누리호 5차 발사, 민간 주도로 진화

누리호는 첫 발사에서 위성 모사체를 목표 궤도에 올려놓지 못했으며, 3단 엔진이 목표보다 46초 일찍 정지하는 문제가 발생했다.

연구진은 산화제 탱크 내부 헬륨 탱크 고정 장치의 설계 오류를 원인으로 파악하고, 고정 장치를 보강하고 탱크 구조를 튼튼하게 개선하는 등 보완 작업을 거쳐 이후 세 차례 연속 발사에 성공했다.

2013년 나로호 발사 성공으로 발사체 조립 및 시험 경험을 확보했으며, 동시에 30톤급 액체 엔진 연구도 진행됐다.

이때 쌓은 기술과 경험이 누리호의 75톤급 엔진을 만드는 바탕이 되었고, 누리호는 1단부터 3단까지 모두 국산 기술로 개발되었으며 총 1조 9,500억 원의 개발비가 투입됐다.

2018년 11월, 75톤급 엔진 한 기를 장착한 시험 발사체가 나로우주센터에서 발사되어 엔진이 목표였던 140초를 넘어 151초 동안 연소했다.

시험 발사체는 고도 209km까지 도달했으며, 이를 통해 한국은 중대형 액체 로켓 엔진 기술을 확보한 세계 7번째 국가로 등극했다.

비행 중 가해지는 가속력을 고정 장치가 견디지 못하면서 헬륨 탱크가 이탈했다. 이로 인해 배관이 변형되며 헬륨과 액체 산소가 유출됐고, 결국 엔진 산화제가 부족해져 46초 일찍 연소 종료하며 궤도 진입에 실패했다. 연구진은 설계 과정에서 부력의 변화를 충분히 반영하지 못했다고 설명했다.

헬륨을 담은 고압 탱크가 영하 183도 액체 산소 안에 잠겨 있었는데, 로켓이 가속하면서 액체 산소 속 헬륨 탱크를 위로 밀어 올리는 부력이 커지는 현상이 발생했다.

설계 과정에서 비행 중 커지는 부력을 충분히 반영하지 못해 고정 장치가 가속력을 견디지 못하고 이탈, 배관 변형으로 헬륨과 액체 산소가 유출되어 엔진 산화제 부족으로 46초 일찍 연소가 종료되었다.

2022년 6월 21일 누리호 2차 발사가 성공하며 우리 기술로 만든 발사체가 처음으로 실제 위성을 우주에 배달했다.

성능 검증 위성과 큐브 위성 4기가 탑재되었으며, 이 성공으로 한국은 1톤급 이상의 실용 위성을 자체 개발한 발사체로 지구 저궤도에 올릴 수 있는 세계 7번째 나라가 되었다.

이번 발사는 지상 통신 문제로 예정보다 하루 연기되어 진행되었으며, 차세대 소형 위성 2호를 포함한 큐브 위성 7기가 궤도에 올랐다. 이 과정에서 도요샛 위성 중 '다솔'은 사출관 문이 열리지 않아 정상 분리에 실패하며 누리호 3단에 남게 됐다. 이로 인해 차세대 소형위성 2호와 큐브 위성 6기는 정상적으로 분리됐으나, 다솔은 사출되지 못하고 3단에 남았다.

차세대 소형위성 2호가 가장 먼저 분리되었고, 큐브 위성들도 약 20초 간격으로 차례로 사출되었으나, 한국천문연구원이 만든 도요샛 위성 4기 중 '다솔'은 사출관 문이 열리지 않아 정상 분리에 실패하고 누리호 3단에 남았다.

항우연으로부터 기술을 이전받은 한화에어로스페이스가 제작 및 발사 운영 전반에 본격적으로 참여했다. 2022년 체계 종합 기업으로 선정된 이후, 발사 운용 과정에서 항우연과 함께 호흡을 맞춘 것이다.

한국항공우주연구원(항우연)의 기술 이전을 통해 제작뿐만 아니라 발사 운용에도 처음으로 참여하며 민간의 역할이 확대됐다.

4차 발사의 주탑재 위성인 차세대 중형위성 3호는 지구 상공을 돌며 오로라와 대기광을 촬영하고 우주 공간의 자기장과 플라즈마를 측정하는 임무를 가졌다. 이러한 관측에 필요한 태양광 조건을 맞추려면 위성이 정해진 시각에 적도를 통과하는 태양 동기 궤도에 들어가야 했기에 새벽 시간대 발사가 결정되었다.

이번 발사에서는 500kg급 차세대 중형 위성 3호가 실리며 이전보다 탑재체 무게가 3배 늘어났다. 누리호가 중형급 위성을 쏘아 올린 것은 이번이 처음이며, 발사 직전 엄빌리컬 센서 신호 오류를 극복하고 목표 궤도 1km 오차 내 진입에 성공했다.

한화에어로스페이스는 3차 발사에서 제작 관리와 발사 운용에 참여했으며, 4차 발사에서는 누리호 4기 제작과 조립 전 과정을 총괄했다. 발사 직전 엄빌리컬 회수 압력 센서 비정상 신호로 중단되었으나 복구 후 성공적으로 발사되었고, 목표 궤도에 1km 오차 내로 진입했으며 엔진 성능도 예상보다 높게 나타났다.

누리호 5차 발사에는 총 15기의 위성이 실리며, 이는 누리호가 한 번에 실어 나른 위성 중 가장 많은 숫자다.

주탑재 위성은 초소형 군집 위성인 네온샛 2호부터 6호까지 다섯 기(개당 100kg 미만)로, 이들은 고도 570km의 태양 동기 궤도에 투입될 예정이다. 네온샛은 여러 대의 작은 위성이 한 팀처럼 지구를 관측하도록 설계되었으며, 표준화된 설계와 공정을 도입하여 위성 제작 기간을 2개월로 단축했다.

누리호는 다중 위성 분리를 위해 3단부 방향을 조정하며 35초에서 40초 간격으로 위성 5기를 순차적으로 분리할 예정이다. 위성들이 서로 안전하게 멀어지도록 분리 순서와 간격, 방향을 정하는 것이 중요하다고 진행자는 설명했다.

2027년 6차 발사까지 총 11기의 네온샛 위성이 배치될 예정이며, 군집이 완성되면 한반도를 하루 3회 이상 관측하고 24시간 내 재확인이 가능해 재난 감시 및 안보 변화 상황 파악에 활용될 계획이다.

발사 통제 센터의 22개 운용 콘솔 중 20개에 한화에어로스페이스 인력 23명이 참여하며, 민간 기업의 반복 발사 역량 확보를 위한 기술 이전이 진행되고 있다.

차세대 발사체 개발은 기존의 케로신 1회용 방식에서 메탄을 사용하는 재사용 발사체로 방향을 전환했으며, 2032년 한국형 달 착륙선 발사를 최종 목표로 설정했다.

누리호 5차 발사에서는 발사 통제 센터 내 22개 운용 콘솔 중 20개에 한화에어로스페이스 인력 23명이 참여하며, 이 중 18명은 직접 콘솔을 운영할 예정이다.

이는 6차 발사부터 발사 책임자 등 일부 핵심 관제석을 제외한 대부분의 업무로 민간의 운영 참여가 확대될 것임을 보여주는 단계적 전환이다.

2023년 누리호보다 무거운 위성 수송과 달 탐사를 목표로 시작된 차세대 발사체 개발 계획이 2025년 말 메탄 기반의 재사용 발사체로 전환되었다. 연소 부산물이 적어 정비와 재사용에 유리한 메탄 엔진은 80톤급 1종이 1, 2단에 공통으로 적용될 전망이다.

메탄은 케로신보다 연소 과정에서 그을음이 적게 생기기 때문에 사용한 엔진을 정비하여 다시 쓰기에 유리하며, 80톤급 메탄 엔진 1종을 1단과 2단에 공통 적용하는 구조로 개발될 예정이다. 이 발사체는 누리호보다 무거운 위성 수송 및 달 탐사선 발사를 목표로 한다.

다른 나라의 로켓을 이용할 경우 해당 국가의 발사 일정과 사정에 위성 발사를 맞춰야 하는 제약이 발생한다.

우리가 직접 운용할 수 있는 자체 발사체를 보유하면 필요할 때 우주로 나갈 수 있는 주도적인 선택지가 생겨 전략적 가치를 가진다.