“우리 발사체로 달 착륙·소행성 탐사 성공하길”

[경향신문]
전남 고흥 포두면을 거쳐 동일면, 봉래면으로 이어지는 약 47㎞의 길은 ‘우주로 가는 길’로 불린다. 봉래면 외나로도에 있는 나로우주센터가 종점이다. 가는 길 곳곳에 아기자기한 섬들이 둥글게 솟아 있고, 갯벌과 해수욕장이 숨어 있다. 이중 어디가 ‘누리호’ 발사 모습을 지켜보기 좋은 ‘명당’일까. 오는 10월 누리호 1차 시험발사가 다가올수록 국민의 이목이 주목될 곳이다.

이제 반년 남았다. 한국형발사체 누리호 개발 사업은 지난 3월 25일 1단 종합연소시험에 성공하면서 순항하고 있다. 시험발사가 성공하면 우리가 원하는 때, 원하는 위성을 우주로 발사할 수 있는 기술을 확보하게 된다. 누리호는 1.5t급 실용위성을 지구 상공 600~800㎞ 저궤도에 올릴 수 있는 3단형 발사체이다. 누리호급의 우주발사체를 자국에서 발사할 수 있는 나라는 6개국에 불과하다. 누리호 사업이 성공하면 한국은 세계 7대 우주강국의 반열에 오른다.

고정환 한국우주항공연구원 한국형발사체개발사업 본부장이 4월 6일 전남 고흥 나로우주센터 발사체 종합 조립동에서 누리호 개발 상황을 설명하고 있다. / 항우연 제공

20년 넘게 로켓 개발 외길

누리호 사업에는 한국의 과학기술, 제조역량이 총동원됐다. 이를 조율하고 지휘한 이는 고정환 한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업 본부장(54)이다. 고 본부장은 2000년 우리나라 최초의 액체추진 로켓인 과학로켓(KSR) 3호 개발에 참여하면서 로켓 개발에 발을 들였다. 이후 지금까지 20년 넘게 줄곧 로켓 분야 연구에 매진했다. 우리나라 최초의 우주발사체인 나로호 체계종합팀 책임연구원, 발사체품질보증팀장을 거쳐 한국형발사체개발사업단 단장을 거쳤다.

고 본부장은 어릴 적 마징가Z, 태권V 같은 로봇 만화에 심취했다. 1985년 서울대 항공공학과에 입학하면서 과학 꿈나무에서 진짜 과학도의 길을 걷게 됐다. 미국 텍사스 A&M 대학원 항공우주공학과에서는 유도제어 분야 연구로 박사학위를 받았다. 이후 약 4년간 미국의 대학교에서 연구원으로 일하다 국내로 들어왔다. 그는 “유도제어 분야는 시스템에 관한 정보를 많이 알게 돼 미국 영주권이나 시민권이 없는 외국인이 취업하기 어려운 분야다. 연구원으로 있어도 외국인이라 보안등급에 차이가 있어 한계를 느꼈다”고 말했다.

항공우주연구원(항우연)에 입사한 후엔 10년 넘게 발사체 비행 안전을 맡았다. 로켓이 비행하다 문제가 생길 경우 비행 중단 결정을 내리는 게 그의 일이었다. 로켓은 상당한 양의 연료를 싣고 비행한다. 잘못 추락할 경우 인명·재산 피해가 클 수 있다. 모니터링을 하면서 이상이 감지된 순간 빠르게 판단해야 하기 때문에 발사 장면을 눈으로 볼 여유가 없었다. “비행 안전 일을 할 땐 폐쇄회로(CC)TV로도 발사 장면을 못 봤다. (본부장을 맡고 있는) 지금도 발사통제소 안에서 CCTV만 볼 수 있지 육안으론 못 본다.”

그는 2015년 8월 한국형발사체개발사업단장을 맡으며 누리호 개발을 지휘했다. 처음 시작할 때 수십명 수준이었던 인력은 지금 200명 넘게 불었다. 폰 브라운처럼 천재적인 한명이 우주 개척을 진두지휘하던 시절은 이제 지났다. 고 본부장은 “엔진을 만드는 사람, 연료·산화제 탱크를 만드는 사람 등 지금은 전문분야가 매우 세분화돼 있다. 지금 우리가 하는 일도 30년 전부터 항우연 안에 축적된 기반 위에서 이뤄온 것이지 특출난 한명이 했다고 하긴 어렵다”고 말했다.

지난 4월 6일 고 본부장을 만난 곳은 나로우주센터 발사체 종합 조립동이다. 높이 40m, 폭 30m, 길이 70m 정도의 조립동 안에서 누리호 1~3단이 조립되고 있다. 조립동 안에 들어가려면 먼저 에어클린실을 통과해야 한다. 미세 먼지라도 배관에 들어갈 경우 문제가 생길 수 있기 때문이다. 10월 시험발사를 위한 1·2단 비행모델(FM)의 조립이 70%를 조금 넘게 진행됐다. 3단 비행모델은 이미 조립이 완료됐고, 바로 옆에서 내년 5월 예정된 2차 시험발사에 쓰일 비행모델 2호기 3단이 제작 중이다. 발사대 인증시험을 위한 인증모델(QM)은 이미 제작이 완료돼 전체 조립을 위한 점검을 받고 있다.

시행착오와 실패가 자산으로


비행모델 제작은 7월에 끝난다. 그에 앞서 5월에는 인증모델 기체 1~3단을 결합해 처음으로 발사대와 접속해보는 발사대 인증시험을 한다. 발사대에서 연료와 산화제를 주입하고 빼내는 과정을 연습한다. 문제가 생길 경우 발사를 중지하고 철수하는 연습도 중요하다. 이 과정에서 인명 피해가 발생할 수 있기 때문이다. 고 본부장은 “나로호 개발 때 러시아에서 많이 배운 부분이다. 센서를 삼중화하고, 연료 주입 순간부터 반경 1.8㎞ 내의 사람을 완전히 소개하고 원격으로 조작한다. 내부의 연료와 산화제가 다 배출된 후에만 사람이 접근할 수 있다”고 설명했다.

로켓엔진은 연소실과 노즐, ‘터보펌프’로 불리는 추진제 공급계통으로 크게 나뉜다. 누리호는 연료로 항공등유를, 산화제로 액체산소를 쓴다. 연소실에서 추진제를 분사해 연소하면 고온고압의 가스로 변한다. 이 고온고압의 가스가 노즐의 좁은 목을 통과해 가속되면서 운동 에너지를 만들어낸다. 연소실 압력은 60기압에 달하는데 연료와 산화제를 그 이상의 압력으로 공급해야 연소실에 들어갈 수 있다. 이를 위한 장치가 터보펌프이다. 터보펌프는 1분에 1만번 회전하며 연료, 산화제를 고압 상태로 만들어 연소실에 밀어넣는다.

전남 고흥 나로우주센터 발사체 종합 조립동에서 로켓 개발자들이 누리호 3단 로켓(왼쪽)을 제작하고 있다. / 항우연 제공

로켓은 엔진의 총추력이 기체 중량을 상회해야 발사대를 떠나 날아오를 수 있다. 추력은 로켓이 기체를 가속하는 힘의 양이다. 추력 75t의 누리호 1단 엔진 4개가 묶여 전체 추력은 300t이 된다. 누리호의 무게가 200t이라 1.5G의 가속도를 얻어 발사대를 떠날 수 있게 된다. 고체로켓은 발사 순간부터 6~7G의 가속도를 낸다. 그래서 상대적으로 액체로켓을 단 발사체가 발사대를 떠날 때는 매우 느리게 올라가는 것처럼 보인다. 하지만 이런 액체로켓도 60초 정도가 지나면 음속을 돌파한다.

4G라면 지표 중력 가속도의 4배를 뜻한다. 가속도가 커질수록 구성품의 무게가 늘어 구조에 무리를 준다. 연소와 비행으로 인한 진동도 엄청나다. 고 본부장은 “전자장비가 고속에서는 못 견뎌요. 그래서 보통 발사체들은 중력 가속도의 4배 이하로 제한하고 모든 장비도 그 정도 규격으로 제작한다. 액체가 들어 있어 움직이면 출렁출렁하면서 안 좋은 영향을 주기 때문에 가능한 이륙 가속도를 크지 않게 출발해 점점 속도를 높여간다”고 설명했다.

누리호는 한국의 과학기술과 제조역량을 집약한 결정체이다. 이날 1단 로켓에 결합된 4기의 75t 엔진을 직접 보니 눈으로 좇아가기 힘들 정도로 복잡했다. 추력 7t인 3단 엔진도 난이도는 비슷했다. 3000℃에 달하는 온도에 노즐이 녹지 않도록 냉각 성능을 유지하는 게 관건이었다. 엔진 자체도 복잡하지만 엔진을 기체에 조립하기 위한 배관과 전선 등이 굉장히 복잡하게 얽혀 있다. 영하 183℃인 산화제의 온도를 유지하면서 새지 않도록 하는 데 많은 공을 들여야 한다. 상태를 알기 위한 센서도 100여가지가 붙는다. 전체 부품의 수는 37만개, ‘신경세포’ 역할을 하는 전선의 길이는 약 47㎞에 달한다. 과연 손을 집어넣어 조립할 수 있을까, 의심이 들 만큼 복잡했다.

실제 대부분의 연기 이유가 1단 조립 때문이었다. 조립하는 과정에서 순서가 맞지 않아 풀어서 처음부터 다시 조립하기도 했다. 시간이 많이 지체됐지만 안 해보고는 할 수 없다는 걸 깨달았다. 고 본부장은 “손만 들어갈 게 아니라 도구가 움직일 여지가 있어야 하는데 그게 캐드(CAD) 상으로 잘 확인이 안 돼 시행착오를 겪었다. 지금은 처음 할 때보다 굉장히 안정화됐다. 한번 해보면 그다음은 잘되니까 경험을 확보하는 게 중요하다”고 말했다.

우주 개발 과정을 보면 실패와 모방에서 배운다는 말은 진리이다. 오늘날 세계 정상급에 오른 중국은 1950~1960년대 러시아에서 기술을 배우다가 어느 순간 독자적으로 발전했다. 북한 역시 스커드 미사일을 역설계해 노동미사일을 만들고 발사체에 적용했다. 우린 그렇게 발사체를 가져와 뜯어볼 기회도 갖지 못했고, 나로호 때도 가까이 가서 보기 어려웠다. 그럼에도 나로호의 경험이 없었다면 한국형발사체 개발은 불가능했다. 기술은 이전받지 못했지만, 러시아와의 협업에서 많은 걸 배울 수 있었기 때문이다.

세계 7대 우주강국 머지않아


고 본부장은 “러시아 쪽 보안요원이 있어서 어려웠던 건 사실이다. 민감한 부품에 접근하는 것이나 들여다보는 걸 많이 제지받았다. 러시아 사람과 놀거나 저녁에 술 한잔하고 싶어도 제약을 많이 받았다. 그런데 두 번의 발사 실패 후 조금 느슨해지면서 자기들 술자리가 있을 때 부르는 경우도 있고, 작업하면서 물어보면 조금 이야기해주는 경우도 있었다. 나로호 사업은 기술 이전이 없는 사업이었지만, 그럼에도 그 사업을 통해 많은 걸 배우고 익혔다.” 우주발사체 기술을 갖고 있는 나라는 9개국 정도이지만, 누리호에 쓰이는 크기의 엔진을 개발해 운용한 나라는 우리가 7번째이다. 누리호 발사가 성공하면 한국이 세계 7대 우주강국에 오른다는 말은 여기서 나온다.

발사체는 기술 이전이 거의 불가능해 설계와 제작 과정에서의 시행착오를 직접 해결해야 한다. 그리고 그렇게 문제를 해결한 지식과 기술은 고스란히 우리의 자산이 된다. 나름의 독자 기술을 확보해 발사체 개발에 성공하면 비로소 우주 분야의 국제협력이 원활해진다. 일본 역시 미국 항공우주국이 시험 삼아 낸 과제를 성공시켜 기술력을 인정받은 후에 국제우주정거장에 화물을 나르는 사업에 참여할 수 있었다. 발사체 성공 경험이 우주 개발의 ‘이너서클’에 들어올 수 있는 초대권인 셈이다. “지금은 어떻게든 발사 기술을 확보하는 게 중요하다. 처음 쏠 땐 어렵고 시간이 오래 걸리지만 한번 성공한 후에는 굉장히 빨리 발전할 수 있다. 한번 해본 사람과 안 해본 사람의 차이는 매우 크고, 안 해본 사람은 취급을 안 한다. 자력 발사체가 있고 없고에 따라 상대 국가가 우리를 대하는 자세가 굉장히 다르다고 생각한다. 개발이 성공해 우리 발사체로 어디든 원하는 데 화물을 실어나를 수 있다면 굉장히 다양한 일을 우리랑 같이하자고 제안이 들어오지 않을까.”

오는 10월 첫 누리호 비행시험에는 위성 모사체를 실어 발사한다. 내년 5월에는 별도 제작한 성능 검증 위성을 싣는다. 두 번의 비행시험을 통해 탑재물을 보호하는 페어링이 제대로 분리되는지 등을 최종 검증하면 발사체 개발이 완료된다. 그 후에도 차세대 소형위성 2호, 차세대 중형위성 3호가 한국형발사체 검증용으로 계획돼 있다.

고 본부장은 그 후에도 누리호 개발의 성과를 이어받고 발전시킬 후속 사업이 절실하다고 강조했다. 여기서 멈추면 발사체 기술의 전승과 발전이 어려워진다. 발사 신뢰도도 한두 번 발사 성공으로는 크게 인정받기 어렵다. 발사를 여러 번 경험해야 전혀 몰랐던 새로운 문제를 발견할 수도 있다. 후속사업이 진행되지 않으면 누리호 개발에 참여하는 기업의 인력이 유지되기 어렵다.

오는 10월 한국형발사체 누리호가 발사될 나로우주센터 제2발사대에 실제 로켓과 크기, 무게, 무게 중심 등을 동일하게 만든 로켓 목업(Mockup)이 놓여 있다. / 항우연 제공

뉴스페이스 시대를 열려면 민간 우주 개발을 이끌 기업이 필요한데 후속사업으로 시장을 열어줘야 한다. “기업은 수익성이 매력적이지 않은 상황에서 우주발사체 개발이라는 대의로 참여했다. 돈을 많이 줄 수 있는 것도 아니라 발사 때 기업 이름이라도 알릴 수 있게 (기체에) 기업체 로고를 쫙 붙였다. 저희가 어떻게 했는지는 알지만 실제 작업은 이분들이 다 하는데 이들이 갖고 있는 노하우는 계약이 끝나면 다 사라진다. 후속 과제가 이어서 가줘야 하는데 지체되면 그런 부분에서 어려움이 생긴다.”

후속사업으로 한국형발사체 성능개량이 예정돼 있는데 현재 예비타당성 검토 단계에 있다. 현재 우주개발진흥 기본계획상 한국형발사체는 두 방향으로 발전한다. 500㎏ 이하의 소형위성 수요 증가에 대비해 경제성을 갖춘 소형 발사체 플랫폼으로 연계 확장하는 것과 한편으로 3t 이상 정지궤도, 저궤도 대형위성 등을 올릴 수 있는 대형 발사체 플랫폼 관련 기술을 확보하는 것이다.

발사 수요가 지속되지 않으면 발사체 개발에 성공했으면서도 현재는 기술력을 잃어버린 영국의 전철을 밟을 수 있다. 그래서 발사체를 이용하는 다양한 우주 탐사 계획이 마련돼야 한다. 문재인 대통령은 지난 3월 25일 종합연소시험을 참관한 후 “2030년까지 우리 발사체를 이용한 달 착륙의 꿈을 이루겠다”고 말했다. 검토 중이라고 밝혔던 2029년 소행성 아포피스 탐사에도 한국형발사체를 쓸 수 있다. 6세대(G) 시대를 대비한 통신위성 시범망, 자율주행차와 드론 산업에 필수적인 한국형위성항법시스템, 국방 우주력 강화를 위한 초소형 군집위성시스템 구축 등도 거론됐다. 고 본부장은 “발사 경험을 많이 쌓는 게 필요하다. 아직은 저궤도 관측 위성 등 항우연 위주의 프로그램이 대부분이지만 소행성, 달 탐사 등이 조금씩 이야기가 나오는 것처럼 앞으로 다양한 외계 탐사 프로그램이 생기면 좋겠다”고 말했다.

누리호 성과 이어받을 후속 사업 필요


고 본부장은 누리호 성능을 개량해 추력 82t, 추력 9t의 엔진을 개발하면 달 탐사선에 쓸 수 있다고 설명했다. 추력과 함께 로켓의 성능을 판단하는 또 다른 지표인 비추력을 높이는 것이 핵심이다. 비추력은 주어진 질량의 추진제로 로켓이 얼마만큼의 속력 변화를 내는지 보여준다. 고 본부장은 “달로 가기 위한 이동 궤도(전이궤도)에 얼마를 올려줄 수 있냐가 관건인데 성능을 개량하면 830㎏ 정도를 탑재할 수 있다. 그 정도면 달 착륙선도 가능하다”고 말했다.

한 세대 후 우주 개발을 이끌어갈 이공계 분야의 인재를 키울 필요도 있다. 고 본부장은 문제 풀이보다 실험과 실습으로 실제 동작시키는 재미를 느껴야 관심을 잃지 않는다고 강조했다. 발사체를 정기적으로 발사할 수 있다면 외국의 발사장처럼 일반인이 관람할 수 있는 프로그램도 만들고 싶다고 말했다. “실물을 보면 느낌이 굉장히 다르다. 특히 발사체 엔진을 시험하는 것이나 실제 발사하는 장면을 보면 굉장히 마음에 와닿는 게 있다. 실물을 볼 수 있는 기회를 제공하고 만져보고 느껴볼 기회를 주는 게 중요하다.”

일단 우리에게 가장 가까운 참관 기회는 10월 시험발사이다. 언제 발사될까. 미리 숙박을 예약하려면 발사일은 중요한 정보이다. 아직 결정되지 않았고, 발사 한달~한달 반 전에 결정된다. 고 본부장은 “보통 큰 시험일수록 목요일에 잡는다. 내려와 준비할 시간이 필요하기 때문이다. 문제가 생기면 그다음 날 한 번 더 할 시간을 가져야 하니 수요일과 목요일이 적당하다. 시간은 원래 위성이 임무가 있으면 정해진 시간에 발사해야 하지만 1~2차는 특별히 위성 자체의 미션이 있는 게 아니라 우리가 원하는 시간에 할 수 있다. 그러면 작업하기 편한 오후 4~5시 정도가 좋다.”

주영재 기자 jyj@kyunghyang.com

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