우주 발사체란 무엇인가? 나라 별 자체 개발 우주 발사체

우주 발사체란 무엇인가? 나라별 자체 개발 우주 발사체

우주발사체란?

우주로켓이라 부르기도 하는 우주발사체는 탑제물이라는 짐을 싣고 출발해 지구를 벗어나 우주공간의 정해진 곳에 가서 짐을 풀어놓는, 즉 지구에서 우주까지 '택배서비스'를 제공하기 위한 로켓이다. 우주 발사체는 인공위성이나 우주인은 물론이고 때론 덩치가 큰 우주정거장 모듈이나 궤도 망원경 등 다양한 탑재물을 우주로 배달한다.

발사체가 힘차게 날아올라 우주에 가기 위해서는 엄청난 힘이 필요하다. 그 이유는 모든 물체가 가지고 있는 '질량'이라는 고유한 특성 때문이다. 지구는 각 물체의 질량에 비례하는 크기의 힘 바로 만유인력으로 모든 물체를 잡아당기고 있다. 만유인력의 법칙에 따라 지구가 일방적으로 물체를 잡아당기는 걸로 보이지만, 사실 우주발사체와 같은 물체도 같은 크기의 힘으로 지구를 잡아당기고 있다.

지구에 사는 우리나 우주발사체를 포함한 지구상의 모든 물체가 일방적으로 지구에 붙들려 있는 것처럼 보이는 이유는 지구의 질량이 압도적으로 크기 때문이다. 그러나 우주에 존재하는 모든 물체는 서로 같은 크기의 힘으로 상대를 잡아당기고 있다.

우주발사체(로켓)가 날아가는 원리는?

지금까지 우주로 성공적으로 날아간 발사체 중 가장 무거웠던 것은 '새턴V'(Saturn V)이다. 무게가 무려 3,038,500kg이라고 한다. 이렇게 무거운 우주발사체는 어떻게 지구의 중력을 이겨내고 우주까지 날아갈 수 있을까?

우주로 쏘아올린 발사체중 최대 중량 새턴 V형 발사체

우주발사체가 날아가는 원리를 가장 이해하기 쉽게 설명하는 방법 중 하나가 '풍선'이다. 풍선을 빵빵하게 분 다음 공기 주입구를 잡고 있던 손을 놓으면 공기가 순식간에 빠져나오면서 풍선은 이리저리 날아다니다가 땅에 떨어지게 된다. 이때 풍선은 공기가 빠져나가는 방향과 반대 방향으로 움직인다.

여기서 우리가 확인할 수 있는 것은 바로 물체A가 물체 B에 어떤 힘을 작용하면 물체 A에도 그와 똑같은 크기의 힘이 정반대 방향으로 작용하게 된다는 '작용-반작용의 법칙'이다.

이와 같은 원리로 지표면을 벗아나고 우주공간을 비행하게 된다. 그러나 우주발사체는 풍선보다 훨씬 무겁고 가야 할 길도 멀다. 그러기 위해서는 풍선과 비교할 수도 없는 빠른 속도로 날아가야 하는데 이 때문에 발사체는 연료를 지속적으로 태워서 고온 · 고압의 연소 가스를 엄청나게 빠른 속도로 뿜어낼 수 있는 추진기관이 필요하다. 또 발사체는 중력의 크기(즉, 몸무게)를 줄여 같은 무게일때 추진제를 더 많이 실을 수 있도록 해야 해서 풍선에 비해 엄청 복잡한 과정이 필요하다.

우주발사체를 다단으로 만드는 이유?

발사체의 전체 질량에서 추진제를 뺀 질량을 구조질량 또는 건조질량이라고 한다. 건조질량을 줄이고 힘이 좋은 추진기관을 만드는 것이 고성능 발사체 개발의 중요한 포인트이다. 발사체 구조물 중에는 추진제 탱크처럼 높은 압력을 견뎌내야 하는 것도 있고, 날아가는 동안 공력 하중과 열하중을 버텨내야 하기도 한다. 그러다 보니 마냥 얇고 가볍게 만드는 것만이 능사는 아니다.

현재까지 성공적으로 임무를 완수한 발사체를 보면 모두 독립적인 추진기관을 갖는 2개 이상의 단으로 구성된 다단형 발사체였다. 탑재물을 목표 위치에 목표 속도로 분리해 탑재물이 계획된 우주임무를 무사히 실행할 수 있도록 그에 필요한 운동에너지와 위치에너지를 제공하는 것이 발사체의 임무이다.

각 단을 차곡차곡 쌓아 올려 만든 하나하나 독립적인 로켓이라고 볼 수 있는 다단형 발사체는 추진제를 모두 소모해 쓸모없어진 단을 상단부분과 분리함으로써 발사체의 무게를 효율적으로 관리할 수 있다. 그리고 위성 투입 등 발사체 임무 완수에 필요한 속도를 각 단의 능력에 맞추어 적절히 배분할 수 있다는 장점이 있다.

예를 들며, 3단형 발사체라면 단분리 후 계속 비행하는 상단 부분의 엔진을 새롭게 점화함으로써 단 분리 이전보다 높은 속도를 얻을 수 있도록 하는 방법을 두 번 사용할 수 있는 셈이고, 각 단에서 얻는 속도의 증가분은 비행 중에 계속 누적된다.

그렇다면, 얼핏 생각하기에 발사체의 단 수가 많아질수록 발사체 개발이 쉬워질 것 같기도 하지만 노련한 로켓 과학자들은 단 수가 많아지는 것 자체가 비효율적일 뿐만 아니라 발사체 구성이 복잡해져 전체 시스템의 고장 확률도 높아지게 되고, 특히 발사체 실패의 주요 요인 중 하나로 알려져 있는 ‘단 분리’의 위험을 필요 이상으로 감수하는 것은 결코 바람직하지 않다고 말하고 있다.

따라서 발사체의 단 수는 임무 요구, 기술적 조건, 각 단의 낙하지점 등 다양한 조건을 고려해 결정해야 한다. 결국 힘 좋은 추진기관과 가볍고 튼튼한 구조체를 만들 수 있는 능력만 된다면 각 단에 엔진 1기씩을 장착한 2단형 로켓이 가장 이상적인 로켓이라고 볼 수 있다.

대한민국 발사체 누리호 조립 모습

나라별 최초의 자체 개발 우주발사체

1. 소련 스푸트니크 1호(발사체 R-7 로켓)
R-7 세묘르카는 소련의 대륙간 탄도 미사일이며, 세계 최초의 대륙간 탄도 미사일이다. 이후 우주 개발에 사용하는 수많은 파생형 로켓을 탄생시켰다. R-7 계열 로켓인 스푸트니크가 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호를 1957년 10월에 발사했다.

R-7 8K72

2. 미국 익스플로러 1호 (발사체 주노1호 로켓)
주노 1호는 4단 로켓으로 구성된 미국 최초의 우주발사체이다. 1958년 미국 최초의 인공위성 익스플로러 1호를 발사시켰다.

주노 1호

3. 프랑스 아스테릭스 (발사체 디아망)
디아망은 프랑스 최초의 인공위성 발사체이다. 42kg 무게의 프랑스 최초 인공위성인 아스테릭스를 발사시켰다.

디아망

4. 일본 오스미 (발사체 람다 4S 로켓)
람다 4S는 일본 도쿄 대학 우주항공연구소가 개발한 일본 최초의 우주발사체이다. 4단 고체 로켓이다. 1966년 9월 26일 초도 비행했으며, 1970년 2월 11일 일본 최초 인공위성인 오스미 위성을 발사하는 데 성공했다. 이것은 최초의 대학에 의한 인공위성 발사 성공으로, 세계에서 최초의 고체연료 우주발사체에 의한 인공위성 발사 성공이며, 세계 최초의 유도 제어장치를 탑재하지 않는 로켓으로 인공위성의 발사 성공이다.

람다 4S

5. 중국 둥펑홍 1호 (발사체 창정 1호 로켓)
중국의 우주 로켓 창정 1호는 1965년 1월에 개발이 시작돼, 1970년 4월 24일 무게 173kg 둥펑홍 1호 인공위성을 싣고 최초로 발사된 중국의 자력발사 우주발사체이다.

창정 1호

6. 영국 프로스페로 (발사체 블랙 애로우)
영국 유일의 우주발사체 블랙 애로우, 4회 발사 중 2회가 성공했고 지구궤도 발사는 그 중 1970년 10월 28일 발사한 프로스페로 발사로 영국은 자력 위성 발사에 성공한 6번째 국가가 되었다. 그러나 이후 영국은 자력발사 능력 보유를 포기하고 인공위성 발사를 NASA를 포함한 외부 기관에 위탁해 왔다.

블랙 애로우

7. 인도 로히니D1 (발사체 SLV)
위성발사체 또는 SLV는 인공위성을 발사하는데 필요한 기술을 개발하기 위해 인도 우주 연구 기구가 1970년대 초에 시작한 소형 발사체 프로젝트였다. 1979년 8월 SLV-3의 첫 실험 비행은 실패했고, 1980년 7월 18일 처음으로 위성을 쏘아 올리는 데 성공했다.

위성발사체 SLV

8. 이스라엘 오페크1 (발사체 샤빗)
샤빗은 이스라엘 소형 인공위성을 LEO(지구 저궤도 Low Earth Orbit)로 운반하는 발사체이다. 샤빗은 헤브루어로 혜성이라는 뜻이다. 1988년 9월 19일 최초로 발사되어 오페크 정찰 위성을 LEO에 운반하는 데 성공했다. 이로써 세계 8번째 자력 인공위성 발사국이 되었다.

샤빗 로켓

9. 이란 오미드 (발사체 사피르-2호)
2009년 2월 2일 이란은 사피스-2호 로켓으로 위성 통제장치, 통신 디지털 장비, 전력공급 시스템 등을 갖춘 연구 목적의 통신위성 오미드(희망이라는 뜻)의 위성을 발사했다. 이로써 이란도 위성 자력 발사 국가의 지위를 얻었다.

사피르 발사체

10. 조선 민주주의 인민공화국 광명성3호 2호기(발사체 은하 3호)
은하 3호는 2012년에 계획 및 실행된 조선 민주주의 인민공화국 최초의 위성 발사용 우주발사체이다. 광명성 3호를 발사하기 위해 개발된 것으로, 은하 2호 이후 새롭게 만든 발사체이다.

은하 3호

11. 대한민국 누리호
누리호는 2021년 6월 개발되어 10월 21일에 발사하였으나 궤도 안착에 실패하였고, 이듬해 6월 21일 2차 발사에 성공하였다. 대한민국 누리호에 대한 자세한 내용은 아래 글을 참고하시기 바랍니다.
2022.06.22 - [분류 전체보기] - 누리호 발사 성공!! 누리호 란? 누리호 개발, 누리호 개발 예산

누리호 발사 성공!! 누리호 란? 누리호 개발, 누리호 개발 예산