드디어 내일 발사, 나로호의 임무와 비행개념

8월 19일. 우리나라 첫 우주발사체 ‘나로호’가 우주여행을 시작한다. 나로호의 임무는 과학기술위성 2호를 무사히 우주 저궤도에 안착시키는 일이다. 국내 최초 인공위성 발사장인 나로우주센터를 준공한데 이어 이번 ‘나로호’까지 성공적으로 발사된다면 우리나라는 세계10번째 위성 자력발사 국가가 된다. 뿐만 아니라 2020년에는 달탐사 궤도선을, 2025년에는 달탐사 착륙선을 개발하는 등 본격적인 한국의 우주시대를 개막할 것으로 기대되고 있다.

나로호에 탑재돼 우주 저궤도에 안착할 과학기술위성 2호. 대기관측과 과학실험 등을 수행하게 된다.

고체로켓·자동유도항법·연료탱크… 발사체 상단 자체 개발로 핵심기술 확보

100kg급 인공위성을 어떻게 지구 저궤도에 진입시킬 수 있을까. 해답은 의외로 간단하다. 위성을 쏘아 올릴 수 있는 우주센터와 발사체가 있으면 된다. 실제 한국 최초의 우주발사체 ‘나로호’가 개발된 것도 이러한 목표를 달성하기 위함이다. 이번 발사가 성공적으로 이뤄질 경우, 내년 4월 2차 발사가 추진되며, 만약에 발사에 실패할 경우, 실패원인 분석 및 재발방지 조치 후 재발사 할 예정이다.

글｜강재옥 꿈나래21 기자

한국 최초의 우주발사체 ‘나로호’는 100kg급 소형위성을 지구저궤도에 진입시킬 수 있는 한국 첫 발사체이다. 길이는 약 33m, 직경 2.9m, 총중량 140톤규모로, 1단 액체엔진과 2단 고체 킥모터로 구성되는 2단형이다. 

러시아와의 국제협력을 통해 1단은 러시아가, 2단은 국내 기술로 개발했는데 발사체 상단 자체개발을 통한 기술 확보는 이번 ‘나로호’사업의 대표적인 성과라 할만하다. 발사체의 종합설계나 총조립·시험, 발사 운영 등의 시스템 기술은 러시아와 협력을 통해 확보했지만 인공위성을 궤도에 투입시키는 고체로켓과 자동유도항법·제어 등의 기술을 자체 개발로 확보해 의미를 더하고 있다. 발사체 1단의 액체 로켓엔진 또한 러시아에서 도입했지만 구조, 산화제·연료탱크 제작 기술 등은 국내 선행 연구를 통해 우리가 확보한 기술이다. 

특히 높은 추력을 낼 수 있는 액체 로켓엔진은 국제적으로 기술이전이 엄격히 금지된 분야지만 선행개발을 통해 핵심기술 국산화를 이뤄냈다. 나로호 개발과정뿐 아니라 나로우주센터의 통제시스템도 국내 자체 개발로 탄생했고 발사대 시스템은 러시아 설계를 기본으로 제작도면을 국내 기술로 재설계했다. 국제적으로 보안이 철저한 발사체 핵심기술을 확보했다는 것만으로도 큰 성과라고 전문가들은 강조하고 있다.

 

나로호는 이륙 후 20여초 동안 거의 수직으로 비행한 후 남쪽 방향으로 비행하기 위해 발사체를 기울이는 킥던(Kick-turn)을 취한다.

나로호, 발사 25초 후 '킥턴' 취해

이렇게 첨단과학기술의 결정체인‘나로호’는 이륙 후 불과 25초 만에 첫 번째 임무를 수행하게 된다.

눈으로 볼 때는 로켓이 수직으로 올라가다가 발사 후 25초가 되는 시점에서 다시 눕는 것처럼 보이는데 이때가 방향을 틀기 시작한 시점이다. 이름하여 ‘킥턴(KickTurn)’이다. 킥턴은 발사체가 초기에는 수직으로 발사되지만 그 이후에는 원하는 방향으로 발사체를 기울이는 현상을 말한다.

충분히 올라가다가 고도 170km 지점에 이르면 유선형으로 된 로켓 앞부분의 덮개가 벗겨지기 시작하는 ‘페어링(Fairing)’분리를 시작한다. 공기저항을 줄이기 위해 뾰족한 모양으로 속이 비어있는 채로 만들지만 공기마찰이 없는 상태에 다다르면 앞덮개가 벗겨지며 양쪽으로 갈라져서 바다로 떨어진다. 우주센터에서 앞덮개가 바다에 빠지는 시간은 발사 후 약 20분, 우주센터로부터 약 2300km 떨어진 태평양 바다이다.

발사 후 약 230초가 지나면 1단 엔진 연료가 소모되면서 1단이 2단과 분리되게 된다. 분리된 후에도 1단은 한동안 2단과 비슷한 경로로 이동하는데 1단은 바다로 떨어지는 반면, 2단은 추진기관이 점화되면서 오히려 힘을 받고 인공위성 궤도로 돌진한다. 이 상태가 인공위성을 ‘(발로) 차서 궤도로 넣는다’는 의미의 ‘킥모터’점화시점이다. 로켓발사의 최종 목표가 인공위성을 저궤도에 안정적으로 진입시키는 것인 만큼 킥모터 점화로5km/s에서 8km/s의 속도를 유지하면서 궤도에 안착할 수 있도록 한다.

발사된 지 450초 정도가 되면 킥모터 연소가 종료되고, 540초 시점에서 위성이 분리된다. 이때부터 과학기술위성 2호는 지구 저궤도(300km×1500km)를 2년간 돌면서 지구 및 대기 감시 기능을 수행하게 된다.

이를 위해 과학기술위성 2호에는 대기와 해양의 수분량을 측정할 수 있는 마이크로 파 라디오미터 관측기와 위성의 정밀궤도를 측정할 수 있는 레이저 반사경이 탑재되어 있다.

페어링 분리는 발사 후, 170km 고도에 다다르면 시작되며 그 후 1단과 2단 엔진이 분리돼 1단이 바다에 떨어진다.

떨어지지 않은 로켓 2단은 어디로?

여기서, 하나의 호기심이 발동할 만하다. ‘바다로 떨어지지 않은 로켓 2단은 과연 어디로 갔을까’하는 점이다. 결론부터 말한다면, 한동안 우주에 떠 있게 된다. 킥모터 점화로 저궤도에 함께 진입한 로켓 2단 역시 인공위성과 함께 궤도를 맴돈다는 의미이다.

위성과 충돌하지 않도록 기본 설계가 돼 있어 10년은 우주공간을 돌다가 서서히 고도가 낮아져서 지구로 재돌입을 하게 되는데 이때 공기와의 마찰열에 의해 소멸된다.

이번 로켓 발사와 관련해 왜 저궤도에 쏘아 올리는지도 궁금한 점이다. 그 이유는 이번에 쏘아 올리는 과학기술위성 2호의 임무를 수행하는 데 저궤도가 적합하기 때문이다. 위성의 역할과 임무에 따라 궤도가 달라지는데 과학실험이나 관측 등을 하기 위해서는 저궤도가 적합하고, 자력으로 발사하는 첫 번째 위성인 만큼 안정성 측면을 고려했기 때문이다.

또 한 가지 궁금증은 무려 140톤의 로켓이 과연 어떻게 하늘을 향해 솟구칠 수 있느냐는 것이다.

얼핏 생각하면, 비행기가 추진하는 원리와 비슷하다고 생각할 수 있지만 오히려 풍선을 불었다가 놓았을 때 앞으로 나가는 원리와 같다. 엔진이 아닌 엔진에서 나오는가스의 힘으로 추진하기 때문이다. 자동차를 일례로 든다면, 연료의 피스톤 운동에 의한 이동이 아닌 머플러에서 나오는 가스로 이동하는 셈이다.

로켓이 발사되는 순간, 주변을 덮는 거대한 뭉게구름의 정체도 로켓연료가 타는 과정에서 발생한 가스 또는 먼지로 인식되지만, 사실 그 거대한 뭉게구름의 대부분은 ‘수증기’이다. 고열, 고압 상태의 로켓을 안정적으로 유지하고 열로 인한 충격을 완화하기 위해 발사대 아래 화염반사로를 설치하는데 열 반사로 인한 과열 방지를 위해 물을 뿜어주게 된다. 발사 시점에서 불과 물이 만나 순간 엄청난 수증기가 뭉게구름처럼 형성되는 것이다.

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