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발사체 포커스

“우리 잘 헤어지자” 로켓도 이별을 한다?

  • 이름 : 관리자
  • 작성일 : 2018-08-09
  • 조회수 : 305


로켓도 이별을 합니다. 어떻게 만나느냐 못지않게 어떻게 헤어지느냐도 중요하다고 하죠? 우주발사체도 마찬가지입니다. 잘 헤어져야 임무를 성공적으로 수행할 수 있습니다. 다단형 우주발사체에 숨겨진 단 분리의 기술을 만나볼까요?

우주발사체는 보통 3단 안팎의 다단으로 만들어집니다. 지상에서 하나로 결합되어 발사된 우주발사체는 일정 고도에 올라가면 한 단씩 분리합니다. 더 크고 힘이 좋은 로켓 엔진으로 올라간 뒤 연소가 끝나면 버리고, 다음 로켓 엔진으로 더 높은 우주로 올라간 뒤 또 연소를 마치면 버리는 방식이죠. 연소를 마치면 추진제 탱크가 더 이상 필요 없기 때문입니다.

이때 발사체 상단과 하단이 잘 떨어지게 하는 것이 바로 단 분리 기술입니다. 붙였다 떼는 게 뭐 그리 어렵냐고요? 우주에서, 직접 사람이 조종하는 게 아니라, 고속으로 비행 중인 상태에서 그렇게 큰 구조물을 분리하는 것은 말처럼 쉽지 않습니다. 속도와 각도, 시간 등을 정확하게 계산하고 설정해야 합니다.




한국형발사체 1, 2단 분리 CG.




*하단 로켓 연소 끝-분리-상단 로켓 점화

한국형발사체는 3단으로 구성됩니다. 한국형발사체의 단 분리는 다음과 같은 순서로 진행됩니다. 우선 발사대를 박차고 올라간 발사체는 지상에서 약 60km 고도까지 올라갑니다. 1단 로켓의 연소가 끝나는 지점이죠. 1단 로켓이 꺼지면 1단 발사체가 분리되어 추락합니다. 분리 몇 초 후 2단 로켓이 점화됩니다.

1단과 헤어진 2, 3단 발사체는 2단 로켓의 힘으로 250km 고도까지 올라갑니다. 여기서 2단 로켓도 연소가 끝납니다. 그러면 2단 발사체가 분리되어 추락하고 이번에는 3단 로켓이 점화됩니다. 하단 로켓의 연소가 끝나고, 분리하고, 이어 상단 로켓의 점화가 한 치의 오차도 없이 순차적으로 진행됩니다.

지상에서 발사해 탑재한 인공위성을 분리할 때까지 총 700초 정도가 소요되는데요. 이 과정에서 1단과 2단은 60km, 2단과 3단은 약 250km 고도에서 분리가 이루어집니다. 가장 중요한 요소는 분리한 하단이 비행하고 있는 상단과 부딪히지 않도록 하는 것입니다. 분리할 때 각도가 조금만 틀어져도 잘못하면 상단 로켓과 닿게 되는데요. 이럴 경우 상단 로켓 엔진이 작동하지 않거나 발사체 각도가 틀어질 수도 있습니다.




한국형발사체 1단과 2단의 이별 장면 CG



*하단 분리 후 상단과 부딪히지 않아야

그냥 떨어뜨려 놓는다고 하단 발사체가 안전하게 분리되는 것은 아닙니다. 로켓 엔진이 꺼져도 비행 속도와 힘이 남아 있어 비행을 계속하기 때문입니다. 더구나 완전히 분리되기 전까지는 상단 로켓 엔진이 점화되지 않기 때문에 떨어지기만 했지 같이 날아가려고 합니다. 쉽게 헤어지기가 싫은 거죠. 아쉬움이 남아도 헤어질 때는 과감하게 떨어져야 합니다. 우주 발사체는 특히 그렇습니다. 그래서 분리된 하단 발사체에서 역추진 모터를 발생시켜 상단과 강제적으로 멀어지게 합니다.

이렇게 분리된 하단 발사체에 역추진 힘을 가하는 방법은 두 가지입니다. 앞서 소개한 역추진모터를 사용하는 방법이 하나 있는데요. 한국형발사체도 이 방법을 적용합니다. 다른 하나는 스프링 방식입니다. 스프링의 힘으로 분리된 하단 발사체를 밀어주는 겁니다.
결합되어 있는 발사체 각 단을 떨어뜨리는 순간에도 정교한 기술이 필요한데요. 한국형발사체의 각 단은 8개의 볼트로 체결되어 있습니다. 각 볼트에는 화약이 장착되어 있고요. 분리 시퀀스가 작동하면 전류를 통해 화약이 폭발하면서 볼트가 끊어집니다.

발사체의 비행이나 상단에는 영향을 주지 않고 정확하게 볼트만 끊어줄 정도의 화약량을 계산하고 8개의 볼트가 동시에 끊어지게 하는 것이 기술입니다. 정확한 단 분리를 위해 연구진은 수없이 컴퓨터 시뮬레이션을 반복하고요. 발사체 연결 부위만 별도로 제작해 크레인에 걸어 실제 화약을 터뜨려 분리하는 지상시험도 거치게 됩니다.




한국형발사체 2단과 3단의 분리 장면 CG




*우주발사체, 잘 만나고 잘 헤어져야

방법은 조금씩 달라도 우주 발사체는 임무 수행을 위해 모두 이런 분리 과정을 거치게 됩니다. 대부분 우주 발사체가 효율을 높이기 위해 다단형(Multi-stage Rocket)으로 이루어져 있기 때문인데요.

우주 발사체 몸체 대부분은 연료와 산화제를 담는 추진제 탱크입니다. 연료와 산화제를 연소하며 우주로 올라가게 되는데 다 쓴 탱크를 계속 매달고 가는 것은 매우 비효율적입니다. 연료와 산화제를 모두 사용한 빈 추진제 탱크를 버리면 고도가 높아질수록 발사체 무게가 가벼워져 추진력이 약해져도 더 멀리, 빨리 날아갈 수 있습니다. 만약 발사체가 한 단으로 이루어져 있다면 빈 연료통을 계속 매달고 목표 고도까지 가야겠죠?


효율을 높이기 위해 여러 단으로 만들지만, 그렇다고 무조건 단을 늘릴 수는 없습니다. 그만큼 단 분리 시퀀스도 늘어나야 하는데 정밀한 공학적 제어가 필요한 만큼 불필요한 위험요소도 증가하게 되죠. 그래서 보통은 3~4단 정도를 주로 사용하고요. 더 크고 무거운 탑재체를 실어 보낼 경우 1단 발사체 외부에 별도의 부스터를 장착하기도 합니다.

우주발사체는 이처럼 여러 단을 하나로 결합하는 것도 중요하지만, 발사 후 다시 단별로 분리하는 것도 중요합니다. 잘 만나고 잘 헤어지는 것, 우주발사체가 성공적인 임무 수행을 위해 갖추어야 할 핵심 요소입니다.


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