위성을 지구 궤도에 띄우는 우주발사체는 국력과 과학기술력의 상징으로 꼽힌다. 위성은 비교적 적은 비용과 짧은 기간에 만들 수 있다.
반면 발사체는 천문학적 예산과 오랜 시간, 정밀 소재와 제어 등의 기반 기술이 갖춰지지 않으면 개발 시도조차 어렵다.
1992년 우리별-1호 위성을 발사했지만, 순수 국내 기술로 만들어 우주로 쏜 발사체는 이보다 훨씬 늦은 2021년 10월 누리호가 처음이었던 이유다.
지난 5월 누리호 3차 발사, 지난 2일 이뤄진 425사업 정찰위성 1호기 발사를 진행한 한국은 고체연료 우주발사체 카드를 꺼냈다.
국내에서 소형위성을 저궤도(고도 400~600㎞)에 올린다는 이 야심찬 계획은 지난 4일 오후 제주 남방 해상에서 실행에 옮겨졌다. 지난해 12월 30일 기습 발사돼 전국에서 UFO 오인 소동을 일으킨 지 약 1년 만이다.
이번 발사를 계기로 한국은 액체와 고체연료 로켓을 모두 쓰는 국가의 반열에 가까워졌다.
필요에 따라 저궤도에 소형 정찰위성을 쏘아올릴 기반도 마련했다. 이제 막 액체연료 우주발사체와 정찰위성을 쏜 북한과는 격차가 한층 더 벌어질 전망이다.
◆세계 최고 수준 기술로 로켓 개발
고체연료 우주발사체 개발이 본격화한 것은 2020년 7월 한·미 미사일지침 개정 직후부터다.
당시 정부는 “대한민국 기업과 연구소, 모든 개인은 액체연료뿐 아니라 고체연료와 하이브리드형 등 다양한 우주발사체를 아무 제한 없이 자유롭게 연구·개발·생산·보유할 수 있다”고 밝혔다. 고체연료 발사체 개발을 가로막던 제약이 사라진 순간이었다.
탄두가 정점고도에 도달하면 자유낙하하는 탄도미사일과 달리 우주발사체는 위성을 궤도에 진입시켜야 한다. 따라서 발사체 추력과 지속시간 등도 탄도미사일보다 강하고 길어야 한다.
다만 고체연료는 효율이 액체연료보다 낮고, 점화 후 속도 조절 등을 위한 추력 조절이 불가능하다. 스페이스X를 비롯한 상업용 로켓이 액체연료를 쓰는 것도 이와 무관치 않다.
고체연료로 액체연료와 유사한 수준의 우주발사체나 탄도미사일을 만들려면, 추력은 액체연료보다 더 높아야 한다. 이는 기술적 난도를 높인다.
한국은 예전부터 기술적 기반은 갖춰왔다. 1980년대부터 현무 탄도미사일을 개발해온 국방과학연구소(ADD)를 중심으로 고체연료 엔진과 발사체 기술 및 경험을 축적해왔다.
탄두중량이 2t에 달하는 ‘벙커버스터’ 현무-4 탄도미사일까지 만들면서 고체연료 우주발사체 제작 기반은 한층 단단해졌다.
항공우주연구원이 누리호 등의 액체연료 로켓 개발에 집중하고, ADD가 고체연료 우주발사체 개발을 주도하는 이유다.
ADD가 만드는 우주발사체는 4단으로 구성되어 있다. 1·2·3단은 고체연료를 쓰고, 4단은 탑재체 분리 단계에서의 정밀 조정을 위해 액체연료를 사용한다. 일본, 유럽 등의 발사체와 동일한 구조다.
이번에 제주 남쪽 해상에서 쏜 발사체는 1단과 3·4단으로 구성됐다. 2단은 지난해 두 차례에 걸쳐 시험했지만, 1단 시험은 이번이 처음이다.
ADD가 개발했던 미사일과 달리 우주발사체는 다단 추진체 구조를 지닌다. 각 단 추진체의 정상 작동 여부를 여러 차례에 걸쳐 검증할 필요가 있다.
발사체에는 한화시스템이 개발한 지구관측용 소형 합성개구레이더(SAR) 위성을 탑재했다.
SAR는 지상에 레이더를 쏜 후 반사되어 돌아오는 미세한 시간 차이를 선착순으로 합성, 지형도를 만든다. 날씨에 관계없이 영상 정보를 획득할 수 있다. 425사업에서 띄울 위성 5기 중 4기가 SAR인 것도 이와 무관치 않다.
한화시스템의 소형 SAR위성은 일반 위성과 달리 탑재체·본체·태양전지판이 일체화됐다. 그만큼 크기가 작아졌고, 중량도 101㎏까지 가벼워졌다. 해상도는 1m로 군사정찰위성 수준이다.
고체연료 우주발사체가 저궤도에 500~700㎏급 위성을 띄울 수 있다는 점을 감안하면, 이같은 소형 SAR 위성 6기를 탑재해 동시에 쏘아올리는 것도 가능하다.
ADD는 향후 고체연료 우주발사체의 탑재능력을 강화하는 등의 성능개량을 통해 중·대형 위성 발사도 가능하도록 할 예정이다.
성능개량이 현실화하면 미국 스페이스X 팰컨-9 로켓을 사용해서 쏘아올린 정찰위성 1호기처럼 군사 용도로 사용할 중·대형 위성의 발사를 외국 상업 로켓에 의존하는 일도 크게 줄어들 것으로 보인다.
◆북한과의 ‘우주 정찰 경쟁’ 앞서갈 듯
고체연료 우주발사체가 제 기능을 발휘하게 되면, 우주를 통한 국가안보 증진에 상당한 도움이 될 전망이다.
고체연료는 장기간 저장할 수 있고 취급이 쉽다. 저비용으로 단기간 대량 생산이 가능하며, 7일 이내에 발사 준비가 끝난다. 안보 수요 및 지진 등 긴급상황에 맞춰서 발사체를 사전에 준비할 수 있다.
탑재중량이 가벼운 저궤도용 관측·정찰위성 정도만 발사가 가능하지만, 신속히 대응할 수 있다는 점 때문에 선진국들이 고체연료 로켓을 개발, 운용한다.
미국은 미노타우르, 델타 등의 로켓으로 군 위성 서비스를 하고 있다. 일본은 앱실론 로켓을 제작했고, 유럽은 베가 로켓을 운용중이다.
고체연료 로켓으로 다수의 소형 위성을 이미 쏘고 있는 중국도 지난해 11월 주하이 에어쇼에서 스마트드래곤-3(SD-3) 고체연료 로켓을 공개했다.
중국발사체기술연구원(CALT)이 개발한 이 로켓은 4단으로서 발사중량이 140t에 달한다. 한차례 발사에 위성 20개를 쏘아 올릴 수 있다. 72시간 안에 발사 준비가 끝난다.
한국은 액체연료를 쓰는 누리호 로켓을 개발했지만, 발사준비에 오랜 시간이 걸리고 저장이 어렵다. 긴급 상황에 대응하기가 쉽지 않다. 고체연료 우주발사체가 필요한 대목이다.
고체연료 우주발사체로 ADD가 개발 중인 초소형 SAR 위성을 군집 형태로 한번에 여러 개를 쏘아올려 궤도에 올린다면, 단기간 내 위성 감시체계를 구축할 수 있다.
425사업 정찰위성과 함께 운용하면 재방문 주기(위성이 같은 지점 정찰을 위해 궤도를 한 바퀴 도는 주기)를 30분 단위로 줄이면서 악천후에도 정보를 수집할 수 있다.
다양한 기능의 소형 위성을 저궤도에 지속적으로 배치하는 것도 가능하다. 러시아는 1962년부터 코스모스 위성을 지속적으로 쏘아올렸는데, 그 수량은 2021년 기준으로 2500여개에 달한다.
과학 연구와 외행성 탐사용도 있었지만 광학 정찰 위성, 통신 위성, 조기 경보 위성, 핵실험 감시 위성, 항법 위성, 기술 실증 위성 등 군사 용도가 다수였다. 옛소련과 러시아는 이를 통해 미국 등 서방 진영을 감시했다.
한국도 군대가 더욱 첨단화하고 정밀무기 사용이 증가하면 우주 관련 수요가 러시아처럼 지속적으로 확대될 가능성이 높다. 한번 쏘아올린 위성이 수명이 다하면 이를 대체하는 수요도 추가된다.
빠르고 저렴하게 수요를 충족해야 하는데, 스페이스X 등의 해외 업체는 불가능하다. 누리호로도 한계가 있다.
현재 추진중인 소형 SAR 위성처럼 탑재중량이 가벼운 소형 군용위성과 신속 발사가 가능한 고체연료 우주발사체를 결합하면, 기술 유출 위험을 피하면서 군의 수요 충족이 가능하다.
북한과의 우주 경쟁도 우위에 설 수 있다. 북한은 러시아의 지원을 받아 정찰위성 만리경-1호를 탑재한 우주발사체 천리마-1형을 발사했다.
내년에 정찰위성을 추가 발사하는 계획도 공개했지만, 액체연료를 쓰는 천리마-1형으로는 유사시 신속 발사가 쉽지 않다.
고체연료 대륙간탄도미사일(ICBM) 화성-18형을 개발했고, 중거리탄도미사일(IRBM)에 쓸 고체연료 엔진도 만들었지만 우주발사체는 아직까지 개발하지 못했다.
ICBM이나 IRBM을 개조하는 방법이 있지만, 고체연료 비율과 추력 등에 대한 조정 작업을 진행해야 하므로 한국보다는 전력화 시기가 늦어질 수밖에 없다.
북한이 이제 막 액체연료 우주발사체를 개발한 상황에서 한국은 누리호와 고체연료 우주발사체를 만들어 발사까지 했다. 광학위성만 확보한 북한과 달리 SAR 위성도 개발한 만큼 우주 경쟁에서 한국이 한동안 앞서나갈 수 있게 됐다는 평가다.