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김종암 교수
서울대학교 우주항공공학부
김종암 교수
서울대학교 우주항공공학부
재사용 우주비행체 해석 및 설계 기술
[들어가는 말]
재사용 우주비행체는 재진입 기술을 적용해 비행체의 재사용성을 높임으로써 운용 비용을 줄이고 동시에 효율적으로 복합적·장기적 우주 임무를 수행할 수 있는 비행체를 말한다. 재사용 우주비행체의 역사는 1940년대 미 공군, 해군, NACA(미항공자문위원회, NASA의 전신)의 X-시리즈 개발로부터 시작되었다고 할 수 있다. 1947년에 벨社의 XS-1이 최초의 초음속 비행을 성공하며 X-15 프로그램으로 이어졌고, 이 프로그램을 진행하며 재진입 환경을 견디면서 가벼운 기체구조 개발을 포함하여, 우주 비행을 위한 각종 연구를 수행할 수 있었다. 이후 수많은 X-시리즈 실험기를 통해 항공우주 핵심 기초 기술을 획득하였고 이는 우주왕복선의 개발의 초석이 되었다. 잘 알려져 있듯이 우주왕복선은 미국 NASA에서 초대형 우주정거장 건설을 위해 개발한 인류 역사상 최초의 재사용 우주비행체이다. 정확히 말하자면, 우주왕복선은 재사용 가능한 비행기 모양의 궤도선과 소모성 장치인 외부 연료 탱크, 고체 로켓 부스터로 구성되어 있는 부분적 재사용 우주비행체라 볼 수 있다. 때문에 우주왕복선의 운용 예산은 예상치를 크게 웃돌아 비판적 여론의 대상이 되기도 했으나, 냉전이라는 이념적 대결 구도 하에서 경제성 보다 성능이 우선시되었으므로 지속될 수 있었다. 이후 냉전이 종식되면서, 정치적 논리에 의해 집행되었던 막대한 예산이 삭감되며 우주개발에도 경제성과 운용의 효율성이 화두가 되기 시작했고, 결국 운용 위험성 및 비용 부담의 증가로 2011년에 우주왕복선 프로그램은 막을 내리게 되었다[1].
1. 재사용 우주비행체를 둘러싼 국제 동향
최근 우주기술의 발전으로 저궤도 우주수송 및 우주관광의 수요가 생겨나고 미래의 전장 환경이 우주공간으로 확대되면서, 미래 우주서비스 시장 선점과 전장 환경 변화에 대응하기 위해 해외 주요 우주 선진국을 중심으로 다양한 재사용 우주비행체가 경쟁적으로 개발되고 있다[2]. 재사용성으로 인해 운용 비용이 저렴하고 발사 빈도를 유연하게 조정할 수 있다는 점이 주목을 받게된 주요 원인이다. 다음으로는 해외 주요 우주 선진국의 재사용 우주비행체 개발 현황을 소개한다.
* 미국
현재 ‘X-56’까지 진행된 미국 X-시리즈의 최신 연구 키워드는 바로 ‘무인’이다. 무인 폭격기(X-45), 수직이착륙 무인기(X-50) 등이 대표적이며 이들 중 X-37은 재사용 무인 우주비행체로서, 1957년에 정찰/지상 폭격/적 위성에 대한 공격을 목적으로 개발된 X-20에 뿌리를 두고 있다. X-37A를 통해 2006년에 첫 시험비행을 마친 후 개량형인 X-37B(Figure 1)가 2010년부터 6회의 우주 임무를 수행하였다. 지난 2020년 5월에 시작한 6차 임무에서는 908일간의 궤도 비행에 성공해 신기록을 세우기도 하였다. 개발 당국은 X-37B의 임무에 대해 과학 실험에 중점을 두고 운용 중이라고 밝혔으나, 장기 비행을 통한 비밀 군사 임무가 있을 것이라고 추측된다. 이후, X-37B의 시험 비행을 통해 획득·검증을 마친 기술을 이용하여 제 2의 유인형 재사용 우주비행체인 X-37C을 개발하는 연구를 진행하고 있는 것으로 알려져 있다.
재사용 우주비행체는 재진입 기술을 적용해 비행체의 재사용성을 높임으로써 운용 비용을 줄이고 동시에 효율적으로 복합적·장기적 우주 임무를 수행할 수 있는 비행체를 말한다. 재사용 우주비행체의 역사는 1940년대 미 공군, 해군, NACA(미항공자문위원회, NASA의 전신)의 X-시리즈 개발로부터 시작되었다고 할 수 있다. 1947년에 벨社의 XS-1이 최초의 초음속 비행을 성공하며 X-15 프로그램으로 이어졌고, 이 프로그램을 진행하며 재진입 환경을 견디면서 가벼운 기체구조 개발을 포함하여, 우주 비행을 위한 각종 연구를 수행할 수 있었다. 이후 수많은 X-시리즈 실험기를 통해 항공우주 핵심 기초 기술을 획득하였고 이는 우주왕복선의 개발의 초석이 되었다. 잘 알려져 있듯이 우주왕복선은 미국 NASA에서 초대형 우주정거장 건설을 위해 개발한 인류 역사상 최초의 재사용 우주비행체이다. 정확히 말하자면, 우주왕복선은 재사용 가능한 비행기 모양의 궤도선과 소모성 장치인 외부 연료 탱크, 고체 로켓 부스터로 구성되어 있는 부분적 재사용 우주비행체라 볼 수 있다. 때문에 우주왕복선의 운용 예산은 예상치를 크게 웃돌아 비판적 여론의 대상이 되기도 했으나, 냉전이라는 이념적 대결 구도 하에서 경제성 보다 성능이 우선시되었으므로 지속될 수 있었다. 이후 냉전이 종식되면서, 정치적 논리에 의해 집행되었던 막대한 예산이 삭감되며 우주개발에도 경제성과 운용의 효율성이 화두가 되기 시작했고, 결국 운용 위험성 및 비용 부담의 증가로 2011년에 우주왕복선 프로그램은 막을 내리게 되었다[1].
1. 재사용 우주비행체를 둘러싼 국제 동향
최근 우주기술의 발전으로 저궤도 우주수송 및 우주관광의 수요가 생겨나고 미래의 전장 환경이 우주공간으로 확대되면서, 미래 우주서비스 시장 선점과 전장 환경 변화에 대응하기 위해 해외 주요 우주 선진국을 중심으로 다양한 재사용 우주비행체가 경쟁적으로 개발되고 있다[2]. 재사용성으로 인해 운용 비용이 저렴하고 발사 빈도를 유연하게 조정할 수 있다는 점이 주목을 받게된 주요 원인이다. 다음으로는 해외 주요 우주 선진국의 재사용 우주비행체 개발 현황을 소개한다.
* 미국
현재 ‘X-56’까지 진행된 미국 X-시리즈의 최신 연구 키워드는 바로 ‘무인’이다. 무인 폭격기(X-45), 수직이착륙 무인기(X-50) 등이 대표적이며 이들 중 X-37은 재사용 무인 우주비행체로서, 1957년에 정찰/지상 폭격/적 위성에 대한 공격을 목적으로 개발된 X-20에 뿌리를 두고 있다. X-37A를 통해 2006년에 첫 시험비행을 마친 후 개량형인 X-37B(Figure 1)가 2010년부터 6회의 우주 임무를 수행하였다. 지난 2020년 5월에 시작한 6차 임무에서는 908일간의 궤도 비행에 성공해 신기록을 세우기도 하였다. 개발 당국은 X-37B의 임무에 대해 과학 실험에 중점을 두고 운용 중이라고 밝혔으나, 장기 비행을 통한 비밀 군사 임무가 있을 것이라고 추측된다. 이후, X-37B의 시험 비행을 통해 획득·검증을 마친 기술을 이용하여 제 2의 유인형 재사용 우주비행체인 X-37C을 개발하는 연구를 진행하고 있는 것으로 알려져 있다.
* 유럽
유럽우주기구(ESA)는 1998년 대기권 재진입 시제기 개발 이후 4회에 걸쳐 화물 수송용 우주비행체 ATV(Automated Transfer Vehicle)를 국제우주정거장으로 보낸 바 있다. 이 우주비행체는 우주비행을 한 후 지구 대기권으로 재진입하여 소멸하도록 설계되어 있기 때문에 재진입 기술을 획득을 위해 2015년 5월 준궤도 시험 우주비행체 IXV가 발사되었다. IXV의 시험 비행을 통해 얻은 실증 데이터를 바탕으로 이탈리아의 PRIDE 프로그램 지원 하에 재사용 무인 우주비행체 Space Rider(Figure 2)가 개발 중에 있으며 2024년 말에 궤도 검증/위성 점검 등의 임무를 수행하는 초도비행이 예정되어 있다[4].
유럽우주기구(ESA)는 1998년 대기권 재진입 시제기 개발 이후 4회에 걸쳐 화물 수송용 우주비행체 ATV(Automated Transfer Vehicle)를 국제우주정거장으로 보낸 바 있다. 이 우주비행체는 우주비행을 한 후 지구 대기권으로 재진입하여 소멸하도록 설계되어 있기 때문에 재진입 기술을 획득을 위해 2015년 5월 준궤도 시험 우주비행체 IXV가 발사되었다. IXV의 시험 비행을 통해 얻은 실증 데이터를 바탕으로 이탈리아의 PRIDE 프로그램 지원 하에 재사용 무인 우주비행체 Space Rider(Figure 2)가 개발 중에 있으며 2024년 말에 궤도 검증/위성 점검 등의 임무를 수행하는 초도비행이 예정되어 있다[4].
* 중국
중국은 지난 2017년, 활강 착륙이 가능한 재사용 우주비행체를 개발하고 있으며 2020년까지 발사하겠다고 발표한 바 있다. 중국 최초의 재사용 우주비행체는 2020년 첫 시험 발사 이후, 2022년 8월 5일 창정-2F 로켓을 사용해 발사되어 276일간의 궤도 비행을 마치고 지상으로 귀환했다. 일부에서는 2007년 12월 중국 언론에 처음 공개되었던 쉔롱(Shenlong) 우주왕복선 프로젝트의 후속 비행체일 것으로 추정하며, X-37B와 유사한 형상으로 군사적 임무를 수행할 것이라고 추측되어지나 우주비행체의 상세한 제원과 임무에 대해서는 공개된 바 없다.
중국은 지난 2017년, 활강 착륙이 가능한 재사용 우주비행체를 개발하고 있으며 2020년까지 발사하겠다고 발표한 바 있다. 중국 최초의 재사용 우주비행체는 2020년 첫 시험 발사 이후, 2022년 8월 5일 창정-2F 로켓을 사용해 발사되어 276일간의 궤도 비행을 마치고 지상으로 귀환했다. 일부에서는 2007년 12월 중국 언론에 처음 공개되었던 쉔롱(Shenlong) 우주왕복선 프로젝트의 후속 비행체일 것으로 추정하며, X-37B와 유사한 형상으로 군사적 임무를 수행할 것이라고 추측되어지나 우주비행체의 상세한 제원과 임무에 대해서는 공개된 바 없다.
2. 우리나라의 재사용 우주비행체 개발이 중요한 이유
최근 한국형 발사체와 달 탐사선 다누리호 발사 같은 중요한 국가 우주개발 마일스톤들이 잇달아 성공하면서 우주 강국 달성을 위한 관심과 노력이 한층 커지고 있다. 뿐만 아니라, 4대 국방 우주 전력 분야 측면에서 세계적 위성 기술력을 바탕으로 우주정보지원/우주영역인식 분야에서도 많은 발전을 이루고 있다. 이에 반해, 우주통제/우주전력투사 분야에서는 기술적 성숙도 및 진행되는 사업 측면에서 상대적으로 미흡한 상황이다(Figure 3) [5].
최근 한국형 발사체와 달 탐사선 다누리호 발사 같은 중요한 국가 우주개발 마일스톤들이 잇달아 성공하면서 우주 강국 달성을 위한 관심과 노력이 한층 커지고 있다. 뿐만 아니라, 4대 국방 우주 전력 분야 측면에서 세계적 위성 기술력을 바탕으로 우주정보지원/우주영역인식 분야에서도 많은 발전을 이루고 있다. 이에 반해, 우주통제/우주전력투사 분야에서는 기술적 성숙도 및 진행되는 사업 측면에서 상대적으로 미흡한 상황이다(Figure 3) [5].
우주 선진국들이 우주를 미래의 지배적 활동 영역으로 인식하며 확장하고 있는 현 상황을 고려할 때, 잠재적 안보 위협 대응을 위해 국내에서도 우주통제/우주전력투사 분야를 보다 적극적인 핵심 기초 기술 연구가 필요하다.
재사용 우주비행체 개발을 통해 우주에 대한 방어적·공세적 대응을 위한 핵심 기술을 확보할 수 있을 것으로 예측된다.
3. 재사용 무인 우주비행체 설계 및 해석 고도화 기술[3]
재사용 무인 우주비행체가 신개념 미래 우주 운송 시스템으로서 그 중요성이 각광받고 있음에도 불구하고, 국방과 밀접한 관련이 있어 해외로부터의 기술 도입과 협력 연구가 제한(Export License)된다. 이에 국내 자체적 연구개발의 필요성이 부각됨에 따라, 2022년 11월 국방기술진흥연구소와 서울대학교 주도로 재사용 무인 우주비행체(ReUSV, Reusable Unmanned Space Vehicle) 고도화 기술 특화연구센터가 설립되었다. ReUSV 특화연구센터에서는 한국형 우주비행체 개발을 위한 기초기술 확보를 위해 4가지 핵심 기술 분야를 선정하여 국내의 유수 대학, 산업체, 연구소들과 협력하여 관련 제반기술들을 연구하고 있다.
① 재사용 무인 우주비행체 개념설계 및 열공력 특성 분석 기술, ② 열보호 구조 시스템 기술, ③ 차세대 추진시스템 기술, ④ 다목적 궤적 설계 및 무인 유도항법제어 기술
① 재사용 무인 우주비행체 개념설계 및 열공력 특성 분석 기술
우주발사체를 통해 궤도로 운반된 뒤 우주 공간에서의 궤도비행, 대기권 재진입, 초음속 비행 후 활주로 착륙까지 우주비행체는 매우 다양한 영역을 비행하게 된다(Figure 4). 그 비행과정에서 우주비행체 주변에서는 고온 열화학반응, 충격파, 유동박리, 난류현상, 희박유동 효과 등 광법위하고 복잡한 열물리 현상이 발생한다. 이러한 극한 비행조건이 비행체 미치는 영향에 대해 국내에서는 아직 제한적 단계의 연구만이 수행되었다. 현재 서울대학교를 포함한 국내 연구팀들은 재진입 비행 시 비행체 표면물리 현상, 고온 화학반응 및 충격파-난류 상호작용 환경의 고정밀 공력 해석기술을 개발하고 있다. 이를 활용해 기존 재진입 비행체 개발과정에서 겪는 기술적 난제인 비행 불안정성의 원인을 규명하고 해결할 수 있는 극초음속 유동 제어 기술도 연구하고 있다. 아울러, 대기권-우주 경계면에 대해서는 기체운동론과 우주 대기 데이터베이스를 기반으로 궤도환경별 공력 특성 분석연구가 진행되고 있다. 개발 중인 해석 기법과 기술과의 비교/검증을 위해서 극초음속 지상실험이 함께 수행되고 있으며, 향후 모델들의 정확도를 개선해 나갈 것이다. 최종적으로 해석 결과들을 종합하여 우주비행체 개념설계를 도출하고 다학제간 시스템 통합 최적설계 기술을 확보해 나갈 예정이다.
재사용 무인 우주비행체가 신개념 미래 우주 운송 시스템으로서 그 중요성이 각광받고 있음에도 불구하고, 국방과 밀접한 관련이 있어 해외로부터의 기술 도입과 협력 연구가 제한(Export License)된다. 이에 국내 자체적 연구개발의 필요성이 부각됨에 따라, 2022년 11월 국방기술진흥연구소와 서울대학교 주도로 재사용 무인 우주비행체(ReUSV, Reusable Unmanned Space Vehicle) 고도화 기술 특화연구센터가 설립되었다. ReUSV 특화연구센터에서는 한국형 우주비행체 개발을 위한 기초기술 확보를 위해 4가지 핵심 기술 분야를 선정하여 국내의 유수 대학, 산업체, 연구소들과 협력하여 관련 제반기술들을 연구하고 있다.
① 재사용 무인 우주비행체 개념설계 및 열공력 특성 분석 기술, ② 열보호 구조 시스템 기술, ③ 차세대 추진시스템 기술, ④ 다목적 궤적 설계 및 무인 유도항법제어 기술
① 재사용 무인 우주비행체 개념설계 및 열공력 특성 분석 기술
우주발사체를 통해 궤도로 운반된 뒤 우주 공간에서의 궤도비행, 대기권 재진입, 초음속 비행 후 활주로 착륙까지 우주비행체는 매우 다양한 영역을 비행하게 된다(Figure 4). 그 비행과정에서 우주비행체 주변에서는 고온 열화학반응, 충격파, 유동박리, 난류현상, 희박유동 효과 등 광법위하고 복잡한 열물리 현상이 발생한다. 이러한 극한 비행조건이 비행체 미치는 영향에 대해 국내에서는 아직 제한적 단계의 연구만이 수행되었다. 현재 서울대학교를 포함한 국내 연구팀들은 재진입 비행 시 비행체 표면물리 현상, 고온 화학반응 및 충격파-난류 상호작용 환경의 고정밀 공력 해석기술을 개발하고 있다. 이를 활용해 기존 재진입 비행체 개발과정에서 겪는 기술적 난제인 비행 불안정성의 원인을 규명하고 해결할 수 있는 극초음속 유동 제어 기술도 연구하고 있다. 아울러, 대기권-우주 경계면에 대해서는 기체운동론과 우주 대기 데이터베이스를 기반으로 궤도환경별 공력 특성 분석연구가 진행되고 있다. 개발 중인 해석 기법과 기술과의 비교/검증을 위해서 극초음속 지상실험이 함께 수행되고 있으며, 향후 모델들의 정확도를 개선해 나갈 것이다. 최종적으로 해석 결과들을 종합하여 우주비행체 개념설계를 도출하고 다학제간 시스템 통합 최적설계 기술을 확보해 나갈 예정이다.
② 재사용 무인 우주비행체 열구조 시스템 기술
우주비행체는 상승 및 재진입 시 대류권/성층권/중간권/열권을 넘나들며 극심한 공력열화학적 환경에 노출된다. 때문에 우주비행체 기체의 열적, 구조적 건전성을 보장하기 위해서는 기본 설계 단계부터 재진입 과정에서 수반되는 공력열화학적 환경의 고려가 필요한 동시에 고온 고압의 환경으로부터 기체 보호하는 열보호 시스템(단열재, 능동 냉각 등) 기술을 필요로 한다(Figure 5). 이를 위해서 현재 국내에서는 재진입 궤적에 따른 열구조 연계 해석 및 이를 고려한 우주비행체 열구조 설계 기술을 연구 중이다. 열보호 시스템 측면에서는 기존 단열재의 단점을 개선하며 내열 성능은 향상시키려는 연구도 병행하고 있다. 기존 우주비행체에 적용되는 세라믹/내열합금 기반 타일형 단열재는 내열 성능은 우수하나 곡률이 있는 부위에 적용이 어렵고 구조적인 손상에 취약해 재사용성을 저하시키는 문제가 있다. 재료적 물성을 극복하기 위한 대안으로 고온 복합재를 적용한 유연 표면 단열재 기술이 연구되고 있다. 비행체 첨두부, 연소 챔버 내벽은 비행체에서 가장 높은 열유속이 발생하는 부위로 보다 효과적인 열보호 대책이 필요하다. 그 해결책으로서는 다공성 물질 계면에서 발생하는 증산 효과를 응용한 능동 냉각 구조물 기술을 연구하고 있다.
우주비행체는 상승 및 재진입 시 대류권/성층권/중간권/열권을 넘나들며 극심한 공력열화학적 환경에 노출된다. 때문에 우주비행체 기체의 열적, 구조적 건전성을 보장하기 위해서는 기본 설계 단계부터 재진입 과정에서 수반되는 공력열화학적 환경의 고려가 필요한 동시에 고온 고압의 환경으로부터 기체 보호하는 열보호 시스템(단열재, 능동 냉각 등) 기술을 필요로 한다(Figure 5). 이를 위해서 현재 국내에서는 재진입 궤적에 따른 열구조 연계 해석 및 이를 고려한 우주비행체 열구조 설계 기술을 연구 중이다. 열보호 시스템 측면에서는 기존 단열재의 단점을 개선하며 내열 성능은 향상시키려는 연구도 병행하고 있다. 기존 우주비행체에 적용되는 세라믹/내열합금 기반 타일형 단열재는 내열 성능은 우수하나 곡률이 있는 부위에 적용이 어렵고 구조적인 손상에 취약해 재사용성을 저하시키는 문제가 있다. 재료적 물성을 극복하기 위한 대안으로 고온 복합재를 적용한 유연 표면 단열재 기술이 연구되고 있다. 비행체 첨두부, 연소 챔버 내벽은 비행체에서 가장 높은 열유속이 발생하는 부위로 보다 효과적인 열보호 대책이 필요하다. 그 해결책으로서는 다공성 물질 계면에서 발생하는 증산 효과를 응용한 능동 냉각 구조물 기술을 연구하고 있다.
③ 재사용 무인 우주비행체 차세대 추진시스템 설계 기술
장기간 복합 임무 수행을 목표로 설계된 재사용 무인 우주비행체의 비행요구 성능을 구현하기 위해서는 긴수명/고신뢰성 추진시스템이 필요하다. 점화를 위한 별도의 장치 없이 연료와 산화제의 접촉만으로 즉각적 점화가 이루어지는 접촉점화성 추진시스템은 간소화된 시스템을 통한 높은 신뢰성과 유상하중 증가, 높은 수준의 비추력과 재시동이 가능하다는 장점 있어 재사용 무인 우주비행체의 임무수명을 결정짓는 핵심 서브시스템이다(Figure 6). 하지만 우주선 엔진의 핵심 기술임과 동시에 전략무기로서의 전용 우려로 관련 데이터가 거의 공개되지 않고 있으며 국내에서는 소형 추력기 연구개발이 최근 착수된 단계로 아직 기반기술이 확보되지 못한 실정이다. 특화센터 연구팀은 국내에 선례가 없던 kN급 접촉점화성 이원추진시스템 개념설계 기술과 수치해석, 지상시험평가를 수행할 수 있는 기초기술 연구를 진행하고 있다. 나아가 우주비행체용으로 개발된 접촉점화성 추진제 기술을 로켓기반 복합 추진시스템과 결합한 차세대 추진시스템 및 저고도 재시동 기술에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.
장기간 복합 임무 수행을 목표로 설계된 재사용 무인 우주비행체의 비행요구 성능을 구현하기 위해서는 긴수명/고신뢰성 추진시스템이 필요하다. 점화를 위한 별도의 장치 없이 연료와 산화제의 접촉만으로 즉각적 점화가 이루어지는 접촉점화성 추진시스템은 간소화된 시스템을 통한 높은 신뢰성과 유상하중 증가, 높은 수준의 비추력과 재시동이 가능하다는 장점 있어 재사용 무인 우주비행체의 임무수명을 결정짓는 핵심 서브시스템이다(Figure 6). 하지만 우주선 엔진의 핵심 기술임과 동시에 전략무기로서의 전용 우려로 관련 데이터가 거의 공개되지 않고 있으며 국내에서는 소형 추력기 연구개발이 최근 착수된 단계로 아직 기반기술이 확보되지 못한 실정이다. 특화센터 연구팀은 국내에 선례가 없던 kN급 접촉점화성 이원추진시스템 개념설계 기술과 수치해석, 지상시험평가를 수행할 수 있는 기초기술 연구를 진행하고 있다. 나아가 우주비행체용으로 개발된 접촉점화성 추진제 기술을 로켓기반 복합 추진시스템과 결합한 차세대 추진시스템 및 저고도 재시동 기술에 대한 연구도 함께 진행되고 있다.
④ 재사용 무인 우주비행체 다목적 궤적 설계 및 유도항법제어 기술
대기권 내에서만 운용되는 항공기 혹은 우주에서만 운용되는 인공위성과는 달리 재사용 무인 우주비행체는 발사/궤도 진입부터 궤도 천이를 포함한 다중임무 수행, 지구 귀환까지 대기권과 우주 영역을 넘나드는 기동을 수행한다(Figure 7). 따라서 대기권과 우주 영역의 환경 특성을 모두 고려한 임무/궤적설계가 필요하고 그 경로에 맞는 새로운 형태의 유도제어 알고리즘의 개발이 중요하다. 과거 국내에서 개발된 비행체들은 통상 단일 임무만을 상정하였기 때문에 다목적/복합 임무를 위한 궤적 설계는 아직 국내 연구진들에게 미지의 영역이며, 관련 기초 연구가 시급하다. 아울러 재진입 비행체의 귀환비행은 고도의 비선형성 및 극심한 비행구속 조건으로 인해 유도제어 관점에서 기술적 난이도가 높으나 군사적으로 민감한 핵심 기술로 국제적인 기술 교류를 기대할 수 없어 자체적인 기술 확보가 반드시 필요한 분야이다. 특화연구센터 소속 연구팀들은 감시/운송/근접운용/귀환 등이 결합된 다목적/복합 임무 시나리오에 맞추어 최적 효율로 임무를 수행하기 위한 우선순위 기반 다중경로 탐색 기술, 궤적 최적화 기술을 개발하고 있다. 유도항법제어 기술과 관련해서는 귀환비행 과정을 크게 재진입/TAEM(Terminal Area Energy Management)/접근 및 착륙 단계로 나누고 각 비행 단계별로 예상되는 외란 요소를 식별하고 적용 가능한 제어 수단을 분석하여 최적의 유도제어 방안을 연구하고 있다.
대기권 내에서만 운용되는 항공기 혹은 우주에서만 운용되는 인공위성과는 달리 재사용 무인 우주비행체는 발사/궤도 진입부터 궤도 천이를 포함한 다중임무 수행, 지구 귀환까지 대기권과 우주 영역을 넘나드는 기동을 수행한다(Figure 7). 따라서 대기권과 우주 영역의 환경 특성을 모두 고려한 임무/궤적설계가 필요하고 그 경로에 맞는 새로운 형태의 유도제어 알고리즘의 개발이 중요하다. 과거 국내에서 개발된 비행체들은 통상 단일 임무만을 상정하였기 때문에 다목적/복합 임무를 위한 궤적 설계는 아직 국내 연구진들에게 미지의 영역이며, 관련 기초 연구가 시급하다. 아울러 재진입 비행체의 귀환비행은 고도의 비선형성 및 극심한 비행구속 조건으로 인해 유도제어 관점에서 기술적 난이도가 높으나 군사적으로 민감한 핵심 기술로 국제적인 기술 교류를 기대할 수 없어 자체적인 기술 확보가 반드시 필요한 분야이다. 특화연구센터 소속 연구팀들은 감시/운송/근접운용/귀환 등이 결합된 다목적/복합 임무 시나리오에 맞추어 최적 효율로 임무를 수행하기 위한 우선순위 기반 다중경로 탐색 기술, 궤적 최적화 기술을 개발하고 있다. 유도항법제어 기술과 관련해서는 귀환비행 과정을 크게 재진입/TAEM(Terminal Area Energy Management)/접근 및 착륙 단계로 나누고 각 비행 단계별로 예상되는 외란 요소를 식별하고 적용 가능한 제어 수단을 분석하여 최적의 유도제어 방안을 연구하고 있다.
앞서 언급된 4개 분야 기초기술들은 뉴 스페이스 시대에 필요한 우주 산업‧국방‧과학 분야의 핵심 기술들로서 ReUSV 특화연구센터를 통해 확보될 것으로 기대된다.
이를 기반으로 산학연 협력을 통해 기술성숙도(TRL, Technical Readiness Level)를 한층 강화시킴으로써 응용연구 및 우주비행체 체계개발로 이어나갈 수 있을 것이며, 나아가 재사용 발사체/극초음속 비행체 등 유사 시스템 개발에도 기술적 파급효과를 기대할 수 있을 것이다.
※Reference
[1] 이대우, & 오세종. (2005). 한국의 왕복형 우주비행체 개발을 위한 필요성과 세계현황. 한국항공우주학회지, 33(4), 110-117.
[2] 이상호, 윤수진, 김수현, & 길현용. (2021). 국내외 우주비행기/비행체 연구 개발 동향. 한국추진공학회 학술대회논문집, 373-373.
[3] 김종암 등. (2022) 재사용 무인 우주비행체 고도화 기술 특화연구센터 기획연구보고서
[4] https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Space_Rider/To_orbit_and_back_with_Space_Rider
[5] 2021 국방우주력발전 추진 평가회의 보도자료
[6] Tani, H., Daimon, Y., Sasaki, M., & Matsuura, Y. (2017). Atomization and hypergolic reactions of impinging streams of monomethylhydrazine and dinitrogen tetroxide. Combustion and Flame, 185, 142-151.
[7] NASA Deep Space Engine, https://www.nasa.gov
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