[프리미엄 리포트]발사 카운트다운 앞둔 누리호 개발의 숨은 주역들

한국항공우주연구원 제공

온전히 국내 기술로 만들어진 한국형 발사체, 누리호가 10월 21일 상공을 가른다. 누리호가 무사히 발사되려면 3단으로 구성된 액체엔진과 발사대, 지상고정장치 등 수십 개의 시스템이 한 몸처럼 작동해야 한다. 한 치의 오차는 발사 실패나 폭발로 이어질 수 있다. 이에 전남 고흥 나로우주센터에서는 수백여 명의 연구원들이 그 어느 때보다도 긴장되고 바쁜 한 달을 보내고 있다. 발사를 한 달여 남긴 9월 8일, 나로우주센터에서 개발 주역들을 만나 지난했던 개발 과정 속 숨은 이야기를 들어봤다.

강선일 한국항공우주연구원 발사대팀장

강선일 항우연 발사대팀장이 누리호가 발사될 제2발사대 앞에서 포즈를 취하고 있다. 이서연 제공

“산을 따라서 끝까지 올라오시면 됩니다.”

나로우주센터 입구를 지나고도 한참을 내달려야 했다. 언덕을 몇 개 넘어서자 가장 높은 곳에 초록색 구조물이 웅장한 제2발사대가 눈에 들어왔다. 그 왼쪽으로는 8년 전 나로호와 2018년 누리호 시험발사체를 발사했던 푸른빛의 제1발사대가 서 있었다.

“발사체 지상고정장치(VHD)에 화염 방지 커버를 씌우는 작업을 하고 있습니다.”

산꼭대기 발사장에서 만난 강선일 한국항공우주연구원(항우연) 발사대팀장이 설명했다. 네 명의 엔지니어가 발사대 아래 하얀색 구조물에 빨간 방호 커버를 씌우고 있었다.

새로운 발사체를 쏘아 올린다는 것은 그에 맞는 전용 발사대가 필요하다는 의미다. 150t(톤)급 엔진을 탑재했던 나로호에 비해 두 배가량 커진 누리호는 1.5배가량 크기가 커진 제2발사대에서 발사될 예정이다.

나로우주센터는 발사대 부지를 선정하던 때부터 두 개의 발사대를 운용하도록 계획돼 있었다. 초반에는 예산 문제로 제1발사대만 운용하다가, 누리호 개발이 본격화되면서 제2발사대가 새로 건설됐다.

초록색 발사대 구조물 아래에는 52개의 방으로 이뤄진 지하 2층 규모의 시설이 있다. 발사체를 운용하는 데 필요한 일을 수행하는 곳이다. 추진제를 압력에 맞게 조절하는 등 발사체 세부 통제를 여기서 하고 있다.

제2발사대는 이전의 발사대보다 크기만 커진 것이 아니다. 가장 큰 차이는 47m 높이의 초록색 구조물, 엄빌리컬(umbilical·탯줄처럼 연결된) 타워다. 고체 연료 발사체는 로켓 안에 미리 추진제를 넣어놓을 수 있지만 액체 연료 발사체는 마지막 순간에 연료를 주입해야 한다. 조립동에서 빈 상태로 올라온 발사체에 엄빌리컬 타워에서 액체연료를 넣어 준다. 마치 태아의 탯줄과 같은 역할이다. 2단에 고체연료를 탑재했던 나로호에는 사용되지 않은 기술이다.

엄빌리컬 타워의 연결 부위는 발사체와 마지막 순간까지 붙어있다가 이륙 직전에 신호를 받고 완벽히 분리돼야 한다. 또 연료 공급이 끝나면 제대로 회수돼야 재사용이 가능하다. 강 팀장은 “공압을 이용해 연료공급장치를 빠르게 당긴 뒤 뚜껑이 덮이도록 설계했다”고 말했다. 발사체가 날아가면서 화염에 의해 타지 않도록 방염 작업도 철저히 했다.

또 하나의 차이점은 발사체를 붙잡는 지상고정장치다. 발사체의 엔진 연소가 시작되면 추력으로 발사체가 날아가려는 힘이 생기는데, 엔진이 정상인지 판단하고 발사 신호를 받을 때까지 로켓을 붙잡아두는 장치다. 이 시간은 1.5~5초가량이지만 300t급 추력을 견뎌야 하기 때문에 튼튼하게 설계해야 한다. 이 또한 나로호에는 없던 기술이다. 

“발사대는 이미 준비가 끝났습니다.”

제2발사대에 관여하는 연구자만 해도 열세 명, 현대중공업 등 협력업체까지 더하면 60여 명이다. 강 팀장은 이제 한 달여 남은 시간 동안 부품을 관리하고 발사를 연습하는 과정이 남았다고 했다. 극저온 상태를 유지하는 추진제는 시간이 지나면 증발하기에 이를 보충하고, 고압가스의 압력을 조절하는 작업 등이 필요하다. 발사 당일 누리호를 발사대에 세울 때까지 모든 작업에 사람의 손이 필요하다.

발사체 연구를 시작한 지 20년이 넘은 강 팀장은 한국 최초의 액체연료 연구로켓인 과학로켓 3호(KSR-III) 개발부터 참여한 발사체 개발 1.5세대다. 지금까지 나로호를 비롯해 총 여섯 번의 발사를 경험했다. 그는 그중에서도 러시아와 국제협력한 나로호 프로젝트 경험이 큰 자산이 됐다고 말한다.

“KSR-III를 개발하던 당시에는 우리가 뭘 알고 뭘 모르는지조차 모르는 수준이었다면, 나로호 프로젝트를 진행하면서 어떤 걸 모르고 있었는지 알게 됐어요. 이후 ‘이만큼 알게 된 것을 제대로 한번 구현해 보자’ 결심하게 된 게 누리호 프로젝트입니다.”

실제 이번 누리호 프로젝트에 참여한 연구원들의 대부분은 나로호 프로젝트에 참여했었다. 나로호 프로젝트는 그동안 책으로 보고, 이론적으로만 알던 내용을 실제로 체득한 경험이었다. 당시 러시아 연구원들은 선생님 역할을 했다. 그들의 결정 과정을 보면서 배운 것들을 누리호에 최대한 적용했다.

10월 21일 누리호는 지난 15년 프로젝트의 결실을 맺는다. 누리호를 ‘이쁜이’라고 부르며 애착을 보여 주던 강 팀장은 이제 성과를 거두고 마침표를 찍어야 할 시기라고 말한다. “어서 제 눈앞에서 이쁜이가 사라졌으면 좋겠어요. 하하.”

말은 그렇게 했지만 아쉬움이 가득하다. “정작 저희는 누리호 발사 때 멀리 떨어진 통제실에 있을 예정입니다. 아무래도 ‘직관’은 힘들고 폐쇄회로(CC)TV나 TV 생중계를 통해 보게 되겠네요.”

한영민 한국항공우주연구원 발사체엔진개발부장

한영민 항우연 발사체엔진개발부장이 지난해 1월 실시된 엔진연소시험에 사용된 75t급 엔진을 보여주고 있다. 고흥=조승한 기자

2007년 나로호 프로젝트 진행 당시 한영민 항우연 발사체엔진개발부장은 고심에 빠졌다. 나로호, 그 다음을 준비하기 위해서였다. 발사체의 핵심 부품이면서도 개발하는 데 오랜 시간이 걸리는 엔진은 선행 연구가 필요했다.

국내에 있는 저궤도 위성의 무게는 약 1.5t. 이 무게를 지구 저궤도에 올릴 때 필요한 추력은 이론상 300t이었다. 당시 ‘한미 미사일지침’으로 국내에서 고체연료를 사용하는 데엔 제한이 있었다(이 지침은 올해 5월 폐기됐다). 선택지는 액체엔진뿐이었다.

사실 위성을 정확한 궤도에 올리기 위해서는 액체엔진이 유리했다. 고체연료는 한 번 불이 붙으면 끝까지 타는 성질이 있어 미세 조절이 필요 없는 군사용 목적으로 쓰는 경우가 많다. 반면 액체엔진은 비행 중에 추력을 조절할 수 있어 위성 등 연구 목적으로 주로 사용된다. 위성을 정확한 위치에 보내는 것은 위성의 수명과도 직결되는 일이다.

“2007년부터 나로호 프로젝트와 별개로 한국형 발사체 엔진을 연구하기 시작했어요. 각종 엔진 부품, 가스발생기, 수소펌프 등 하나씩 만들어갔습니다. 그러나 개발을 마치자 진짜 문제가 시작됐어요.”

어렵게 액체엔진을 개발했지만 성능을 검증할 수 없었다. 국내에는 시험 설비조차 없었다. 러시아와 유럽, 미국에 엔진 시험을 요청했다. 하지만 터무니없는 비용을 부르거나 시험 기간이 너무 오래 걸렸고, 본인 국가의 시험 기술이 유출될 수 있다며 단칼에 거절하기도 했다.

시험 설비도 직접 짓는 수밖에 없었다. 그때 지은 것이 나로우주센터에 있는 150t급까지 시험 가능한 설비다. 결국 2008년 제작한 엔진을 2016년경 처음 시험했고. 2019년에서야 누리호 엔진 시스템 시험이 끝났다. 75t급 액체엔진 개발에 7년 이상의 시간을 쏟았다.

오랜 시간이 걸려도 75t급 액체엔진 개발에 몰두한 이유는 이후 더 큰 추력을 내는 데 이 엔진을 활용할 수 있기 때문이다. 누리호의 경우 1단에서 75t급 액체엔진 4기를 이어붙여 300t의 추력을 낸다. 스페이스X의 팰컨9은 동급 엔진을 9개 장착했고, 스타쉽은 무려 31개를 연결해 하나처럼 사용한다. 이렇게 작은 엔진을 모듈처럼 활용해 이어붙이는 ‘클러스터링’ 기술을 이용하면 원하는 추력에 맞게 엔진을 추가하면 돼 개발 비용을 줄일 수 있다.

반면 큰 엔진 하나를 쓰는 것보다 신뢰도는 다소 떨어질 수 있다. 엔진에 들어가는 부품이 많을수록 신뢰도가 떨어지는데, 큰 엔진이나 작은 엔진의 부품 수는 대동소이하다. 큰 엔진 하나의 신뢰도가 0.9라면 작은 엔진 네 개를 이어붙인다면 신뢰도는 0.94=약 0.66으로 줄어드는 셈이다.  
다만 한 부장은 “엔진 9개가 연결된 팰컨9의 경우 하나가 작동하지 않아도 전체 추력에 큰 영향을 주지 않아 발사에 성공한 사례도 있다”며 “작은 엔진을 여러 개 사용하는 것이 단점이자 장점이 될 수 있다”고 말했다. 이번 누리호 발사는 액체엔진의 성능과 클러스터링 기술을 동시에 시험할 수 있는 기회다.

한 부장은 이미 누리호 이후를 보고 있다. 누리호에 탑재된 액체엔진을 업그레이드해 차세대 발사체에 탑재하기 위한 프로젝트를 진행 중이다. 단위 연료당 엔진 추력을 ‘비추력’이라고 하는데 발사체의 성능과 직결된다. 비추력이 높을수록 같은 무게의 발사체에 더 무거운 위성을 실을 수 있다. 한 부장팀은 현재 액체엔진에 ‘다단연소 사이클’을 적용해 엔진의 효율을 높이는 작업을 하고 있다.

기존 가스발생기 사이클 엔진에서는 액체산소를 연소한 뒤 가스발생기를 통해 연소 가스를 밖으로 버린다. 다단연소 사이클은 마치 ‘거꾸로 타는 보일러’처럼 한 번 연소한 액체산소 가스를 버리지 않고 재연소해 엔진 효율을 7% 이상 높일 수 있다. 추력을 10%가량 조절할 수 있는 기존 액체엔진에 다단연소 사이클을 적용하면 40%까지 조절을 할 수 있고, 재점화도 가능하다. 추력제어와 재점화는 추후에 재사용로켓을 개발하기 위해 필수적인 기술이다. 현재 10t급 엔진으로 개발해 40회가량 시험을 마친 상태다.

마지막으로 누리호 발사를 앞두고 소감을 묻는 질문에 한 부장은 “엔진개발부는 KSR-III 때부터 20년 이상 참여한 사람이 많은 부서”라며 “이후 나로호, 누리호 시험발사체를 포함해 그동안 33개의 엔진을 190회 이상 시험하며 엔진의 신뢰도는 나름 자부하고 있다”고 말했다. 그는 “다만 얼마 전 미국의 민간 항공우주회사 파이어플라이 에어로스페이스의 알파 로켓이 2분 30초 만에 폭발하며 실패했던 사례가 있는 만큼 첫 비행을 무사히 마칠 수 있도록 긴장의 끈을 놓지 않고 있다”고 말했다.

항우연은 내년 말 누리호를 이용해 국내 초소형위성을 궤도에 투입할 계획을 세우고 있다. 본격적으로 위성 발사 서비스를 시작하는 셈이다. 2027년까지 1~2년 주기로 계속해서 발사체를 쏠 계획이다. 이후에는 발사체 기술을 산업체에 이전해 상용화할 예정이다. 한 부장은 “한국형 발사체를 반복발사하며 성능을 더 높이는 과정이 필요하다”며 “차세대 발사체는 정지궤도까지 보낼 수 있는 추력을 확보하고, 재사용을 위한 추력조절 기술도 개발할 계획”이라고 밝혔다.

고정환 한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부장

고정환 항우연 한국형발사체개발사업본부장이 조립동에서 갓 태극기를 부착한 누리호 앞에 서 있다. 누리호는 10월 21일 발사를 앞두고 화약류 장착 등 마무리 작업을 진행 중이다. 이서연 제공

누리호는 8월, 발사 전 마지막 관문인 ‘비연소시험(WDR)’을 끝내고 마무리 작업을 진행 중이다. 기자가 나로우주센터를 방문한 날에는 누리호 표면에 태극기를 붙이는 작업이 진행 중이었다. 마치 국가대표로 올림픽에 나가는 선수를 만난 것처럼 가슴이 웅장해졌다.

고정환 항우연 발사체개발본부장은 “발사라는 것은 하나만 잘못돼도 모든 게 수포로 돌아가는 고위험 작업이라 긴장을 놓지 않고 있다”고 말했다. 실제 위성이나 발사체는 큰 예산이 투입되는 작업이기 때문에 한 번의 실패가 큰 손해로 이어질 수 있다. 고 본부장은 “나로호 발사 당시 페어링이 분리 안 돼 실패한 경험 등이 큰 교훈으로 남아있다”며 “최대한 당시의 시행착오를 반영해서 설계했다”고 말했다.

2012년까지만 해도 한국은 우주발사체를 한 번도 개발한 적이 없는 나라였다. 연구용 관측로켓이었던 과학로켓(KSR) 시리즈를 발사한 경험이 전부였다. 2005년 러시아와 국제협력을 통해 나로호 프로젝트를 시작했지만 ‘기술이전은 없다’고 사전 약속이 돼 있을 정도로 제한된 교류였다. 그런데 이제는 국내 기술로 제작한 로켓 발사를 앞두고 있다.

발사체 기술이 있다는 것은 한국도 위성을 ‘셀프’로 쏠 수 있는 국가가 됐다는 의미다. 지금까지는 유럽 아리안스페이스(천리안2A·B) 등 외국기업에 의뢰해 발사를 했는데, 이제 남의 도움 없이도 가능해졌다는 뜻이다.

사실 국내 우주발사체 개발은 더디게 이뤄졌다. 한미 미사일지침으로 고체연료 개발이 지난해까지 제한돼 있었고, 중량과 고도제한도 있었다. 게다가 우주발사체는 국가간 기술 교류가 거의 전무하다. 발사체 기술이 연구 목적 외에 미사일 등 무기로 활용될 수 있기 때문이다. 누리호를 만들기까지 30여 년이 걸린 이유다.

고 본부장은 “위성 기술은 미국과 협력하면서 빠르게 발전한 반면 발사체 분야는 필요한 기술을 국가 내에서 스스로 개발할 수밖에 없었다”고 회상했다. 기술뿐만 아니라 부품 수입 등 소재를 구하는 것부터 난관이었다. 일례로 로켓의 냉각시설을 만드는 데 필요한 동 합금 등은 소재 자체가 수입이 안 돼 국내에서 직접 제작해야 했다. 연소기 헤드에 들어가는 고강도 스틸도 마찬가지다. 그 결과 누리호의 국산 부품 비율은 94.1%에 달한다. 압력센서, 온도센서 등을 제외하고는 모두 국내에서 수급해 한 땀 한 땀 제작했다.

이런 어려움에도 향후 우주개발을 위해 발사체 개발을 지속해야만 할 이유가 있다. 세계2차대전 이후 독일에서 만든 로켓기술을 이어받은 미국과 러시아, 일본 등이 역사적으로 발사체 개발 분야에서 강국으로 꼽힌다. 이들은 이미 발사체를 가진 국가들끼리 동맹을 맺고 타국과는 관련 교류를 제한하고 있다. 일단 기술이 있어야 그들의 ‘채팅방’에 입장할 권한이 생기는 것이다. 

발사체를 쏘아 올릴 기술을 갖게 된다는 것은 우주발사체 국가들의 일원이 될 수 있다는 것을 의미한다. 우주개발, 행성탐사 등 천문학적 돈이 들어가는 프로젝트는 주로 국제협력을 통해 진행되는데, 우리가 가진 발사체 기술로 이들 프로젝트에도 참여가 가능해진다. 고 본부장은 “우주발사체 기술은 국가의 우주개발 능력을 보여주는 지표”라며 “위성을 하나 쏘더라도 남의 손에 의지해서 쏘는 것과 직접 실어나를 능력을 가진 것은 천지 차이”라고 말했다.

국내 우주개발기본계획은 5년 단위로 업데이트된다. 조만간 새 정부 시작에 맞춰 개정 논의를 시작할 예정이다. 누리호 사업은 내년 5월 발사와 함께 종료된다. 하지만 고 본부장은 “발사 두 번으로 발사체 개발이 끝났다고 할 수는 없다”며 “문제점이 있으면 개선하고 신뢰성을 쌓는 과정이 필요해 4차례 추가 발사를 계획하고 있다”고 말했다. 또 “내년 계획에는 누리호보다 규모를 키운 차세대 발사체에 대한 내용도 담길 예정”이라며 “최종적으로 정지궤도까지 위성을 올리거나 우주정거장에 화물을 옮기는 임무를 수행하려면 발사체의 능력을 업그레이드해야 한다”고 말했다.

한국의 우주개발은 아직 걸음마 단계다. 우주 관광 등 산업을 논하기에는 아직 갈 길이 멀다. 고 본부장은 “미국의 경우 국가 자체에서 쌓은 기반기술이 있었기에 민간기업들이 빠르게 우주개발에 뛰어들 수 있었다”고 말했다. 실제 스페이스X나 블루오리진은 미국항공우주국(NASA) 출신 엔지니어를 영입하며 70년 이상의 노하우를 전수 받았다. 고 본부장은 “한국은 누리호를 통해 이제야 국내 기반기술의 초석을 마련하고 있다. 갈 길이 아직 많이 남았다”고 말했다. 

[(고흥)나로우주센터=이영애 기자 ]