누리호 1단 종합연소시험. 한국항공우주연구원
누리호 1단 종합연소시험. 한국항공우주연구원
967초 초속 7.5㎞

누리호는 20일 오전 7시20분부터 1시간10분에 걸쳐 발사대로 이송돼 세워졌다. 21일 밸브 점검 등으로 발사계획이 1시간 미뤄졌으나 이상없음을 확인했고 오후엔 추진제(케로신)와 액체산소(산화제)가 충전됐다. 발사 10분 전 누리호는 발사자동운용(PLO)에 들어가 모든 진행이 자율주행차처럼 자동으로 이뤄진다. 누리호는 발사 127초 뒤 고도 59㎞ 지점에서 1단을 떼어낸다. 233초에는 191㎞ 상공에서 페어링을, 274초에는 고도 258㎞에서 2단을 분리한다. 약 16분(967초) 뒤에는 700㎞ 상공에 이르러 위성모사체를 초속 7.5㎞의 속도로 궤도에 투입함으로써 임무를 완수하게 된다.

일반적으로 인공위성이 발사돼 우주 궤도에 투입되면 북극해에 있는 노르웨이령 스발바르제도에 있는 위성 교신국이나 자국 지상국에서 신호를 교신해 성공 여부를 판단한다. 하지만 누리호는 이번에 위성모사체를 싣고 떠나 궤도를 돌면서 신호를 교신하지는 않는다. 누리호 자체에 설치된 통신 장치 등을 이용해 위성모사체가 700㎞ 궤도에 제대로 투입되고, 투입될 때 위성이 지구로 떨어지지 않고 계속 돌 수 있는 초속 7.5㎞의 속도를 유지하는지만 확인한다. 오승협 한국항공우주연구원 발사체추진기관개발부장은 “누리호의 목표는 위성을 원하는 궤도에 정확히 투입하는 것이다. 정상 비행 여부는 텔레메트리(원격자료수신장비)로 수집한 자료를 30분 정도 분석한 뒤 판단한다”고 설명했다.

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1만8290초·1만6925초

누리호는 1단 300톤, 2단 75톤, 3단 7톤 엔진으로 구성됐다. 1단은 75톤 엔진 4개를 묶어쓰는 클러스터링 방식을 적용했다. 엔진 4기가 정확하게 정렬되고 추진력이 균일해야 해 정교한 설계와 고도의 기술이 필요하다. 1번에서 4번 엔진이 0.2초 간격으로 점화되고 추력이 90톤 이상이 될 때까지 잡고 있다 점화 4초 뒤 이륙을 시작했다.

75톤급 엔진은 개발 초기 기능과 성능 위주로 설계해 목표보다 25%가 무거웠다. 하지만 엔진 연소시험을 반복하면서 설계를 개선해 무게를 줄였다. 누리호 발사 전까지 33기의 엔진을 만들어 지상과 고공모사환경에서 모두 184회에 걸쳐 누적 1만8290초의 연소시험을 했다.

3단에 쓰인 7톤급 액체엔진도 모두 12기를 제작해 93회에 걸쳐 모두 1만6925.7초 동안 시험을 했다.

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누리호 1단 엔진에는 초당 1016㎏의 산화제와 연료가 사용됐다. 특히 연료인 케로신은 초당 314㎏이 쓰였는데, 200리터짜리 드럼통 2개에 해당하는 양이다. 1단 작동시간이 130여초여서 케로신 연료는 드럼통으로 260개가 소모된 셈이다.

75톤 엔진의 연소압력은 대기압의 60배이고, 연소가스의 온도는 3500도이지만 산화제는 영하 183도의 극저온 상태여야 한다. 초고압, 극저온, 초고온 상태가 공존하는 극한 환경이다.

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12층 48m

전남 고흥군 나로우주센터에는 발사대가 2개 있다. 제1발사대는 2013년 1월 비행에 성공한 나로호가 발사된 곳이다. 당시 러시아로부터 기본 도면을 입수해 우리 기술로 만들었다. 누리호는 새로 구축한 제2발사대에서 발사했다. 1발사대와 달리 100% 국내기술로 만들었다. 더욱이 민간기업인 현대중공업이 2016년부터 4년6개월에 걸쳐 제작했다. 2발사대는 건축 연면적이 2배 늘었다는 점 말고도 냉각수 유량 2배, 추진제 공급 능력 3배, 발사체 기립에 사용되는 이렉토 등판 능력 1.5배 등 여러 면에서 체급이 커졌다.

무엇보다도 1발사대는 1단 운용만 고려해 별도의 타워가 없지만 2발사대는 누리호가 3단형인 것을 고려해 12층으로 구성된 높이 48m의 엄빌리칼 타워가 구축됐다. 엄빌리칼타워는 영문 뜻대로 탯줄처럼 추진제와 가스류 등을 지상에서 발사체에 공급하기 위한 구조물을 가리킨다.

39종 177기·40종 235기

누리호에는 부품 수만 37만여개다. 이 가운데 가장 큰 것이 추진제 탱크다. 전체 부피의 80%를 차지한다. 무게를 줄이기 위해 알루미늄 합금으로 단일벽으로 제작했다. 두께가 2.5∼3㎜에 불과하다. 최대 높이가 10m, 지름이 3.5m이며 탱크 내부는 대기압의 4∼6배 정도 압력을 견디도록 설계됐다.

추진제와 초고온 가스가 흐르는 배관은 초저온용으로 개발된 특수철로 만들어져 영하 200도를 견딜 수 있게 했다. 배관을 알코올로 세척할 때 단 0.1㎜ 크기의 이물질도 남아 있으면 안된다. 곡선가공이나 용접을 할 때 백지장처럼 얇은 배관벽은 고도의 가공기술이 필요하다. 배관 등을 연결하는 밸브는 기체공급계에만 39종 177기가 들어가 있다. 엔진공급계 밸브도 40종 235기가 적용됐다.

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이 모든 연결 부위 어느 곳도 새는 곳이 없어야 한다. 누리호 1∼3단에 점검해야 하는 기밀 포인트가 2000곳에 이른다.

고흥(나로우주센터)/이근영 기자 kylee@hani.co.kr

실용위성의 꿈까지 다시 한걸음…누리호 잘했다
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