나 SD-3의 실제 외형은 SD-2와 상이하다. SD-2는 아직 개발이 완료되지 않았다. 이들 발사체들은 신속대응 정찰위성 발사용 발사체로, 고정 발사시설은 물론 TEL과 철도를 이용한 지상발사와, 바지선을 이용한 해상발사를 운용중이다. 이는 한국이 개발한 고체 소형발사체의 임무 및 운용형태와도 일치할 것으로 보이며, 따라서 개발 당시 국방과학연구소(ADD)가 이들 발사체들을 추종하였을 것으로 추측된다. 중국의 CZ-11(창정 11호)은 ICBM인 DF-31을 기반으로 개발되었을 것이라 추측되며, DF-31은 5발의 핵탄두를 운반하는 것으로 알려져 있다. 한편, ZK-1A는 ICBM인 DF-41을 기반으로 개발되었을 것이라 추측되며, DF-41은 10발의 핵탄두를 운반하는 것으로 알려져 있다. 미국의 미노타우르4는 ICBM인 피스키퍼를 기반으로 개발되었고, 피스키퍼는 12발의 핵탄두를 운반하는 것으로 알려져 있다.

같이 보기 
 캐스터 로켓
 미노타우르 4호

각주 

발사체