[논문]한국형발사체 이후 우리나라의 우주발사체 개발 방향 및 기술 발전 전망

조상범; 이기주; 선병찬

doi:10.5139/jksas.2016.44.8.668

한국형발사체 이후 우리나라의 우주발사체 개발 방향 및 기술 발전 전망
Development Directions of Succeeding Launch Vehicles of KSLV-II and Outlooks for Technology Advancement 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.8, 2016년, pp.668 - 674

조상범 (Korea Aerospace Research Institute) , 이기주 (Korea Aerospace Research Institute) , 선병찬 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서는 우주개발 중장기 계획에 따라 2020년 이후 한국형발사체의 후속으로 계획된 정지궤도위성 발사체와 대형 위성 발사체의 개발 방향에 대한 논의와 이를 구현하기 위해 요구되는 발사체 기술들에 대해 전망한다. 차세대 발사체는 고성능화뿐 아니라 저비용 및 고신뢰도를 목표로 세계 위성 발사 서비스 시장에서 경쟁할 수 있는 발사체로 개발되어야 하며, 이를 위해 75톤 급 케로신/액체산소 로켓 엔진 등 한국형발사체를 통해 확보된 발사체 기술 기반 및 개발 성과를 활용하고 발전시키는 방향으로 개발되는 것이 바람직하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper the development directions of the next generation launch vehicle program following KSLV-II has been discussed, which are to be executed after year 2020 according to the Medium and Long Term Plan for National Space Development. Also, several areas of technology advancement have been identified for the successful development of the LVs. The next generation LV must aim for not only the high performance but also for low cost as well as high reliability in order to compete against global commercial launch service providers. To this end, the next generation LVs program shall capitalize on many anticipated accomplishments of the KSLV-II program such as the 75 ton class LOX/kerosene rocket engine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이와 같이 제시된 발사체 분야의 우주개발 중장기 계획에서 제시된 목표를 달성하기 위한 우리나라의 발사체 개발 방향에 대해 논의하고 이를 실현하기 위해 요구되는 발사체 핵심 기술들에 대해 전망해 본다.
우리나라의 발사체가 케로신 연료를 기반으로 개발된다면 수소 등의 연료를 혼용하지 않고 단일 연료를 사용하는 것이 비용과 시스템의 단순성 측면에서 유리하다. 케로신 연료를 사용하면서 비추력을 높일 수 있는 방법으로 산소 과잉 다단연소 사이클 (Oxygen Rich Staged Combustion Cycle) 엔진을 개발하는 것이다. 다단연소 사이클 엔진은 가스발생기 사이클 엔진에 비해 고온고압 상태로 작동이 되므로 이를 뒷받침하기 위한 소재, 코팅 및 냉각 기술 등이 요구된다.

성능/효과

(1) 한국형발사체의 개발 성과 활용 : 한국형 발사체 개발 과정에서 습득한 기술, 경험 및 요소 하드웨어를 최대한 활용한다.

후속연구

(4) 신뢰성 향상 : 실패 모드의 최소화 및 발사체 구성 요소의 신뢰성 확보를 통해 신뢰도가 높은 발사체로 개발한다.
각 서브시스템 별로 분산된 전자 탑재 박스들을 통합하여 개수를 줄이고 다중화를 통해 신뢰성을 높이면 발사체의 임무 성공을 높일 수 있을 것으로 기대 된다. 또한 회로 설계와 소자에서도 우주환경에서 안정적으로 작동할 수 있도록 기술 향상이 필요하다.
수소와 메탄 엔진의 경우 연료의 기화 특성을 이용한 단순한 구성의 Expander Cycle 엔진을 개발하면 비용과 신뢰성 측면에서 장점을 가질 수 있다. 그러나 우리나라에는 액체수소/메탄 관련 기반 기술이나 인프라의 구축이 미미한 상태이므로 수소 또는 메탄 추진제 엔진을 사용하기 위해서는 많은 초기 개발 비용의 투자가 예상되므로 단지 발사체의 성능뿐 아니라 비용의 관점에서도 비교 분석을 통해 기술 개발 여부를 결정해야 할 것으로 생각된다.
따라서 열공력 분야에서의 재진입 열해석 기술과 단의 재진입 시 발생하는 고온을 견뎌낼 수 있는 내열 소재 기술 등이 요구된다. 또한 대형 발사체의 엔진 화염에 대한 열해석, 대형 발사체 내부 공간의 열제어 기술 등 발사체의 대형화에 따라 발생하는 기술적인 문제들에 대응하기 위한 기술 개발이 필요할 것으로 예상된다.
주로 연료와 산화제의 혼합비 변화에 의해 잔류 추진제가 발생하는데 이를 방지하기 위해서는 비행 중 탱크 내의 잔류 추진제 양을 정확히 측정하는 추진제 잔류량 모니터링 시스템과 비행 중 추진제 혼합비를 제어하여 남는 추진제가 없도록 하는 혼합비 제어 시스템 기술이 요구된다. 또한 액체 보조 부스터를 사용할 경우 보조 부스터 간에 추진제 소모가 동일한 속도로 이루어지도록 추진제 소모율을 모니터하고 제어하는 기술도 필요할 것으로 판단된다.
또한 우리나라의 발사체 기술은 해외 선진국에 비해 뒤져있는 상황이기 때문에 현재는 기존의 발사체 기술을 추격하는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있으나 한국형발사체를 통해 독자적인 발사체 기술에 대한 신뢰가 확보된 이후에는 발사체 신기술 개발로 나아가는 형태로 진행되어야 할 것이다.
본 논문에서는 이를 위해 요구되는 기술을 기술 분야 별로 나누어 전망하였으나 현재로서는 해외 발사체의 개발 추세를 반영한 예상이며, 구체적인 필요 기술의 식별은 차세대 발사체의 개념 연구와 함께 산·학·연의 발사체 개발 방향에 대한 공감대 형성, 국내 발사체 개발 인프라 검토 등을 통해 구체화되어야 할 것으로 생각된다.
경쟁력 있는 발사체 개발을 위해 차세대 발사체에서는 단 또는 엔진의 재사용(re-usable)을 고려할 수 있다. 분리된 단을 회수하기 위한 방안으로 Falcon 9 발사체와 같이 분리된 단의 재점화를 통한 귀환 및 수직 착륙 기술, 차세대 Ariane 발사체의 엔진부 비행 귀환 방식, 또는 낙하산을 이용한 회수 방식 등 우리 발사체의 상황에 맞는 방식의 결정 및 필요 기술을 개발해야 한다.
앞 절에서 제시한 차세대 발사체의 개발 방향인 고성능, 저비용, 고신뢰도의 목표는 동시에 달성하기 어려운 목표로서 많은 설계 사이클의 반복과 트레이드오프 연구가 필요하다. 통합 최적 설계 기법은 이런 발사체 설계 과정의 많은 부분을 자동화함으로써 설계 기간을 단축할 수 있으며, 또한 최적화 기법을 통해 주어진 제한 조건 내에서 가장 효율적인 설계안의 도출을 가능케 한다.
미국의 Atlas V, Delta IV, Falcon 9/Heavy, 러시아의 Angara 등 최근의 발사체는 보조 부스터의 사용이나 발사체 단의 공용화(Common Booster Core, Universal Module), 상단 추진 시스템 업그레이드 등을 통해 동일한 발사체 군 (Family) 내에서 다양한 위성의 요구에 맞게 발사체의 단 구성을 다변화할 수 있도록 하고 있다. 차세대 발사체도 이와 같은 확장성을 고려하여 발사체를 설계한다면 향후의 발사체 성능 향상 뿐 아니라 비용과 신뢰성 측면에서도 큰 이점이 있을 것으로 판단된다.
한국형발사체의 후속으로 개발되는 정지궤도 위성 발사체 및 대형 위성 발사체는 고성능화뿐 아니라 저비용, 고신뢰도를 목표로 개발하여 세계시장에서 경쟁할 수 있는 발사체로 개발해야 하며, 이를 위해 75톤 급 케로신/액체산소 엔진 등 한국형발사체의 개발 성과를 활용하고 발전시키는 방향으로 개발되어야 한다. 본 논문에서는 이를 위해 요구되는 기술을 기술 분야 별로 나누어 전망하였으나 현재로서는 해외 발사체의 개발 추세를 반영한 예상이며, 구체적인 필요 기술의 식별은 차세대 발사체의 개념 연구와 함께 산·학·연의 발사체 개발 방향에 대한 공감대 형성, 국내 발사체 개발 인프라 검토 등을 통해 구체화되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2013년에 제정된 우주개발 중장기 계획에는 무엇이 제시되어 있는가?	2013년에 제정된 우주개발 중장기 계획(제2차 우주개발진흥 기본계획 수정)에는 우리나라의 2020년까지의 구체적인 우주개발 계획과 함께 2040년까지의 우주개발 비전 및 목표가 제시되어 있다. 그 중 우주 발사체 분야에서는 1단계로 현재 개발이 진행 중인 한국형발사체(KSLV-II)를 통해 1.
	우주개발 중장기 계획에서 대략적으로 제시된 차세대 발사체들의 투입 성능 목표는 무엇인가?	•KSLV-II: SSO 1.5톤 이상, LEO 2.6톤 이상 •KSLV-III: GTO 3톤 이상, LEO 8톤 이상 •KSLV-IV: GTO 5~6톤, LEO 15~20톤
	저비용/고신뢰도를 달성하기 위한 첫 번째 전략은 무엇인가?	저비용/고신뢰도를 달성하기 위한 첫 번째 전략은 한국형발사체의 개발 성과를 효율적으로 활용하는 것이다. 기존의 기술을 바탕으로 성숙도를 높여가는 방법은 신규 기술을 개발하는 것에 비해 신뢰도를 높일 수 있으며 이미 구축된 개발 인프라를 활용할 수 있다는 측면에서 비용 절감도 기대할 수 있기 때문이다.

참고문헌 (5)

Isakowitz, S. J., Hopkins, J. B., and Hopkins Jr., J. P., "International Reference Guide to Space Launch Systems Fourth Edition," AIAA, 2004.
2015 NASA Technology Roadmaps, NASA.
Dinardi, A., Bjelde B., and Insprucker J., "Operatinal Status of the SpaceX Falcon 1 and Falcon 9 Launch Vehicles," International Astronautical Congress, 2010.
Hao P., Wang B., Li G., Meng Z., Tian K., and Tang X., 2014, "Hybrid optimization of hierarchical stiffened shells based on smeared stiffener method and finite element method," Thin-Walled Structures 82 pp. 46-54.

상세보기
Nimura K., Akiyama K., Egawa K., Ujino T., Sato T., and Oowada Y., "Technologies and Prospects of the H-IIB Launch Vehicle," Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 50 No. 1.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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