​[누리호 발사 D-5] 발사체 조립 완료, 발사 세부 일정과 주요 임무는?

14일 발사장 이동해 기립, 15일 연료 주입 후 발사

897초 뒤 700km 도달...오차 35km 이내 안착 목표

6월 8일부터 9일까지 누리호 1·2단과 3단 최종 결합 작업이 나로우주센터 발사체조립동에서 진행됐다.[사진=한국항공우주연구원]

발사를 5일 앞둔 누리호가 1·2단과 3단 로켓 조립을 마치고 발사장으로 이동하기 위한 마무리 작업에 들어갔다.

10일 항우연에 따르면 조립을 마친 누리호는 오는 13일 비행시험위원회를 통해 발사장으로 가지고 나갈 수 있는지를 최종 결정한다. 발사장으로 향하는 14일은 비가 내릴 것으로 예상돼, 기상상황도 예의주시할 계획이다. 발사체는 외부에서 물 등이 스며들지 않도록 처리돼 있어 발사에 지장을 주지는 않지만, 발사장으로 가는 길이 미끄러울 수 있는 만큼 안전사고에 대비한다는 계획이다. 발사는 15일 오후 4시로 예정돼 있다.

◆1차 발사에서 지적된 연료 조기연소 문제, 3단 연료탱크 보강작업 마쳐

앞서 지난해 10월 실시된 1차 발사 실험에서 목표한 높이까지 날아올랐지만, 위성 모사체를 목표 궤도에 안착시키는 데는 실패해 아쉬움을 남겼다. 3단에 있는 액체엔진이 예상했던 시간보다 빠르게 연소 종료됐기 때문이다. 조사 결과 충격과 압력으로 인해 고정부가 헐거워지고 여기서 산화제 누설이 발생한 것으로 파악했다.

이번 2차 발사 실험은 지난 1차 실험에서 발견된 문제를 개선하기 위해 연료탱크 고정부를 보강하고 연료 누설을 막았다. 이전보다 무게는 9㎏ 늘었지만, 발사체가 감당할 수 있는 예상범위 안쪽이기 때문에 발사에는 큰 영향을 주지 않을 전망이다.

특히 이번 발사는 위성 모사체(더미 위성)만을 사용했던 1차 실험에서 한 단계 더 나아가 실제 작동하는 위성을 싣고 진행된다. 이번 발사를 끝으로 한국형발사체 개발 사업은 마무리되며, 2027년까지 약 6874억원을 투입하는 발사체 고도화 사업으로 이어진다.

누리호는 14일 오전 8시 30분에 발사장에 누운 상태로 도착해, 11시부터 기립 및 발사대에 고정된다. 설치 작업은 오후 6시께 마무리된다.

15일에는 각종 발사 준비 작업과 연료 및 산화제 충전이 진행되며, 발사 시각은 오후 2시 30분에 발표된다. 현재는 같은 날 오후 4시 발사로 예정돼 있지만, 습도, 압력, 바람, 낙뢰 등 기상 환경에 따라 일정이 일부 변경될 수 있다.

발사 후 127초가 지나면 고도 59㎞에 도달하면서 75톤(t)급 액체엔진 4기로 구성된 1단 로켓이 분리된다. 발사 233초 후에는 191㎞ 높이에서 페어링(탄두 덮개)이 분리되며 274초에 258㎞ 높이에서 75톤급 엔진 1기로 구성된 2단 로켓이 분리된다. 이후 897초에 700㎞에 도달하면 성능검증위성이 분리된다. 700㎞ 궤도 진입 후 발사체가 5%(약 35㎞내외) 오차범위 안에 안착하면 발사에 성공한 것으로 판단한다.
 

조립이 완료된 누리호 [사진=한국항공우주연구원]

◆우리 힘으로 만든 발사체로 우리 위성 발사...2년간 우주에서 기술 수준 검증

앞서 언급한 것처럼 이번 발사에는 성능검증위성이 탑재된다. 안상일 항우연 책임연구원에 따르면 성능검증위성 크기는 가로, 세로, 높이가 약 1m인 육면체로, 무게는 162.5㎏이다. 이는 큐브위성 4개(약 22㎏)를 포함한 무게다.

위성과 지상국은 위성통신에서 흔히 사용하는 무선주파수 대역 S밴드(2~4GHz)를 사용하며, 대전 항우연을 주요 지상국으로 이용한다.

발사 후 42분 23초에 남극 세종기지와 처음으로 교신하며 위성 상태와 위치 등의 정보를 전송한다. 당초 항우연은 최초 교신 외에는 실시간 통신이 아닌, 일정 시간에만 데이터를 주고받는 비콘 신호 수신 방식을 이용하려 했다. 지상국과 통신하는 데도 연료가 들기 때문이다.

하지만 항우연은 성능검증위성 상태를 조기에 파악하기 위해 발사 후 처음 2시간 동안은 위성과 통신을 지속하기로 결정했다. 큰 문제가 없다면 약 42분이 지난 뒤부터 상태를 실시간으로 전송하며, 항우연은 어떤 궤도에서 얼마나 빠르게 회전하며 이동하고 있는지 등을 파악해 자세를 조정한다. 이후 항우연-세종기지 등 세 번의 교신이 끝나면 다시 비콘 신호 수신 방식으로 전환한다.

성능검증위성은 처음 일주일간은 자세를 잡고 태양을 바라보는 작업을 거친다. 회전을 멈추고 궤도에 안착하면 본격적인 임무에 들어간다. 성능검증위성에는 총 5개의 탑재체와 큐브위성 5기(더미 1기 포함)가 설치돼 있다. 성능검증위성은 발사 후 2년간 지구궤도를 돌면서 국내 기술로 개발한 부품과 위성이 우주 환경에서도 제대로 작동하는 점검할 계획이다.

첫 임무는 큐브위성 발사다. 탑재체 중 하나인 큐브위성 발사관이 작동해 2일 간격으로 이를 발사한다. 큐브위성 발사 시 반동으로 성능검증위성 자세가 흐트러질 수 있어, 자세를 다시 고쳐 잡기 위해 2일 간격으로 발사한다는 계획이다. 큐브위성은 최소 3.2㎏에서 최대 9.6㎏ 정도로 가볍다. 이들은 1년간 700㎞ 고도에서 다양한 임무를 수행한다.

큐브위성 제작에는 조선대, 서울대, 연세대, KAIST 등이 참여했다. 조선대는 중적외선과 장적외선 등 다중대역 지구관측 임무를 수행한다. 서울대는 정밀 GPS 반송파를 이용한 지구대기관측 데이터를 수집하며, 연세대는 미세먼지 모니터링 임무를 수행한다. KAIST는 초분광 카메라를 이용한 지구관측에 나선다. 또한 큐브위성 발사 장면은 탑재된 카메라에 녹화돼, S밴드 통신을 이용해 지구로 전송한다.

큐브위성 사출이 끝나면 7월부터 나머지 3개 탑재체에 대해 2년간 우주에서 성능검증에 들어간다. 한국원자력연구원이 개발한 발열전지(ETG)는 온도차를 이용해 전력을 생산하는 전지다. 달탐사개발사업 일환으로 제작된 장비로, 검증에 성공하면 위성뿐만 아니라 여러 우주 장비에서 영구적인 에너지원을 갖춘 전지로 사용될 수 있을 전망이다.

민간기업 저스텍이 제작한 제어 모멘트 자이로(CMG)는 고속 자세 제어용 구동기로, 위성의 자세를 잡을 때 쓰인다. EMW가 개발한 S밴드 안테나(SHA)는 성능검증위성 상태를 원격에서 측정하거나 명령을 수신하는 데 쓰인다. 두 탑재체 모두 우주핵심기술개발사업으로 완성됐다.

장영순 항우연 발사체계개발단장은 "여러 번 조립과 발사를 수행하면서 경험이 쌓였다고 느낀다. 다만 발사라는 것은 예상치 못한 문제가 언제나 발생할 수 있기 때문에 긴장을 늦추지 않고 있다"고 밝혔다.