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[IT뉴스]심우주 탐사 능력 한 뼘 더…누리호에 ‘고체 부스터’ 장착해보자[이창진의 우주로 읽는 과학]

온카뱅크관리자

2026-08-03 21:07:29

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 일러스트 | 김상민 기자 yellow@kyunghyang.com
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 고체 추진 로켓의 강점
 액체 추진 로켓에 부스터 달면 
 초반 추력 보강…탑재 능력 향상 
 미국 우주왕복선에서 주로 채용 
 유럽 아리안6·일본 H3 발사체도 
 액체 추진 구조에 ‘보조’로 사용 
 한국형 우주발사체에도 도입할 만 
 발사체로 궤도 투입 ‘궤도수송선’ 
 최근 우주 물류체계 기술로 주목 
 고체 부스터 못잖은 효용성 갖춰 
 차세대 우주수송체계 개발 역시 
 누리호 성능 개선과 연계해야
 </blockquote>
 냉전이 끝난 뒤 러시아는 군축 협정의 대상이 된 대륙간탄도미사일(ICBM)을 우주발사체로 전환하는 프로그램을 추진했다. 대부분은 액체연료를 쓰는 ICBM을 활용한 발사체였지만, 고체연료 ICBM인 SS-25에 4단을 추가한 ‘Start-1’ 발사체도 있었다. 이 발사체는 소형위성을 지구 저궤도에 투입하는 서비스로 상업적 성과를 거뒀다.
 발사체가 내는 모든 힘을 고체연료에서 얻는 ‘전고체 추진 우주발사체’는 1960년대 미국이 개발한 발사체 ‘스카우트’를 통해 이미 실용화된 바 있다. 하지만 군용 고체 ICBM을 상업용 위성 발사체로 전환해 활용한 일은 당시로서는 매우 의미 있는 시도였다. 이는 군사 목적으로 개발된 고성능 고체 추진 기술이 민간 우주 수송 분야로 전환될 수 있음을 보여준 사례였으며, 이후 여러 국가에서 고체 추진 우주발사체 개발이 본격화하는 계기가 됐다.
 고체 추진 로켓의 추진제는 일반적으로 부타디엔 계열의 고분자 바인더(HTPB)를 바탕으로 연료인 알루미늄 분말(Al), 산화제인 과염소산암모늄(AP)을 혼합한 뒤 고온에서 성형하는 방식으로 만든다. 여기에 구조물과 노즐, 비행제어장치, 비행계측(텔레메트리) 장비, 비행종단시스템 등 각종 구성품을 결합하면 발사체를 만들 수 있다.
 고체 추진 로켓은 액체 추진 로켓과 달리 배관과 터보펌프 등 복잡한 추진계가 없어 구조가 단순하고 제작 비용이 상대적으로 저렴하다. 또 장기간 저장과 신속한 발사가 가능하다. 반면 액체 추진 기관에 비해서는 추력 성능이 낮다. 추력 제어와 재점화도 어렵다. 대형 우주발사체의 주 추진기관으로 활용하는 데에는 제약이 있다.
 현재 고체 추진 로켓은 액체 엔진을 보조해 발사 초기의 추력을 높이는 ‘부스터’로 널리 활용되고 있다. 미국이 2011년까지 운영한 우주왕복선 발사 장면을 살피면 고체 로켓 부스터를 명확히 볼 수 있다. 외부 연료탱크 양쪽에 장착된 길쭉한 원통형 로켓이다. 유럽의 발사체 아리안5와 아리안6, 일본 발사체 H3도 액체 추진 주 엔진과 함께 고체 로켓 부스터를 사용한다. 아리안6은 구성에 따라 2기 또는 4기의 부스터를 사용하며, H3 역시 임무에 따라 고체 부스터의 수를 달리할 수 있다.
 고체 부스터는 액체 추진 엔진의 성능은 유지한 채 발사 초기에 필요한 추력을 보강해 발사체의 탑재 성능을 높일 수 있다. 다만 부스터의 추가가 반드시 발사 비용 절감으로 이어지는 것은 아니며, 임무별 요구 성능과 발사체 구성에 따라 경제성이 달라질 수 있다.
 또한 연소가 끝난 부스터의 안전한 분리와 점화·이륙, 그리고 대기권 비행 과정에서 발생하는 강한 진동과 음향 하중으로부터 발사체와 탑재체를 보호하기 위한 구조 설계 및 추가적인 시험·검증이 필요하다.
 한편, 우주발사체를 운영할 때 또 다른 고려 요소도 있다. 통상적인 우주발사체는 ‘최종단(Upper Stage)’으로 탑재체를 목표 궤도에 투입한 뒤 임무를 종료한다. 2단 로켓에서는 2단부가, 3단 로켓에서는 3단부가 최종단이다.
 그러나 태양동기궤도(SSO)에서처럼 탑재체를 정해진 궤도에 정밀하게 투입하는 능력이 요구되는 곳이나 달 전이궤도(LTO) 투입처럼 정밀한 속도 제어가 필요한 경우, 재점화로 여러 위성을 다른 궤도에 순차적으로 배치하는 임무에서는 최종단 외 ‘킥 스테이지(Kick Stage)’를 장착해 사용하는 경우가 많다.
 고체 추진 발사체에 킥 스테이지가 반드시 필요한 것은 아니지만 향후 발사 임무의 고도화와 상업 발사 서비스 확대를 고려할 때, 정밀한 궤도 투입 능력과 재점화는 발사체 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소가 될 수 있기 때문에 염두에 둘 요소다.
 최근에는 발사체로 탑재체를 주차궤도(먼 우주로 이동하기 전 잠시 대기하는 지구 저궤도)에 투입한 뒤 ‘궤도수송선(OTV)’이 목표 궤도까지 운반하는 새로운 우주 수송 체계가 주목받고 있다. OTV는 독립된 로켓 추진체로서 다양한 궤도 비행과 임무를 지원한다. 이를 통해 발사 효율성과 임무 유연성을 크게 향상할 수 있다. 또한 OTV가 궤도상에서 연료를 재보급받는다면 동일한 우주 수송 서비스를 반복적으로 수행할 수 있어 새로운 우주 물류체계를 구성하는 일이 가능하다.
 하지만 OTV가 탑재체와 함께 매 발사 때마다 실리는 일회성 형태로 운용된다면 OTV 자체 구조물과 추진제 질량이 모두 발사체의 탑재 능력에 포함되는 문제가 생긴다. 발사체의 탑재 중량에서 실제 임무 탑재체에 배정할 수 있는 유효 탑재 중량은 그만큼 감소하게 된다.
 현재 한국은 2029년 달 궤도 통신선을 발사해 아르테미스 프로그램의 일환인 ‘루나넷(달 전용 통신·항법 시스템)’과의 연결을 시험할 예정이다. 이 사업에서 OTV는 탐사선을 주차궤도에서 달 전이궤도로 투입하는 임무를 담당한다.
 현재 국내 OTV의 기술 성숙도, 우주 실증 계획, 위험관리 및 임무 실패 대응 방안 등에 대한 내용은 매우 제한적이어서 그 실체를 파악하는 데는 한계가 있다. 그럼에도 여전히 OTV는 고체 부스터와 함께 발사체의 임무 유연성을 높이고 정밀수송 능력을 확대할 수 있는 핵심 우주 수송 기술로 평가받고 있다는 점에 주목할 필요가 있다.
 한국의 우주발사체 누리호는 고체 추진 부스터를 사용하지 않는 액체 추진 발사체로 1.5t급 실용위성을 고도 700㎞ 태양동기궤도에 투입할 수 있다. 현재의 발사 성능만으로 수백㎏급 달 착륙선을 LTO에 직접 투입하기에는 성능상 제약이 있는 셈이다. 실질적인 달 탐사 임무를 수행하려면 킥 스테이지 또는 OTV와 같은 궤도 전이 시스템이 필요하다. 또한 향후 탑재체 중량이 증가하거나 고난도 심우주 탐사를 할 때 현재 개발 중인 차세대발사체를 활용할 수 있으나 누리호의 추력 성능으로 이에 대응하는 방안도 있다.
 따라서 누리호의 심우주 탐사 능력 한계를 극복하려면 고체 추진 부스터는 현실적인 해결 방안의 하나가 될 수 있다. 다만 누리호는 설계 당시에 고체 추진 부스터 장착을 고려하지 않았으므로 단순히 부스터를 추가하는 것만으로는 추력 성능의 향상이 어렵다.
 고체 부스터 개발과 함께 기존 누리호 1단 동체 구조물의 하중과 진동 환경에 대한 정밀 분석을 수행해야 한다. 그 결과에 따라 필요한 경우에는 전면적인 재설계가 시행돼야 한다. 부스터의 결합 장치, 발사대 변경, 비행 제어 알고리즘 개선 등과 함께 충분한 검증이 수반돼야 할 것이다.
 킥 스테이지를 갖춘 누리호에 평균 추력 약 220t, 연소시간 약 105초급의 고체 부스터 2기를 장착한다고 가정하면 최대 800㎏ 탐사선을, 4기를 장착하면 1.8t 규모의 탐사선을 LTO에 투입 가능한 것으로 계산된다. 물론 이 값은 대략적인 추정치이며 정확한 탐사선 중량의 산출에는 더 정밀한 계산이 필요하다.
 한편, 우리 군은 자주국방을 위한 오랜 연구·개발을 통해 세계적 수준의 정밀타격 성능을 갖춘 미사일 체계를 확보했다. 특히 2021년 한·미 미사일 지침 종료 이후 국방과학연구소를 중심으로 고체 추진 우주발사체 ‘미르호’를 개발해 독자적인 소형위성 발사 능력을 확보하려 하고 있다.
 미르호에 대해 공개된 상세 정보가 부족해 발사체 성능이나 기술에 대한 평가는 어렵다. 하지만 이미 운용 중인 일본의 고체 발사체 ‘입실론’과 유럽 ‘베가’의 세장비(로켓의 지름 대비 길이 비율)가 ‘10’ 내외로 외관이 홀쭉한 형상인 데 비해, 미르호는 상대적으로 짧고 뚱뚱한 형상으로 보인다. 이런 외형적 특성으로 기술 수준을 판단할 수 없으나 발사체의 세장비가 다양한 설계 변수가 반영된 결과임을 고려할 필요가 있다. 향후 발사체의 설계 최적화와 충분한 비행 실증이 필요할 수도 있다.
 발사체는 화학에너지를 추력으로 변환하므로 상당한 압력 진동과 음향부하가 발생해 위성 부품에 손상을 줄 위험이 있다. 액체 추진 로켓은 오랜 기간 발사 환경의 특성이 축적돼 있어 위성 개발자들은 이를 기준으로 설계와 시험을 진행한다. 새로운 고체 추진 로켓의 발사 환경이 기존과 다르다면 발사 환경 변화에 따른 위성의 설계 검증이 당연히 필요하다. 만일 미르호 발사 환경이 기존의 값들과 차이가 있다면 부품 손상을 방지하기 위한 검증 노력이 필요할 것이다.
 그럼에도 고체 추진 발사체의 확보는 한국 우주발사체 기술의 저변을 확대하고 발사체 체계의 다양성을 확보한다는 측면에서 중요한 의미가 있다. 향후 구조적으로 보강된 누리호 개량형에 고체 부스터와 재점화가 가능한 OTV를 함께 적용한다면 큰 변화를 기대할 수 있을 것으로 보인다.
 지구 저궤도뿐 아니라 LTO와 같은 고에너지가 필요한 곳에서 임무를 수행할 수 있어 소형 달 궤도선이나 심우주 탐사선 발사 같은 독자적인 임무도 가능할 것이다. 다양한 궤도와 탑재체 요구에 대한 효과적 대응은 누리호의 활용성과 경쟁력 향상으로 이어져 지속적인 발사 수요 확보에도 기여할 수 있을 것이다.
 그런데 고체 발사체는 국방과학연구소, 액체 발사체는 한국항공우주연구원을 중심으로 개발됐다는 점을 들여다볼 필요가 있다. 기술 기반이 서로 달라 개발 성과를 연계하는 데 상당한 제약이 존재하며, 협력 체계도 아직 충분히 정착되지 않았다. 협력 체계가 원활히 작동하지 않을 경우 우주 핵심 기술 개발 과정에서 중복 투자와 개발 비효율이 발생할 가능성이 있다. 이는 국가 우주개발 역량과 산업 경쟁력 저하로 이어질 개연성이 매우 크다.
 따라서 한국의 우주개발 정책을 총괄하는 우주항공청을 중심으로 고체 추진 기술과 고체 부스터 활용을 위한 민·군 협력 로드맵을 수립하고, 이를 누리호 성능 향상과 차세대 우주수송체계 개발과 연계하는 방안을 적극적으로 검토할 필요가 있다. 이러한 접근은 우주 발사체 확보를 넘어 다양한 발사 수요와 우주 탐사에 유연하게 대응할 수 있는 국가 우주수송체계를 구축할 기반이 될 수 있을 것이다.
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 ▲필자 이창진 
 
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 1959년 인천에서 태어났다. 서울대 항공우주공학과에서 학사·석사를 마친 후 미국 일리노이주립대(UIUC)에서 박사 학위를 받았다. 건국대 교수로 재직하다 2023년 정년 퇴임한 뒤 명예교수직을 맡고 있다. 한국연구재단 우주단장으로 근무하며 KSLV-Ⅱ 한국형 우주발사체(누리호) 및 천리안 2호 정지궤도위성 개발 청사진을 마련했고, 한국형 달 탐사 연구와 제3차 우주개발진흥기본계획, 차세대 소형위성 개발 연구 등 국가 우주개발 사업의 기획을 주도했다. 현재 한국우주기술진흥협회 전문위원으로도 활동 중이다.
 </blockquote>
 이창진 건국대 명예교수
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