[누리호 발사] 22초 빨라진 성공함수의 비밀…4초 빠른 1단엔진 추력 덕분

이경태 기자 - 어제 오전 11:19

[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 1·2차 발사 과정에서 우여곡절을 겪은 한국형 발사체 누리호가 성공적으로 임무를 완수했던 배경은 역시나 1단부에 있었다.

예상 발사 순서(시퀀스·sequence)보다 1단 분리가 4초 앞당겨진 순간 일부 기술진은 성공을 조심스럽게 예감했다고 한다. 마지막 위성 분리 시 예상대비 22초나 빨라진 의문도 풀렸다.

누리호는 지난 21일 오후 4시 정각 전남 고흥군 나로우주센터 제2발사대에서 이륙했다. 굉음과 함께 200톤의 육중한 원통형 발사체는 서서히 몸을 띄우기 시작했다. 

발사 후 945초 뒤 누리호는 최종적으로 위성모사체까지 분리하며 우주수송의 첫 여정을 성공적으로 마무리했다. 다만 1·2차에 걸쳐 우려의 시선이 짙게 깔려 있기는 했다.

지난해 10월 21일에 진행된 1차 발사는 최종 3단부 엔진의 조기 종료로 인해 누리호의 우주수송능력을 입증할 수 없었다. 당시 누리호는 발사 후 124.5초 뒤 1단 분리가 정상적으로 진행됐다. 229초 페어링 분리, 270.5초 2단 분리까지는 문제가 없었다. 다만 748초에 3단 엔진의 연소가 종료됐다. 예상 시각보다도 49초나 빨리 종료된 것이다. 

동일하게 49초가 빠른 시각에 위성모사체는 분리가 됐지만 당초 목표였던 초당 7.5km의 속도에 도달하지 못했다. 연쇄적으로 분리된 위성모사체 역시 목표 궤도에 안착하지 못했다.

2차 때는 2차례의 일정 연기가 있었으나 발사는 순조롭게 진행됐다. 1단부 산화제 탱크 센서 교체는 물론 3단부 엔진 개조 등 기술적으로 우려되는 변수가 1차 때보다도 많았다. 더구나 한국형 발사체 프로젝트의 마지막 발사인데다 지난 실패를 극복해야 한다는 점에서 기술진의 부담은 배로 컸다.

발사 직후 1단 분리부터 최종 위성 모사체 분리까지의 기술진은 가슴을 졸일 수밖에 없었다. 1단 분리부터 당초 예상 시퀀스보다도 4초나 빨랐다. 페어링 분리는 6초나 빠르게 진행됐다.

2단 분리는 5초 빠른 시각에 진행돼 예상 시퀀스대로 진행되는 것으로 기술진은 판단했다. 다만 21.5초나 빠른 시각에 3단 연소가 종료되면서 기술진의 머릿속은 상당히 복잡했던 것으로 전해졌다.

3단 연소가 종료됐다는 의미는 1차 때 도달하지 못했던 초당 7.5km 속도로 누리호가 비행하는 데 성공했다는 것이기도 하다. 한편으론 너무나 빠른 시퀀스 도달에 혹시 잘못되는 것은 아닌가하는 걱정을 했다는 게 한 기술진의 설명이다.

이후 성능검증위성과 위성모사체 분리는 당초 예상 시퀀스 대비 22초가 빠른 시각에 진행됐다. 40여분 뒤 성능검증위성의 비콘 신호가 지상국에 전달되면서 누리호의 우주수송능력이 2차 시도에서 성공적으로 입증된 것이다.

 

© 뉴스핌한국형 발사체 누리호에 탑재돼 지구 저궤도에서 안착한 뒤 선포인트(Sun Pointing) 단계에 도달한 성능검증위성의 모습 [자료=과학기술정보통신부] 2022.06.21 biggerthanseoul@newspim.com

 

 

 

이번 누리호의 비행 시퀀스가 빨라진 것에 대해 한국항공우주연구원의 기술진은 단연 1단 엔진의 중요성을 강조했다.

한 연구원은 "1단 엔진이 당초 예상 시퀀스 대비 4초나 빨리 분리됐다는 것은 누리호를 쏘아올리는 첫 엔진 점화의 추력이 예상보다 컸기 때문"이라며 "이후 다른 시퀀스의 시각이 앞당겨진 것은 결국 엄청난 중력을 극복해서 발사체를 끌어올린 1단 엔진 덕분"이라고 강조했다.

이 연구원은 "2차 함수 그래프처럼 초반에는 더디지만 속도가 급상승할 것이라는 믿음이 있었다"고 전했다.

실제 누리호 개발에서 가장 공을 들인 부분이 바로 1단부 75톤급 엔진 4기를 한데 모아 점화하는 클러스터링이었다. 발사체의 가장 밑단에서 점화해 방향이 흐트러지지 않고 이륙할 수 있도록 하는 부분이 기술적으로 상당히 어려웠던 것으로도 알려진다.

그는 이어 "1차와 2차 발사시 누리호의 기계적인 성능이 동일하다고 가정하면 연료로 쓰이는 케로신(항공유)의 밀도가 2차 때 점화 등에 더 양호했던 점이 있을 것"이라며 "뿐만 아니라 바람의 세기 등 발사에 영향을 주는 기상 요인도 좀더 좋아진 부분이 복합적으로 이번 발사의 시퀀스를 단축시키는 데 영향을 줬을 것"이라고 판단했다.

항우연 한 관계자는 "향후 누리호의 추가 발사에서도 예상 발사 시퀀스 그대로 갈 수도 없을 것이고 더 빨라질 수도 더 느려질 수도 있다"며 "관건은 초당 7.5km 속도에 도달하고 고도 700km까지 나아갈 수 있어야 할 것이고 나머지 과정 역시 무수한 변수가 많아 발사 때마다 촉각을 곤두세울 수밖에 없을 것"이라고 말했다. 

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