[단독] “軍 고체 추진 우주발사체 다음달 최종시험”···남부 해상서, 바지선 이용해 발사[이현호 기자의 밀리터리!톡]

1~4단 추진체 결합한 완전체 검증
발사 기술, ICBM 등 미사일과 유사
고도 500㎞에서 지상 움직임 탐지
입체적 대북정보 수집 능력 극대화

국방부는 2022년 12월 30일 있었던 고체연료 추진 우주발사체 2차 시험비행에서 1차 시험비행 때보다 진일보한 성공을 거뒀다고 밝혔다. 사진 제공=국방부

[서울경제]

군 당국이 고체연료 기반 우주발사체의 최종 시험발사를 12월 중순 남부 해상에서 실시할 계획인 것으로 알려졌다. 최종 시험에서는 공개되지 않은 1단 추진체(엔진)와 1차(2022년 3월)·2차(2022년 12월) 시험발사에서 성능이 검증된 2∼4단 추진체를 결합한 완전체 형태를 갖춰 발사될 것으로 전해졌다. 구체적 발사 날짜는 기상 등을 고려해 12월 중순쯤이 될 것이란 분석이 우세하다. 국방부는 올해 1월 윤석열 대통령에게 연두 업무보고에서 연내 고체추진 우주발사체를 최종 시험발사하겠다고 보고한 바 있다.

군 소식통은 “시험 준비요원 100명 이상이 해상에 바지선을 거치해 발사해야 하고 고공 10㎞ 정도에 흐르는 제트기류 등의 기상 상황까지 고려해야 하다 보니 발사 직전에 시점을 바꾸기도 한다”고 했다.

최종 시험발사는 남부 해상에서 바지선을 이용한 해상 발사 형태로 진행된다. 앞서 2022년 3월과 12월에 2회에 걸친 시험 발사체(TLV)의 시험 발사도 충남 안흥의 국방과학연구소(ADD) 종합시험장 인근 서해상에 설치한 바지선에서 이뤄졌다. 바지선을 해저에 고정시킨 뒤 발사대를 만들어 로켓을 세워 발사하는 방식이다. 육지 발사보다 안전과 비용 측면에서 효과적이다. 특히 해상 발사는 발사장 주변에 최소 수 km 구간의 안전 구역이 필요없고 사고 시 피해 우려도 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

이와 같은 방식은 중국의 창정 11호(CZ-11)와 SD-3 역시 해상 발사를 통해 운용하고 있다. 최근에는 바지선뿐만이 아니라 개발이 최종적으로 결정된 합동화력함 함상에서의 발사 개념도 제안되고 있다.

이와 관련해 군은 최종 시험발사는 사전에 일정 공개 여부를 검토 중인 것으로 알려졌다. 지난해 말 2차 시험발사는 예고 없이 진행돼 전국 각지에서 북한 미사일이나 미확인비행물체(UFO)로 오인한 신고 전화가 빗발치고 국민 불안감을 초래했다는 지적을 받았다. 군은 고체연료 추진 우주발사체를 2022년 3월과 12월에 각각 1·2차 시험발사해 성공했다.

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한국형 고체 발사체, 軍정찰위성 발사 목표

‘한국형 고체 소형발사체’는 국방과학연구소(ADD)가 개발한 고체연료 기반의 우주발사체다. 군용 정찰위성 발사가 주임무다. 군 당국은 연내 최종 시험발사에 성공하면 2025년까지 고체 추진 우주발사체에 500㎏ 초소형 합성개구레이더(SAR) 위성을 실어서 고도 500km 안팎의 저궤도에 올린다는 목표를 세워뒀다.

지구 저궤도, 즉 위성을 500㎞ 태양동기궤도(SSO)에 올리는데 페이로드(로켓 선단 부분·위성 보호 덮개) 500kg급과 1000kg급의 두 종류의 발사체가 있다. 2023년 2월 과학기술정보통신부가 공개한 제4차 우주개발진흥기본계획안에 따르면 정부는 2024년에서 2025년까지 페이로드 탑재능력 태양동기궤도(SSO) 500kg급의 기본형 발사체를 2회 발사한다. 성공하면 곧바로 성능 개량을 거쳐 동일궤도 1000kg급의 확장형 발사체를 2026년과 2027년에 걸쳐 2회 발사할 예정이다.

이를 토대로 추정하면, 정부는 우선 중국의 SD-2급(CZ-11 또는 창정 11호) 발사체를 발사하고, 곧바로 성능을 확장한 중국의 SD-3급(ZK-1A) 혹은 이와 비슷한 성능의 미국의 미노타우르4급(피스키퍼) 발사체를 발사할 계획에 있는 것으로 해석할 수 있다.

이에 앞서 우리 군의 첫 번째 독자 정찰위성이 11월 30일 미국 캘리포니아주 소재 밴덴버그 공군기지에서 발사된다. 신원식 국방부 장관은 지난 3일 국방부 기자단 간담회에서 북한의 주요 전략 표적을 감시하는 역할을 하는 군사 정찰위성의 발사 계획을 이같이 공개했다. 발사체는 일론 머스크 테슬라 최고경영자가 설립한 스페이스X의 ‘팰컨9’이다.

국방부는 2022년 12월 30일 국방과학연구소 종합시험장 인근 해상에서 국내 기술로 개발한 고체추진 우주발사체 성능 검증을 위한 두 번째 비행시험에 성공했다고 밝혔다. 사진 제공=국방부

고체연료 추진 우주발사체 1차 시험발사 때는 고체 엔진을 탑재한 2∼3단 추진체의 결합 형태였던 것으로 전해졌다. 이 시험발사를 통해 페어링 분리, 단 분리, 상단부(Upper stage) 자세제어 기술 등이 검증됐다고 한다. 2차 시험발사는 진일보했다. 2차 시험때는 총 4단으로 구성되는 발사체에서 1단을 제외한 2·3·4단 형상으로 시험했다. 2·3·4단 엔진의 실제 점화와 연소까지 시험했다. 2∼4단 연소뿐 아니라 페어링 분리, 단 분리, 상단부 자세제어, 더미(모의) 위성 탑재체 분리 등의 검증도 이뤄졌다.

ADD가 시험비행체(TLV)라고 부르는 이 발사체는 1∼3단이 고체연료를 쓰고 상단부(upper stage)에 해당하는 4단은 궤도 진입 정확성 확보를 위해 액체연료를 쓴다. 통상적으로 액체연료는 연료 분사량 조절 등을 통해 고체연료보다 추력을 더 용이하게 조절할 수 있다.

국방부 산하 연구기관 관계자는 “1·2차 시험에서 모든 이벤트가 정상적으로 작동했다”며 “어느 정도 진전이라고 구체적으로 말하기는 어렵지만 상당 수준 진전이 있었고 최종 3차 시험이 성공하면 사실상 우리 군 독립적으로 우주발사체 발사 능력을 확보할 것으로 기대된다”고 평가했다.

1·2차 시험에서 제외된 1단 엔진은 현재 설계·제작이 완성된 상태로 전해졌다. 이번 최종 시험발사 때 테스트에 들어간다. 1단 엔진의 노즐(화염 분사구)은 1개로 전해지고 있다. 따라서 보조 엔진 등 없이도 추력 방향을 제어하는 '스러스트 벡터 컨트롤'(TVC) 기술을 적용한 형태일 것으로 전망된다.

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軍독자적 우주 기반 감시정찰 능력 ‘이정표’

고체연료 추진 엔진 개발은 북한도 집중하고 있다. 북한은 2022년 12월 말에 고체연료 로켓 엔진의 지상 분출시험에 성공했다고 밝힌 바 있다. 엔진 추력이 140tf(톤포스·140t 중량을 밀어 올리는 힘) 규모라고 공개했다. 연구기관 관계자는 “북한이 140tf를 만들었다고 발표했는데 그에 대해 평가하기 어렵지만 우주발사체를 궤도에 올리려면 140tf를 훨씬 능가하는 추력이 필요하다”며 “현재 우기 군이 개발 중인 발사체 1단 엔진 추력은 훨씬 더 강력하다”고 전했다.

국방과학연구소(ADD)에 따르면 순수 우리 기술로 개발한 고체연료 추진 우주발사체의 성능 검증을 위한 두 번째 비행시험에서 발사체는 450㎞ 고도에 도달하는데 성공했다. 고체연료를 기반으로 하는 추진기관은 소형위성이나 다수의 초소형 위성을 지구 저궤도에 올리는 우주발사체에 사용할 수 있다. 즉 우리 군의 독자적 우주 기반 감시정찰 능력의 기반을 다지는 중요한 이정표를 찍었다는 의미가 있다.

액체연료 추진기관 보다 상대적으로 가격이 저렴하고 간단한 구조여서 대량 생산이 쉽다. 액체 연료와 달리 사전에 주입해둘 수 있어 신속 발사의 장점도 갖고 있다. 이에 따라 우리 군이 독자적으로 소형위성이나 초소형 위성을 다수 발사해 위성을 군집 형태로 운용하면 한반도 감시 공백을 최소화할 수 있을 것으로 예상된다.

국방부가 2022년 12월 30일 고체 추진 우주발사체 시험비행에 성공했다고 밝혔다. 시험비행에 따라 전국 각지에서 긴 연기 꼬리를 그리며 날아가는 빛 일명 ‘황혼현상’(햇빛이 로켓 배기가스에 반사돼 다양한 색상을 보임)이 관측됐다. 이는 고체연료 추진 우주발사체의 궤적이다. 연합뉴스

한국형 고체 추진 우주발사체 성공이 주목받는 가장 큰 이유는 발사 기술이 대륙간탄도미사일(ICBM) 등 미사일 탑재 로켓과 거의 유사하기 때문이다.

북한도 최근 몇 년 새 고체 연료를 활용한 다양한 신형 단거리 탄도미사일을 개발한 데 이어 2021년 1월 당대회에서 ‘수중 및 지상 고체발동기(로켓) ICBM 개발’을 국방 분야 목표 중 하나로 공언했다. 최근에는 우주발사체와 유사 기술이 적용되는 ICBM 도발을 재개하며 도발하고 있다. 이에 우리 군이 고체 발사체의 최종 시험발사 성공은 북한의 최근 행보에 대한 대북 기술력 훨씬 앞서고 있다는 과시 효과도 기대된다.

고체연료 기반 우주발사체는 한국형 발사체 누리호의 액체 엔진 1기와 같은 급의 추진력(75t)을 갖춘 것으로 알려지고 있다. 이는 사거리 3000~5500㎞ 수준의 중거리 탄도미사일(IRBM)급 이상으로 평가된다. 이를 기반으로 하면 현무-4 시리즈 이상급의 탄도미사일 개발도 가능하다는 의미다. 이 때문에 현무-4사업에 참여한 국내 방산기업인 한화, LIG넥스원 등이 고체연료 추진 우주발사체에 참여한 것으로 전해졌다.

우리 군은 한미 미사일지침 종료에 따라 현무시리즈 미사일을 꾸준히 개발해 왔다. 지대지 탄도미사일을 ‘현무 4-1’, 함대지 탄도미사일은 ‘현무 4-2’, 잠대지 탄도미사일(SLBM)은 ‘현무 4-4’로 명명해 운용 중이다.

군이 개발하는 고체 추진 우주발사체는 성능개량에 따라 대륙간탄도미사일 개발에 활용될 수도 있다는 분석이 나오는 이유다. 이에 대해 국방부는 단호히 선을 긋고 이다. 국방부 관계자는 ‘북한처럼 미사일 개발을 우주발사체로 포장해 발사하는 것으로 오해할 여지가 있다’는 지적에 대해 “우주발사체 개발 초기 비용 문제와 성공 여부에 따른 리스크 등이 있어 초기에 국가가 나설 수밖에 없는 것 뿐”이라며 “군의 목표를 어느 정도 달성하면 이 기술을 민간에 제공해 우주 산업 발전에 기여하게 될 것이라며 우려의 여지가 전혀 없다”고 강조했다.

국방부 산하 연구기관 또 다른 관계자는 “우주발사체는 첫 번째가 경제성 및 비용이고 같은 발사체로 어떻게 (위성) 탑재 중량을 늘릴지에 대한 경제성과 연관이 있어 우주발사체와 미사일을 겹쳐 생각하는 건 기술적으로 적절하지 않다”며 “2025년 실제 군 정찰위성을 띄우는 것이 목표”라고 했다.

일각에서는 우주발사체의 탑재 중량을 단기간에 늘리고 발사 비용을 절감하는 차원에서 고체 및 액체연료 엔진의 장점을 결합한 새로운 형태의 우주발사체 기술 개발도 가능해졌다는 전망도 나온다. 이를 위해 ADD와 한국항공우주연구원은 최근 상호 협력을 가속화하는 것으로 알려졌다. 예컨대 1단 추진체는 고체연료엔진을 사용해 관리효율을 높이고, 2·3단은 액체 엔진을 탑재해 궤도 진입 등에 사용하는 발사체 방식이다.

자료: 위키피디아

군 독자적으로 ‘첩보위성’이라고도 불리는 정찰위성을 운용하면 입체적인 대북정보 수집 능력을 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어 2002년 4월 북한의 금강산댐이 함몰돼 있다는 사실은 미국의 이코노스 위성이 발견해 보도됐다.

당시 이 같은 사실을 관찰할 수 있었던 것은 정찰위성의 경우 고도 3만6000㎞의 정지궤도에 떠 있는 방송위성이나 통신위성과는 달리 고도 300∼500㎞에 근접해 지상의 물체와 움직임을 탐지할 수 있는 능력 덕분이다. 초속 약 8㎞의 속도로 하루에 지구를 14바퀴 반을 돈다. 적의 움직임에 대해 빠른 탐지와 추적이 가능한 것이다.

우리 군은 2013년 4월부터 정찰위성 국내 개발계획을 수립했지만 4년 넘게 지연된 상황이다. 당초 군이 독자적으로 운영하도록 계획된 정찰위성 사업은 국가정보원과 과학기술정보통신부 등이 참여하면서 위성 관제권과 위성 운용 목적 등에 대한 이견을 노출로 계속 표류했다. 결국 부처 협의를 통해 정찰위성 관제권은 국방부가 갖고, 수집된 정보는 군이 국가정보원과 과기부와 공유하기로 협의했다.

다만 군은 정찰위성을 개발하기 전 대북 감시 공백을 메우기 위해 유럽 업체에서 위성 4∼5기를 임대하는 방안을 검토했다. 하지만 해당 국가에서 난색을 표명해 성사되지 못했다. 이에 군은 독자개발 계획을 수립했다. 정찰위성사업, 일명 ‘425사업’에 사업비 1조2214억원을 투입해 영상레이더(SAR) 4기, 전자광학(EO)·적외선(IR) 위성 1기 등 총 5기를 확보하기로 했다. 여기에 2017년 당초 설정한 위성 사진과 영상의 해상도와 전송 속도 상향 등이 보완된 작전운용성능(ROC)을 추가로 반영했다.

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독자적 정찰위성은 전작권 전환에도 기여

국방부 장관이 최근 기자단 간담회에서 발표 계획이다. 대북 킬체인(선제타격)의 ‘눈’에 해당하는 군사정찰위성 1호기가 오는 30일(한국 시간) 이른 새벽 미국 캘리포니아주 반덴버그 공군기지에서 발사한다. 엄동환 방위사업청장이 이끄는 정부 대표단이 현지에서 발사 현장과 첫 교신 등 최종 성공 여부를 지켜볼 계획이다.

주목할 점은 군은 초소형 정찰위성 32기를 추가로 발사한다는 방침이다. 북한이 보유한 액체연료 기반 탄도미사일 발사준비시간은 1시간 이하지만, 고체연료 기반 탄도미사일 발사준비시간은 20~30분에 불과하다. 즉 425사업을 통해 발사될 정찰위성만으로 2시간 간격의 북한 정찰이 불가능하다. 초소형 정찰위성을 쏴 동시에 임무를 수행함으로써 북한 전역을 10~20분 간격으로 촘촘히 정찰하는 감시 체계를 갖추겠다는 복안이다.

특히 우리 군의 정찰능력 강화는 전시작전통제권 전환의 핵심이라는 측면에서도 전작권 전환 평가 과정에 높은 점수를 받을 기반이 될 전망이다. 고체연료 추진 우주발사체의 3차 시험발사 성공은 이를 바탕으로 초소형 정찰위성 발사에도 속도가 붙을 것으로 관측된다. 따라서 한국군이 독자적인 통신·정찰위성을 모두 보유한다면 미국 전략자산에 의지하지 않고 독자적인 군사작전 전개가 가능하다는 점에서 전작권 전환에 한발짝 더 다가갈 수 있다는 의미도 있다.

이현호 기자 hhlee@sedaily.com