우리나라 로켓의 역사

 

우리나라 로켓의 역사

I. 고대 로켓

i. 신기전

 

한국에서 로켓을 처음으로 만든 사람은 고려 말기인 1377년(우왕 3) 화약무기연구소인화통도감을 왕에게 건의하여 세우고 그 곳에서 화약을 비롯한 18가지의 갖가지 화약무기를 연구하여 제작한 발명가 최무선이다. 그가 만들었던 18가지의 무기 중에 《달리는 불》이라는 뜻을 가진 주화(走火)가 있었는데, 한국 최초의 로켓으로서 이것은 지금의 로켓과 같은 얼개, 같은 동작 원리를 갖추고 있다. 주화는 1448년(세종 30) 이전에 불린 이름이고, 그 이후에는 《신기전(神機箭)》으로 불렸다. 《병기도설》에는 신기전을 대·산화·중·소 신기전의 4종류로 나누어 그 크기와 구조를 자세히 설명하였다. 대신기전의 약통(추진제통)은 종이로 만들었는데, 그 길이가 2척(尺) 2촌(寸) 2분(分) 5리(釐)로 미터법으로 환산하면 69.5cm이다. 겉둘레는 9촌 6분(9.55cm)이다. 약통의 양끝은 종이로 붙이고 그 위를 끈으로 묶었다. 그리고 통의 아래 바닥의 중앙에는 지름 1촌 2분(3.75cm) 크기의 구멍, 즉 분사구멍(노즐)이 뚫려 있다. 약통은 길이 17척(531.08cm), 윗지름 1cm, 아래지름 2.95cm의 쇠촉이 부착되지 않은 대나무의 위 끝부분에 묶어 놓았고, 아래 끝부분에는 깃(안정날개)을 달았다. 발화통까지 포함된 대신기전의 전체길이는 약 5.6m가 되는 대형 로켓이다.

 

대신기전은 주로 압록강 하구의 의주성에서 압록강 건너에 있는 이민족을 공격하기 위해 사용된 것으로 보아 사정거리는 1.5~2km로 추측된다. 대신기전을 응용하여 《불을 흩어 놓은 신기전》이라는 뜻을 가진《산화신기전(散火神機箭)》도 만들었는데, 전체적인 크기는 대신기전과 같다. 중신기전은 대나무를 이용한 길이 4촌 5분(14.06cm)의 화살 앞부분에 길이 6촌 4분(20cm)의 약통을 달고 있는 형태이다. 맨 앞에는 무게 2전(약 5.5g)의 화살촉을 달았고, 맨 끝에는 폭 5분 3리(1.7cm) 길이 5촌 7분(17.8cm)의 새깃으로 만든 날개를 달고 있다. 약통의 밑에 뚫려 있는 분사구멍의 지름은 2분 3리(7.2mm)이다. 약통의 윗부분에는 소발화라는 소형 폭탄이 장치되어 있다. 사정거리는 150~200m이다. 소신기전은 신기전 중에서 가장 작다. 길이 100cm의 대나무를 안정막대로 사용하였다. 맨 앞에는 중신기전과 같이 쇠촉을 달았고 촉에서 조금 뒤로 떨어진 부분에 지름 2cm, 길이 15cm의 약통을 달았다. 맨 아래에는 새깃을 달았다. 약통에 뚫려 있는 분사구멍의 크기는 1분 3리(4mm)이다. 사정거리는 200m 내외로 보인다. 이동식 로켓 발사대인 화차의 크기는 길이가 2.3m, 폭이 2.1m, 차체의 높이가 1m이며, 차체 위에 조립되는 신기전 발사틀은 높이 73m, 폭이 1.2m, 두께가 28cm이며, 지름 4.7cm 구멍 100개가 뚫려 있어 이 곳에 중·소신기전 100발을 꽂아 동시에 발사할 수 있다. 화차는 모두 나무로 제작되었으며, 발사각도는 0~43°까지 조정하여 신기전의 사정거리를 조정할 수 있도록 설계되었다.

ii. 문종화차

문종화차는 1451년(문종 1) 처음 제작된 후 그 한 해에 총 700여 대가 제작되어 전국의 주요 해안 및 성문에 배치되어 사용되었으며, 평상시에는 일반 수레로 사용되기도 하였다. 1993년 대전 엑스포 때 채연석(蔡連錫)의 연구에 의해 밝혀졌으며, 복원된 우리의 옛 로켓인 신기전과 화차는 같은 해 4월 대전 연구단지의 갑천(甲川) 고수부지에서 발사 실험에 성공하였다.

II. 현대식 로켓

i. 로켓 556호

한국 최초의 현대식 로켓은 국방과학기술연구소에서 1958년 로켓을 연구할 조직을 만들고 국내 공과대학 교수 및 전문가들의 도움을 받아 개발하여 수차례의 지상연소시험과 시험발사를 거쳐 1959년 7월 인천 고잔동(古棧洞) 해안에서 1단·2단·3단 로켓의 발사에 성공하였다. 556호로 이름 붙여진 3단 로켓의 크기는 길이 3.17m, 지름 16.7cm로 최대고도 4.2km까지 상승하여 81km까지 비행하였다. 67호로 이름 붙여진 2단 로켓의 크기는 길이 4.65m, 지름 22.9cm로 최대고도 9.5km까지 상승하여 26 km까지 비행하였다. 계속되던 로켓의 연구개발은 1961년 연구소의 해체로 중단되었다.

ii. 로켓 IITO-1A

인하대학의 최초 로켓인 IITO-1A가 1960년 11월 15일 완성되었고, 4일 후에는 IITO-2A가 완성되어 1960년 11월 19일 오후 3시 50분 인천 송도 앞바다에서 시험 발사되었다. 첫번째 로켓 IITO-1A는 길이 2.2m, 직경 15cm, 무게 54kg, 추력 2,177kg이며 예상된 최대 비행고도는 10km였다. IITO-2A는 길이 1.7m, 지름 15cm, 무게 18kg, 추력 1,769kg, 연소시간 1.2초로서 67°의 발사각으로 발사하여 예상되는 최대 도달고도는 9km였지만 초기비행 중에 안정날개와 탑재부의 분해로 완전한 비행은 하지 못했다. 1962년 4월에는 인하우주과학연구회를 발족하고 이어 소형 실험용 로켓을 설계하고 제작에 착수하여 이 해 9월 송도에서 4대의 로켓을 시험하였다. 10월에도 이곳에서 2대의 로켓을 더 발사했다. 1964년 5월, 인하우주과학연구회는 로켓의 비행 중 공기역학문제 및 구조적인 문제를 연구하고자 길이 30cm, 지름 4.5cm, 무게 6.8kg, 추력 40kg짜리 소형 로켓인 IITO-1A를 제작하여 고잔동 앞 해안에서 실험 발사함으로써 추진 및 비행안전도에 대한 기초 자료를 수집하였다. 1964년 10월, 길이 1.3m, 지름 9cm, 무게 11.3kg, 추력 86kg의 IIT-3A 로켓을 성공적으로 발사는 하였으나 비행 중 안정날개가 파괴되고 말았다. 같은 해 12월에는 IITA-4MR 로켓을 발사하였다. 이 날 발사된 2단 고체추진제 로켓은 길이 2.3m, 지름 10cm에 발사 직전의 무게는 20.4kg였으며 캡슐에는 기니피그(쥐의 일종)와 낙하산 그리고 초단파 송신기 등을 싣고 30km까지 상승한 후 낙하산을 이용 회수하도록 설계되었다.

iii. 로켓 IITA-7CR

1964년 12월 인하우주과학연구회 발족 이후 제작된 최대의 로켓인 IITA-7CR이 발사되었다. 이 로켓의 크기는 직경 17.8cm, 길이 3m로서 총 무게는 68kg이었다. 추진력은 1단 로켓이 2,904kg, 2단 로켓이 724kg, 3단 로켓이 68kg이었다. 이 로켓은 50km까지 상승하여 35mm의 필름 60장에 한국 지형의 70%와 중국의 일부 해안까지 찍어 낙하산으로 회수할 예정이었다. 자동장치는 2단과 3단의 점화와 낙하산을 차례로 적당한 시간에 동작시켰다. 그러나 이 로켓 역시 캡슐이 분리되지 않아 회수에는 실패하였다. 인하우주과학연구회에서 사용한 고체추진제는 JPN이라는 추진제였으며 비추력은 210초 정도였다. 그 뒤 1970년 초까지 몇 차례의 로켓 발사시험이 시도되었지만 좋은 결과를 거두지는 못했다.

iv. 로켓 AXR-55

1969년부터 공군사관학교의 박귀용·조옥찬(趙玉燦) 교수 등을 중심으로 본격적인 로켓연구가 시작되었다. 초기에는 기초 연구자료, 각종 실험기구를 확보하여 추진제개발에 대한 기초실험 등이 이루어졌으며, 1970년부터는 과학기술처의 연구비 지원 등에 힘입어 지름 55mm, 길이 92cm, 무게 4kg, 사정거리 3km의 AXR-55 로켓을 개발하여 수회의 성공적인 발사시험을 하였다. 공군사관학교에서 개발한 지름 55mm의 로켓이라는 뜻의 AXR-55 로켓의 예상 추력은 180kg이었으며, 연소시간은 0.6초였다. 이를 바탕으로 1971년에는 지름 73mm, 길이 1.4m, 무게 9.35kg, 사정거리 6km의 AXR-73 로켓을 개발하여 3회에 걸친 비행시험에 성공하였다. AXR-55와 73 로켓에 사용한 추진제는 아스팔트 추진제였으며, 두 로켓의 성공적인 개발로 연구진들은 로켓의 연구개발에 필요한 많은 지식과 경험을 쌓을 수 있었다. 이어 1972년 12월 연구진들은 AXR-300의 개발에 착수하여 지름 300mm, 길이 4m의 로켓을 개발, 시험에 성공하였다. 공군사관학교의 로켓 연구는 1973년 초까지 계속되어 AXR-300 3호기의 발사를 끝으로 로켓 연구에 참여했던 많은 연구원들은 새로운 로켓연구 개발에 참여하게 되었다. 국방과학연구소의 로켓 연구는 1972년부터 시작하여 1978년에는 미국의 나이키 허큘리스와 비슷한 형태의 국산 중형 로켓을 개발하여 발사 시험하는 데 성공함으로써 한국의 로켓 기술을 크게 발전시켰다.

III. 과학 관측 로켓

i. 과학 1호

 

 

한국의 본격적인 과학관측 로켓은 1993년 6월 서해안 안흥시험장에서 발사하여 성공한 항공우주연구소의 과학 1호이다. 과학 1호의 연구개발은 1987년 천문우주과학연구소에 우주공학실이 신설되면서 시작되었다. 1987년부터 과학관측 로켓 개발에 필요한 기초연구에 이어 1988년부터 과학기술처의 특정 연구과제로 개발에 착수하였다. 그리고 1989년 10월부터는 한국항공우주연구소가 창설되면서 본격적인 개발이 진행되었다. 과학관측 로켓의 구조는 크게 추진기관·구조체·탑재물 등으로 구성되어 있다. 추진기관은 고체추진제를 사용하여 18초 동안 10t의 추력을 발생하도록 설계되었고, 탑재물은 로켓으로부터 지상국에 각종 관측자료를 송신할 수 있도록 설계되었다. 특히, 탑재물 중에는 지구상공의 오존 농도를 측정할 수 있는 관측장비도 포함되어 있다. 과학 1호(KSR-420) 로켓은 1단형 로켓으로 길이는 6.72m, 지름 42cm, 무게 1.2~1.4t이며, 발사각도 70°일 때 최대 상승고도는 50km의 성능을 갖추고 있으며, 1993년 6월과 9월에 각각 발사되어 성공적으로 임무를 마쳤다.

ii. 과학 2호

 

 

한국항공우주연구소에서 개발하여 1993년 9월 1일 오전 10시 32분 발사에 성공하였다. 제원(諸元)은 과학 1호와 같으나, 전체 무게가 1,250kg으로 가볍다. 69.3°로 발사된 과학 2호는 발사 112.5초 후 최대고도 49.4km에 도달했으며, 총 213초 동안 101.3km를 비행하였다. 비행 중 최대 속도는 초속 1.1km이다. 과학 2호는 비행 중 대한민국 상공의 오존층 농도를 측정하였다. 측정 결과 과학 1호와 거의 같은 25km 상공에서 1㎤당 5×1012개로 정상이었다.

IV. 중소형 과학 로켓

i. KSR-I(Korea Sounding Rocket-I : 1단형 과학 관측 로켓)

 

 

우리나라의 본격적인 로켓개발의 시작은 1989년 한국항공우주연구소(현 한국항공우주연구원)의 설립 이후 진행된 KSR(Korea Sounding Rocket)개발 계획이다. KSR이란 한국형 과학 로켓을 말하는 것으로 최초의 개발 모델인 1단형 과학로켓은 고체추진제를 이용하는 무유도 로켓으로 한반도 상공의 오존층 관측을 목적으로 하였다. 이를 바탕으로 1990년부터 과학관측로켓, KSR-1의 연구 개발 프로그램이 착수되어, 풍동시험, 연소시험, 구조시험, 탑재부질량특성 측정 등의 일련의 개발 과정을 거친 뒤 1993년 6월 4일과 9월 1일에 성공적으로 발사되었다. 두 차례에 걸친 성공적인 비행으로 한반도 상공의 성층권 오존량의 고도 분포를 측정할 수 있었다.. 각 시험의 도달 고도 데이터는 아래와 같다.

 

1차 비행시험(93/6/4) 38.6 km 2차 비행시험(93/9/1) 54.1 km

길이 : 6.7 m 직경 :0.42 m 이륙중량 : 1.2 톤 1단형 무유도 고체 추진로켓

 

ii. KSR-II(Korea Sounding Rocket-II : 2단형 과학관측로켓

 

1993년 11월부터 1998년 6월까지 계속된 사업으로 중형과학로켓의 국산화 개발과 과학관측 실험이 그 목표이다. KSR-II는 150kg의 과학탑재물을 150km 고도까지 올릴 수 있는 것으로, 2단형 고체 추진기관, 1/2단 능동 단분리 및 탑재부 보호 덮개 개방, 조종 날개에 의한 자세 제어 시스템의 특징을 가진다. 한국항공우주연구소는 상세 설계를 완성한 후, 지상모델을 제작, 수차례에 걸친 추진기관 지상연소시험, 기체구조시험, 단분리 및 노즈부 개방시험, 풍동시험, 송수신기에 의한 전파 시험 등의 각종 지상시험들을 수행하였다. 또한 로켓이 극심한 환경에 노출되기 때문에 탑재 장비들은 항공우주연구소의 자체 기술로 진동, 열환경의 엄격한 환경시험과정을 거쳐 탑재되었다. 첫 발사는 1997년 7월 9일에 있었으나 발사 28초후 통신이 두절이 되었고, 다음해인 1998년 6월 11일 발사에는 성공적으로 임무를 달성하였다.

이 사업으로 한반도 상공의 오존층 상태는 양호한 것으로 나타났으며, 무선 통신 현상 연구에 활용되는 이온층 측정결과를 얻을 수 있었다.

iii. KSR-III

    

KSR-Ⅲ의 개발목표는 액체추진기관을 사용하는 과학로켓의 개발로 우주발사체의 핵심인 액체추진기관을 개발하고 시험하는 능력을 확보하는 것으로 11월 28일 오후 2시52분 충남 태안반도 앞바다의 한 섬에서 성공적으로 발사됐다.

이 로켓은 고도 42.7㎞ 상공까지 올라가 오존 및 지구자기장 측정 임무를 성공적으로 수행하고 231초 뒤 예정했던 대로 발사장에서 남서쪽으로 79㎞ 떨어진 서해상에 추락했다.

길이 14m, 직경 1m, 중량 6t인 이 로켓은 등유와 액체산소를 각각 연료와 산화제로 쓰며 300기압의 질소가스가 등유와 액체산소를 밀어내 분사하였다.

이를 바탕으로 한국항공우주연구원은 액체 로켓엔진의 성능을 대폭 향상시켜 2005년에는 건물 10층 높이인 길이 30m 무게 100t의 3단형 우주발사체(KSLV-Ⅰ)를 발사할 계획이다． 즉 우리의 로켓으로 100㎏짜리 위성을 쏘아 올려 우리나라도 마침내 진정한 우주개발국가 대열에 들어서게 되는 것이다.

 

 

	KRS-Ⅰ	KRS-Ⅱ	KRS-Ⅲ	KSLV-Ⅰ
연료	고체	고체	액체	액체
길이(m)	6.7	11.1	14.3	30
무게(톤)	1.25	2.1	약5.6	50
도달고도(Km)	39 ~ 54	137	약100	지구저궤도
출력(톤)	7	11	13	약80
개발년도	1993	1998	2002	2005

KSR-Ⅲ 구성

(1) 노즈콘 : 비행시 과학탑재물을 외부의 공력과 가열로부터 보호하는 일종의 덮개로 공기가 거의 없는 고도에서 분리되어 과학관측장비를 외부로 노출시켜 여러 가지 과학관측을 할 수 있게 함

(2) 탑재부 시스템 : 로켓에 실리는 각종 과학시험용 장비와 전원공급 및 전자장비가 들어 있는 부분

(3) 관성항법장치: 관성항법장치는 로켓이 정해진 궤도를 따라 갈 수 있도록 추력 백터 제어 구동 장치와 롤제어 추력기에 적정한 조정을 해주는 장치

(4) 가스제트 자세제어 시스템 : 로켓과 분리된 후 탑재부의 자세제어를 위해 질소가스를 측면으로 분사하여 반작용으로 자세를 제어하는 장치

(5) 탑재부 킥모터 : 탑재부를 좀 더 높은 고공까지 올리기 위한 소형의 고체연료 로켓

(6) 가압제 탱크 : 액체연료 및 산화제를 연소실로 밀어내어 공급시키기 위한 고압가스를 보관하는 탱크

(7) 연료탱크 : 액체연료인 케로신(등유)를 보관하는 탱크

(8) 롤(회전)제어 추력기 탱크 : 로켓의 날개에 끝에 달린 롤제어 추력기에 사용되는 질소가스를 보관하는 탱크

(9) 산화제 탱크 : 산화제인 액체산소를 보관하는 탱크

(10) 추력 벡터 제어 구동장치 : 로켓 엔진이 연소 중 로켓의 연소 방향을 바꾸어 로켓의 방향을 조정할 수 있도록 로켓 엔진을 움직이게 하는 장치

(11) 롤제어 추력기 : 로켓의 회전운동을 제어하기 위해 날개 끝에 달린 추력기(분사장치)

(12) 액체로켓엔진 : 액체연료와 액체산화제를 연소시키고 추력을 발생시키는 장치

V. 우주 발사체

i. KSLV-I

소형위성 발사체 (KSLV-I; Korea Space Launch Vehicle - I) 개발 사업은 국산 위성발사체 개발의 첫 번째 단계로100kg급 저궤도 소형위성 발사체를 개발하고 과학기술위성 2호를 발사함으로써 인공위성의 자력발사 능력 확보 및 관련기술의 축적을 목적으로 한다. 1988년 이래 한국항공우주연구원에서 과학관측 로켓을 개발해 온 [우주발사체사업단]의 연구원들을 주축으로 하여 관련 연구소와 산업체 및 대학의 전문가들에 의해 진행되고 있다.

이 사업의 목표는 산학연의 공동 개발을 통해 국내 로켓관련 기술 및 인력을 최대한 활용하여 2005년 까지 소형위성을 독자적으로 발사할 수 있는 우주발사체를 개발하는 것으로써, 2010년 저궤도 실용위성 및 발사체 자력개발, 2015년 우주산업 세계 10위권내 진입을 위한 국가 우주개발 중장기 기본계획의 일환이다.

위성 발사체에 관한 기술의 개발 및 유지는 국가의 광범위한 우주개발활동을 안정적으로 수행하는데 필수 불가결한 요소이다. 우리나라도 그 동안 7기의 인공위성을 발사한 국가이며, 우주개발중장기 기본 계획에 의하면 2015년까지 총 18기의 위성을 발사하는 등 앞으로도 꾸준한 위성발사를 계획하고 있다.

현재까지 발사된 위성 7기는 모두 외국 발사체에 의존하여 발사되어 막대한 비용을 외국 발사체 운용사에 지불하였다.

국산 발사체를 개발하여 향후 발사 예정인 위성의 일부를 국산 발사체를 사용하여 발사할 수 있다면 큰 경제적 절감효과를 얻을 수 있을 것이다. 이런 경제적 효과뿐 아니라 발사체 기술 확보가 가져다주는 국제적 위상 제고, 국방 기술향상, 우주산업의 활성화, 국가 자존심과 국민 자긍심 고취 등을 고려할 때 국산 위성발사체의 개발은 우리나라에 꼭 필요한 사업이라 할 수 있다.

우리나라는 국가 우주개발 중장기계획에 의하여 2015년까지 세계 10위권 내의 우주산업국에 진입하는 것을 목표로 하고 있으며 2005년까지 개발 예정인 100kg급 과학위성 발사체 KSLV-I을 시작으로 하여 2015년 1.5톤급의 위성을 지구저궤도에 올릴 수 있는 발사체의 개발을 계획하고 있다. 국가 우주개발 중장기 계획에 따른 우주발사체 개발목표를 달성하기 위해 필요한 우주발사체 개발 계획은 다음과 같다.

발사체 명칭	첫발사	성능 및 발사위성
KSR-III	2002	액체연료 로켓 발사기술 확보
KSLV-I	2005	100kg급 과학위성(과학위성 2)
KSLV-II	2010	1톤 급 위성
KSLV-III	2015	1.5톤급 실용위성

[서울대학교 로켓추진연구소]