제642회 21세기 장성 아카데미(2009. 10. 29)

나로호 발사와 우주항공분야 한국의 비전

최 규 홍 교수

- 연세대학교 천문우주학과 -

주요 학력 및 경력

․ 1944년  서울 生

․ 1972년  서울대학교 천문기상학 학사

․ 1980년  미국 펜실베니아대학교 대학원 천체물리학 박사

․ 1980년  미국 COMSAT 연구원

․ 1981년  연세대학교 이과대학 천문우주학과 교수(現)

․ 1994년  한국천문학회 회장

․ 1996년  한국우주과학회 회장

․ 2004년  연세대학교 청소년과학기술진흥단 단장

․ 2006년  과학기술부 산하 공공기술연구회 이사

․ 2008년  교육과학기술부 산하 기초기술연구회 이사(現)

<賞> 「한국우주과학회 공로상」,

「국민포장」,「근정포장」 外

<著> 「천체역학」,「인공위성과 우주」 外

나로호 발사와 우주항공분야 한국의 비전

1. 로켓의 작동원리(작용과 반작용)

로켓의 원리는 어려운 말로 하면 뉴턴 역학의 작용과 반작용이다. 풍선을 들고 있다가 꼬리를 놓으면 공기가 빠져나가면서 진행을 한다. 그러면서 지나갈 때 작용, 즉 밀어주는 힘에 의해서 반작용으로 가는 것이 로켓의 원리다. 아주 간단한 원리다. 로켓은 속에 연소실을 가지고 있다. 그리고 속에 노즐(Nozzle)이 있는데 산소와 연료를 연소실에서 태울 때 나오는 연소가스를 노즐로 분사하면서 움직인다.

그러면 제트기와 로켓은 어떻게 다를까? 로켓은 내부에 산소와 연료를 자기가 가지고 간다. 연료는 석유를 쓴다. 이렇게 산소와 연료를 가지고 가기 때문에 우주 멀리까지 갈 수 있다. 제트기는 산소가 없다. 단지 연료만 싣고 가면서 밖에 있는 공기를 흡입해서 태우기 때문에 대류권 다시 말하면 지상 12km 이상을 못 올라간다. 그래서 제트기와 로켓의 차이는 산소 유무의 차이다.

2. 로켓의 추력

추력이라는 개념이 있다. 로켓의 무게가 1톤이라고 할 때 가스의 힘, 즉 추력이 1톤 미만이면 올라가지 못한다. 추력이 1톤의 무게인데 가스의 힘, 즉 작용 반작용의 힘이 1톤보다 크면 올라가게 된다. 그런데 나로호는 추력이 170톤이다. 1톤 정도의 무게면 그랜저와 같은 자동차 한 대의 무게인데 추력이 170톤이니까 자동차 170대를 올릴 수 있는 힘이다. 나로호의 무게는 140톤이다. 그러니까 하늘로 높이 올라갈 수 있는 것이다.

3. 다단 로켓과 인공위성의 원리

다단 로켓이라는 것이 있다. 한 단의 로켓으로는 우리가 원하는 속도를 못 내는 경우가 있다. 무거운 물체는 제거하는 것이 유리하기 때문에 올라가면서 다 떨어뜨리고 나중에는 위성만 올라가게 된다. 그래서 다단로켓은 사용한 로켓을 분리하여 무게를 줄이는 것이다. 이번에 올라간 것은 2단 로켓이다. 하나는 러시아에서 만들고 하나는 한국에서 만든 국산이다. 보통 3단을 많이 쓰는데 성능이 좋아서 2단 정도로 올라갈 수 있다.

그러면 인공위성이란 무엇인가? 우리가 돌팔매질을 할 때 힘이 적으면 바로 앞에 떨어지지만 세게 던지면 더 멀리 간다. 그런데 초속 8km 정도로 세게 던지면 지구를 한 바퀴 돌게 된다. 그것이 바로 인공위성이다. 더욱 세게 던져서 초속 8km 정도를 지속적으로 내면 지구 주위를 돌게 된다. 돌을 세게 던질 때 인공위성이 난다고 생각하면 된다.

4. 지구 중력에 의한 원심력

지구에는 인공위성이 돌고 있다. 인공위성은 원심력에 의해 가던 방향으로 가려고 하는 것을 중력이 잡아당기면 떨어진다. 또 가려고 하면 중력이 잡는다. 이 힘이 결과적으로 인공위성이 지구 주위를 계속 돌게 만드는 것이다. 그러니까 중력과 원심력의 싸움이다. 중력과 원심력이 같을 때 지구 주위를 돌고 만약 중력이 세면 지구로 떨어지고 원심력이 세면 밖으로 튀어 나간다. 그래서 인공위성은 중력과 원심력의 싸움에서 두 힘이 같기 때문에 지구 주위를 돈다고 생각하면 된다.

5. 고도에 따른 인공위성의 속도와 주기

조금 어려운 이야기로 고도에 따른 인공위성의 속도와 주기가 있다. 나로호가 올라갈 때는 아마 고도 300km였을 것이다. 거기에 속도가 초속7.7km이면 원 궤도로 지구 주위를 돌게 되어 있다. 그래서 주기가 1시간 30분 32초에 돌게 되어 있는데, 나로호는 고도 300km에서 초속 8km의 속도를 더 내게 설계되었다. 그래서 근지점 고도가 300km이고 원지점 고도가 1,500km, 긴 타원의 궤도가 나오는데 이번 발사에는 초속 6.2km밖에 못 갔기 때문에 날아가다가 호주 북쪽 해상에 떨어졌다. 그러니까 우주센터로부터 5,500km의 거리에 떨어졌다. 그 다음 고도가 35,786km면 초속 3km로 회전주기가 23시간 56분 04초인데 지구가 정확히 한 바퀴 도는 것이 24시간이 아니다. 24시간은 태양시간이다. 항성시로 해서 23시간 56분 04초는 지구 한 바퀴를 도는 시간, 즉 자전주기다. 그러니까 지구의 자전주기와 똑같이 돌아주면 위성이 정지한 것처럼 보인다. 그래서 정지 위성이라고 한다. 아마 집에서 스카이라이프라는 TV 방송을 보시는 분들은 정지궤도 위성에서 온 신호를 받았을 것이다. 미국에 있는 자녀들에게 전화를 걸 때도 해외 통신은 전부 35,786km의 상공에 있는 위성을 통해서 하고 있다.

1957년 10월 4일에 무게가 80kg짜리의 최초 인공위성인 스푸트니크 1호를 구소련에서 발사했다. 이것이 인공위성의 효시다. 그 다음 1957년 11월 3일 스푸트니크 2호가 라이카라는 견공을 싣고 올라갔으나 귀환하지 못하고 견공을 독살시켰다. 그리고 몇 달 후인 1958년 1월 31일 미국은 익스플로러 인공위성을 처음으로 성공한다. 그 위성의 무게가 약 11kg이다.

6. 우주발사체의 정의

로켓이란 로켓엔진을 장착한 비행체로서 발사체, 과학로켓, 미사일, 로켓비행기가 있다. 로켓엔진은 자체 내에 저장된 연료와 산화제가 있는데 산화제는 산소다. 연료는 대부분 석유를 쓴다. 산화제는 액화산소다. 고온, 고압의 연소가스를 만들어서 노즐로 분출하여 그에 대한 반작용으로 추력을 발생시키는 엔진으로, 외부 산화제가 필요 없다. 반면 발사체 또는 우주발사체란 우주에 payload, 즉 탑재체로서 인공위성, 유인우주선, 우주탐사선 등을 발사하는 로켓이다.

7. 고체추진 로켓 및 액체추진 로켓

로켓도 엄밀히 말하면 고체로켓과 액체로켓으로 나누어진다. 엔진은 모두 똑같지만 고체로켓은 빈 깡통 속에 산화제와 연료가 들어있다. 즉 화약이다. 화약인데 짧은 시간에 타기 때문에 폭발하지만 화약을 약 60초 동안 연소시키면 로켓이 되는 것이다. 그러니까 화약 같은 고체 추진제를 쓸 때 고체 로켓이고 액체추진제는 산화제, 즉 액체산소와 연료로서 석유를 넣고 이것을 연소실에서 연소시켜서 쓰는 것이 액체추진 로켓이다. 나로호의 경우 2단계로 한국에서 만든 것은 고체로켓을 썼다. 그런데 큰 차이는 고체 로켓의 경우 군사 미사일로 쓸 수 있다. 최근까지 북한이 제대로 인공위성을 궤도에 올리는데 실패한 것은 3단계 고체로켓이 연소가 안 되었기 때문이다. 반면, 액체추진로켓은 우주발사체용이다. 고체로켓은 대부분 군사용으로 많이 쓰인다.

8. 미사일과 우주발사체의 차이

미사일은 자체추진력과 자동 유도 제어장치를 이용해 탄두로 목표지점을 파괴시키는 것이고, 우주발사체는 자체추진력과 자동유도장치를 이용해서 인공위성을 목표궤도에 투입하는 것이다. 나로호는 우주발사체이지만 북한이 개발하고 있는 것은 미사일이다. 구성은 둘 다 똑같다. 그런데 단지 탑재체가 폭탄이냐 인공위성이냐의 차이다. 폭탄을 실으면 미사일이 되는 것이고 원자폭탄을 실으면 핵무기가 되는 것이다. 그리고 미사일은 주로 추진기관이 고체로켓이다. 고체로켓으로 원하는 시간에 가서 스위치로 발사할 수 있지만 우주발사체는 대부분 액체 엔진을 쓴다. 그래서 발사 몇 시간 전에 액체산소와 석유를 주입하게 된다. 그래서 함부로 빨리 발사를 못하기 때문에 액체로켓은 미사일용으로 쓸 수 없다. 주요 소요기술로 미사일은 제일 어려운 것이 대기권 재돌입 기술이다. 즉, 대기권으로 들어올 때 온도가 섭씨 약 1,700～1,800도가 되기 때문에 거의 모든 물체가 탄다. 그래서 머리 부분이 안타도록 장치를 했다. 그것이 재돌입 기술이다. 그러나 우주발사체는 위성궤도투입기술이 있다. 올라간 후 우주에서 쏘아야 하기 때문에 투입기술이 필요하다.

필자가 왜 나로호에 관심이 있느냐면 지금부터 9년 전에 우주발사장을 경상도 남해로 할 것인가 전라도 고흥으로 할 것인가 어려운 싸움이 있었다. 그런데 남해군은 면적이 60만평, 고흥군은 150만평이었다. 입지조건이 좋아서 고흥으로 했다. 그때 내가 직접 답사를 했다. 고흥의 하반마을이라는 곳에 발사장이 있다. 정말 사람도 얼마 없는 어촌이었는데 지금은 엄청나게 발전했다. 어쨌든 우리나라의 계획으로는 19개의 위성이 계속 발사될 것이다.

지금 우리 나로호의 목표는 100kg급 인공위성을 지구 저궤도에 진입시킬 수 있는 발사체 개발 및 발사 운용기술 확보다. 탑재위성은 과학기술위성2호고 이것은 광주 과기원에서 만들었다. 발사장은 나로우주센터로 전남 고흥에 있다. 주요 제원으로 1단계 로켓은 러시아에서 두 대를 사오는데 한 대는 들어와 있고 한 대는 내년에 더 들어온다. 그 다음 2단계 킥모터(고체엔진)는 우리나라 자체기술로 만들었다. 총중량 140톤에 추진제 중량은 130톤으로 10톤을 빼고는 거의 대부분 액체산소와 석유로 되어 있다. 총길이는 33M, 직경은 2.9M, 추력은 170톤급이다. 여기 보면 이것이 액체산소다. 액체산소는 직접 우리나라 고흥에서 만들어서 공급했고 석유는 러시아에서 비행기로 공수해 왔다. 액체산소만은 우리나라산인데 왜 그러느냐면 이것은 섭씨 영하 183도다. 그러니까 공기를 얼려서 산소를 빼기 때문에 영하 183도라 러시아에서 가지고 올 수가 없다. 온도가 낮기 때문에 발사 4시간 전에 주입을 해야 한다.

그래서 목표는 소형위성발사체에 탑재해서 100kg급 저궤도 인공위성을 개발하는 것이고 임무는 근지점 300km이고 원지점 1,500km인 타원 궤도를 도는 것이다. 궤도 경사각은 80도로 임무수명은 2년이다. 배터리가 지구를 12바퀴 돌기 때문에 12번씩 충전방전 하다보면 2년 쓰면 배터리가 아웃되기 때문이다. 무게는 거의 100kg이다. 탑재체는 마이크로파 라디오미터, 즉 기상관측계통이고 레이저반사경이 있다. 다시 말하면 탑재체는 광주 과기원에서 만들었고 이 속에 있는 버스시스템은 대전에 있는 카이스트 부설 인공위성연구센터에서 만들었다.

9. 나로우주센터

나로우주센터를 만들면서 고생 많이 했다. 사실 우리나라에서 우주발사장을 어디로 할 것인가 고민을 많이 했다. 처음에는 제주도를 원했다. 제주도는 서귀포 서쪽에 대정비행장이라는 상당히 좋은 비행장이 옛날에 있었는데 제주 도지사 이하 도민들의 탄원서가 들어와서 고흥군으로 결정했다. 전남 고흥군 봉내면 예내리 일원으로 약150만평의 부지다. 발사 및 추진시설 등이 전부 들어가 있다. 한적한 이 마을에 흙을 매워서 완벽하게 우주발사장을 만들었다. 6번을 왔다 갔다 하면서 이곳이 만들어졌다. 여러분도 가보면 정말 좋다. 그리고 이 밑에 가면 해수욕장도 있다.

10. 발사대 개발 및 시험 / 발사대 이송 및 조립

발사대라는 것을 보면 구멍이 있다. 올라갈 때 보면 가스가 많이 나온다. 그 많은 가스를 식혀줘야 한다. 그래서 1～2분 동안에 약 100톤 정도의 물을 뿜어줘야 한다. 로켓이 올라가면서 연기가 모락모락 난다. 그것은 여기서 뿜어주는 물 때문이다. 그리고 추진제 공급 장치도 있다. 그래서 보면 1단 로켓이 있고 페어링 옆에 카메라를 장치했다. 즉 궤도를 정확하게 추적하기 위한 GPS 수신기이다. 그렇게 만들어서 조립동에서 탑재체와 고체모터를 만들어서 1단계에 붙인다. 이 1단계는 러시아에서 가지고 온 것이다. 두 대를 사는데 약 2천억 원이었다. 그 다음 조립된 1단과 2단부와 위성을 약 1km 떨어진 로켓 발사장으로 가져가게 된다.

11. 발사준비 및 발사

발사준비는 발사체를 발사장으로 가지고 와서 들어 올린다. 러시아와 미국이 다른 점은 러시아의 경우 기차로 가지고 와서 끌어들인다. 기중기처럼 세워서 연료를 주입하고 산화제를 주입해서 발사를 하지만 미국은 바로 위에서 하나씩 단을 올리는 조립식이다. 나로호의 경우는 완전히 러시아 스타일이다. 그래서 발사를 하는데 발사할 때 물을 약 100톤 정도 뿜어댄다.

12. 발사운용 시퀀스 및 D-Day 발사운용

발사는 D-2일, 그러니까 발사 2일 전에 발사준비를 하는데 발사체 이송 및 발사대를 접속한다. 다시 말하면 여기 보이는 것처럼 시간대별로 발사체가 발사대에 도착하면 기립시키고 발사체의 방위각을 측정한 후 발사체 이송 및 발사대 접속 후 점검 등 각각의 절차가 있다. 그리고 하루 전에 발사준비 리허설을 한다. 재미있는 것은 당일 날 추진제 충전 및 발사자동 시퀀스인데 7시간 전에 1단 추진제 충전 준비 작업을 시작해서 4시간 전에 1단 액체산소 및 케로신 충전을 위한 준비를 완료한다. 액체산소가 섭씨 영하 183도다. 그 다음 케로신이 석유다. 준비완료가 되면 Go/No-go를 결정해서 집어넣는다. 그리고 2시간 7분 전에 케로신 충전 시작, 2시간 2분 전에 액체산소 충전 시작을 해서 1시간 7분 전에 케로신 충전 완료, 52분 전에 액체산소 충전을 완료한다. 충전이 되면 30분 전체 발사체 기립 장치가 철수를 하고 18분 전에 Go/No-go를 결정한 후 15분 전에 발사 자동 시퀀스를 시작한다. 지난번에 7분 56초 만에 스톱을 시켰다. 그래서 다시 액체 산소와 석유를 빼고 2일 후에 다시 발사했다. 이런 과정들을 밟기 때문에 액체로켓은 미사일이 될 수 없다.

그래서 발사일 스토리를 보면 발사 후 54초 후에 음속돌파를 하게 된다. 고도 72km에서. 그리고 212초에 페어링을 분리해야 하는데 한 쪽은 분리되었다. 고도 177km에서. 그 다음 1단 엔진은 219초에 정확히 끝났고 2단 분리도 잘 되었다. 그 다음 2단 점화도 395초 만에 아주 잘 되었다. 성공적이었다. 다 했는데 문제는 2단계 연소시작 47초 후 텀블링이 시작한다. 연소가 되면서 텀블링이 되는 것이다. 그래서 453초에 2단 연소 종료 및 목표궤도 진입을 못했고 360도 빙글빙글 돌면서 이동한 것이다. 약 660초에 387km 올라가고 속도 6.2km로 유지했기 때문에 호주 북쪽 해안으로 떨어진 것이다. 그런데 여기서 두 대의 카메라와 GPS 수신기로 나로호의 궤도와 자세를 측정했다. 사실 나로호 발사 후 남들은 하루 지나서 알았지만 나는 발사 2시간 이후에 계산을 해 고흥에서 5,500km 떨어진 곳에 떨어졌다는 것을 알았다.

13. 각국의 첫 번째 위성발사 시도 성공률

남한과 북한의 위성 발사 현황을 체크해 봤다. 대포동 1호는 27톤이다. 98년 8월 31일에 발사했는데 적연 질산을 썼다. 연료는 석유를 썼다. 왜냐하면 상온에 저장 가능한, 다시 말하면 미사일로 쓰기 위해서(군용으로 쓰기 위해서) 액체로켓을 썼다. 그런데 대포동 1호는 위성궤도에 진입하지 못하고 함북 무수단으로 부터 1,620km 해상에 떨어졌다. 두 번째 대포동 2호는 70톤이다. 2009년 4월 5일에 발사해서 함북 무수단으로 부터 3,200km 해상에 떨어졌다. 3단계 고체로켓이 점화가 안 된 것이다. 우리 나로호는 8월 25일에 1단계는 액체, 2단계는 고체로켓을 썼다. 2단계에서 제대로 연소는 되었는데 덮개가 하나 벗겨지지 않아서 전남 고흥으로부터 5,500km 해상에 떨어졌다. 산화제는 영하 섭씨 183도 액체산소였다. 그래서 이것은 군용미사일로는 못쓴다. 연료는 케로신이고 대신 고체로켓은 우리나라 기술이 상당한 기술이다. 잘 만들어졌다. 각국의 첫 번째 위성발사 시도 성공률을 보면 27%다. 구소련은 성공했다. 미국은 실패했다. 프랑스는 성공했다. 유럽, 일본, 중국, 영국, 인도도 실패했다. 이스라엘은 성공했다. 브라질 실패했고 이란도 실패했다. 북한과 한국도 실패했다. 위성발사성공이라는 것이 그렇게 어렵다. 그래서 시대별 발사통계를 보면 50년대 이후 거의 300여개가 실패했다.

앞으로 우리는 한국형 발사체를 만들고자 한다. 1조 5천억을 들여 우리 힘으로 만들어서 총길이 50m에 무게 200톤짜리를 계획하고 있다. 거의 국내 자력으로 할 예정이다. 지금 우리가 만들었던 것이 추력 30톤짜리다. 이것은 실용화 될 것이다. 개발에 성공했다는 이야기가 나오고 있다. 앞으로 추력 75톤짜리를 설계할 것이다.

14. 우주(무중력 상태)의 특징

우주에서는 비중이 다른 물질끼리도 혼합이 용이하다. 지상에서는 가벼운 것은 뜨고 무거운 것은 가라앉기 때문에 잘 안 섞이는 물질도 우주에 가면 무게가 사라져 서로 잘 섞인다. 다시 말해서 우주와 같은 무중력 상태에서는 쉽게 혼합물질을 만들 수 있다. 그 다음 무중력상태에서는 대류현상이 없다. 그래서 액체나 셀 등이 전기를 걸 때 분리되어 의약제조에 가능하다. 또 분순물이 없는 완전한 결정체를 만들 수 있다. 지구상에서는 이렇게 불순물이 나오는데 우주상에서는 아주 깨끗하게 만들어 낼 수 있다. 또한 높은 농도의 순수물질도 제조 가능하다. 지구상에서는 무거운 것이 밑으로 내려오는데 무중력상태에서는 고순도의 물질, 완전한 볼 베어링을 만들 수 있다. 우주가 이렇게 좋다.

무중력상태는 어떻게 만들까? 엘리베이터를 타고 내려갈 때 좀 더 세게 내려가면 무중력이 될 수 있다. 비행기 타고 갈 때 올라갔다가 갑자기 내려올 때 털커덕 하는데 그 때가 무중력 상태다. 보통은 이 상태로 실험을 많이 한다. 비행기를 타고 올라가서 내려올 때 2∼3분 정도다. 하지만 우주에서는 365일 24시간 무중력 상태를 유지할 수 있다.

여기 보면 지구 주위에 많은 점들이 있다. 이 점들 가운데에는 인공위성도 있고, 그렇지 않은 것도 있다. 우리는 지구 주위에서 의미 없이 떠도는 물체를 ‘스페이스 데브리’, 우리말로 ‘우주 쓰레기’라고 한다. 스페이스 데브리는 수명이 다한 인공위성부터 우주인이 실수로 흘린 작업 도구까지 다양한 종류들로 구성된다. 이러한 물체는 약 10cm 크기의 경우 약 12,000개 정도가 지구 저궤도 상에서 돌고 있다. 잘못하면 임무중인 인공위성과 충돌이 나기도 하는 데 불과 수 mm의 크기라도 초속 7km 이상으로 이동하기 때문에 대단히 큰 피해를 준다. 나중에는 아마 이런 우주 쓰레기를 청소해야 할 것 같다.

15. 맺음말

그러면 왜 우주발사체 개발이 중요할까? 먼저 전략적으로 위성발사능력을 확보해야 한다. 북한도 가지고 있지만 중국, 일본이 우주발사체를 가지고 있다. 우리가 독립국이 되기 위해서는 어쩔 수 없다. 제일 큰 이유는 국방이다. 우리가 지금 1m짜리 영상 위성을 가지고 있다. 내년 정도 되면 영상이 70cm짜리 정도 볼 수 있는 첩보위성을 갖게 된다. 그 다음 기술적 측면에서 발사체 핵심기술을 확보해야 한다. 또한 사회적 측면에서 국민의 자긍심을 고취하고 국가 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 우주 개발은 ‘꿈’을 사는 것이다. 당장 우리보다 우리 아들과 딸, 그리고 대대손손이 살아갈 나라가 세계 선진국 대열에 나란히 설 수 있게 하는 투자일지 모른다. 1962년 미국의 존F. 케네디 대통령은 한 연설에서 “우리는 쉽기 때문이 아니라 어렵기 때문에 달(우주개발)을 선택했다. 이 목표는 우리가 기꺼이 받아들일 수 있는 도전이고 미루고 싶지 않기 때문이다.”라고 했다.