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발사체 포커스

인공위성 보호하는 발사체 덮개의 비밀

  • 이름 : 관리자
  • 작성일 : 2018-09-11
  • 조회수 : 48

우주발사체는 인공위성이나 우주탐사선 등을 우주로 실어 보내는 운송수단입니다. 우주로 화물이나 사람을 실어 보낼 수 있는 유일한 수단이죠. 그런데 우주발사체를 보면 이런 탑재물은 보이지 않고 기다란 원통과 하단의 로켓엔진만 보입니다. 인공위성이나 우주선은 도대체 어디에 있는 걸까요? 우주발사체를 발사할 때 엄청난 충격으로부터 안전할까요?

너무 걱정할 필요 없습니다. 인공위성이나 우주선과 같은 탑재물은 우주발사체 맨 상단의 페이로드 페어링(payload fairing)에 실려 안전하게 우주로 보내지게 되니까요. 보통 페어링이라고 불리는 발사체 상단의 이 부위는 인공위성 등을 보호하는 일종의 덮개인데요. 두 개의 페어링을 조립하면 마치 사인펜 뚜껑처럼 인공위성을 덮을 수 있습니다.


지난 3월 실시된 한국형발사체 개발모델(DM) 페어링 분리 시험 장면. 가운데 인공위성 대신 같은 크 기의 Mock-up을 설치하고 시험했다.


지상 환경과 발사 시 탑재물 보호

페어링은 우선 비, 습기, 햇빛, 소금기, 먼지 등의 지상 환경으로부터 탑재물을 보호하는 역할을 합니다. 로켓엔진을 점화하고 우주발사체가 날아오르면 공기의 마찰로 인해 발생하는 열과 압력과 같은 공력 하중으로부터 탑재물을 보호하게 되죠. 만약 페어링 없이 그대로 노출된 채 발사하게 된다면 인공위성과 상단 구조체에 이러한 하중이 그대로 전달되겠죠.

탑재물을 안전하게 보호하는 것도 페어링의 역할이지만, 탑재물을 정해진 궤도로 보낼 수 있도록 하는 것도 페어링의 또 다른 역할입니다. 다시 말해 정확한 타이밍과 고도에 맞춰 떨어지도록 하는 기술도 중요한데요. 바로 페어링 분리입니다. 제때, 혹은 제대로 페어링 분리가 이루어지지 않으면 인공위성을 발사체로부터 분리시켜 임무 궤도로 보낼 수 없습니다. 발사 실패가 되는 거죠.

한국형발사체의 경우 1단이 연소를 마치고 분리된 후 2단이 점화되어 비행 중 페어링 분리가 이루어집니다. 페어링은 똑같은 크기와 모양을 반반으로 만들어 두 개를 체결하는 방식으로 제작하는데요. 접합부에 화약을 장착시켰다가 정확한 시점에 터뜨려 체결을 해제시킵니다. 화약을 사용하는 것은 가장 적은 양으로 가장 큰 힘을 발휘할 수 있기 때문인데요. 최근 스페이스X의 팰컨 헤비처럼 회수해서 재활용하는 발사체의 경우 화약 대신 헬륨 가스로 압축 공기를 발생시켜 밀어내는 방식을 사용하기도 합니다.

한국형발사체 페어링 분리 장면 CG.



한국형발사체 페어링 커졌지만 무게는 줄어

그냥 덮개라고 생각하면 큰 오산입니다. 화약량을 정확하게 계산하는 것도, 동시에 화약을 터뜨려 체결 부위를 해제하도록 전자장치를 만드는 것도 모두 고도의 정밀성이 필요합니다. 기억하시죠? 지난 2009년 8월 나로호 1차 발사에 실패하는데요. 당시 인공위성 덮개인 페어링 하나가 정상적으로 분리되지 않아 탑재 위성을 목표 궤도에 진입시키지 못했습니다. 우리나라뿐 아니라 페어링 분리 문제는 우주발사체 발사 실패의 주요 원인 중의 하나인데요. 실제 1,2단 로켓 및 페어링 분리 메커니즘이 전체 실패 원인의 12~13%를 차지합니다.


한국형발사체에 사용될 페어링은 순수 국내 기술로 제작되고 있는데요. 현재 개발모델(DM) 제작을 완료하고 두 차례 분리 시험을 완료했습니다. 2017년 12월에 이어 지난 3월 진행한 페어링 분리 시험도 별다른 문제점 없이 성공적으로 마쳤는데요. 한국항공우주연구원은 나로호 때부터 독자 기술로 개발해 페어링 제작에서는 상당한 노하우를 보유하고 있습니다.

나로호 페어링은 지름 2m, 높이 4m의 크기였던데 반해 한국형발사체 페어링은 지름 2.6m에 높이는 7m에 달합니다. 하지만 무게는 약 650kg으로 나로호 페어링(660kg)보다 가벼워졌죠. 또 나로호 때는 분리 시험을 무려 10회 이상 했는데요. 하지만 한국형발사체는 미흡한 부분을 보완해 앞으로 두 번 정도만 더 해도 신뢰성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 보입니다. 그만큼 페어링 구조체와 분리 시스템 등의 기술 수준이 높아진 겁니다.



한국형발사체 DM 페어링 분리 시험에서 페어링이 펼쳐질 때 위에서 바라본 모습.




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