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데이터 2600개 분석, 산화제탱크 보강…누리호 3단엔진 조기연소 종료 해결

■1차 실패 반면교사…개선점은

헬륨탱크 하부 고정부·덮개 강화

토종기술로 제작, 오류 신속해결


우리 독자 기술로 개발한 한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)의 성공적인 발사는 지난해 10월 ‘절반의 성공’이라고 평가받는 1차 발사의 아쉬웠던 경험이 밑거름이 됐다는 평가다.

21일 한국항공우주연구원 등 관계자에 따르면 누리호 연구 개발 인력들은 완전무결한 성공을 위해 지난 8개월간 1차 발사 실패의 원인으로 지목된 3단 엔진 조기 연소 종료 문제 해결에 집중했다.

누리호 3단 산화제 탱크. 사진 제공=항우연




1차 발사 당시 위성모사체가 고도 700㎞ 목표에는 도달했지만 누리호 3단 엔진의 연소가 조기 종료되면서 초속 7.5㎞의 속도에는 미치지 못해 지구 저궤도에 안착하지 못하고 지구로 낙하한 것으로 추정됐다. 당시 누리호는 이륙 후 1단 분리, 페어링 분리, 2단 분리 등이 정상적으로 수행됐지만 3단에 장착된 7톤급 액체 엔진이 목표된 521초 동안 연소되지 못하고 475초에 조기 연소 종료됐다.

이에 과학기술정보통신부와 항우연은 ‘누리호발사조사위원회’를 구성하고 정확한 문제점을 찾기 위해 2개월간 항우연 실무 연구진과 총 2600여 개의 텔레메트리(원격 전송) 데이터 정밀 분석 및 해석, 실험 등을 수행했다.

누리호발사조사위 조사 결과 누리호는 비행 중 진동과 부력으로 3단부에 위치한 헬륨 탱크에 가해지는 액체산소의 부력이 상승할 때 고정 장치가 풀리며 탱크가 하부 고정부에서 이탈한 것으로 추정했다. 이후 이탈한 헬륨 탱크가 계속 움직이면서 탱크 배관을 변형시켜 헬륨이 누설되기 시작했고 산화제 탱크의 균열을 발생시켜 산화제가 누설됐다. 이로 인해 3단 엔진으로 유입되는 산화제의 양이 감소하면서 3단 엔진이 조기에 종료되는 결과를 낳았다.



당시 조사위 위원장인 최환석 항우연 부원장은 “설계 시 비행 가속 상황에서의 부력 증가에 대해 충분히 고려하지 못해 국민들의 성원에 부응하지 못한 점을 안타깝게 생각하고, 향후 철저한 보완을 통해 2차 발사를 준비해나가겠다”고 말했다.

연구진들은 누리호 2차 발사를 대비해 즉각 개선 조치에 나섰다. 3단 산화제 탱크 내부의 고압 헬륨 탱크가 이탈하지 않도록 헬륨 탱크 하부 고정부를 보강했다. 또 산화제 탱크 맨홀 덮개의 두께를 강화하는 등 기술적 조치를 실시했다. 이 과정에서 누리호의 질량이 9㎏ 늘었지만 설계 마진 기준 이내여서 발사에는 문제가 되지 않는다고 항우연은 판단했다.

문제점을 신속히 파악하고 개선점까지 찾아낸 것은 누리호를 순수 우리 기술로 개발했기 때문에 가능했다는 평가다. 2차 발사 예정일을 늦추게 했던 1단 산화제 탱크의 레벨센서 오류 파악과 문제 해결 과정 역시 누리호를 우리 기술로 만들었기 때문에 가능했다. 실제 항우연이 신속하게 ‘레벨센서 코어’ 부분에 문제가 있다는 것을 밝혀냈고 또 핵심 부품만 교체하는 방식으로 오류 해결 방안을 찾기도 했다.

이상률 항우연 원장은 “실패 원인을 분석하고 개선하는 과정도 누구의 조언 없이 우리 기술만으로 신속하고 정확하게 마무리했다”며 “누리호 1차 발사 실패와 그 극복 과정은 누구도 가르쳐주지 않는 우주발사체 기술을 심화해가는 계기가 됐다”고 강조했다.
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