한국형 발사체 ‘누리호(KSLV-2)’가 1차 발사에서 위성 모사체를 궤도에 올리지 못한 이유는 부력을 충분히 고려하지 않은 설계 때문으로 조사됐다. 비행 중 부력 증가로 산화제 탱크에 균열이 생기면서 산화제가 새어나가 3단 엔진이 조기 종료했다는 것이다. 조사 결과에 따라 3단 엔진을 보강하기 위한 설계 변경·검증이 필요해 내년 5월로 예정된 2차 발사는 하반기로 미뤄지게 됐다.
◆36초부터 이상 징후… 115.8초에 헬륨탱크 압력 떨어져
29일 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 누리호 1차 발사 때 3단 산화제탱크 내부에 장착된 헬륨탱크의 고정장치 설계시 비행 중 부력 증가에 대한 고려가 미흡했다고 29일 발표했다.
항우연 연구진과 외부 전문가들로 꾸려진 누리호 발사조사위원회는 지난 10월 말부터 비행 중 기록된 2600여개 텔레메트리 데이터를 분석한 끝에 이같이 결론 내렸다.
누리호는 올해 10월 21일 1차 발사에서 3단 7t 액체엔진의 연소가 계획된 521초가 아닌 475초 만에 종료돼 위성모사체를 궤도에 안착시키지 못했다. 조사위는 3단 산화제탱크의 압력이 저하돼 엔진이 일찍 종료됐음을 조사 초기에 확인하고 구체적인 원인 규명에 나섰다.
조사위에 따르면 누리호의 이상 징후는 이륙 36초 후부터 나타났다. 3단 탱크 연결트러스와 위성어댑터 등에서 특이 진동이 계측됐다. 헬륨탱크에서 헬륨이 새기 시작했다. 이로 인해 산화제 탱크 기체 압력이 상승했다.
이륙 67.6초 후에는 산화제탱크 기체 압력이 떨어졌고, 이로 인해 산화제 탱크 상부 표면 온도가 급격히 낮아졌다. 이륙 후 115.8초에는 헬륨탱크의 압력이 떨어졌으며 3단 산화제 탱크의 기체 압력이 올랐다.
◆가속도로 인한 부력 고려 미흡… 균열 발생
이같은 현상이 발생한 원인은 비행 중 부력 증가에 대한 고려가 미흡했기 때문이다.
누리호 3단은 엔진, 케로신이 든 연료탱크, 액체산소가 든 산화제탱크를 연결한 형태다. 산화제탱크에는 132ℓ 용량의 헬륨탱크가 2개 장착돼 있다. 헬륨은 케로신과 액체산소를 엔진에 밀어넣어넣을 수 있도록 탱크 압력을 유지하는 역할을 한다.
비행 중 이 헬륨탱크가 액체산소 속에서 받는 부력이 설계치를 넘어섰다. 부력은 물에 몸을 넣었을 때 몸을 밀어올리는 힘이다. 과기부·항우연에 따르면 누리호는 중력에 의한 부력인 1G만 고려해 설계됐다. 가속도에 비례해 부력이 증가하는 것은 고려하지 못했다. 실제 비행 중에는 최대 4.3G의 가속도가 발생해 부력이 증가했다. 헬륨 탱크를 지지하는 구조물이 견딜 수 있는 최대 하중은 405㎏으로 설계됐으나, 이 탱크에 482㎏의 부력이 작용했다. 이는 체중 80㎏ 성인 6명이 매달려서 당기는 힘과 같다.
조사위는 액체산소의 부력이 커지면서 고정장치가 풀려 헬륨탱크가 하부 고정부에서 이탈한 것으로 추정했다. 이탈한 헬륨탱크가 움직이면서 탱크 배관을 건드려 헬륨이 새기 시작했다. 이는 산화제탱크 균열로 이어졌다. 산화제가 새자 3단 엔진에 유입되는 산화제가 감소하면서 엔진이 조기 종료됐다.
◆미비점 보완…2차 발사 내년 하반기로 미뤄져
과기부·항우연은 누리호 3단 엔진의 미비점을 보완하기 위해 설계 변경에 착수한다. 내년 5월 19일로 잠정예정됐던 2차 발사는 하반기로 미뤄진다. 과기부 권현준 거대공공연구정책관은 “내년 하반기 중에는 (2차 발사가) 충분히 가능할 것으로 내부적으로 보고 있다”며 “개선방안 등 구체적인 내용이 나오면 사업추진위원회와 국가우주위원회 실무위원회를 통해 일정을 별도로 확정하고 발표하겠다”고 밝혔다. 권 정책관은 “2차 발사가 조금 밀리더라도 다른 부분들을 빠르게 진행해 (내년 12월로 예정된) 3차 발사에 대한 영향을 최소화할 수 있을 것”이라고 전했다.
3단 산화제탱크의 결함을 보완하기 위해 과기부·항우연은 설계 변경을 진행한 후 해석·내부 검토를 거쳐 다시 검증에 나선다. 이후 발사 일정을 확정하게 된다.
◆남는 의문들… 해외 사례는
조사위 조사 결과가 나왔으나 의문이 남는다. 누리호는 이륙 후 127초에 1단 엔진이 떨어져나갔다. 3단 산화제탱크에 이상이 발생한 건 36초 후이고, 115.8초에는 산화제탱크 압력도 올라갔다. 1단 엔진 발사 데이터를 실시간으로 지켜보면서 이상 징후를 파악할 수는 없었을까.
최환석 누리호 발사조사위위원장은 “2600개 이상의 텔레메트리 데이터를 발사 운영 중에 다 보지를 못하고 실시간으로 보는 것은 200개 정도”라며 “진동 데이터는 실시간 확인이 불가능하다”고 설명했다. 이어 “비행시험이 모두 종료하고 저장된 데이터들을 취합해서 발사 다음 주부터 분석을 시작했다”고 덧붙였다.
과기부·항우연은 부력 계산 실패가 해외에서도 최근까지 경험한 사고라고 설명했다. 최 위원장은 “2015년 (미국) 스페이스X에서도 이번에 저희가 경험한 것과 동일하게, 부력에 의해서 헬륨탱크가 지지력을 극복하고 부상해 산화제탱크와 충돌해서 실제로 폭발 사고로 이어지는 경험이 있었다”고 전했다.