'누리호 3차발사' 주요 내용 | 2차 발사와 다른 점은, 탑재 위성의 제원과 임무

Contents.

누리호, 과거 발사와 뭐가 다를까
'차소위성 2호', 태양을 쫓아간다
누리호 탄 큐브위성 임무는?

 

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누리호, 과거 발사와 뭐가 다를까

이달 말 진행 예정인 한국형 발사체 '누리호' 3차 발사가 1, 2차 발사와 가장 다른 점은 위성모사체(더미 위성)나 성능검증위성 등이 아닌 진짜 실용 위성이 실린다는 점이다.

 

자동차로 비유하자면 종전의 발사는 마네킹을 태우고 진행하는 충돌 테스트 같은 '시험 발사'의 성격이고, 이번에는 진짜 승객을 태우고 차를 운행하는 셈이다.

 

5월 7일 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원에 따르면 누리호는 오는 24일 오후 6시24분(±30분) 예정대로 발사될 예정이다. 발사 예비 기간은 25~31일이다.

 

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3번째 발사긴 하지만 누리호 기체 자체는 지난 1~2차와는 큰 차이가 없다. 다만 지난 2차 발사까지는 13년간 1조9572억원이 투입된 '한국형 발사체 개발 사업' 하에서 진행됐고, 이번 3차 발사부터는 '한국형 발사체 고도화 사업'이 적용된다.

 

지난 누리호 2차 발사 성공으로 개발 사업은 성공적으로 끝마쳤고, 6874억원을 투입하는 고도화 사업은 반복발사를 통해 우리 발사체의 신뢰성을 높이고, 기술을 민간에 이전하는 것이 주요 목표다. 이번 발사를 포함해 2027년까지 누리호를 총 4차례 발사한다는 계획이다.

 

지난해 6월 성공한 2차 발사와 이번 3차 발사를 비교해보면 3차 발사의 위성부 총 중량이 더 가볍고 목표 고도도 낮다. 2차 발사가 1500㎏에 달하는 무거운 성능검증위성과 더미위성을 700㎞ 고도 궤도까지 쏘아 올렸다면, 이번에는 총 504㎏의 실용 위성 8기(사출장치 포함)를 550㎞에 안착시키는 것이 목표다.

 

2차 발사까지는 시험 성격이었던 만큼 누리호의 최대 탑재 중량인 1500㎏을 가득 채웠고, 목표 궤도도 기체의 투입 궤도인 600~800㎞의 중간으로 설정했던 것이다. 반면 3차 발사에서는 시험이 아닌 실제 위성들을 보내는 만큼 되려 무게가 더 가벼워졌다.

 

아울러 2차 발사때는 성능검증위성이 발사체에서 분리된 뒤 더미위성을 별도로 분리했는데, 3차 발사에서는 위성들이 발사체에서 직접 사출된다. 가장 거대한 주탑재위성인 '차세대 소형위성 2호'가 가장 먼저 사출되고, 이후 20초 간격으로 나머지 7개의 큐브위성들이 순차적으로 분리되는 식이다.

 

누리호의 전체 발사 시퀀스는 2차 발사 때와 차이가 거의 없다. 발사 이틀 전까지 기체 조립 및 발사대의 발사운용모드 전환을 마치게 되며, 하루 전 누리호를 조립동에서 발사대로 이송해 수직으로 기립시키고 엄빌리칼(연료 공급용 케이블) 연결 및 기밀점검 등 최종 준비 작업을 진행하게 된다. 추진제(연료) 충전과 기상상황 점검도 발사 하루 전 모두 마친다는 계획이다.

 

발사 당일에는 기체 전원, 추진제 충전 등에 대한 최종 점검 절차를 거치고 한번 시작하면 중단이 어려운 액체산소 및 케로신 충전을 진행하게 된다.

 

이후 발사 10분 전까지 발사 진행 여부를 최종 결정하고, 10분 전부터 '발사자동운용(PLO)'이 시작되면 사람의 개입 없이 컴퓨터에 의해 마지막 발사 절차가 진행된다. 문제가 발생하지 않으면 발사 4초 전 엔진이 점화되고 발사대 고정 장치가 해제되며 우주로 솟아 오르게 된다.

 

이륙이 성공하면 272초까지 1~2단부가 모두 분리되고, 이륙 783초 뒤 목표 고도인 550㎞에서 차세대 소형위성 2호가 1차로 사출된다. 이륙 후 923초까지 모든 탑재 위성이 순차 분리되면 누리호 3차 발사에서 '발사체'의 임무는 모두 종료된다. 분리된 누리호 1·2단과 페어링은 나로우주센터 남쪽 430~2804㎞ 해상에 낙하하게 된다.

 

누리호 3차 발사에서의 또다른 큰 변화점은 민간 체계종합기업이 최초로 발사에 참여했다는 것이다. 국내 발사체 산업생태계의 기술 수준 향상을 위해 지난해 10월 선정된 한화에어로스페이스가 제작 총괄 관리, 발사 공동 운용 역할을 수행했다.

 

누리호 고도화 사업의 일환으로 참여한 체계종합기업은 향후 발사에서 점차 역할이 커지며 항우연 대신 발사를 주도할 예정이다.

 

4차 발사부터는 발사운용관련 기술 습득 진척 상황을 고려해 참여 범위를 확대하고, 6차 발사에서는 발사책임자(MD), 발사운용책임자(LD) 및 발사관제센터(LCC) 일부 콘솔을 제외하고 체계종합기업이 모두 참여하게 된다.

 

이처럼 누리호 반복 발사를 통해 국내 개발 위성의 발사 수요 충족, 누리호 신뢰성 향상, 국내 발사체 산업생태계의 기술 수준 향상 등 여러 마리 토끼를 모두 잡는다는 게 정부의 목표다.

 

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'차소위성 2호', 태양을 쫓아간다

처음으로 실용 위성을 싣고 우주로 향하는 누리호 3차 발사의 주요 탑재체는 우주중점기술의 국산화를 위한 과학임무를 수행하는 '차세대 소형위성 2호(차소위성 2호)'다. 주탑재체인 만큼 가장 크고 무거우면서 누리호 내 위성을 장착하는 어댑터에서도 한가운데를 차지하게 된다.

 

과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원 등에 따르면 오는 24일 진행되는 누리호 3차 발사에는 한국과학기술원(KAIST) 인공위성연구소가 주관해 개발한 차소위성 2호가 주탑재위성으로 실리게 된다. 차세대 소형위성 2호는 이미 지난 2일 나로우주센터로 옮겨져 누리호에 실릴 준비를 하고 있다.

 

지난 2017년 3월부터 올해 8월까지 총 240억원을 들여 추진된 차소위성 2호 사업은 영상레이다(SAR)를 비롯한 중점기술의 국산화, 우주과학 연구, 위성핵심기술의 우주검증 등의 임무를 추진한다. 차소위성 2호는 누리호 탑재 위성 중 가장 먼저 분리돼 550㎞ 상공에서 이같은 임무를 수행하게 된다.

 

임무 수행을 위해 차소위성 2호에는 중점기술탑재체인 'X-대역 영상레이다', 과학임무탑재체인 '우주방사선 관측기', 그리고 위성핵심기술검증탑재체 4종이 실렸다.

구름·어둠 뚫고 지상 보는 'X-대역 영상레이다', 국산화 기술로 지구 환경 변화 탐지

X-대역 영상레이다는 우주에서도 빛이나 구름의 영향을 받지 않고 주야간 지상 관측을 가능하게 해준다. 일반적인 광학카메라는 가시광석 영역에서 영상을 얻어 구름이나 어둠의 영향을 받으면 관측이 곤란하다.

 

하지만 지상으로 위성에서 전파를 쏜 뒤 지상에서 산란돼 되돌아오는 신호를 기반으로 지형지물을 인식하는 SAR 기술을 활용하면 어떤 환경에서도 구조를 파악할 수 있다.

 

이번에 차소위성 2호에 실린 X-대역 SAR은 해상도 5m에 관측폭 28~40㎞, 관측각 20~35도 수준이다. 가시광선을 활용한 광학카메라의 영상과 비교해도 큰 차이 없이 지형지물을 구분해낼 수 있다.

 

이같은 X-대역 SAR 기술을 검증, 국산화하고 지구 관측 영상까지 획득하는 것이 이번 발사를 통한 차소위성 2호의 핵심 임무다. 한반도 이상기후에 영향을 주는 북극 해빙변화 탐지, 산림 생태변화 탐지, 해양 환경오염 탐지 등에 SAR을 통한 지구 관측 영상을 활용할 수 있을 전망이다.

'차소위성 2호' 우주방사선 지도 그린다, 韓 위성핵심기술 우주 검증도 추진

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차소위성 2호가 근지구 궤도를 돌게 되는 만큼 해당 궤도에서 중성자 및 하전입자에 대한 우주방사선을 정밀 측정해 우주 방사선량 지도까지도 작성하게 된다. 이를 기반으로 태양활동 상승 주기의 우주방사선 변화와 우주환경 영향, 근지구 궤도의 중성자 가중치 등을 연구한다는 계획이다.

 

우리나라 산·학·연이 개발한 핵심기술의 우주 검증을 위해서는 ▲상변환물질(PCM) 적용 열제어장치 ▲X-대역 전력증폭기 ▲GPS/갈릴레오 복합항법 수신기 ▲태양전기 배열기 등이 탑재됐다.

 

이같은 기술검증탑재체들은 위성 내 발열부품의 온도제어기능, 120W 이상 전력증폭기의 성능, 저궤도 위성용 항법 수신기의 성능, 20W급 태양전지판의 전력생성 기능 등이 향후 또다른 우주 임무에서 실용화될 수 있도록 검증하는 역할을 맡게 된다.

 

이처럼 다양한 임무를 맡게 되는 차소위성 2호는 카이스트 지상국을 주관제소로 하고, 부관제소인 스웨덴 보덴 지상국, 비콘수신소인 남극세종기지 등 총 3곳의 지상기지와 교신하며 임무 수행 여부를 확인하게 된다.

에너지 많이 쓰는 SAR, 태양 쫓는 '여명-황혼궤도' 타고 전력 지속 생산

차소위성 2호의 가장 눈에 띄는 특징은 2년 이상에 달하는 임무 기간 내내 비행 궤도가 '태양빛'에서 벗어나지 않는다는 것이다. 태양의 시야에서 보면 차소위성 2호는 절대 지구 그림자 뒤로 숨지 않는다.

 

이는 차소위성 2호의 임무 궤도가 이른바 '여명-황혼궤도'에 해당하기 때문이다. 여명-황혼궤도는 승교점(천체 궤도가 기준면과 만나는 점) 통과 지역시가 아침 6시 또는 저녁 6시인 태양동기궤도다.

 

차소위성 2호가 이같은 임무궤도를 택한 것은 핵심 임무를 맡게 되는 SAR 탑재체가 전력을 많이 소비하기 때문이다. 기체를 태양에 상시 노출함으로써 전력을 계속해서 생산할 수 있다는 계산이다.

 

누리호 3차 발사가 종전 발사보다 2시간 가량 늦은 오후 6시24분에 이뤄지는 것도 이 궤도에 위성을 맞추기 위해서다. 우리나라에서 오후 6시24분께 누리호를 발사하면 차소위성 2호가 남반구를 통해서 승교점을 통과할 수 있게 된다.

 

장태성 카이스트 인공위성연구소 차소위성2호 사업단장은 "SAR 기술 개발, 핵심기술 우주검증, 과학연구 지원을 위한 소형 위성을 국산화해 개발하는 것이 목표"라며 "특히 저희가 개발한 SAR을 실제로 우주에서 지상 관측에 활용하는데 중점을 둘 계획"이라고 강조했다.

 

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누리호 탄 큐브위성 임무는?

누리호 3차 발사의 가장 큰 의의는 외부 손님이라고 할 수 있는 민간기업의 위성들을 처음으로 우리 발사체에 싣고 우주로 쏘아올린다는 점이다.

 

주탑재위성인 '차세대 소형위성 2호'는 애초부터 누리호 탑재가 결정돼있었다. 다만 나머지 부탑재 위성 7기는 이번 발사를 국내 위성 산업의 성장 기회로 삼는다는 목표 하에 공모를 통해 가장 현실성 있고 공공적 목적이 강한 것들로 추가 선정됐다.

 

과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원에 따르면 누리호 3차 발사에는 한국천문연구원의 '도요샛(SNIPE) 4기와 민간 우주업체 루미르의 'LUMIR-T1', 져스텍의 'JAC', 카이로스페이스의 'KSAT3U' 등 총 7기의 큐브위성이 부탑재위성으로 탑재된다.

나노위성 최초로 '편대 비행' 진행하는 도요샛, 시공간 변화 따른 우주 날씨 관측

천문연의 도요샛 프로젝트는 총 4기의 10㎏급 나노위성들이 근지구 우주날씨를 관측하는 임무를 수행하게 된다. 예상 수명은 약 1년 정도이나, 6개월 내에 목표 임무를 모두 수행할 수 있을 것으로 예상된다.

 

도요샛 위성들은 주탑재위성과 민간기업의 큐브위성들이 모두 분리된 뒤 마지막으로 누리호에서 사출된다. 이륙 후 863초부터 1호기의 분리가 시작되며, 20초 간격으로 4호기까지 모두 분리된다. 이후 약 12시간에 걸쳐 대전, 에티오피아, 유럽에 있는 지상국과 교신을 시도하고 결과를 확인하게 된다.

 

도요샛의 가장 큰 특징은 4기의 나노 위성들이 '편대 비행'을 한다는 것이다. 첫 3개월 동안은 이들 위성 군이 남북 방향으로 일렬 종대 비행하며 우주 날씨의 시간적 변화를 관측하게 된다. 이 기간 동안은 속도 차이에 의해 2000㎞까지 벌어졌던 위성 간 거리가 10㎞ 이내로 줄어들게 된다.

 

종대 비행 이후에는 또 다시 3개월 동안 위성군이 동서 방향으로 횡대 비행을 하며 우주 날씨의 공간적 변화를 관측하게 된다. 이때는 10㎞로 줄어들었던 위성 간 거리가 다시 400㎞까지 벌어지게 된다. 천문연에 따르면 이같은 편대 비행을 나노위성 급에서 시도하는 것은 전세계에서 도요샛 프로젝트가 처음이다.

 

우주날씨 관측을 위해 횡대 비행을 하고 있는 도요샛 위성 4기 상상도. (사진=항우연 제공)

 

도요샛 위성들은 굉장히 작은 사이즈이긴 하지만 자세제어계, 명령 및 자료처리 시스템, 전력계, 통신계, 추진계 등 위성으로써 갖춰야 할 기본 시스템은 모두 갖추고 있다. 특히 자세제어의 경우 별센서 등을 활용해 큐브위성 수준에서 굉장히 정밀한 제어가 가능하고, 통신 부문도 대폭 보완돼 UHF 통신·S-밴드 통신 등 다른 큐브위성보다 더 원활한 통신이 가능하다.

 

과학탑재체는 위성통신 및 GPS 신호를 교란할 수 있는 전리권 플라즈마를 관측할 수 있는 '랑뮈어 탐침'이 대표적이다. 오로라 같은 우주날씨 현상을 관측할 수 있는 '입자검출기', 지구 자기장을 측정하는 '자력계', 우주 공간 감마선 에너지를 관측할 수 있는 '감마선 버스트 모니터' 등도 탑재됐다.

 

도요샛과의 교신을 위한 지상국은 대전 천문연에 UHF 안테나 1기와 S-밴드 2기로 구성됐고, 위성 관제를 위한 임무 운영 센터도 별도로 구축됐다. 천문연은 도요샛이 수집한 위성 데이터를 미 항공우주국(NASA)와 함께 활용해 공동 연구를 진행하는 협약까지 맺기도 했다.

우주방사능 측정부터 우주쓰레기 경감까지 실증, 민간위성 3기도 우주 임무 나서

도요샛과 함께 탑재된 민간 우주기업들의 큐브위성들도 각기 다른 우주 환경 임무를 수행하게 된다. 루미르의 'LUMIR-T1'은 우주방사능량 측정과 우주방사능에 대한 오류 극복 기능의 우주 실증을 진행할 예정이다.

 

위성 궤도 환경에서의 우주방사능량을 실시간 측정해 데이터베이스를 구축하는 것이 선결 과제다. 또한 위성 내 프로세스·메모리·IO장치의 우주 방사능에 의한 오류 현상을 측정하고, 오류 극복 기능이 실제 작동하는 지에 대한 성능 시험도 이뤄진다.

 

져스텍의 'JAC' 큐브위성은 광학탑재체의 관측영상을 획득하고, 자세제어시스템의 우주 환경 성능을 검증하는 게 목표다. 해상도 4m의 우주용 광학관측카메라의 실용도를 확인하고, 자체 제작한 큐브위성 플랫폼 및 탑재컴퓨터, 자세제어를 위한 별추적기·반작용휠·자기토커, 전력계 등 플랫폼 주요 부분품이 우주 공간에서도 제대로 작동하는 지 검증할 계획이다.

 

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카이로스페이스의 'KSAT3U'는 지표면 편광 관측을 통해 기상 현상을 관찰하고, 한반도 지표면 편광데이터를 수집해 관련 연구부서 및 학계에 제공할 방침이다.

 

KSAT3U에는 위성이 고장나거나 임무를 마쳤을 때 자동 작동해 위성이 궤도에서 조기 이탈해 대기권에 진입·소멸하도록 하는 기술도 적용됐다. 임무를 마치게 되면 위성의 부피가 부풀어오르며 기체가 2~3년 내 궤도에서 이탈하게 될 전망이다.

 

출처

실제 위성 태운 누리호…과거 발사와 뭐가 다를까[누리호 3차발사①]

누리호 1등석 타는 '차소위성 2호'…태양을 쫓아간다고?[누리호 3차발사②]

"도요샛부터 민간위성까지"…누리호 탄 큐브위성 임무는?[누리호 3차발사③]

뉴스1 그래픽뉴스