#지난 2009년 6월 11일 전남 고흥 외나로도에는 어지간한 대규모 신도시에 버금가는 우주탐사용 기지가 들어섰다. 우주로켓(우주발사체)을 쏘아올리기 위해 지은 나로우주센터다. 무려 549만여㎡(약 166만평)에 달하는 이 부지중 약 7.4%를 제외한 나머지는 아직도 대부분 산림으로 이뤄진 미개발지다. 이 미개발지중 한 켠에 올해부터 수백억원의 예산이 투입돼 지면을 평탄화하고, 콘크리트 등을 타설하는 공사가 개시된다. 고체연료를 태워 비행하는 고체추진 우주로켓 전용 발사장을 건설하려는 것이다. 2~3년내 일본의 엡실론로켓을 능가할 한국형 고체추진 우주로켓을 완성하기 위한 투자의 일환이다.
원래 해당 건설부지의 임자는 따로 있었다. 당초 한국항공우주연구원은 해당 부지를 우리나라 최초의 우주로켓 ‘나로호’ 발사장으로 점찍어 놓았다. 이를 추진하는 과정에서 난관에 봉착했다. 해당 부지가 산악지대에 위치한 탓에 상당한 공사비용이 소요되는 점이었다. 산을 깍아 부지를 평평하게 만들고, 지반을 다진 뒤 콘크리트로 도로 등을 짓는 것에만 해도 수천억원이 소요될 수 있었다. 결국 항우연은 해당 부지 대신 보다 건설공사비용 등을 절감할 수 있는 다른 위치에 나로호 발사장을 건설했다. 이어서 순수 국산기술로 만든 우주로켓 누리호를 위한 발사대 등도 추가했다. 나로호는 총 2단의 로켓중 메인 엔진인 1단을 액체추진 방식으로 삼고 있다. 이어서 개발된 누리호는 3단 로켓 엔진 전체가 액체추진 방식이다. 특히 75t의 추력을 내는 누리호의 액체엔진은 우주산업분야의 세계적 베스트셀러인 러시아 소유즈 로켓 시리즈에 필적한다. 이처럼 세계적 수준의 액체추진 우주로켓을 개발한 대한민국이 왜 이제 와서 고체추진 우주로켓 개발에 대규모 투자를 하려는 것일까. 그 배경에는 우주로켓 발사기술을 확보하려고 노력해온 국내 연구진의 고민과 청와대의 결단이 있었다. 이번 ‘군사이야기’ 온라인 증보판은 지난 2일자 조간의 지면판 기사에서 미쳐 담지 못했던 뒷이야기를 추가해 한국형 고체추진 우주로켓 개발사를 조망한다.
◆고체엔진에서 액체엔진으로 선회했던 항우연
1989년 항우연의 모태인 항공우주연구소가 설립된 이후 연구진은 우주로켓을 고체추진 방식으로 개발하겠다는 계획을 세웠다. 선진국들은 액체추진 방식을 우주로켓의 주력기술로 삼았지만 이는 내부구조가 복잡해 우주로켓 제작경험이 전무했던 당시의 한국으로선 도전하기 쉽지 않았고 제작비도 상대적으로 비쌌기 때문이다. 반면 고체추진 로켓은 상대적으로 내부구조가 간단하고 제작비 부담도 덜했다. 더구나 당시엔 이미 국방과학연구소(ADD)가 탄탄한 기술력의 고체추진 탄도미사일 기술을 확보하고 있던 상황이었다. 따라서 해당 기술을 ‘어깨 너머’로 배우면 우주로켓에 활용할 수 있을 것이라고 당시 정부와 항우연 연구진들은 판단했다. 그렇게 탄생한 것이 1993년 발사에 성공한 최초의 국산 과학로켓 1~2호(KSR-Ⅰ)와 1998년의 발사된 2단형 과학로켓 ‘KSR-Ⅱ’다.
하지만 항우연은 기술의 벽에 부딪혔다. 전세계적으로 고체추진 로켓은 주로 민간용 우주로켓보다는 군사용 미사일(유도로켓)에서 광범위하게 쓰였다. 이처럼 군사용 기술이다보니 세계적의 기술통제가 매우 심해서 선진국들로부터 기술이전이나 자문은 커녕, 단순한 현장 견학조차 허락 받기 쉽지 않았다. 어렵게 개발한다고 하더라도 액체추진 로켓에 비해 고체추진 로켓의 추진력이 약해 미래에 중형이나 대형 우주로켓으로 발전시키는데 한계에 부딪힐 수도 있었다.
이에 따라 항우연은 액체추진 로켓으로 개발 방향을 틀었다. 국내 최초의 액체추진 과학로켓 ‘KSR-Ⅲ’를 개발해 2002년 발사에 성공했다. 해당 경험을 토대로 나로호 로켓과 누리호 로켓도 각각 개발할 수 있었다. 우리나라가 명실상부 ‘액체추진 우주로켓’시대를 열게 된 것이다. 항우연은 누리호 기술을 개반으로 달탐사 등을 위한 액체추진 로켓 개발도 추진 중이다.
◆고체 우주로켓 부활시킨 ADD…청와대의 전폭 지원 결실
항우연이 액체추진로켓을 주력으로 삼음으로써 우리나라의 로켓 기술은 2개 분야로 양분화됐다. 국방 미사일 분야는 고체추진 로켓, 우주산업분야는 액체추진 로켓으로 암묵적인 경계선이 그어진 것이다. 이 벽이 사라지게 된 것은 불과 2년전 부터다. 우리나라의 로켓 기술 개발규제로 작용해왔던 한미 미사일 지침이 2020년 7월 4차 수정되면서 대한민국이 우주발사체에 대한 고체연료 사용제한에서 벗어나게 된 것이다. 그리고 2021년 5월 한미정상회담 결과 문재인 대통령은 해당 미사일지침을 완전히 폐기하는 것에 대해 미국으로부터 합의를 얻어냈다.
그 과정에서 우리 정부는 고체추진 기술 발전에 다시 눈을 돌리게 됐다. 군사용 미사일 뿐 아니라 우주산업 및 순수 과학용 우주로켓에도 고체연료를 적용하자는 논의가 본격화한 것이다. 이 같은 논의의 장은 한미 미사일지침의 단계적 완화·폐지를 추진하기 위해 우리 정부가 20여년간 열어온 비공개 관계 기관 회의였다. 해당 회의에는 청와대 안보실, 외교부, 국방부, 과학기술정보통신부, 한국항공우주연구원, ADD 등이 참여해왔다.
해당 회의는 ‘뜨거운 감자’에 직면했다. 우리 정부가 고체연료로켓 개발 등을 위해 해당 지침의 추가 완화 및 폐지를 추진하는 과정에서 대미 설득 논리를 놓고 회의에 참석한 기관 간 일부 의견이 엇갈린 것이었다. 국방부와 ADD는 앞으로 초소형 인공위성 등의 발사 수요가 늘어나기 때문에 저렴하게 생산할 수 있는 고체추진방식의 소형 우주로켓을 개발해 보다 신속하게 초소형 위성들을 쏴올려야 한다고 강조했다. 반면 이미 미국·중국·소련 등 우주 강국들은 액체추진로켓으로 인공위성 발사와 우주탐사를 하고 있고 고체추진로켓은 경제적으로 효용성이 제한돼 쓰는 나라가 많지 않다는 반박도 회의 석상에서 만만치 않았다. 실제로 우주로켓의 정점에 서 있는 미국의 아틀라스 시리즈, 러시아 소유즈 시리즈, 중국 창정 등은 모두 액체추진 방식이다. 고체추진 방식으로는 일본 엡실론, 미국 토러스, 프랑스 베가 등이 있지만 해당 국을 대표하는 주력 우주로켓은 아니다.
이처럼 치열한 갑론을박의 과정에서 국방부 및 ADD의 손을 들어준 것은 청와대였다. 당시 회의 석상에서 김현종 국가안보실 제 2차장이 “예를 들어 짜장면을 배달하는데 비싼 벤츠 승용차(액체추진로켓의 비유)보다는 오토바이(고체추진로켓의 비유)가 필요한 것 아니겠느냐"고 힘을 실어준 것이다. 그 결과 고체추진로켓을 개발하는 방향으로 회의 참가자들의 중지가 모아졌다.
초소형위성 신속 발사 위해 고체추진 결정
아직은 발사비용 등 경제성 문제 풀어야해
3D프린터 부품 등 도입해 원가절감 나서야
민간 기술 이전 서두르되 절차 투명성 필요
ADD-항우연 협업 우주산업 활성화 기대돼
2020년 7월 한미미사일 지침의 4차 수정을 통해 우리나라의 고체연료 사용제한이 풀린 지 불과 20개월만에 ADD는 결실을 내놓았다. 지난 3월 30일 오전 서해 안흥항 인근의 ADD 종합시험장에서 순수 국산 기술로 개발된 최초의 고체추진 우주로켓이 첫 시험발사에 성공한 것이다.
“파이어(발사)!” 당일 현장에서 이 같은 발사명령이 떨어지자 발사대에서 일순 화염을 뿜으며 거대한 물체가 날아올랐다. ADD가 만든 고체추진 우주로켓이었다. 흰색의 로켓 동체에는 ‘대한민국’이라는 네 글자가 검정색으로 쓰여져 있었다. 나로호, 누리호와 달리 아직 로켓의 공식 명칭이 정해지지 않아서 대신 우리 국명만 적은 것이다. 해당 로켓의 맨 상단에는 시험용 가짜(더미) 위성이 탑재돼 있었다. 로켓은 점화가 시작된 직후 치솟아 13초 후 우주 공간에서 페어링(로켓 상단의 위성 보호용 덮개) 분리를 시작했다. 점화 후 22초가 지나자 동체의 B단이 분리됐고 곧이어 C단도 성공적으로 떨어져 나갔다. 그리고 점화 후 47초째부터 더미 위성이 분리돼 저궤도에 올랐다. 이 모든 과정은 점화 후 불과 57초 만에 마무리됐다.
ADD는 이번 시험 발사를 통해 대형 고체엔진의 기술을 검증할 수 있었다. 또한 페어링 분리, 단 분리, 상단부(Upper stage) 자세제어 기술 등의 정상 작동을 확인했다. 이들 기술은 우주로켓이 쏘아올려져 적정 궤도로 위성 등 탑재체를 안착시키기 위한 핵심 기반이 되는 것들이다. 이 같은 추세라면 앞으로 몇 차례의 시험발사를 거쳐 이르면 1~2년내에 한국형 고체추진 우주로켓 기술을 완성할 수 있을 것으로 보인다. 아울러 2025년까지 실제 위성을 탑재한 공식 발사에 나설 수 있게 될 전망이다.
최근 액체추진 방식의 대륙간탄도미사일(ICBM) 시험발사를 재개하며 군사적 위협을 고조시키는 북한은 아직 고체추진 로켓기술을 확보하지 못했다. 반면 우리나라는 액체추진에 이어 고체추진 우주로켓 기술에서도 선도적 자리를 넘볼 수 있게 됐다. ADD는 이미 괴물 탄도미사일 ‘현무-4’를 비롯해 수 많은 고성능 정밀 유도탄을 고체추진 방식으로 개발했을 정도로 이미 고체추진 방식에서 세계적인 기술력을 확보했기 때문에 순수 우주산업용 및 과학탐사용 고체추진 우주로켓을 개발하는 것도 어렵지 않을 것이라고 항공우주전문가들은 평가하고 있다.
사실 엔진 연소를 위해 고체연료를 쓰는 고체추진 방식은 전 세계 우주로켓의 주류는 아니다. 우주 선진국들은 대부분 액체연료를 활용한 액체추진로켓을 주력 기술로 삼고 있다. 우리나라도 최초의 국산 우주로켓 ‘누리호’를 액체추진 방식으로 개발한 상태다. 국방 분야가 아닌 우주과학 분야에서는 고체추진로켓이 사실상 한물간 취급을 받았던 것이다. 그럼에도 불구하고 우리 군과 ADD가 해당 기술의 르네상스에 승부수를 던진 데는 나름대로의 청사진이 있었기 때문이다. 세계적인 고체추진로켓인 일본 ‘엡실론’을 능가하는 기술을 2025년까지 확보하겠다는 꿈이다. 이를 통해 다량의 초소형 위성 등을 저렴한 비용으로 신속히 쏴올리겠다는 게 우리 군의 목표다.
◆일본식 제조 혁신 넘어서야
앞으로 극복해야 할 과제는 남았다. 무엇보다 경제성을 확보해야 한다. 아직은 고체추진로켓의 발사 비용이 액체추진로켓보다 높다. 고체연료 제조 비용이 액체연료보다 높고 제반 인프라가 액체연료로켓 중심으로 구비돼 있기 때문으로 분석된다. GAO 자료를 바탕으로 보면 인공위성과 같은 탑재체를 로켓에 실어 우주 궤도로 올리는 데 들어가는 비용(국제 시세 기준)은 명확하다. 탑재체 중량 1㎏당 액체 추진 방식인 소유즈 로켓이 1만 6,495달러인 반면 고체추진 방식인 엡실론은 3만 2,500달러 정도 들어간다.
그럼에도 불구하고 일본은 엡실론 로켓의 제조 공정을 혁신하는 등의 방법으로 경제성을 개선해가고 있다. 그 결과 과거 한화 기준 약 350억 원 수준이던 발사 비용이 현재는 250억 원대로 낮아진 것으로 알려져 있다. 이에 대해 한 전문가는 “일본은 엡실론 로켓의 비용을 낮추기 위해 설계와 공정을 혁신했다”며 “우선 들어가는 부품 수를 간소화하는 설계 방식, 3D프린터 등을 활용한 부품 생산, 원가를 절감하는 조립 공정 방식 등을 도입했다”고 전했다. 따라서 우리나라가 엡실론 로켓을 넘어서려면 일본식 혁신을 넘어서는 끊임없는 원가 절감의 노력이 뒷받침돼야 할 것으로 보인다.
우리가 개발을 추진 중인 고체추진로켓은 현재 ‘4단 로켓’ 구조인 것으로 추정된다. 제조 비용과 운용상의 신뢰성 등을 감안하면 이를 ‘4단→3단→2단’으로 점진적으로 줄일 필요가 있다. 일본의 엡실론 로켓도 원형인 1970년대 V-5로켓 시절에는 4단이었다가 현재 3단 구조로까지 간소화됐으며 향후 단수가 더 줄어들 가능성도 있다. 우리가 로켓 단수를 더 줄이려면 각 단에 사용할 로켓 자체의 추력이 고도화해야 한다. 우리 정부와 군도 이를 자신하는 분위기다. 우리나라는 자체적으로 고위력 탄도미사일까지 개발했을 정도로 세계적인 수준의 고체추진 기술을 확보하고 있기 때문이다. 따라서 향후 추가적인 검증 단계를 거쳐 이르면 1~2년 내에 한국형 고체추진우주로켓 기술을 완성하고 2025년까지는 실제 위성을 탑재한 정식 발사에 나서겠다는 방침이다.
전문가들은 앞으로 ADD가 해당 기술을 완성하면 민간 기업으로의 이전을 서둘러야 한다고 지적한다. 현재 국내에서는 한화에어로스페이스 등이 고체추진로켓 기술을 이어받을수 있는 역량을 갖춘 것으로 보인다. 다만 기술이전 과정에서 잡음이 없도록 절차적 투명성을 확보하고 이전받는 기업 역시 혈세로 확보한 기술을 보다 고도화하기 위한 사업 비전과 투자 계획을 면밀히 준비해야한다고 전문가들은 입을 모은다.
정부와 연구계가 로켓 기술 개발의 균형 감각을 유지하는 것도 중요하다. 그동안 대한민국은 ‘고체추진로켓→액체추진로켓’으로 기술을 진화시켜왔다. 따라서 이번에 고체추진로켓에 대한 정부와 군의 투자가 확대되더라도 그간 공들인 액체추진로켓에 대한 지원이 축소되지 않도록 확장적 연구개발비 편성이 필요해 보인다. 아울러 액체추진로켓을 개발해온 항우연과 고체추진로켓을 연구해온 ADD가 건전한 경쟁과 협업 관계를 유지하도록 관계 부처들이 잘 조율해줘야할 것으로 보인다.
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