[누리호 우주로] ‘K-발사체’ 누리호, 발사 16분간의 시나리오

‘더미 위성’ 싣고 우주로…3단 분리가 성공 가른다

(사진제공=한국항공우주연구원)

‘K-발사체’ 누리호가 발사를 하루 앞두고 우주를 향해 우뚝 섰다. 내일 누리호 발사가 시작된 뒤 16분이면 성공 여부가 갈린다. 누리호는 어떤 발사체인지, 또 16분간의 시나리오는 어떤지 미리 알아봤다.

K-발사체 누리호는?…높이는 아파트 15층ㆍ무게는 남자 3000명 넘어

20일 과학기술정보통신부(과기정통부)와 한국항공우주연구원(항우연)에 따르면 누리호는 길이 47.2ｍ, 무게 약 200톤의 발사체다. 성인 남자(65㎏) 3077명과 맞먹는 무게에 높이도 아파트 15층 수준으로 높다. 탑재 중량은 1500㎏으로 앞선 나로호(100㎏)보다 15배나 늘어났다. 최대 직경도 3.5ｍ에 달한다.

누리호는 총 3단으로 구성됐다. 1단부는 추력이 75톤급 액체엔진 4기가 ‘클러스터링’으로 묶여 있고, 2단에는 마찬가지로 추력 75톤급 액체엔진 1기가, 나머지 3단에는 추력 7톤급 액체엔진이 각각 달렸다.

누리호가 투입될 궤도는 지구 저궤도로 분류되는 600~800㎞다. 1.5톤급 실용위성을 해당 고도에 투입하기 위해 만들어졌기 때문이지만, 이번 발사에는 실제 실용위성 대신 ‘더미(Dummy)’ 위성이 실린다. 스테인리스 알루미늄으로 만들어진 위성 모사체는 1.5톤으로 무게와 크기가 실제 실용위성과 같지만, 기능이 줄었다.

이날 과기정통부와 항우연은 누리호를 제2 발사대로 옮겨 우주를 향해 세우는 작업을 마무리했다. 이어 추진체와 전기를 공급하는 설비인 ‘엄빌리칼(umbilical·탯줄)’ 연결 작업을 진행했다. 로켓에 연료와 산화제, 전기를 공급하는 엄빌리칼 타워와 누리호를 연결하고, ‘기밀시험’을 진행해 연료와 산화제 충전 과정에서 문제가 생길 가능성이 있는지를 점검한다.

발사 시나리오…관건은 단 분리

발사 예정 당일인 21일에는 마무리 작업이 시작된다. 발사 시각은 오후 4시가 유력하지만 과기정통부는 발사 당일 기상 상황과 우주 궤도를 돌고 있는 우주물체와의 충돌 가능성, 발사체 상태 등을 고려해 예정 시각 1시간 30분 전에 정확한 발사 시도 시각을 정할 계획이라고 밝혔다.

발사를 앞둔 오전에는 연료와 전기 계통을 중심으로 전 부분에 대한 종합 점검을 진행한다. 이어 발사 약 4시간 전부터 엄빌리컬 타워를 통해 누리호에 연료와 산화제를 주입하게 된다. 발사 50분 전까지 연료탱크를 채운 뒤, 발사 10분 전까지는 로켓 기립 상태와 기상 상황, 부품 상태를 다시 확인한다. 이상이 없으면 발사체 기립 장치를 철수한다.

발사 10분 전부터는 발사자동운용(PLO)이 시작된다. 발사자동운용이 시작되면 누리호 발사 작업은 이륙 직전까지 발사관제시스템에 의해 100% 자동으로 이뤄지게 된다. 발사체가 발사 준비를 끝내고 나면 카운트다운이 시작된다. 카운트다운이 끝나갈 때쯤 로켓 1단부 엔진에 차례로 불이 붙는다. 이어 추력이 300톤에 달하면 누리호를 잡고 있던 지상고정장치가 해제되고, 누리호는 이륙하게 된다.

누리호는 수직 방향으로 이륙해 포물선 궤적을 그리며 700㎞ 고도까지 날아오른다. 제주도와 일본 후쿠에지마에서 각각 약 100㎞ 떨어진 곳을 지난다.

이때 관건은 단 분리다. 누리호는 발사 이후 1·2·3단 로켓을 차례로 벗어던진다. 먼저 이륙 이후 127초가 지난 뒤 고도 59㎞에서 1단을 분리한다. 이어 233초 후에는 고도 191㎞에서 페어링(덮개)을 분리한다. 이때 페어링이 제대로 분리돼야 더미 위성이 목표한 궤도에 제대로 안착할 수 있다.

이어 발사 후 247초가 지나 고도 258㎞에서 2단을 떼어내고, 967초가 지나 최종 고도인 700㎞에서 더미 위성과 3단부를 분리한다. 더미 위성이 제 궤도에 제대로 안착하게 되면 누리호의 임무도 끝난다.

발사 성공엔 16분 걸리지만 지상에선 30여분?

다만 단 분리 과정에서 비정상 작동 요인이 발생하는 일이 발생할 수도 있다. 이륙 과정에서 폭발이 발생하거나 로켓의 비행 궤도가 이탈하는 상황도 생길 수 있다. 그럴 경우를 대비해 발사체종단시스템(FTS)을 마련, 누리호를 공중에서 폭파한다. 추락 과정에서 발생할 재산·인명 피해를 막기 위해서다.

항우연은 누리호가 우주 상공으로 날아가는 동안 항우연은 누리호의 비행 궤적과 위치 등을 실시간으로 파악하고 제어할 수 있다고 설명한다. 누리호를 추적하기 위해 나로우주센터와 제주도에 추적 레이더와 텔레메트리(원격자료수신장비) 안테나를, 서태평양 팔라우 추적소에 텔레메트리 안테나를 설치했기 때문이다. 이를 통해 제주도에서 1·2단 분리 추적을, 팔라우에서 3단 분리 추적을 각각 진행할 수 있다.

누리호 1차 발사 성공 여부가 16분 안에 판가름나지만, 지상에서는 이를 30여 분 이후에나 알 수 있다. 각 추적소 연구진이 목표 궤도에 더미 위성이 제대로 자리 잡았는지를 분석하는 데 이만큼의 시간이 걸리기 때문이다. 하지만 성공 여부와 관계없이 2차 발사도 예정돼 있다. 2차 발사 잠정 예정일은 2022년 5월 중순께로 알려졌다.