[사이언스프리즘] 나사의 SLS(우주발사체시스템)와 새 누리호 우주발사체

SLS 1회 발사비 20억弗 이상
‘스타십’의 20배로 경쟁력 없어
韓 2023년부터 새 누리호 본격 개발
개발 완료된 후 경쟁력 갖춰야

몇 차례 발사 연기로 미국 항공우주국(NASA·나사)의 체면을 구긴 우주발사체시스템(SLS)이 달궤도선 아르테미스 1호를 싣고 드디어 지난해 11월16일 케네디 우주센터에서 발사됐다. 마네킹을 싣고 26일간 달 비행을 마친 오리온 우주선은 같은 해 12월11일 멕시코 인근 태평양에 성공적으로 착수했다. 아폴로 17호가 달에 갔다 온 뒤 50여년 만이다. 이번의 달 비행은 앞으로 진행될 유인 달 탐사를 위해 나사의 우주발사체시스템 성능과 오리온 우주선 안전을 검증하기 위한 것이다. 1968년 12월에 발사했던 아폴로 8호와 비슷하게 달에 착륙하지 않고 달을 돌아 지구로 돌아오는 비행을 한 것이다. 다만 아폴로 8호에는 3명의 우주인이 탑승했는데 이번 아르테미스 1호에는 우주인 대신 우주비행에서 발생하는 많은 자료를 얻는 3개의 마네킹을 태웠다.

아르테미스 1호 발사 광경. 나사 제공

아폴로 8호는 새턴5 달로켓으로 발사돼 달에 갔지만 이번에는 SLS를 이용해 발사됐다. 애초 발사는 지난해 8월29일로 예정됐으나 액체수소 누출 등 고장으로 여러 번 연기되다가 11월에 성공적으로 발사됐다.

SLS는 나사의 새로운 우주발사체이지만 개발 비용을 줄이기 위해 기존에 사용하던 우주발사체의 서브 시스템을 많이 이용했다. 1단 로켓의 엔진은 우주왕복선에 사용하던 RS27 엔진을 재사용했다. 우주왕복선은 꽁무니에 3개의 엔진을 사용하는데 SLS에는 4개를 붙인다. 추진제 탱크도 우주왕복선에 사용한 것과 같은 직경(8.4m)에 길이만 47m에서 65m로 늘려 사용한다. 액체산소/액체수소를 추진제로 사용하는 엔진은 효율이 좋은 대신 추력이 작아서 주로 2단이나 3단 로켓으로 사용한다. 그러나 1단 로켓으로 사용할 경우에는 이륙할 때 추력이 약해서 추력 보강용 로켓인 부스터가 필요하다. 따라서 우주왕복선에는 고체 추진제 로켓 부스터(SRB)를 주 로켓 양쪽에 2개 사용했는데 SLS에서도 우주왕복선에 사용했던 고체 추진제 추력 보강용 로켓을 4마디에서 5마디로 길이를 늘려 추력을 키워 사용하였다. 우주왕복선의 추력 보강용 로켓의 추력은 1388톤f인데 1552톤f으로 보강하였다. 2단 로켓은 델타4 우주발사체의 2단 로켓(ICPS)을 이용한다. 2단 로켓에 사용하는 엔진은 RL10으로 11톤f의 추력을 만든다. 1단 로켓에 사용한 RS27 엔진은 산화제로 액체산소를, 연료로는 액체수소를 사용하는데 최대 추력은 185톤f이며 4개의 엔진에서 만드는 추력은 740톤f이다. SLS는 4개의 주 엔진과 2개의 추력 보강용 로켓에서 모두 3516톤f의 추력을 만든다. SLS의 전체 길이는 98m로 지구 저궤도에 95톤의 위성을 올릴 수 있는데 이륙할 때의 무게는 2500톤이다. SLS 1회 발사 비용은 20억달러(2조6000억원) 이상으로 추산된다. 우주왕복선 1회 발사 비용인 13억달러(1조7000억원)보다도 비쌀 뿐 아니라 현재 개발 중인 비슷한 성능의 스페이스X 스타십 추산 발사 비용 1억달러보다 20배나 많은 비용이다. 4대의 주 엔진은 나사가 갖고 있던 것을 사용했고, 나머지 부품도 개발이 완료돼 비행 성능이 입증된 서브 시스템을 사용했는데도 1회 발사 비용이 이렇게 비싼 이유는 무엇일까? 자세히 알 수는 없지만 개발이 완료된 부품을 사용해 새로운 발사체를 구성한다 해도 액체산소/액체수소 추진제 시스템처럼 원래부터 비싼 시스템이므로 1회 발사 비용은 높을 수밖에 없는 것 같다.

현재 액체산소와 액체수소를 1단 로켓의 추진제로 사용하는 우주발사체는 첫 발사를 준비 중인 일본의 H3와 유럽우주국(ESA)의 아리안 우주발사체들이다. ESA의 장기 우주발사체 개발 계획안에 따르면 아리안은 액체산소/액체수소 추진제 시스템 대신 액체산소/메탄 엔진을 사용해서 재사용하겠다는 계획이다. 일본은 H3의 부품을 줄이고 3D 프린터를 많이 이용해서 1회 발사 비용을 50억엔(500억원)으로 줄여 국제적인 경쟁력을 확보하겠다는 계획이다.

채연석 전 한국항공우주연구원장

나사가 SLS를 결정할 때는 최고의 선택이었겠지만 실제로 발사하려고 보니 경쟁력 없는 구식 로켓 시스템이 된 것이다. 스페이스X의 일론 머스크는 팰컨 우주발사체를 개발하면서 시스템 설계 초기부터 발사 비용을 줄이기 위하여 재사용을 염두에 두고 설계하였다고 한다.

올해는 우리나라도 성능을 훨씬 보강한 새 누리호의 개발사업을 시작한다. 개발이 완료되는 10년 후에 국제적인 경쟁력을 갖춘 우주발사체가 탄생하기를 기원해본다.

채연석 전 한국항공우주연구원장