대한민국 우주 강국궤도에 올린 누리호와 다누리

“대한민국 역사의 기념비적 순간입니다!” 2022년 6월 21일, 한국형 발사체 ‘누리호’(KSLV-Ⅱ, Korea Space Launch Vehicle)가 발사에 성공했다. 동시에 우리나라는 7대 우주 강국으로 우뚝 섰다. 우리나라 최초의 달 탐사선 ‘다누리’도 8월 5일 발사에 성공했다.

【누리호】

▲6월 21일 발사되는 누리호(한국항공우주연구원)

누리호는 한국항공우주연구원(이하 항우연)이 개발한 대한민국 최초의 저궤도 상공(600~800km) 실용 인공위성 발사용 로켓이다. 3단 로켓으로 총 무게는 200톤이다. 길이는 아파트 15층 높이인 47.2m이며, 최대 직경은 3.5m에 이른다.

앞서 2013년 1월 30일 전남 고흥 나로우주센터에서 한국 최초 우주발사체 ‘나로호’가 발사됐다. 그러나 나로호의 1단 로켓은 러시아에서 제공받은 것이었다. 누리호는 제작, 설계, 발사까지 100% 전 과정을 우리나라 독자적인 기술로 수행했다.

12년의 피·땀·눈물

누리호 프로젝트는 2010년 3월 시작돼 2022년 6월 발사에 성공하기까지 장장 12년이라는 시간이 걸렸다. 총 예산 1조 9572억 원이 투입됐다. 항우연 연구진 250명과 300여 개 기업 500여 명 엔지니어의 피·땀·눈물이 성공을 이끌었다.

누리호 성공의 주역 중 한 명으로 꼽히는 조기주 항우연 발사체추진기관체계팀장은 “엔진 연소 불안정, 추진제 탱크 제작 공정 개발 지연 등 기술적으로 큰 난관이 있었다. 참여한 연구원들의 애환도 많았다. 누리호를 제작하는 산업체들이 전국 곳곳에 퍼져 있고 나로우주센터는 우리나라 남쪽 끝에 위치한다. 연구원들이 일 년 내내 산업체 현장이나 우주센터에서 문제를 해결하고 시험을 수행했다. 특히 어린 자녀를 둔 신혼 연구원들의 고충이 많았다”라고 지난 시간을 회상했다.

누리호 핵심은 300톤 엔진

전문가들은 누리호의 탄생부터 성공까지, 클러스터링(Clustering) 기술이 없었다면 불가능했을 것이라고 분석한다. 클러스터링 기술은 여러 엔진을 한 다발로 묶어 운용하는 것으로, 누리호는 1단에 75톤급 엔진 4개를 묶었다. 도합 300톤급 추력(물체를 진행 방향으로 밀고 나아가는 반작용의 힘)으로 200톤짜리 누리호를 궤도에 안착시키는 데 성공했다.

이 클러스터링 기술 개발을 주도한 사람이 조기주 팀장이다. 개념은 쉬워 보이지만 설계는 어렵다. 클러스터링된 4개의 엔진이 설계된 성능대로 작동해야 하고, 추진제의 상태 제어가 아주 중요하다. 즉 4개의 엔진이 모두 문제없이 제 기능을 해야 300톤의 추력을 얻을 수 있다.

조기주 팀장은 “클러스터링된 엔진은 시험을 통해 성능 확인을 한다. 누리호 1단을 단단히 묶어놓고 대규모 시험 설비를 구축해서 성능 검증을 수행했다. 단 인증 종합 연소시험이라고 하는데, 발사체 개발 단계에서 마지막에 수행하는 시험이면서 가장 위험한 시험이다”라며 성능 검증 완료로 누리호 발사가 가능했다고 설명했다.

또한 조 팀장은 “클러스터링 기술 역시 순수 국내 기술로 개발된 것”이라고 강조하며 “저와 동료 연구원들이 처음 가보는 길이었기에 개발 초기 여러 차례 시행착오와 설계 변경 과정을 겪었다. 그러나 자체 기술로 개발되는 과정이었기 때문에 난관에 부닥칠 때마다 우리 스스로 머리를 맞대고 고민하여 결정하면서 문제를 해결해나갈 수 있었다. 결코 쉬운 과정은 아니었지만 가장 큰 성공 요인이었다”라고 자평했다.

(한국항공우주연구원)

통한의 46초

누리호는 지난해 10월 21일 1차 발사 때 실패의 고배를 마셨다. 고도 700km까지 도달하는 정상 비행을 했지만, 위성모사체가 목표 궤도에 안착하지 못해 미완에 그쳤다. 마지막 3단 엔진이 문제였다.

3단 엔진을 구성하고 있는 7톤급 엔진이 목표였던 521초 동안 연소하지 못하고 475초 만에 조기 종료됐다. 딱 46초가 부족했다. 이에 누리호 1차 실패는 ‘통한의 46초’로 통한다. 원인 분석 결과, ‘부력’을 충분히 고려하지 않았기 때문으로 드러났다.

조기주 팀장은 “정말 통한의 46초였다”라면서 “3단의 성능은 지상 연소시험에서 충분히 검증됐다고 확신하고 있었기에 조기 종료가 당시로서는 더욱 믿기지 않고 아쉬운 상황이었다”라고 말했다.

세계 7대 우주 강국 우뚝

2022년 6월 21일 오후 4시. 나로우주센터에서 발사된 누리호가 15분 45초 만에 목표 궤도인 고도 700km에 성능검증위성과 위성모사를 진입시켰다. 이후 성능검증위성에 실렸던 대학생들이 만든 큐브위성도 성공적으로 사출됐다.

이로써 대한민국은 무게 1톤 이상의 실용 위성을 자체 기술로 우주로 쏘아 올린 세계 7번째 국가가 됐다. 러시아(1957), 미국(1958), 유럽연합(1965), 중국(1970), 일본(1970), 인도(1980)에 이어 우주 강국 반열에 이름을 올렸다.

누리호의 성공으로 우리나라는 고강도 우주산업 진출에 박차를 가한다. 항우연은 2027년까지 6873억 8000만 원을 들여 누리호를 네 차례 더 발사한다. 2023년 3차 발사되는 누리호에는 처음으로 실제 운용할 차세대 소형 위성이 실릴 계획이다.

누리호, 이름 누가 지었나?

2018년 명칭 공모전에 6300여 명의 1만여 건 응모작이 제출됐다. 그중 경상국립대학교 학생 백승엽(26) 씨가 제출한 ‘누리호’가 1등으로 뽑혔다. ‘누리’는 ‘세상’을 뜻하는 순우리말이다. 특히 백 씨는 “누리호가 나로호와 자음 순서가 같고 발음이 비슷해 각인되기 쉬울 것 같았다”라고 말했다.

【다누리】

(한국항공우주연구원)

누리호에 성공한 한국의 다음 목표는 ‘달’이다. 우리나라 최초의 달 탐사선 ‘다누리’(KPLO, Korea Pathfinder Lunar Orbiter)가 한국 시간 8월 5일 오전 8시 8분 미국 플로리다의 케이프커내버럴 미 우주군기지에서 발사됐다.

천천히 가는 다누리

다누리는 ‘달을 남김없이 누리고 오라’는 뜻이다. 크기는 가로 세로 약 2m이며, 무게는 678kg이다. 항우연이 총괄해 본체를 개발했고, 국내 연구기관과 미 항공우주국(NASA)이 6개의 탑재체를 개발했다. 발사체는 일론 머스크의 스페이스X의 로켓 ‘팰컨9-5500’이 사용된다.

다누리는 넉 달에 걸쳐 달로 가는 기나긴 여정을 펼친다. 연말께 달 주위를 도는 궤도에 진입한 뒤, 내년 한 해 동안 탑재한 과학 장비를 이용해 달의 지형과 환경, 자원 등을 조사할 예정이다.

다누리가 달까지 도착하는 데 오랜 시간이 걸리는 이유는 BLT(Ballistic Lunar Transfer) 방식을 사용하기 때문이다. BLT는 지구·태양·달 등의 중력 특성을 이용하는 탄도형 전이 방식을 말한다. 비행시간은 길지만 연료 소모량이 약 25% 적게 든다는 장점이 있다.

발사에 성공한 다누리가 본격적인 운용에 들어가면, 우리나라는 미국, 러시아, 중국, 일본, 유럽연합(EU), 인도에 이어 달을 직접 탐사하는 세계 7번째 국가가 된다.

한국도 달 탐사 가능할까?

정부는 2030년 발사를 목표로 달 착륙선 개발을 기획하고 있다. 1.5톤급 이상의 달 착륙선은 자원 탐사와 현지 자원 활용 등 임무를 수행할 계획이다. 더불어 달 착륙선을 보내기 위해 누리호를 잇는 차세대 한국형 발사체(KSLV-Ⅲ)를 개발할 예정이다.

현재 우리나라뿐 아니라 세계 각국에서 달에 대해 뜨거운 관심을 표하고 있다. 1972년 아폴로 17호를 통해 미국 우주인이 달에 착륙한 이래 50년 만이다. 미국 항공우주국은 2025년 남녀 우주인을 달에 착륙시키는 아르테미스 프로그램을 진행하고 있다.

이상률 항우연 원장은 “다누리는 우리가 우주 탐사에 첫발을 뗀다는 의미가 있다”라며 “다누리는 우리나라와 나사가 하드웨어적으로 밀접하게 협력한 첫 사례인데, 이번 탐사를 성공적으로 마쳐 신뢰를 쌓게 된다면 나사와 함께 더 크고 도전적인 일을 할 수 있다”라고 말했다.

더 나아가 우리나라도 우주여행이 가능해지는 때가 올까? 전문가들은 머지않은 미래에 가능할 것으로 내다보고 있다. 미국의 스페이스X도 지난해 9월 민간인으로만 구성된 우주여행에 성공한 바 있다.

조기주 팀장도 “우리나라도 누리호 성공을 기점으로 많은 기업이 탄생하고 국가적인 관심과 투자가 지속된다면 유인 우주여행이 가능할 것으로 생각한다. 항우연에서도 우주여행에 필수적인 발사체 재착륙 기술 개발을 검토하고 있다”라고 말했다.