최초공개! 한국형발사체 누리호(KSLV) 발사 과정

 

한국형 발사체 개발사업을 위해서 정부는 2010년부터 1조 9천억 원이 넘는 예산을 투입해왔고, 드디어 10월에 그 결실을 일궈낼 누리호 1호(길이 47.2m, 무게 200톤 규모의 3단형 우주발사체)가 발사된 예정이다. 이번 발사가 성공적으로 마치게 되면 자체 기술로 위성을 쏘아 올린 세계 7번째 나라가 된다.  

 

한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ) 개발 사업 과정

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2010년   3월 한국형 발사체 개발 사업 착수

2016년   7월 75톤급 액체엔진 임무 연소시간 연소 성공

2018년 11월 한국형발사체 시험발사체 발사 성공

2021년   3월 한국형발사체 1단 종합 연소시험 성공

2021년   8월 발사전 최종 점검 WDR 완료

2021년 10월 1차 발사일 (10월 21일)

2022년   5월 2차 발사일 (5월 19일)

 

발사 가능 여부를 판가름하는 WDR은 무엇일까?

WDR (Wet Dress Rehearsal)은 실제 발사에 사용될 누리호 비행모델로 모든 발사 과정을 점검하는 것으로 WDR결과를 바탕으로 발사 가능 여부를 판단한다. 

 

< 한국형발사체 누리호 1호 >

한국형 발사체 누리호 타임라인

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L-1 발사 전날 오전 '이송과 기립'

 

총조립을 마친 누리호를 발사대로 옮기는 것부터 발사를 위한 준비를 시작된다.

• 추진체를 채우지 않은 빈 상태에서 눕혀서 트랜스포터에 탑재
• 안전을 위해 사람이 걷는 속도만큼 느린 1.5km/h의 속도로 이동

조립동에서 발사대까지 약 1.8km의 거리를 1시간여 걸쳐서 이동한 뒤 이렉터를 이용하여 발사대 위에 누리호를 수직으로 세우는 기립 절차 수행한다. 수직으로 세운 후 추진제가 없는 가벼운 누리호가 강한 바람에도 넘어지지 않도록 하단을 단단하게 고정해주는 일이 중요하다. 지상고정장치(VHD)는 이륙 직전까지 누리호를 잡고 있다가 엔진이 최대 추력을 낼 때 발사체를 놓아주는 역할을 하는 매우 중요한 장치이다. 

• 지상고정장치(VHD) : 누리호 하부를 4개의 고리로 지지 및 고정

 

L-1 발사 전날 오후 '엄빌리칼 연결'

 

엄빌리칼은 누리호에 추진제와 전기를 공급하는 시설로 미리 연결되어야 발사 당일 바로 충전을 시작할 수 있다. 

• 추진제를 공급하기 위한 엄빌리칼 타워, 누리호 길이와 비슷한 11층 건물 높이

추진제를 공급할 엄빌리칼은 모두 6개이다. 각 단마다 2개씩 있는 산화제 / 연료 탱크에 추진제를 따로 공급해줘야 하기 때문이다. 누리호는 3단 우주 발사체로 3개의 로켓을 합친 것과 같습니다. 또한 액체추진 로켓은 연료를 태우기 위해 고밀도의 산소인 산화제를 따로 싣고 가게 된다. 공기가 희박한 고도에서 산화제는 필수이다. 

• 액체산소(산화제)는 연료(케로신)의 약 2.6배 더 싣게 됨(질량비 기준)

엄빌리칼 연결이 진행되는 동안, 발사대 시스템 준비도 진행된다. 

• 연료와 산화제를 공급하는 지하 탱크 점검
• 발사대 지하에서 화염을 식혀주는 물탱크 수압 테스트
• 화재 등에 대비한 소화장치 점검

이 모든 것이 발사 하루 전 나로우주센터에서 진행되는 일들이 된다. 

 

 

 

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L-day 발사 당일 오전 '발사 준비'

 

< 발사 기상조건 >
바람 : 순간 최대 풍속 21m/s 강풍 경보 이하
구름 : 비행경로상에 번개 방전 가능성이 없는 조건
그 외 온도, 습도, 압력 등 기상조건 만족하여야 하며 우주 쓰레기 등 우주물체와의 충돌 가능성도 없어야 한다. 

누리호의 정상 발사를 확인하기 위해서 나로우주센터의 추적소와 제주도, 팔라우섬의 추적소에서도 통신 안테나를 켜고 발사관제 모드에 들어간다. 

 

마지막으로, 각종 전자장비와 컴퓨터, 센서를 확인한다. 연료와 산화제를 주입하기 전 헬륨가스가 먼저 충전된다. 헬륨은 누리호 속  수백 개의 밸브를 여닫는 역할을 할 뿐만 아니라 동체나 엔진, 배관의 이물질을 불어 내주는 일을 하게 된다. 

• 상온 헬륨 : 밸브 개폐, 퍼지(purge, 이물질 제거)
• 저온 헬륨 : 추진제 탱크 압력 유지

연료와 산화제를 주입하는 데 걸리는 시간은 약 2시간, 연료와 산화제는 엔진이 점화되기 전까지 결코 만나서는 안된다. 작은 불씨에도 화제로 이어질 수 있기 때문에 따로 충전을 하고 미리 헬륨가스로 이물질을 제거해 주는 것이다. 

 

극저온 액체산소인 산화제는 충전이 매우 어렵다. 배관과 탱크를 미리 냉각한 후 충전을 해도 주입 직후부터 증발되기 때문에 발사 전까지 계속 보충을 해주어야 합니다. 

• 연료 : 상온, 등유 계열의 케로신
• 산화제 : 영하 183도, 초저온 액체산소

바로 이것이 기화되는 차가운 산화제가 공기 중의 수분을 응결시켜 나타나는 현상으로 발사 직전까지 로켓 주위를 감싸는 하얀 연기이다. 

 

 

L-Day 발사 당일 오후 '발사 카운트다운'

 

누리호를 수직으로 세워 지지해주던 이렉커가 분리를 시작했다면 발사 절차가 진행되며 발사 카운트다운은 발사 10분 전 시작됩니다. 

• 발사 30분 전 이렉터 분리, 관성항법유도시스템 정렬
• 발사 10분 전 발사 자동운용(PLO) 시작

이때부터는 사람의 손을 떠나 모든 결정이 컴퓨터에게 맡겨진다. 이 10분 동안 컴퓨터는 압력, 온도, 습도, 통신상태 등 누리호의 모든 상태를 체크한다. 이 중 단 하나라도 이상신호가 감지되면 스스로 발사를 중단한다. 

• 이상 신호 발생 시 자동발사 시스템이 발사 중단

누리호가 정상상태임이 확인되면, 단 몇 초 만에 최대 추력에 이르게 된다. 75톤급 엔진 4기가 최대 추력 300톤에 도달하면 누리호 하부를 잡고 있던 고정장치 4개에 해제 명령을 내려지고 엄빌리칼이 자동 회수된다. 

• 초당 드럼통 5개(1,000kg)의 추진제(연료/산화제)를 쏟아붓는다. 

 

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여기서 궁금한 점 두 가지

 

1. 발사대 아래쪽에서 피어 나오는 거대한 연기는 무엇인가요?

이 연기는 3,400도의 화염이 누리호로 역류하지 않도록 지하에서 물을 분사하면서 발생하는 수증기이다. 

 

2. 이륙과 동시에 동체 외벽에서 떨어져 나오는 얼음은 무엇인가요?

극저온 산화제 탱크 바깥쪽에 낀 성에가 진동에 의해 떨어져 나오는 것이다. 

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L-Day 발사 후 비행과 단 분리, 위성 분리

 

1단 연소 시간은 약 127초이며, 다 사용한 단을 버려야 더 멀리, 더 빨리 날아오를 수 있게 된다. 약 2분여 만에 공기가 희박한 성층권에 도달하는 데 성공한다. 

• 단 분리 시 충돌 방지 : 1단을 뒤로 끌어내리는 레트로 모터+2단을 위로 끌어당기는 얼리지 모터

절반 이상의 무게가 감소되면서 누리호의 가속 구간이 시작된다. 2단 로켓 비행은 1단보다 속도와 고도가 2배 이상 증가한다. 공기 마찰이 거의 없는 고도에 이르면 위성의 덮개인 페어링도 먼저 떼어내 버린다. 

• 약 200km 고도에서 페어링 분리

누리호가 달성해야 하는 최종 속도는 초속 7.5km이며, 누리호 2단은 초속 4.3km의 속도로 날아간다. 2단 분리 후 마지막 3단 엔진을 켠다. 

• 비행시간 : 1단 약 127초 < 2단 약 147초 < 3단 약 521초

3단 엔진의 연소시간은 약 9분으로 가장 긴 시간 동안 비행한다. 전 구간에서 누리호가 가장 멀리, 가장 빠르게, 가장 높이 날아가는 시간이다. 

• 3단 점화 후 이동거리 약 4,000km, 2단보다 속도 약 2배 증가

누리호의 비행속도가 초속 7.5km에 도달하고 인공위성 투입 고도인 700km에 도달하면 누리호는 3단 엔진을 정지한다. 위성과 궤도 비행을 유지하다가 지상에서 이륙한 지 약 16분 만에 위성 모사체가 분리하게 된다. 

 

위성이 분리되고 약 30분 후 발사 데이터 분석을 통해 최종 발사 성공 여부를 판단하게 된다. 내년 5월 2차 시험 발사에서는 1.3톤짜리 위성 모사체와 0.2톤짜리 성능 검증용 위성을 달고 발사될 예정이다. 

 

 

 

 

그렇다면, 이번 발사와 관련하여 누리호 관련주, 항공우주 관련주, 인공위성 관련주는 무엇이 있을까?

 

한국항공우주 산업 관련주는 아래 글을 참고해보자.

 

 

한국항공우주 산업 (쎄트렉아이, 한화에어로스페이스, AP위성, 한국항공우주) 드디어 우주를 꿈

 

일런 머스크의 스페이스 X가 여러 차례 우주 발사를 성공하면서, 멀기만 느껴졌던 우주여행과 화성 이주가 점점 현실로 다가오는 기분이며, 이에 따라 우주에 대한 관심이 한 층 더 뜨거워진 분위기이다. 이번 누리호 1호를 발사를 계기로 국내에서도 관심을 갖는 사람들이 늘어나게 될 것이고 그에 따른 테마주 형성이 이뤄질 것으로 보인다.

 

 

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