우주발사체 기술

 

우주발사체기술

 

                                     [우주개발홍보동영상-항우연]

 

▣ 우주발사체 체계개발 연구

한국항공우주연구원 우주발사체사업단에 소속된 우주발사체 체계실에서는 우주발사체 개발사업의 괄적인 체계개발 및 관리 연구를 수행하고 있다. 국내 최초의 액체로켓 시스템인 KSR-Ⅲ의 개발 경험을 바탕으로 국내 기술역량을 총집결하여 우주발사체 시스템에 필수적으로 요구되는 높은 신뢰도의 시스템 설계 및 개발 능력을 갖추는 한편, 발사체 시스템 개발사업의 참여인력, 비용, 일정 및 위험도 관리체계를 수립, 시행하고 있다.

우주발사체 체계개발 연구의 주요 내용으로는 발사체 핵심기술 조기 확보를 위한 국제협력을 포함한 개발사업 경영 및 관리, 발사체 시스템 설계, 전문 분야 간 조정/관리, 시험 및 평가 관리, 기계체계/전기체계/지상체계 통합 및 발사 시험운용 등을 들 수 있다.

우주발사체 체계개발 연구를 효율적으로 수행하기 위한 세부업무로는 체계개발 계획 수립, 체계기술관리계획 SEMP : System Engineering Management Plan)수립 및 시행, 일정 및 진도관리, 작업분류체계(WBS : Work Breakdown Structure) 개발 및 관리, 자료관리, 형상관리, 인터페이스 관리, 위험도 및 신뢰성 관리, 규격 체계 개발 및 관리, 시험평가계획 수립 및 관리 등이 있으며, 통합 사업관리를 위하여 PLM(Program Life-cycle Management)시스템을 구축하여 운용하고 있다. 또한 고도의 기술적 도약이 요구되는 발사체 개발사업에 있어서 체계개발 기간을 단축하고 높은 신뢰도를 갖는 시스템을 확보하기 위한 국제협력 사업관리, 지상시스템 및 발사통제시스템 설계, 국제협력을 통한 체계 설계, 제작, 시험/평가, 조립, 이송, 유지/보수, 발사 시험 운용 등 우주발사체 체계개발 전 과정에 필요한 운용개념을 확립,수행하고 있다.

 

 

▣ 우주발사체 구조 연구

 

구조 분야의 연구는 발사체 구조물의 설계, 해석, 시험평가와 함께 항공우주용 재료 응용연구를 수행하고 있다. 주요 연구 분야는 노즈페어링, 탑재부, 단분리부, 추진제 탱크, 압력탱크, 핀, 동체, 연결부등의 발사체 구조 부품과 단 및 위성 분리기구의 설계와 구조시험, 노즈페어링 및 단 분리시험, 음향/진동/충격 시험, 비파괴 검사, 그리고 소재평가 기술이 있다.

비행체 부품의 경량화 및 신뢰도 향상을 위해 비강성과 비강도가 높은 금속재 및 복합재료를 응용한 발사체 구조 개발과 고속 비행체 재료의 고온 응용기술 개발도 수행하고 있다. 특히 과학로켓 개발에서 획득한 구조설계, 제작 공정, 시험 등의 핵심기술을 바탕으로 위성 발사체 구조 및 재료의 국내 기술 개발에 주력하고 있다.

▣ 우주발사체 전자탑재시스템 연구

전자분야의 연구는 3단형 과학로켓개발사업(KSR-Ⅲ)의 전자탑재시스템 연구개발 업무를 성공적으로 수행하였으며 현재는 우주발사체(KSLV)의 전력시스템, 원격측정시스템, 비행종단시스템, 추적시스템, 영상시스템, 파이로 구동장치, 데이터 처리용 지상지원장비 개발 업무를 수행하고 있다. 전자탑재시스템 개발은 시스템의 각 부분품에 대한 개념 설계,상세설계 단계로부터 엔지니어링모델(EM) 제작 후 품질인증 시험(QT)-진동, 진공, 열주기, 충격, 전자파-을 거치고 비행모델(FM)제작과 수락시험(AT)을 수행하여 단품레벨의 성능을 검증한다.

이후 시스템 레벨에서의 성능검증을 위하여 엔지니어링 모델 및 비행모델에 대한 조립, 기능시험, 환경시험을 수행하고 발사체 타 시스템과의 전기적연계시험, 지상국과의 전파 연계시험을 통하여 개발을 완료한다. 전력공급부는 발사체에 탑재되는 모든 전기적 부하에 안정된 전력을 분배하며 원격측정부는 발사체의 성능 및 환경데이터를 원격측정데이터로 취득한 후 지상으로 송신하며 추적부는 비행중인 발사체를 실시간 추적하여 정확한 위치를 파악하기 위해 사용된다.

또한 비행종단부는 비상시 발사체의 비행을 종단하기 위한 기능을 수행하며 영상자료취득부는 탑재된 카메라로 발사체의 비행상태 및 주요 이벤트를 감시한다

전자그룹은 1단형 과학로켓(KSR-Ⅰ) 및 2단형 중형과학로켓(KSR-Ⅱ) 그리고 3단형 과학로켓(KSR-Ⅲ) 개발사업을 통해 확보된 기술력을 바탕으로 높은 신뢰도가 요구되는 우주발사체(KSLV)전자탑재시스템의 설계 및 개발을 순수 국내 기술로 수행하고 있다.

 

 

▣ 우주발사체 제어시스템 연구

제어 분야의 연구는 국산 발사체에 사용될 유도제어 시스템용 하드웨어 및 소프트웨어 등을 개발하고 시험하는 업무를 수행하고 있다. 주요 연구 분야로는 추력벡터제어 구동장치 시스템 개발, 추력기 자세 제어 시스템 개발, GPS 수신기 시스템 개발 연구가 있다.

추력벡터제어 구동장치 시스템 분야에서는 로켓 엔진 추력의 방향을 조절하여 발사체의 자세 및 궤적제어를 수행하는 추력벡터제어용 구동장치 시스템을 적용 발사체 요구조건에 적합한 전기-유압식 또는 전기-기계식 형상으로의 개발을 수행하고 있다. 아울러 개발한 구동장치 시스템의 지상 운용 및 검증을 위한 지상지원장비 및 시험/평가 장비도 개발하여 운용하고 있다.

추력기 자세제어 시스템 분야에서는 일정한 압력의 질소가스를 분출하여 생기는 반발력을 이용하여 발사체의 자세 및 궤적제어를 수행하는 냉가스 추력기 자세제어 시스템으로 1단 분리 이후부터 상단 점화전까지의 무추력 구간의 3축 자세제어, 킥모터 연소구간에서 롤 축 자세제어, 연소 종료 이후부터 위성분리까지 3축 자세제어 및 위성 분리 이후 위성과의 충돌을 회피하기 위한 3축 자세제어를 수행한다.

추력기 자세제어 시스템의 충전을 위한 지상충전장비 및 검증을 위한 시험 장비도 개발하여 운용하고 있다. GPS 수신기 시스템 분야에서는 발사체의 정밀한 위치측정을 위한 위성 발사체 탑재용 GPS 수신기 및 GPS 안테나의 개발이 진행되고 있으며, GPS/INS 통합을 이용한 항법성능 향상에 대한 연구를 수행하고 있다.

 

 

 

▣ 추진기관 체계 연구

추진기관 체계 분야의 연구는 우주발사체 추진기관시스템 설계, 체계종합, 시험평가 및 시험, 발사장 구축지원 등을 수행하고 있다. 추진기관 시스템 설계 분야에서는 우주발사체 성능 향상을 위한 최적설계를 위하여 추진기관 시스템 설계와 분석, 설계종합과 운영계획을 연구하고 있으며, 체계관리 분야는 추진 기관의 형상관리와 중량관리 및 총조립, 인터페이스관리를 통해서 체계적인 추진기관 개발을 위해서 노력하고 있다.

시험평가 및 시험분야에서는 신뢰성 및 안전성 확보와 시험검증기법과 관련된 연구를 수행하고 있으며, 추진기관시스템의종합성능시험을 통한 위성발사체용 추진기관시스템 평가기술 확보에 주력하고 있다. 특히 KSLV-Ⅰ2단 추진기관의 고공환경을 모사하기위한 시험설비를 구축 중에 있으며, 또 한 액체추진기관이 종합적인 성능검증을 위한 종합시험설비 구축을 계획하고 있다. 이 설비에서는 공급계, 엔진 및 추진기관시스템의 종합 성능 인증, 단인증시험이 이루어질 예정이다.

▣ 추진제어 연구

추진제어 분야의 연구는 우주발사체(KSLV-Ⅰ) 2단 추진기관인 고체 추진제 킥모터(KM, Kick Moter)와 우주발사체액체추진기관의 추진제 공급계통, 그리고 우주발사체의 상단자세제어를 위한 추력기 시스템의 연구개발에 주력하고 있다.

킥모터는 300km 고도에서 작동하여 위성을 원하는 궤도에 투입하게 된다. 이를 위해 지상연소시험 및 고공모사 연소시험을 수행하여 추진제의 내탄도 성능, 킥모터의 구조 및 내열 성능과 초기 점화 특성을 검증 하고 있다.

액체추진 기관 추진제 공급계통 개발을 위해서는 KSL V-Ⅱ에 구성되는 구성품 및 부시스템의 국산화 개발을 위한 연구를 현재 수행하고 있다.

특히 추력제어시스템, 가압시스템, 극저온 추진제 공급시스템, 그리고 액체로켓엔진 고체시동기의 국산화 개발에 주력하고 있다. 또한 우주발사체 상단 자세제어를 위한 고추력 하이드라진 추력기 시스템의 개발을 위하여 설계 및 운용에 관한 핵심기술 확보를 위한 선행연구를 추진하고 있다.

▣ 터보펌프 연구

터보펌프 분야의 연구는 우주발사체에 필요한 터보펌프 연구를 수행해 오고 있으며, 관련된 성능시험설비를 운용하여시험을 수행하는 한편 국내의 인프라 구축과 성공적인 개발을 위하여 관련 업계 및 학계와 긴밀히 협력해 나가고 있다.

한국항공우주연구원에서 개발 추진 중인 액체추진로켓(KSLV)는 KSR-Ⅲ와는 달리 연소실에 고압으로 연료와 산화제를 공급해주는 터보펌프를 필요로 한다. 터보펌프는 개발 난이도가 매우 높은 액체로켓엔진의 핵심부품으로서 동력원(산화제 및 연료)을 공급해주는 그 역할로 볼 때 ‘발사체의 심장’이라 할 수 있다.

터보펌프에 소요되는 기술 분야는 시스템 설계, 펌프수력 및 터빈공력 설계, 전산유동해석, 열구조 /진동 설계 및 해석, 베어링/실 설계 및 해석 그리고 이들의 성능 검증을 위한 열유체 성능시험 등이다.

▣ 엔진 연구

엔진 분야의 연구는 우주발사체의 핵심부품인 액체추진제 로켓엔진의 개발을 위해 엔진시스템을 설계하고, 해석과 시험을 통한 성능 예측 및 검증을 수행하고 있다. 또한 최고의 성능을 낼 수 있는 엔진개발을 위해 엔진을 구성하는 연소기, 가스발생기, 터보펌프 및 추진제 공급계 시스템의 설계 요구조건을 제시하고, 이들의 구성 및 조립 공정에 필요한 핵심기반기술 연구를 수행하고 있다.

수치해석과 연계시험 및 연소시험을 종합하여 엔진 성능 해석 및 검증을 통한 신뢰도 확보를 담당하고 있으며, 해외 업체와의 기술협력 및 자체 기술개발도 활발히 진행하여 KSLV 사업에 사용될 최고의 성능을 발휘할 수 있는 엔진을 효율적으로 신속히 개발할 수 있는 방안에 대한 연구를 수행 중이다.

▣ 열/공력 연구

위성발사체는 발사장에서의 준비과정을 거쳐 발사대를 출발하면 곧 초음속/극초음속으로 대기권 및 우주를 비행하며단 분리 및 페어링 분리과정을 통해 위성을 궤도에 투입한다. 따라서 위성발사체의 설계를 위해서는 극초음속까지의 전 비행속도 영역에 대한 공기열역학적 분석이 필요하며 또한 비행 중 발생하는 다양한 외부 및 내부열원으로부터의 열전달을 제어하고 발사체를 보호하는 열방어 설계가 필요하다.

열/공력그룹은 이러한 발사체의 열 및 공력관련 개발업무를 그룹의 고유 업무분야로 하는데 주요 연구 분야로는 발사체외형설계 및 공력분석, 열환경 모델링 및 분석, 열방어 설계 및 단열, 그리고 탑재부 열청정 환경제어 시스템 개발 등이 있다. 발사체 외형설계는 공력특성 제어성, 임무, 궤도 및 중량 등을 종합적으로 고려하여 이루어지고 있으며 공력분석을 위해 전산유동해석을 수행하고 주요 설계에 대해서는 국내외의 시험기관에서 풍동시험을 수행하여 설계결과를 검증하고 있다.

발사체 열환경 예측 및 제어를 위해서는 공력가열 분석, 지상 및 비행시의 발사체 열모델링, 그리고 열전달 분석을 수행하고 이를 토대로 발사체 열방어 설계 및 단열을 실시하고 있다. 또한 노즈 페어링 내부 환경이 탑재체가 요구하는 온도, 습도, 청정도를 유지할 수 있도록 탑재부 열청정 환경제어 시스템을 개발하고 있다.

▣ 임무설계 연구

임무설계 분야의 연구는 발사체의 임무수행에 필요한 비행 역학 분야의 설계/분석과 임무 제어용 하드웨어/소프트웨어 개발 업무를 담당하고 있다. 주요 업무로는 임무 분석, 궤도 분산 분석, 유도 알고 리즘 설계, 발사체 제어시스템 설계, 관성항법유도시스템(INS)개발, 비행 소프트웨어 개발 및 시험, 실시간 모의시험(HILS), 비행안전 분석 및 운용 등이 있다.

발사체 시스템의 임무 분석 분야는 발사체 설계 초기단계부터 참여하여 발사체의 개념, 스테이징 유도 알고리듬 설계 등을 수행하고 비행 궤적 분석을 통하여 발사체가 요구 목표 궤도에 위성을 투입할 수 있는지 확인한다.

비행안전 분야는 발사체의 비행에 의한 위험도를 사전에 분석하여 예상 위험도가 낮은 방향으로 비행궤적을 설계하고 비행 중에는 발사체의 비정상비행 여부의 판단 및 비행종단시스템 동작 관련 업무를 담당하고 있다. 자세제어설계 분야는 발사체 제어시스템의 제어 성능 분석과 제어 알고리듬 설계를 수행하고 최종 비행 안정성 평가를 위해 실시간 모의시험을 수행한다.

관성항법유도시스템 분야는 발사체에서 요구되는 성능 및 비행환경 조건을 만족하는 관성항법유도장치의 개발 및 설계를 하고 관성센서 변수들을 식별하기 위하여 시스템 레벨 교정, 검증 시험, 항법 성능시험 등을 수행하고 있다.

[한국항공우주연구원]