누리호, 엔진 연소 마지막 46초 모자라…목표속도 못미쳐 궤도진입 못해

누리호가 21일 오후 5시 전남 고흥 나로우주센터에서 발사됐다. 과학기술정보통신부 제공

우주의 문은 쉽게 열리지 않았다. 21일 첫 시험비행에 나선 누리호는 목표 궤도인 700km에는 도달해 위성 모사체 분리까지 정상적으로 진행됐지만 완벽한 성공에는 한 발짝 모자랐다. 7t급 엔진인 3단 엔진의 연소 시간이 목표 시간이었던 521초보다 46초 짧은 475초에 조기 종료되면서 궤도 투입 속도 7.5km에 미치지 못했던 것이다.

누리호는 21일 오후 5시 정각 전남 고흥 나로우주센터의 제2발사대에서 1단 엔진을 점화하며 이륙했다. 1단 엔진은 발사 127초 뒤 고도 59km까지 오르며 점화가 완료돼 분리됐다. 곧바로 2단 엔진이 점화를 시작했다. 발사 233초 뒤 위성 모사체를 덮고 있는 페어링이 분리되고, 발사 274초 뒤 고도 258km까지 오른 상태에서 2단 엔진이 점화를 마치고 분리됐다. 하지만 이후 3단 엔진의 연소 시간 부족으로 분리된 위성 모사체는 궤도에 안착하지 못했다. 속도가 부족한 위성 모사체는 이내 궤도를 이탈해 호주 남쪽 해상에 추락한 것으로 확인됐다.

과학기술정보통신부는 사고조사위원회를 꾸려 3단 엔진 연소시간이 부족했던 기술적인 원인 분석에 착수할 예정이다. 고정환 한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부장은 발사 후 브리핑에서 “위성 모사체 분리까지 모든 과정이 정확하게 이뤄졌는데 딱 하나 3단 엔진 연소시간이 짧아지면서 궤도에 진입하지 못한 데서 아쉬움이 정말 크다”며 “엔진 연소 종료 원인은 연료 탱크 내부 압력 부족이나 연소 종료 명령 오작동 등이 있을 수 있지만 데이터를 충분히 분석해 봐야 결론을 내릴 수 있을 것”이라고 말했다.

고 본부장에 따르면 3단 엔진에 사용되는 7t급 액체엔진은 1단 엔진에 사용된 75t급 액체엔진보다 개발이 더 까다롭다. 연료 노즐 설계 조건이 까다롭고 가혹하기 때문이다. 누리호 3단에 쓰인 7t급 액체엔진은 2021년 8월까지 모두 12기의 시험 엔진으로 테스트를 진행했다. 연소시험은 총 93회, 누적 연소시험 시간은 1만6925.7초에 이른다. 그럼에도 오작동으로 실패의 원인이 됐다.

오승협 발사체추진기관개발부장은 “3단 엔진 시스템에 추진제 공급 밸브류가 30여 종이 있고 부품도 43개 이상”이라며 “이 중 하나가 제대로 기능을 못했을 가능성 등 다각도에서 검토해야 한다”고 설명했다.

전문가들은 75t급 액체엔진 4기를 묶는 클러스터링 기술로 실제 비행을 한 것만으로 대단한 성과라고 보면서도 3단 엔진이 목표 시간만큼 연소되지 못한 부분은 추가 분석이 필요하다고 지적했다. 장영근 한국항공대 항공우주및기계공학부 교수는 “연소가 예상과 달리 갑자기 중단됐다면 엔진 내 밸브 중 일부가 오작동 했을 가능성도 있다”고 말했다.

하지만 이번 실험이 거의 마지막 단계까지 성공을 거두는 성과를 거뒀기 때문에 다음 재도전에선 이를 충분히 보완할 수 있을 것이란 전망이 나온다. 고 본부장은 “발사체의 자세 제어나 처음 시도한 목표 궤도 진입 위한 유도 알고리즘 등이 정확하게 진행된 것을 비행중에 확인할 수 있었다”고 말했다. 그는 또 “3단 엔진 연소시간이 짧았던 원인은 어렵지 않게 찾을 수 있고 반드시 극복해서 내년 5월에는 완벽한 결과를 낼 것”이라고 덧붙였다.