누리호 3단엔진 조기종료는 헬륨탱크 설계오류 탓(종합)

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(서울=연합뉴스) 정윤주 기자 = 한국형 발사체 누리호(KSLV-II) 1차 발사 때 3단 엔진이 일찍 종료된 원인은 3단 산화제 탱크 내 헬륨탱크가 고정장치 설계 오류로 제자리에서 벗어난 탓이라는 조사 결과가 나왔다.

올해 10월 21일 1차 발사된 누리호는 목표 고도인 700km에는 도달했으나, 3단부 엔진의 연소가 계획보다 이르게 종료되면서 위성모사체를 궤도에 투입하는 임무에는 실패했다.

과학기술정보통신부(과기정통부)와 한국항공우주연구원(항우연)은 누리호 1차 발사의 '비정상비행' 원인에 대한 '누리호 발사조사위원회'의 분석 결과를 29일 발표했다.

◇ 설계 오류로 헬륨 탱크 제자리서 이탈

조사위원회는 비행 중 3단 산화제 탱크 내부에 장착된 헬륨탱크가 하부 고정부에서 이탈한 것이 이상의 원인이라는 결론을 내렸다.

비행 중 헬륨탱크에 가해지는 액체산소의 부력이 상승했고, 이때 고정장치가 풀리면서 헬륨탱크가 하부 고정부에서 떨어져 나간 것으로 조사위는 추정했다.

이는 설계 오류 탓인 것으로 분석됐다.

누리호가 비행할 때 부력이 증가할 것이라는 사실에 대한 고려가 설계 시에 부족했다는 것이다.

헬륨탱크 고정장치의 설계 오류로 헬륨탱크가 제자리를 벗어났고, 이 탓에 헬륨이 누설되고 산화제탱크에도 금이 가면서 산화제가 새나가 누리호 3단 엔진에 제대로 공급이 되지 않았다는 것이 조사위의 설명이다.

조사위는 누리호의 부품들에 달린 각종 센서가 보내 온 데이터를 종합적으로 분석해 이런 결론을 내렸다.

◇ 이륙 36초 후부터 이상 징후

조사위에 따르면 누리호의 이상 징후는 이륙 36초 후부터 나타나기 시작했다.

3단 탱크연결 트러스와 위성어댑터 등에서 특이 진동이 계측됐다. 이때 헬륨탱크에서 헬륨이 새 나가기 시작했고 산화제 탱크 기체 압력도 상승했다.

이륙 후 67.6초께는 산화제 탱크의 기체 압력이 떨어졌고, 산화제 탱크 상부 표면 온도가 급격히 낮아졌다.

이륙 후 115.8초에는 헬륨탱크의 압력이 떨어졌으며 3단 산화제 탱크의 기체 압력이 올랐다.

조사위는 제자리에서 벗어난 헬륨탱크가 계속 움직이면서 탱크 배관을 변형시켜 헬륨이 새 나갔으며, 이후 산화제 탱크에서도 균열이 생겨 산화제가 새 나갔다고 덧붙였다.

이렇게 발생한 산화제 누설 탓에 3단 엔진으로 유입되는 산화제 양이 감소하면서 3단 엔진 연소가 예정보다 일찍 종료됐다고 조사위는 설명했다.

◇ 발사 475초만에 조기종료

이 때문에 10월 21일 오후 5시에 이뤄진 누리호의 1차 발사가 완벽한 성공으로 끝나지 못했다는 것이 조사위의 설명이다.

누리호는 1.5t짜리 더미(모사체) 위성을 지구 저궤도(600∼800㎞)에 투입하는 임무를 시도해 목표 고도인 700㎞에는 도달했으나 임무 달성에는 실패했다.

누리호는 이륙 1단 분리, 탑재체를 보호하는 덮개(페어링) 분리, 2단 분리, 3단 엔진 점화와 정지를 거쳐 700㎞ 고도에서 더미 위성을 분리하는 데까지 비행했다.

당시 누리호는 발사 후 127초가 지난 오후 5시 2분께 고도 59㎞에서 1단 분리를 마쳤고, 오후 5시 4분께 페어링 분리와 2단 엔진 정지, 3단 엔진 점화에 성공했다.

오후 5시 6분께 비행 고도 500㎞를, 오후 5시 8분께 비행 고도 600㎞를 돌파했으며 오후 5시 12분 누리호 3단 엔진 정지가 확인됐다. 이후 오후 5시 15분 더미 위성 정상 분리도 확인됐다.

그러나 3단에 달린 7t급 액체 엔진이 목표 시간인 521초 동안 연소되지 못하고 그보다 46초 짧은 475초만에 조기종료되면서 '비정상 비행'을 기록했다.

이후 항우연 연구진과 외부 전문가들로 구성된 조사위원회는 누리호의 3단 엔진 연소가 예상보다 일찍 정지된 사실을 밝혀내고 그 원인을 조사해 왔다.

◇ 기술적 보완조치 후 내년 2차 발사 시도

과기정통부와 항우연은 이런 분석에 입각해 누리호의 기술적 보완을 위한 세부 조처를 마련하고 향후 추진 일정을 확정할 계획이다.

아울러 헬륨탱크 고정부와 산화제 탱크 구조 강화 등을 중심으로 기술적 보완 장치를 마련할 계획이다.

조사위 위원장인 최환석 항우연 부원장은 "설계 시 비행 가속 상황에서의 부력 증가를 충분히 고려하지 못했다"며 "향후 철저한 보완을 통해 2차 발사를 준비하겠다"고 말했다.

다만 내년 5월 19일로 잠정 예정돼 있는 누리호 2차 발사일은 연기될 공산이 크며, 내년 5월 말 또는 6월 이후 시점에 2차 발사가 시도될 것으로 점쳐진다.

jungle@yna.co.kr

제보는 카카오톡 okjebo <저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포, AI 학습 및 활용 금지> 2021/12/29 18:04 송고