우주발사체 발사를 위해서는 발사대시스템 개발이 필수적이다. 발사대시스템은 기계설비와 추진제공급설비, 관제설비로 구성되며, 그 중 기계설비는 발사지지대(Launch Pad), 이렉터(Erector), 트랜스포터이렉터(Transport-Erector), 케이블마스트(Cable-mast), 자동체결장치(Auto-coupling Device) 총 다섯 부분으로 나눌 수 있다. 발사지지대는 발사 전까지 발사체를 지지하는 구조물로 발사체의 안전을 보장하고 공급배관 및 통신라인의 경로를 제공한다. 이렉터는 발사준비과정에서 수평으로 이송된 발사체를 2개의 대형 유압실린더를 사용하여 기립시키는 장비로 발사 취소 시 발사체를 수평으로 전환한다. 트랜스포터이렉터는 조립공간에서 조립을 마치고 최종점검이 완료된 발사체를 전용차량을 이용하여 발사대로 이동하고 발사체를 안전하게 잡아준다. 자동체결장치는 지상으로부터 발사체로 연결되는 추진제, 압축가스 등의 연결배관을 자동으로 연결/분리하는 장치이다. 케이블마스트는 우주발사체 상단부의 UCU-E(Umbilical Connectors Unit-Electrical)를 통해서 전기, 고압가스, 고온공기 등을 공급하기 위한 통로로 발사 전까지 발사체시스템과 지상장비와의 통신수단이다. 또한 발사체로 연결되는 라인들을 발사 시에 나오는 후류에 의한 충격으로부터 보호하고, UCU-E가 기계적으로 분리되도록 구성되어 있다. 본 논문은 기존에 적용된 케이블마스트에 대한 구성, 기능 및 운용절차에 관한 것으로, 현재 진행 중인 한국형발사체 개발을 위한 기초 자료조사로 활용하고자 한다.
우주발사체 검사장비는 umbilical 신호를 기준으로 발사체 내부 analog input/output, discrete input/output, 외부 전원 공급 각 제어기의 RS-422 인터페이스 구현 및 제어를 통해 우주 발사체의 기능을 통합 검사하는 것을 주 목적으로 하며 우주 발사체에 탑재되는 전기/전자시스템의 개발시험 이후 시스템 레벨에서의 통합 기능시험을 수행하는 시스템이다. 본 논문에서는 우주발사체에 적용될 검사장비의 설계 및 적용 방안에 대해 기술할 것이다.
우주발사체라 함은 지구상의 물체를 우주, 즉 지구의 중력이 영향을 미치지 못하는 대기권 밖으로 운반하는 수단을 말한다. 이를 위해 다양한 추진방식이 제안되었고 연구되고 있으나 현재까지 실용화 된 것은 화학연료를 연소시킴으로 인해 발생하는 추진력으로 지구 중력을 이겨내는 방식이다. 또한 발사체 구성에서 추진기관분야는 전체 성능을 좌우할 정도로 큰 비중을 차지하고 있다. 따라서 이에 대한 최적화 및 성능 검증은 필수적이다. 추진기관에 대한 성능 검증기법은 우주발사체 기술이 발달해 옴에 따라 해석적 방법, 비 연소 모사시험 등 다양하게 제시되고 있으나, 우주발사체용 추진기관의 연소현상을 예측 및 모사하는 것이 쉽지 않고 구축된 데이터가 적기 때문에 발사체 개발 단계의 최종 검증 차원에서 연소시험을 실시하는 것이 일반적이다. 한국 최초의 우주발사체라 평가되고 있는 KSR-III 로켓의 경우에도 다양한 해석기법과 모사시험을 통해서 성능 예측을 하였으나, 역시 최종 성능 검증을 위해 10여회의 연소시험을 실시하였다. 본 논문을 통해 저자는 KSR-III 개발과정에서 수행된 10회의 연소시험의 수행 과정과 결과를 기술, 정리 및 평가하여 향후 진행될 우주발사체 개발 사업의 기초로 삼고자 한다.
지난 수년간 중소형 발사체의 부재로 중소형 저궤도 및 정지궤도 위성 발사 시장에서 어려움을 겪어왔던 유럽의 발사 서비스 관련 업체들은 이제 러시아의 소유즈와 새로운 중소형 저궤도 위성 발사체 베가를 도입하여 기존의 아리안-5 발사체로는 지원하기 힘든 중소형 위성 발사 서비스 부문을 집중 육성하려 하고 있다. 기아나 우주센터에서의 소유즈의 발사와 신형 고체로켓 베가의 개발은 2010년 이후를 겨냥한 유럽 발사체 분야의 미래 발전 계획의 한 부분이며, 이러한 계획을 구체화하여 실현하고 있는 기업이 프랑스의 아리안스 페이스사이다. 본 논고에서는 두 발사체 소유즈와 베가의 간략한 역사와 성능을 소개하였다.
우주발사체와 발사지원설비를 연결하여 추진제 공급과 전기신호 송수신 등을 가능하게 하는 메커니즘을 엄브리칼 장치라고 한다. 국내 우주발사체의 경우 액체산소와 케로신을 추진제로 사용하며, 질소, 공기 및 헬륨 등의 가스를 밸브구동, 공간 퍼지, 추진제 가압에 이용한다. 본 논문에서는 우주센터의 발사대설비에 적용된 엄브리칼 장치 중 추진제 및 고압가스 공급을 위한 자동체결장치(auto coupling device)의 구성, 기능 및 발사 준비를 위한 프로세스에 대해 기술하고 있다. 자동체결장치는 발사체 하부 두 곳에 연결되며, 산화제 공급측의 체결장치(coupling device 1)와 연료 공급측의 체결장치(CD 2)로 구성된다. 이 장치는 발사체와의 접촉면에서 기밀을 확보한 상태에서 내부의 탱크, 밸브, 인터스테이지 등에 추진제 및 각종 가스를 공급하는 통로역할을 하며, 발사준비가 완료된 후에는 발사체 이륙 전 또는 이륙과 동시에 발사체로부터 자동으로 분리된다. 각각의 체결장치 구성품으로는 발사체 이륙시 발생하는 고온의 화염으로부터 장치를 보호하는 PD(protective device), 접촉면에 기밀을 제공하고 추진제 누출을 방지는 MCP(multi-channel plate), 접촉면을 보호하기 위한 덮게, 각종 연결 배관의 전진과 후진을 위한 캐리지, 발사체와의 체결을 지지하는 그립 등이 있다. 발사 준비를 위해서 사전에 장치의 독립운용시험을 통해 각 구성품의 상태와 기능을 점검하고 장치의 작동성을 검증한다. 이후 발사체를 모사하는 기체 및 관제설비와 종합적으로 연계 시험과 모사시험을 수행하여 최종적으로 발사준비상태를 확인하게 된다. 이러한 자동체결장치의 운용 경험은 한국형발사체의 지상지원설비 개발에 활용할 수 있을 것이다.
일본의 우주개발 사업기구로는 우주개발사업단(NASDA)과 통신.방송위성기구 등이 있다. NASDA는 준 정부기관으로 우주개발활동을 책임지고 있으며, N-I 우주발사체 개발에 이어 1987년에 N-II 발사체의 개발을 성공적으로 수행하였다. NASDA는 1990년대 후반에 소요될 대용량의 인공위성발사 및 점증하는 우주개발활동에 사용하기 위해 차세대 발사체로서 결제적이며, 신뢰도가 높은 H-II 발사시스템을 개발하고 있다
국가위상 제고와 국내 발사체산업 발전에 따른 경제 발전을 위하여 우주발사서비스 시장진입은 필수적이다. 발사체 개발의 후발주자로써 시장에 효과적으로 진입하기 위해서는 시장의 트렌드를 정확하게 파악하고, 체계적인 시장진입전략을 수립하여야한다. 본 논문에서는 세계 우주발사서비스 시장의 3가지 핵심트렌드(고성능의 대형 우주발사체 수요 증가, 저가형 우주발사체 증가, Dual/Multi-Launch 증가)를 도출하고, 각 핵심트렌드에 대응하기 위한 전략의 우선순위를 쌍대비교분석법을 통해 평가하였다. 그 결과 모든 트렌드 하에서 발사체 신뢰성 확보 전략이 가장 중요하며, 고성능의 대형 우주발사체 수요 증가 트렌드 하에서는 정부 지원 전략이, 저가형 우주발사체 및 Dual/Multi-Launch 증가 트렌드 하에서는 가격 경쟁력 확보전략이 두 번째 우선순위를 보였다.
우주발사체 개발은 우주 선진국으로 도약하기 위해 반드시 필요한 중요한 사업이며 막대한 비용과 장기간의 개발기간이 소요되는 만큼 위험이 존재한다. 성공적이고 효율적인 우주발사체 개발을 위해서는 적절한 개발 비용 산정이 중요하다. 또한, 우주발사체를 상업용 발사체로 활용하기 위해서는 다른 우주발사체와의 경쟁력 비교를 위해 생산 및 운용 비용의 추정도 필요하다. 본 논문에서는 한국에서 개발되는 우주발사체의 생산 및 운용 비용을 추정할 수 있도록 한국의 인력 및 기술 수준, 평균 작업시간 등과 같은 요소를 반영할 수 있는 한국화요소에 대해 분석하였다. 또한, 한국화요소를 적용하여 KSLV-II의 생산 및 운용 비용을 추정해보고 해외 발사체의 발사 비용과 비교를 통해 발사체 서비스 시장에서 상업용 발사체로서 경쟁력을 평가하였다.
우리 나라는 90년대에 들어서 향후 2015년까지 세계 10위권의 선진우주국에 진입한다는 우주개발중장기목표를 설정하고 중간 추진단계로서 2005년까지 국내기술에 의한 저궤도위성 및 발사체를 개발한다는 목표를 세우고 있다. 그리고 이를 위한 구체적인 시행 프로그램으로서 KSR-I및 KSR-II사업을 추진하여 성공적으로 완료하였으며, 이제 2002년까지 KSR-III사업으로 3단형 액체추진로켓을 개발 중에 있다. 현재 세계 우주 발사체 시장은 저궤도위성의 수요가 급증함으로서 전 세계적으로 저가의 우주발사체 개발을 서두르고 있으며, 우주선진국들은 경쟁적으로 기술혁신을 추진하고 있다. 그러나 개발도상국가들이 이에 참여하는데 있어서는 G7선진국들이 이미 마련한 MTCR(Missile Technology Control Regime)규제에 의거 기술이전 및 부품수입이 어렵기 때문에 자력에 의한 발사체 개발이 불가피하다. 본 고에서는 우주발사체 주요 선개발국 8개국의 기술혁신 과정과 정책 및 추진체계 등을 분석하고, 국내 발사체 개발에 참여하고 있는 주요 7개 민간기업을 대상으로 실시한 설문조사와 현장 실태조사를 바탕으로 기술혁신을 촉진하는 구체적인 정책대안 및 목표년도에 성공적인 발사를 위한 개선방안을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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