솔직히 저도 처음엔 로켓 발사를 뉴스에서 보면서 그냥 "오, 올라가네" 하고 넘겼습니다. 그런데 엔진 연소 시험에서 단 2g의 물 때문에 엔진이 산산조각 났다는 이야기를 접한 순간, 제가 알고 있던 우주 개발의 이미지가 완전히 뒤집혔습니다. 로켓 한 발이 날아오르기까지, 얼마나 많은 사람의 땀과 실패가 쌓여 있는지를 이 글에서 풀어보겠습니다.
15층 아파트를 우주로 밀어 올리는 추진력의 원리
누리호의 제원부터 짚고 넘어가겠습니다. 높이 47.2m에 발사 시 전체 중량이 약 200톤에 달하는 발사체입니다. 15층짜리 아파트를 통째로 하늘로 올린다고 생각하면 그 규모가 조금은 와닿을 겁니다.
이 거대한 구조물을 밀어 올리는 원리는 뉴턴의 작용 반작용 법칙입니다. 풍선 입구를 놓으면 공기가 아래로 빠져나가면서 풍선이 위로 튀어 오르는 것과 같은 원리입니다. 로켓은 연료와 산화제를 연소해서 고온·고압의 가스를 뒤로 강하게 내뿜고, 그 반작용으로 앞으로 밀려 나갑니다.
여기서 산화제(oxidizer)란 연소에 필요한 산소를 공급하는 물질을 말합니다. 자동차나 비행기는 대기 중의 공기를 흡입해 연료를 태우지만, 로켓은 대기권 밖 산소가 없는 공간까지 올라가야 하기 때문에 산소를 직접 싣고 가는 겁니다. 누리호의 경우 산화제로 액체산소를 사용하며, 연료는 항공기용 등유(케로신 계열 Jet-A1에 해당하는 정제 등유)를 씁니다.
누리호 1단에는 75톤급 엔진 4기가 탑재됩니다. 이 엔진 하나가 1초에 소모하는 등유가 약 100L입니다. 4기가 동시에 작동하면 초당 400L가 사라지는 셈입니다. 실제로 200톤 발사 중량 중 연료와 산화제를 합친 추진제(propellant)가 약 180톤을 차지합니다. 여기서 추진제란 연소에 사용되는 연료와 산화제의 합산량을 일컫는 말로, 이것이 전체 발사 중량의 90%에 해당합니다. 나머지 20톤이 기체 구조물이고, 실제로 궤도에 올릴 수 있는 위성 탑재량은 약 1.5톤 수준입니다.
200톤을 들어 올리려면 중력 가속도 9.8m/s²를 기준으로 약 196만 N(뉴턴)의 추력이 필요합니다. 누리호 1단의 총 추력은 약 300톤급으로, 발사 초기에는 이 추력으로 200톤을 겨우 밀어 올리기 때문에 초기 상승 속도가 느려 보이는 겁니다. 그러다 추진제가 소모되면서 기체가 가벼워지고, 최종적으로는 초속 7.5km까지 가속됩니다.
단 분리는 왜 하는가, 그리고 실패가 남긴 교훈
제가 처음 발사 영상을 보면서 가장 의아했던 부분이 단 분리(stage separation)였습니다. 여기서 단 분리란 로켓을 여러 단으로 나눠 연료가 소모된 빈 탱크와 엔진을 순차적으로 잘라내는 방식을 말합니다. 쉽게 말해 아이스크림 포장을 먹으면서 뜯어 버리는 것과 비슷합니다. 빈 깡통을 계속 끌고 가봐야 에너지 낭비일 뿐이니까요.
로켓은 무게와의 싸움입니다. 기체에서 1kg을 빼면 위성에 1kg을 더 실을 수 있습니다. 그래서 단을 나눠 소모된 구조물을 버리는 건데, 단을 너무 많이 쪼개면 분리 메커니즘 자체가 복잡해지고 무게도 늘어납니다. 현재 기술 수준에서 최적화된 구성은 2단형 또는 3단형이고, 누리호는 3단형입니다.
단 분리 순간에는 실제 폭약이 사용됩니다. 볼트로 고정된 연결부를 화약으로 끊어내는 방식입니다. 누리호 내부에는 이런 폭약 장치가 수십 군데에 걸쳐 들어가 있습니다. 점화 카트리지, 단 분리, 위성 분리까지 모두 화약이 쓰입니다.
이 과정에서 실패도 있었습니다. 제가 가장 인상 깊었던 사례가 연소 시험 중 발생한 폭발 사고입니다. 오전 시험에서 문제없이 통과한 엔진이 오후 시험에서 갑자기 폭발했는데, 조사 결과 점화 카트리지 내부에 남아 있던 물 2g이 원인이었습니다. 2g의 물이 점화액과 반응해 고체 이물질을 만들고, 그게 연료 유입을 막으면서 연소기 내부에 연료·산화제가 과잉 축적되어 폭발한 것입니다. 그 사고 하나로 시험 일정이 6개월 지연됐고, 팀 전체가 다시 처음부터 점검을 시작해야 했습니다.
이 이야기를 접했을 때 저는 과학기술이 얼마나 정밀하고 냉혹한 분야인지를 체감했습니다. 수백억 원짜리 장비가 2g의 수분 하나로 파괴될 수 있다는 사실이, 이 일을 하는 사람들의 긴장감이 어느 정도인지를 설명해 줍니다.
한국항공우주연구원에 따르면 누리호 개발에는 항우연 인력 약 250명과 국내 300여 개 이상의 협력 기업이 참여했으며, 37만 개의 부품이 사용됐습니다(출처: 한국항공우주연구원). 실제로 부품 수를 일일이 세어봤다는 이야기는 이 프로젝트에 담긴 집념을 잘 보여줍니다.
누리호 발사 성공 당시 제어실 관계자들이 서로 부둥켜안으며 눈물을 흘리는 장면을 보면서, 저는 그 감정이 단순한 기쁨이 아님을 알았습니다. 엔진 폭발, 6개월의 지연, 러시아 기술진의 무시, 그리고 10년 넘게 쌓인 실패의 무게가 한꺼번에 터져 나온 것이었을 테니까요.
우주쓰레기 문제와 국가 주도 연구의 한계
위성을 올리는 데 성공해도 이야기가 끝나지 않습니다. 지구 궤도에는 현재 수만 개의 물체가 떠돌고 있습니다. 여기에는 작동 중인 위성뿐 아니라 퇴역 위성, 로켓 상단 잔해, 그리고 파편들이 포함됩니다.
이 문제를 설명하는 개념이 케슬러 증후군(Kessler Syndrome)입니다. 케슬러 증후군이란 궤도상 물체들이 충돌해 파편이 생기고, 그 파편이 다시 다른 물체와 충돌해 파편을 늘리는 연쇄 반응이 일어나는 상황을 말합니다. 영화 《그래비티》가 이 상황을 소재로 한 작품입니다. 실제로 중국이 2007년 자국 위성을 미사일로 파괴하는 실험을 진행했을 때, 발생한 파편만 3,000개 이상이었습니다.
이 때문에 각국은 자국이 올린 위성을 임무 종료 후 스스로 궤도 이탈시키도록 의무화하는 방향으로 규제를 강화하고 있습니다. 일본은 아예 위성 본체를 나무로 제작해 대기권 재진입 시 완전 연소되도록 하는 시도까지 하고 있습니다. 궤도에서의 책임 문제가 단순히 기술을 넘어 국제 외교와 환경 문제로 번지고 있는 셈입니다.
이 대목에서 저는 국가 주도 연구의 구조적 한계도 함께 생각하게 됩니다. 스페이스X가 실패를 전제로 빠르게 발사하고 개선하는 방식으로 기술을 쌓는 반면, 국가 예산으로 운영되는 연구소는 실패 한 번에 따르는 사회적 비용과 여론의 시선을 무시할 수 없습니다. 더 과감한 시도가 장기적으로 더 빠른 성장을 만들 수 있다는 점에서, 우리도 실패를 허용하는 연구 환경을 일부 도입할 필요가 있다고 생각합니다.
국제우주항공연맹(IAF)에 따르면 2024년 기준 전 세계 위성 발사 건수는 연간 200건을 상회하며 꾸준히 증가하고 있어, 궤도 혼잡 문제는 앞으로 더 심각해질 가능성이 높습니다(출처: International Astronautical Federation).
우주쓰레기 대응과 발사 책임에 대한 국제적 협력이 기술 경쟁 못지않게 중요한 과제가 되고 있다는 점도 이 시대의 우주 개발이 안고 있는 현실입니다.
누리호는 분명 걸음마를 뗀 단계입니다. 하지만 2032년 달 착륙선 발사를 목표로 개발 중인 차세대 발사체를 보면, 그 걸음마가 예상보다 훨씬 빠르게 뛰기 시작할 수도 있다는 생각이 듭니다. 우주 발사를 단순히 기술의 문제로 볼 것이 아니라 사람의 집념과 실패를 견디는 힘이 만들어낸 결과로 보게 되면, 다음 발사를 기다리는 마음이 조금 달라질 겁니다.
참고: 우리도 스페이스X를 넘어설 수 있을까? 누리호 개발 비하인드 대방출! (feat. 고정환 책임연구원) [취미는 과학/ 31화 확장판] :
https://www.youtube.com/watch?v=BezAmnQlV3g&list=PLkKcqR2KGxgzqeKZo1Rx93kJFokuVkpye&index=57