KISTEP 기술동향브리프 2018-15 호 우주발사체 문태석 이재민
KISTEP 기술동향브리프 2018-15 호우주발사체 Contents 제 1 장개요 1 제 2 장기술동향 5 제 3 장산업동향 12 제 4 장정책동향 15 제 5 장 R&D 투자동향 19 제 6 장결론 24
제 1 장개요 제 1 장개요 1.1 배경및필요성 지구온난화와기상이변, 인구증가등으로인해자연재해예측이나우주공간개척의중요성이대두됨 1) 위성제조및서비스를포함한위성산업과위성을우주로실어나르는우주발사체기술은인류가우주공간을활용하기위한필수기술임 최근성능향상뿐만아니라저비용 재사용우주발사체개발에관심이증가되면서우주개발선진국은차세대발사체계획을마련하고, 민간기업을주축으로한혁신적인기술개발을추진 2) 미국의스페이스X(SpaceX) 사는 1단발사체재사용에성공함으로서우주발사체발사비용절감가능성을보여주었고, 유럽의에어버스 (Air Bus) 사는 1단발사체엔진을재사용하는기술을개발해회당발사비용을 30% 이상줄일계획 일본은우주발사체상업발사서비스시장에서의경쟁력확보를최우선과제로제시하였으며, 차세대발사체인 H-3 발사체를기존발사체인 H-2 발사체시리즈대비발사가격을절반으로절감하는것을목표로하고있음 3) 미국벤처기업인로켓랩 (Rocketlab) 사는저가소형위성발사체시장을공략하여일렉트론 (ELECTRON) 발사체의 1단엔진의주요부품을 3D 프린팅기술로제작해발사체개발비용을 1/10로절감할계획 또한, 미국과러시아, 중국은대량화물수송이나화성및달의유인탐사를대비하여대형발사체 * 를개발하고있음 1) 이태식 (2011) 21세기건설극한공학의중요성과발전방향, 쌍용건설기술연구소, 2011-04 2) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 3) 이준외 (2017), 2016년세계정부우주개발의국가별 분야별동향분석, 항공우주산업기술동향 15권 2호. 1
우주발사체 * 미국은기존발사체성능개량을통해팔콘헤비 (Falcon Heavy)( 지구저궤도진입기준최대 63.8 톤 ) 와벌컨 (Vulcan Centaur)(35 톤 ), 델타헤비 (Delta Heavy)(28.37 톤 ) 등의발사체를, 러시아는앙가라 (Angara A5V)(35 톤 ), 중국은창정 -9 호 (CZ-9)(140 톤 ) 등의대형발사체개발중 자료 : Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026 재구성 [ 그림 1] 우주개발선진국의우주발사체개발로드맵 우리나라는 2013 년에러시아와공동으로나로호 (KSLV-I) 를개발한이후, 2021 년까지독자기술확보를위한한국형발사체 ( 누리호, KSLV-II) 개발중 2018년 10월말한국형발사체의핵심기술인 75톤급엔진의성능검증을위해전남고흥나로우주센터에서시험발사체를발사할예정 시험발사체발사성공이후, 75톤급엔진 4기를활용한클러스터링기술을확보하여, 2021년 2월과 11월총 2회의본발사를통해발사체개발성공여부를최종확인할계획 특히, 한국형발사체의성공적개발과함께우주발사체의상업적가치와활용성을제고하고국내우주산업생태계조성방안에관해지속적인논의가필요한상황 따라서본브리프에서는우주개발선진국의발사체개발상황을짚어보고, 우주발사체의기술 산업 정책동향과정부 R&D 투자현황을분석하여국내우주발사체분야에관한시사점을도출하고자함 2 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 1 장개요 1.2 기술의정의및범위 우주발사체란우주공간의정해진위치에탑재물 (payload) * 을운반하는임무를수행하는로켓을의미하며, 우주발사체는임무에따라한개혹은여러개의단 (stage) 으로구성 4) * 통신과지구관측등을위한인공위성과화성및달탐사등의우주임무를위한시스템등 우주발사체의성능을좌우하는로켓엔진은추진제 * 의종류에따라크게고체추진제와액체추진제로구분되고, 높은효율성과재점화등을요하는우주발사체추진기관은액체엔진을주로활용 * 연소를통해에너지를만들어내는연료와연소시산소를공급하는산화제로구성 액체엔진은고체엔진에비해구조가복잡하고고비용이지만, 추력 * 조절이가능하고추진제를별도의탱크에저장하기때문에연소시간을연장할수있다는점에서우주발사체시스템에적합 * 엔진연소시발생하는힘의반작용으로비행물체를진행방향으로밀고나아가는힘을의미 또한, 엔진은추진제공급시스템에따라압축가스공급시스템과터보펌프공급시스템으로구분 압축가스공급시스템은비활성가스 * 를고압의탱크에저장해두었다가압력의힘으로밀어내는방식이며, 간단하면서도신뢰도가높은장점이있지만, 연료와산화제가항상압축된상태로저장되어있어야되기때문에추진제탱크의벽이두꺼워져무거워진다는단점존재 * 추진제와접촉하더라도화학반응을일으키지않는안정된기체 ( 헬륨 (He), 질소 (N 2 ) 등 ) 반면, 터보펌프공급시스템은터빈으로작동된펌프를활용해추진제를밀어내는방식으로터보펌프를이용해가압된고압의공기가추력실로공급되기때문에추진제저장탱크의무게가상대적으로가벼움 터보펌프공급시스템의신뢰도가압축가스방식과유사한수준으로향상되어, 일반적으로우주발사체에는발사체경량화에이점을가진터보펌프공급시스템이활용 4) George P. Sutton et al. (2016) Rocket Propulsion Elements 9th Edition. 3
우주발사체 터보펌프공급시스템은사이클종류에따라대표적으로가스발생기사이클, 단계식연소사이클, 팽창식사이클등으로구분되고, 최근에는가스발생기와구동기및터빈이없는매우간결한전기펌프사이클도개발됨 5) 일반적으로우주발사체에는기술의장벽이상대적으로낮은가스발생기사이클이나팽창식사이클사용 6) 터빈을구동한연소가스를주연소기로다시공급시켜연소기에서재연소되어추력과효율성을향상시킨다단연소사이클방식은미국, 러시아, 일본등우주개발선진국에서사용중이며, 국내에서는차세대발사체적용을위해기초연구진행중 7) 자료 : 정승민외 (2016) 전기펌프사이클엔진등민간분야우주발사체신기술고찰 [ 그림 2] 우주발사체구성및액체엔진시스템사이클 본브리프에서는엔진시스템과추력성능을중심으로우주개발선진국의발사체와현재개발중인한국형발사체의기술력을비교하였고, 최근이슈되고있는재사용발사체의개발현황을중점적으로논의 5) 정승민외 (2016) 전기펌프사이클엔진등민간분야우주발사체신기술고찰, 한국항공우주학회지 44권 2호. 6) George P. Sutton et al. (2016) Rocket Propulsion Elements 9th Edition. 7) 임지혁외 (2017), 다단연소사이클엔진시스템기술검증시제연소성능평가, 한국추진공학회춘계학술대회. 4 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 2 장기술동향 제 2 장기술동향 8) 2.1 해외기술동향 9) 가. 미국 [ 붙임, 참고 1] 우주발사체분야최고기술보유국인미국은민간기업인스페이스 X 사와유엘에이 (United Launch Alliance, ULA) 사, 블루오리진 (Blue Origin) 사를필두로발사서비스목적의저비용 재사용발사체나유인탐사를위한대형발사체개발중 10) 소형발사체시장을공략한로켓랩사는혁신적인기술을활용한저가발사체개발중 스페이스 X 사는발사체발사후지상혹은해상에서 1 단을회수하는기술을보유하고있으며, 1 단을재사용함으로서발사비용을절감 11) 스페이스X사에서개발한재사용발사체회수기술로는속도감소에사용되는그리드핀과초음속역추진기술, 착륙시활용되는랜딩기어등을대표적으로볼수있음 12) 스페이스X사는발사체엔진의성능개량보다엔진클러스터링기술과재사용기술을활용하여우주발사체시장의경쟁력확보를목표로하고있음 주력발사체인팔콘 9(Falcon 9) 에적용되는멀린 (Merlin) 엔진은가스발생기사이클방식을채택하고있으며, 산화제와연료로각각액체산소와케로신 * 을사용하여 93톤급의추력발생 * 상온에서저장이가능하고취급이손쉬울뿐아니라값이저렴하고생산이용이하여우주발사체의 1 단추진제로널리사용됨 8) 우주발사체기술보유국중기술개발과활용에가장앞장서고있는미국, 러시아, 유럽, 중국, 일본과우리나라를비교분석 9) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 10) 이준외 (2017), 2016년세계정부우주개발의국가별 분야별동향분석, 항공우주산업기술동향 15권 2호. 11) 정승민외 (2016) 전기펌프사이클엔진등민간분야우주발사체신기술고찰, 한국항공우주학회지 44권 2호. 12) 추교승외 (2018) 재사용우주발사체의회수기술현황및분석, 한국추진공학회지 22권 2호. 5
우주발사체 유엘에이사에서개발한 RS-68 엔진은멀린엔진과동일하게가스발생기사이클과산화제로액체산소를사용하지만연료로액체수소 * 를사용하고엔진제작기술의고도화로약 3.7 배이상인 348 톤급의추력을가짐 * 액체수소는공기와혼합될경우폭발의위험이있고극저온추진제이기때문에연료탱크의부피가커져저장성은낮지만, 높은추력을발생할수있어고성능로켓엔진추진제로사용됨 유엘에이사에서 2018년발사목표로개발중인델타 4 헤비 (Delta IV Heavy) 대형발사체는기존의 RS-68 엔진에서성능이개량된 RS-68A 엔진을활용하고, 3개의엔진을클러스터링하여운용할계획 블루오리진사는다단연소사이클방식을채택하여효율성을높이고, 메탄을연료로사용하여코킹 (coking)* 발생을줄인 BE-4 엔진을개발중 13) * 우주발사체엔진의연소기에서벽면온도가상승함에따라냉각채널벽면에화합물이침전되는현상을뜻하며, 이는발사체재사용에필요한정비시간및비용에크게영향을줌 액화메탄은액체수소와케로신사이의저장성과비추력성능으로인하여널리활용되지않았지만, 최근들어발사비용의경제성이나환경적이슈가대두되어국외우주개발관련선진국은다수의민간업체를중심으로메탄을연료로하는엔진개발중 BE-4 엔진은블루오리진사와유엘에이사에서개발중인대형발사체에적용될예정 로켓랩사에서개발한러더포드 (Rutherford) 엔진은전기펌프사이클로구동되며, 약 200~300 kg 의탑재물을싣는소형발사체에활용 14) 특히, 3D 프린팅기술을활용한엔진부품을생산하여발사개발비용을기존발사체대비 1/10 수준으로크게절감 15) 나. 유럽연합국 (European Space Agency, ESA)[ 붙임, 참고 2] 유럽은기존엔진의성능을개선하여아리안 (Ariane) 과베가 (Vega) 및소유즈 (Soyuz) 발사체시리즈로세계발사서비스시장에서경쟁력을확보하고있으며, 기존엔진의성능을개선하여차세대엔진개발중 16) 13) 윤영빈 (2014), 차세대우주추진연구센터의소개 : 연구내용과메탄엔진의가능성, 한국추진공학회춘계학술대회. 14) 정승민외 (2016), 전기펌프사이클엔진등민간분야우주발사체신기술고찰, 한국항공우주학회지 44권 2호. 15) 3D Printing Industry (2015), World's 1st 3D Printed & Battery Powered Rocket Engine, 2015.04.21. 16) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 6 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 2 장기술동향 현재운용중인아리안 5 발사체에사용되는벌칸 2(Vulcain 2) 엔진은가스발생기사이클과수소를연료로활용하고, 142 톤급의성능보유 앞서언급한미국의델타 4 발사체의 RS-68 엔진과동일한사이클방식과추진제를활용하지만엔진의추력은다소낮음 상대적으로부족한추력을보완하기위해고체로켓모터 (Solid Rocket Motor, SRM) 를부수적으로활용 그밖에, 유럽연합국을중심으로아리안 6 발사체의 1 단엔진재사용기술개발을추진중이며, 독일 DLR 과일본 JAXA 가공동으로우주발사체의추력성능향상을위한연구 * 를수행하고있음 * 우주발사체의 1 단과 2 단을하나의단으로결합해활용하는개념으로하나의엔진에서노즐의길이를길게설계하여고성능을얻을수있도록고안된, 고도보정노즐인듀얼벨 (dual bell) 노즐에관한연구수행 17) 다. 러시아 [ 붙임, 참고 3] 러시아는제니트 (Zenit) 와드네프르 (Dnepr) 발사체부터프로톤 (Proton), 앙가라 (Angara), 소유즈시리즈등의다양한크기의우주발사체를보유하여세계발사서비스시장에서의경쟁력확보 18) 주력우주발사체인소유즈발사체에적용되는 RD-107A 엔진은 1957 년세계최초의 ICBM 인세묘르카 (Semyorka) 미사일에서활용된엔진이며, 가스발생기사이클과케로신을연료로사용하고 129 톤급의추력을가짐 러시아는우주발사체재사용기술보다엔진의성능을개량한차세대발사체개발이나유인우주탐사를목표로한대형발사체개발에집중 19) 차세대초대형발사체인앙가라 A5V 발사체에는다단연소사이클과케로신연료를사용하고 213톤급의추력을가지는 RD-191 엔진이적용될예정 17) Chlole G. et al. (2015), LOX/CH4 Hot Firing Dual Bell Nozzle Testing: Part I -Transitional Behavior-, 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA 2015-4155. 18) 공현철외 (2004), 러시아의새로운우주발사체 앙가라 개발, 항공우주산업기술동향 2권 2호. 19) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 7
우주발사체 라. 중국 [ 붙임, 참고 4] 중국은창정 (Chan Zheng, CZ) 발사체를개발하여소형부터중형및대형위성까지수송할수있는우주발사체독자기술확보 중국은단계식연소사이클방식과케로신연료를활용한 YF-100 엔진을창정-7 주력발사체의엔진으로활용하고있으며, 137톤급의추력을발생 2018 년들어중국은미국이주도하고있는발사서비스시장에적극적으로참여하기시작하였으며, 최근급성장중인소형위성시장을겨냥한우주발사체개발중 20) 중국의민간로켓제조업체인원스페이스 (OneSpace) 사는자체개발한 OS-X 발사체로시험발사성공 (2018.5.17) 엑스-페이스 (Ex-Pace) 사는 2018년 300 kg의소형위성발사를, 링크스페이스 (Link Space) 사는 2020년까지 1단로켓을재사용하는우주발사체개발을목표로발사체개발추진 유인탐사를위해 2020 년까지지구저궤도에최대 6 톤의탑재물을수송할수있는창정 -8 호발사체발사, 2030 년에는최대 140 톤의탑재물을수송할수있는초대형발사체인창정 -9 호발사를목표 마. 일본 [ 붙임, 참고 5] 일본은기존의가스발생기사이클을활용한엔진에이어기술적난이도가높은단계식연소사이클과액화수소를연료로사용하는 LE-7 엔진을개발하였고, 우주발사체시장에서의경쟁력확보를목표로차세대엔진을개발중 LE-7 엔진은 110톤급의추력을가지며가스발생기사이클방식의 MB3-3 엔진대비추력이 24% 증가 20) 조선일보 (2018), 민간우주로켓시장에뛰어든중국 미국나와, 2018.06.28. 8 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 2 장기술동향 2000년에는 LE-7 엔진의성능을개량한 LE-7A 엔진을개발하였고, 최근에는기존팽창식사이클방식을개량 * 하여 35% 향상된 150톤급의추력을가지는 LE-9 엔진을개발중 * 팽창식사이클은우주발사체엔진의성능을대변하는노즐부에발생하는높은열하중 (Heat Flux) 문제를해소할수있는냉각시스템으로각광 21) 현재일본은 2020 년에 LE-9 엔진을적용한차세대발사체인 H-3 발사체 * 의첫시험발사를계획하고있으며, 소형위성발사가주목적인입실론 (Epsilon) 발사체를개발중 22) *LE-9 엔진 2 개혹은 3 개를클러스터링하여정지천이궤도 (Geo stationary Transfer Orbit) 까지최대 6.5 톤의탑재물수송을목표 [ 그림 3] 우주발사체개발국가의주력발사체특징비교 21) Gerrit-Daniel S. et al. (2015), Numerical Investigation of Flow Phenomena in a planar Expansion-Deflection Nozzle, In 8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 2015. 22) 연합뉴스 (2018), 日, 고체연료소형로켓 입실론 3호 발사 민간기업위성탑재, 2018.01.18. 9
우주발사체 2.2 국내기술동향 우리나라우주발사체기술은한국항공우주연구원주도로 1990 년대부터개발되었고, 개발초기에는기술축적을위해고체엔진을적용 23) 과학로켓 (KSR-I, KSR-II) 개발경험을토대로고체로켓분야의기술과인력을확보할수 있었음 24) 2002 년에는액체추진기관의독자개발및소형위성발사체의기술확보를목표로압축가스공급시스템방식을적용하고케로신을연료로사용하는과학로켓 3 호 (KSR-III) 를성공적으로개발 25) 러시아로부터기술이전을통해액체엔진기술을확보하였으며, 13톤급의추력으로 150 kg 급의탑재물을고도 80 km까지수송할수있는발사능력확보 과학로켓 3호를통해액체추진기관의설계및제작기술축적과엔진성능시험을위한시험설비구축 26) 과학로켓시리즈개발을통해축적한기술을바탕으로 2013 년러시아와나로호공동개발에성공하였고, 발사과정을통해우주발사체시스템기술과발사체상단기술, 발사장지상시스템기술등을확보 27) 총 2단으로구성되는나로호 1단은러시아가개발한 RD-151 엔진을기반으로하고있으며, 단계식연소사이클방식과케로신을연료로사용하여 170톤급의추력을가짐 나로호 2단엔진은과학로켓고체엔진개발경험을토대로국내에서제작한고체킥모터적용 23) 과학기술정보통신부외 (2007), 제1차우주개발진흥기본계획. 24) 김재수 (2012), 우주개발자립을위한우주발사체개발정책제언, 과학기술정책연구원과학기술정책제22권 4호. 25) 과학기술정보통신부외 (2007), 제2차우주개발진흥기본계획. 26) 윤영빈외 (2011), 발사체이용개발협력현황과추진전략연구, 교육과학기술부정책연구. 27) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 10 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 2 장기술동향 나로호개발경험을바탕으로 2021 년까지 1.5 톤의실용위성을지구저궤도 (600~800 km) 에투입하고, 궁극적으로독자적인우주발사체기술을확보하기위한한국형발사체를개발중 28) 한국형발사체의 1단엔진은가스발생기사이클을활용하고 75톤급의추력을갖는케로신연료를사용하는액체엔진 4개로구성됨 한국형발사체에서채택한엔진시스템은현재발사서비스시장에서가장경쟁력있는스페이스 X사의멀린엔진과동일한방식 29) 최근한국항공우주연구원은기존엔진의성능을개량한다단연소사이클방식의엔진개발을위한연구도진행중 30) 자료 : 국민일보 (2013), [ 한국우주시대문열다 ] ( 상 ) 이제는한국형발사체개발 재구성 [ 그림 4] 한국의우주발사체개발현황 28) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 29) 조상범외 (2016), 한국형발사체이후우리나라의우주발사체개발방향및기술발전전망, 한국항공우주학회지 44권 8호. 30) 임지혁외 (2017), 다단연소사이클엔진시스템기술검증시제연소성능평가, 한국추진공학회춘계학술대회. 11
우주발사체 제 3 장산업동향 2017 년기준전세계우주시장규모는약 3,479 억달러이며, 위성산업시장이 2,690 억달러로전체우주시장의 77.3% 차지 31) 위성산업시장은 2012년부터 2017년까지지속적으로증가하고있는추세이며, 위성산업시장내에서는위성서비스분야, 지상장비분야, 위성체제작분야, 우주발사체분야순으로높은비중차지 자료 : SIA 20 th Edition (2017), State of the Satellite Industry Report 재구성 [ 그림 5] 전세계위성산업시장규모규모 (2012-2017) 31) SIA 20 th Edition (2017), State of the Satellite Industry Report. 12 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 3 장산업동향 우주발사체시장규모는 2017 년기준위성산업시장의 1.7% 를차지하나, 현재상업목적의발사서비스분야는스페이스 X 사와유엘에이사, 아리안스페이스 (Arianspace) 사를중심으로독과점시장이형성 32) 2017년우주발사체총 90회발사되었으며, 이중미국은스페이스X사가 18회, 유엘에이사가 8회, 노스롭그루먼 (Northrop Grumman) 이 3회, 로켓랩사가 1회로총 30회 (33.3%), 유럽은아리안스페이스사가총 11회 (12.2%) 발사 특히, 스페이스X사는전세계상업목적의우주발사체발사중 42.3% 의발사점유율을가지며우주발사체시장주도 ( 유럽의아리안스페이스사는 23.1%) 33) 그외, 러시아는 19회 (21.1%), 중국 18회 (20%), 일본 7회 (7.8%), 인도 5회 (5.6%) 의우주발사체를발사하였으나, 자국의국방방어나서비스활용을위한인공위성발사를주목적으로우주발사체를활용중 34) < 표 1> 2017 년기준우주발사체발사현황 국가 ( 발사횟수 [ 회 ]) 회사 or 기관발사횟수 [ 회 ] 스페이스 X(SpaceX) 18 미국 (30) 유엘에이 (ULA) 8 노스롭그루먼 (Northrop Grumman) 3 로켓랩 (Rocketlab) 1 러시아 (19) 중국 (18) 유럽우주국 (ESA) (11) 일본 (7) 인도 (5) 로스코스모스 (Roscosmos) 19 중국운재화전기술연구원 (CALT) 18 아리안스페이스 (Arianespace) 11 일본우주항공연구개발기구 (JAXA) 7 인도우주연구기구 (ISRO) 5 총합 90 자료 : The Space Report (2017), Global Space Activities Status Boards 32) SIA 20 th Edition (2017), State of the Satellite Industry Report. 33) 정석규외 (2017), 재사용우주발사체개발동향, 한국항공우주학회지 44권 12호. 34) The Space Report (2017), Global Space Activities Status Boards. 13
우주발사체 현재우주개발선진국에서개발중인발사체가성공적으로진행되고, 상업목적의인공위성발사수요가증가됨에따라향후우주발사체시장은확대또는유지될전망 35) 미국의연방항공국 (FAA) 에서는 2018년부터 2027년까지연평균 42번 (2017년 (33번) 대비 28% 증가 ) 의상업목적우주발사체가발사될것으로예측 36) 국내우주발사체시장은아직형성되어있지않지만, 발사체제작분야와지상장비분야중발사대및시험설비개발분야에다양한기관이참여중 37) 발사체제작분야는한국항공우주연구원을중심으로한국항공우주산업 ( 주 ) 과한화테크윈 ( 주 ), 재료연구소등이참여하여한국형발사체를개발중 또한, 발사체제작분야에종사하는인력현황은 2016년기준총 952명 ( 기업체 514명, 연구기관 236명, 대학 202명 ) 으로, 지상장비분야중발사대및시험시설분야는총 460명 ( 기업체 367명, 연구기관 64명, 대학 23명 ) 으로조사됨 향후 5년간신규인력채용계획으로발사체제작분야는 139명, 발사대및시험시설분야는 107명으로계획 자료 : 과학기술정보통신부 (2018), 2017 우주산업실태조사 [ 그림 6] 2016 년기준국내우주분야별기관참여현황 35) FAA (2018), The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018. 36) FAA (2018), The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018. 37) 과학기술정보통신부 (2018), 2017 우주산업실태조사. 14 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 4 장정책동향 제 4 장정책동향 4.1 해외정책동향 가. 미국 미국은트럼프행정부가들어선이후자국의이익과국가안보를우선하는정책을추진하고있으며, 이를우주발사체개발분야에도적용 38) 트럼프행정부는 American First 를정책기조로우주경쟁에서미국의리더십을되찾기위해우주를활용한미국의국가안보강화기술을개발하겠다고선언 ( 국가우주위원회출범식, 2017.10.05.) 39) 미항공우주국전환승인법 (NASA Transition Authorization Act of 2017) 과 2017~2018년미국정부의예산안에따르면트럼프정부에서는기존미항공우주국 (NASA) 의민간우주정책과는다른양상 * 으로전개될것으로언급 40) * 기존오바마행정부의대표적인유인화성탐사우주정책에서우선유인달탐사를통한우주탐사기반을구축하고, 그후유인화성탐사시행으로수정 이에따라, 우주발사체사업으로민간이개발한국제우주정거장유인수송선의시험비행을개시하고, 우주달탐사용유인발사체 (SLS) 개발목표 41) 나. 유럽 유럽은민간기관들의출현및우주발사체개발분야참여로, 유럽내각국정부의우주분야발전을인정하는 Toward Space 4.0 for a United Space in Europe 결의안채택 42) 38) SpaceNews (2016), What a Trump administration means for space, 2016.11.09. 39) 황진영 (2018), 미국의우주정책과한-미우주협력, 항공우주산업기술동향 16권 1호. 40) SpaceNews (2016), Space Transitions aren't just about NASA anymore, 2016.11.21. 41) SpaceNews (2016), Back to the moon, again?, 2016.11.21. 15
우주발사체 2016년 10월 유럽우주공동체의미래를위해공통의비전과목적공유에관한공동성명 에서명하며 3가지목표제시 43) 1) 위성항법, 통신, 지구관측등의분양에서민간및안보활동간의시너지강화 2) 연구및혁신, 기업가정신, 국제시장에서의주도권확보등에대한지원 3) 안전한보안환경속에서우주로의접근과사용에관한유럽의자율성확보 유럽은 3가지목표를달성하기위해유럽연합국을중심으로독자개발이아닌유럽내외국가간협력을중심으로한우주개발정책을추진 44) 우주발사체분야또한경쟁력유지와향상을위해국제공동연구를기반으로차세대발사체인아리안 6 발사체제작과재사용발사체엔진에대한투자를확대할예정 45) 러시아는신형앙가라발사체의발사재개와심우주유인탐사를목표로하는차세대초대형발사체인앙가라 A5V 발사체개발에착수하는등독자기술확보기조를유지 46) 다. 중국 중국은우주기술분야에서자립능력을확보하고전세계우주분야를선도한다는목표가반영된우주계획을수립하고있으며, 이를국력의상징으로간주 47) 중국우주활동백서 (White Paper of China Space Activities) 를통해우주계획의전략적우선순위를제시하였으며, 최신국방백서에는 2020년을대규모프로그램 * 의이정표를달성하는데중요한시기임을강조 48) * 고해상도지구관측위성군인슈퍼뷰 (SuperView) 와중국자체개발위성항법시스템위성군인베이더우 (Beidou) 의보급, 화성및달탐사, 유인우주설개발등 중국은달샘플귀한임무를수행할달착륙선과독자우주정거장운영등우주굴기목적달성을위해창정-8호및창정-9호등의신규발사체시리즈의본격개발및활용예정 49) 42) ESA (2018), The European Space Agency United Space in Europe, 2018.02.19. 43) ESA (2016), Joint statement on shared vision and goals for the future of Europe in space, 2016.10.26. 44) 최경일 (2016), 유럽우주국의기술정책과 2016 프로젝트들, 한국과학기술정보연구원, 2016.06.30. 45) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 46) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 47) 이준외 (2017), 2016년세계정부우주개발의국가별 분야별동향분석, 항공우주산업기술동향 15권 2호. 48) 최지영 (2015), 중국의새로운우주개발계획, 한국항공우주연구원 e-정책정보센터, 2015.02.06. 49) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 16 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 4 장정책동향 라. 일본 일본우주정책의기본목표는우주안보, 민간영역의우주활용촉진, 산업및과학기술기반의유지와강화 3 가지로나눌수있고, 최근일본은 우주산업비전 2030 계획을수립하여우주산업육성에투자중 50) 일본우주항공연구개발기구 (JAXA) 의연구개발을통해확보된기술을산업체에이전함으로서세계우주시장에서의일본산업체의점유율확대를목표 51) 세계발사서비스시장에서경쟁력확보를목표로차세대발사체인 H-3 발사체개발을정부주도로개발중이며, 향후민간업체 ( 미쓰비시중공업 ) 로기술이전예정 52) 4.2 국내정책동향 우리나라우주개발은 우주개발진흥기본계획 * 에기초하여재난관리, 기상관측, 해양관측, 국가안보의목적에따라수행되어옴 53) * 우주개발진흥법제 1 조에의거하여우주공간의평화적이용과과학적탐사를촉진하여국가의안전보장과국민경제발전에기여를목표로매 5 년마다수립 제 1 차우주개발진흥기본계획 ( 07~ 11) 에서우주개발분야기술개발자립이라는목표를제시하였고, 우주발사체기술을확보하기위해국제협력과국내개발을병행한나로호개발을추진 54) 국제협력을통한발사체체계설계, 종합기술, 발사운영기술등의기술확보와지속적연구개발수행을통해제작, 시험, 평가기술을확보하고액체로켓엔진및대형구조물의자립기반확보추진 나로호후속사업에서는나로호개발및선행연구를통해습득한기술로한국형발사체개발추진 50) 박정호 (2017), JAXA의우주산업육성정책, 한국항공우주연구원정책 / 기술동향, 2017.09.08. 51) 이준외 (2017), 2016년세계정부우주개발의국가별 분야별동향분석, 항공우주산업기술동향 15권 2호. 52) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 53) 황진영 (2018), 미국의우주정책과한-미우주협력, 항공우주산업기술동향 16권 1호. 54) 과학기술정보통신부외 (2007), 제1차우주개발진흥기본계획. 17
우주발사체 제 2 차우주개발진흥기본계획 ( 12~ 16) 에서는국내주도의한국형발사체설계및액체엔진개발이라는목표를제시하고핵심기술및우주발사체기반확보추진 55) 우주핵심기술의조기자립화라는추진전략에따라기초기술의확보를목표로대학중심의우주기초연구확대와자력발사에대비한우주발사체연구착수 또한, 정부주도에서산업체주도로사업추진체계를개편하기위해한국형발사체공동설계를통한기술이전을추진하였고, 우주산업활성화를위한관련제도개선과연구기관과산업체간인력교류시스템구축 최근수립된 제 3 차우주개발진흥기본계획 ( 18~ 22) 에서는우주발사체기술자립을중점전략으로채택하고, 한국형발사체자력발사성공을위한지원체계구축, 발사체기술지속고도화등을추진과제로선정 56) 이에따라, 2018년 10월말시험발사체발사로자력개발 75톤엔진의비행성능을확보및검증하고, 2021년한국형발사체본발사 2회로우주발사체기술의자력확보목표 < 표 2> 국내우주개발진흥기본계획중발사체중점과제흐름 제 1 차우주개발진흥기본계획제 2 차우주개발진흥기본계획제 3 차우주개발진흥기본계획 비전 우주개발분야기술개발자립 국내주도의한국형발사체설계및액체엔진개발 우주발사체기술개발자립 목표 우주발사체기술확보를위한국제협력과국내개발을병행한나로호개발추진 핵심기술및우주발사체기반확보를위한개발추진 한국형발사체자력발사성공을위한지원체계구축, 발사체기술지속고도화등추진 자료 : 과학기술정보통신부외 (2007, 2011, 2018), 제 1, 2, 3 차우주개발진흥기본계획 55) 과학기술정보통신부외 (2011), 제2차우주개발진흥기본계획. 56) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 18 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 5 장 R&D 투자동향 제 5 장 R&D 투자동향 5.1 글로벌 R&D 투자동향 우주개발분야최고선진국인미국은 2016 년기준전세계정부 R&D 예산 * 의절반이상인 444 억달러를우주개발예산에투자 57) *2016 년기준전세계우주분야정부 R&D 투자예산은 764.2 억달러 현재까지 50 개이상의국가에서꾸준하게우주개발을위한 R&D 예산투자중 독일, 인도, 한국의우주개발분야 2016 년도정부 R&D 예산은 2015 년도대비 20% 이상증가하였고, 러시아는경제상황악화와우주발사체의발사문제 * 등으로인해약 40% 의예산감소 58) *2015 년 5 월프로톤 -M 발사체의발사실패로인해, 2011 년부터 5 년동안일련의발사실패와차세대발사체개발에대한투자감소 우리나라는 2016 년기준세계 9 위권규모의우주개발분야정부 R&D 예산을지원 < 표 3> 우주개발분야주요국가별정부 R&D 예산비교 국가 예산 (2016년기준 ) [ 십억달러 ] 2015년 2016년변화율 [%] 미국 44.444-0.3 유럽우주국 (ESA) 5.815 18.4 중국 4.317 2.6 일본 3.235 2.4 러시아 1.630-37.0 프랑스 1.513 6.0 인도 1.112 29.5 독일 0.718 21.3 한국 0.647 20.6 기타 12.994 총예산 76.425-0.3 76.66(2015년 ) 76.425(2016년 ) 자료 : 과학기술정보통신부 (2018), 2017년우주산업실태조사보고서 57) SIA 20 th Edition (2017), State of the Satellite Industry Report. 58) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 19
우주발사체 현재각국가에서진행중인사업과로드맵을감안할때, 향후몇년간전세계정부 R&D 예산투자규모는유지혹은확대될것으로전망됨 59) 유럽은향후 2020년아리안 6 발사체개발의종료시점 (2020년) 까지우주개발관련정부 R&D 투자가유지될전망 2022년유인우주정거장건설을목표로하는중국과차세대발사체인 H-3 개발과화물우주선개발등을추진하는일본은우주개발관련정부 R&D 예산을늘릴예정 전세계우주개발정부 R&D 예산중우주발사체관련정부 R&D 예산은 2016 년기준 60 억달러이고우리나라우주발사체관련정부 R&D 예산은 2.3 억달러 60) 과학로켓을포함한발사체관련기술개발에투자한국가는 2006년기준 20개국에서 2016년 30개국으로증가 61) 우주발사체분야정부 R&D 투자는미국, 러시아, 중국, 일본, 유럽등을중심으로이루어지고있고, 브라질, 아르헨티나, 인도네시아, 터키등은 500 kg 이하의소형위성발사를목표로발사체기술개발에투자중 자료 : Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026 재구성 [ 그림 7] 전세계우주발사체분야국가별정부 R&D 투자현황 (2016 년기준 ) 59) Euroconsult (2017), Government Space Programs, Benchmarks, Profiles & Forecasts to 2026. 60) 과학기술정보통신부 (2018), 2017 우주산업실태조사. 61) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 20 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 5 장 R&D 투자동향 5.2 국내 R&D 투자동향 국내우주개발분야는독자적우주기술확보정책기조아래정부 R&D 예산이지난 25 년여간지속확대 62) 2017 년우주개발분야정부 R&D 투자규모는약 6,717 억원 그중우주발사체분야가차지하는예산은 2017년도기준 2,418억원이며, 국내우주개발정부 R&D 예산 * 의 36% 차지 63) * 17 년분야별투자비율 : 위성 (46%) > 발사체 (36%) > 탐사 (12%) > 기타 (6%) 자료 : 과학기술정보통신부외 (2018), 제 3 차우주개발진흥기본계획 [ 그림 8] 연도별발사체예산추이 국내우주발사체개발은과학기술정보통신부한국형발사체개발사업을통해진행중이며, 한국항공우주연구원이주요연구수행주체로서다양한산 학 연과공동개발중 국방혹은기초연구목적의발사체관련과제가방위사업청과교육부로부터예산이편성되어소규모로진행 한국항공우주연구원이주요연구수행주체이나다양한기업체 (60개) 와연구기관 (4개), 대학교 (12개) 가관련사업에참여중 64) 62) 이재민외 (2018), 수요중심의우주개발프로세스고찰을통한우주분야정부R&D 투자전략도출연구 -관측기기를중심으로 -, 한국과학기술기획평가원 (KISTEP) 연구보고 2018-033. 63) 과학기술정보통신부외 (2018), 제3차우주개발진흥기본계획. 64) 과학기술정보통신부 (2018), 2017 우주산업실태조사. 21
우주발사체 자료 : 국가과학기술지식정보서비스 (NTIS) [ 그림 9] 우주발사체분야연구수행주체별정부투자규모현황 (2014-2016) < 표 4> 2016 년도우주발사체개발분야활동금액및참여현황 ( 단위 : 백만원, 개 ) 기업체 연구기관 대학 전체 활동금액 99,481 271,983 10,763 382,227 참여현황 60 4 12 76 자료 : 과학기술정보통신부 (2018), 2017년우주산업실태조사보고서 연구단계별투자비중은개발연구가 97.6% 로가장높음 2016년도연구개발단계별투자는개발연구 (97.6%), 기초연구 (1.3%), 응용연구 (0.9%), 기타 (0.3%) 순 개발연구 (2014년 95.8% 2016년 97.6%) 의투자규모는증가추세이며, 응용연구 (2014년 2.7% 2016년 0.9%) 의비중은감소추세 22 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 5 장 R&D 투자동향 자료 : 국가과학기술지식정보서비스 (NTIS) [ 그림 10] 우주발사체분야연구개발단계별정부투자규모현황 (2014~2016) 현재개발중인한국형발사체와연관된연구이외에도, 차세대발사체개발에중점을둔기초연구가진행중 과학기술정보통신부우주핵심기술개발사업을통해차세대발사체에적용이가능한내열금속재료에관한연구나국외선진국에서선행연구로수행한핀틀엔진과고도보정노즐등에관한기초연구가진행중 항공우주연구원은고유사업을통해다단연소사이클을활용한엔진성능개량연구등을추진하고있음 23
우주발사체 제 6 장결론 6.1 요약 인공위성활용을통한인류의삶의질향상과함께우주공간개척 활용을위해우주발사체기술이중요해짐 우주발사체기술은우주탐사, 통신서비스, 자연재해예측등에활용할수있는인공위성뿐만아니라, 우주공간활용에필요한물자를실어나르는데활용가능 우주개발선진국인미국과유럽, 중국, 일본등은우주발사체기술을물자수송용으로활용할뿐만아니라재사용및저비용우주발사체를개발하여정치적, 경제적, 사회적가치창출목적으로활용하고있음 미국의스페이스X사는 1단발사체를재사용하는기술을개발하여발사비용절감가능성을보여주었고, 로켓랩사는일렉트론발사체의 1단엔진을 3D 프린팅기술로제작해발사체개발비용을절감할예정 유럽의에어버스사는 1단발사체엔진을재사용하는기술을개발해회당발사비용을 30% 이상줄여발사서비스시장에서의경쟁력확보목표 2017 년기준상업목적으로발사된우주발사체는미국과유럽, 러시아, 중국뿐이었고, 이중발사서비스시장은미국의스페이스 X 사와유엘에이사, 유럽의아리안스페이스사를중심으로독과점시장이형성 상업목적의위성발사수요증가가예상되고, 우주개발선진국에서화성및달유인탐사를위한대형발사체개발이성공적으로진행된다면향후발사체시장은커지거나유지될전망 (FAA, The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018) 24 KISTEP 기술동향브리프 15 호
제 6 장결론 우주개발선진국은기술적우위를바탕으로우주공간에대한지배력을강화하고있으며, 발사서비스시장의점유율확대를위해민간기업에대한정책적지원을지속제공 우리나라는 제 1 차우주개발진흥기본계획 수립이후우주발사체독자기술확보를위해정부주도의발사체개발사업을추진하였고, 러시아와의공동개발을통한우주발사체기반기술을확보 이후러시아와공동개발한나로호개발경험을바탕으로우주발사체독자기술확보를목표로 2021년까지 1.5톤의실용위성을지구저궤도에투입할수있는한국형발사체를다양한산 학 연이공동개발중 본발사가이루어지는 2021년이후민간기업이적극적으로참여하는우주산업생태계와상용위성발사서비스기반구축을목표로하고있음 6.2 시사점 2018 년 10 월말발사예정인 75 톤급엔진의성능검증을위한시험발사체발사결과에따른시나리오마련필요 600~700 km에달하는지구저궤도에투입하기위해적용되는한국형발사체의엔진은발사후지상조건이아닌압력과밀도가매우낮은진공상태에서운영되기때문에, 본시험발사를통해실제환경에서의엔진성능검증가능 진공챔버를이용하여고고도환경을모사한엔진성능검증시험이지상에서수행되었지만, 실제비행시고도에따른환경변화를정확히예측하기어렵고비행고도에서임무달성을위한발사체의추력과자세제어등이필수적 따라서시험발사를통해검증되는결과들을토대로기술적인부분을보완하고, 향후 1.5톤의탑재물을싣고엔진클러스터링기술까지적용한한국형발사체의성공적인본발사준비를위한대비필요 25
우주발사체 국내한국형발사체향후활용방안과차세대발사체개발목표를명확히하고구체적인계획마련과혁신적인연구추진필요 우주개발선진국은민간기업이주축이되어상업목적으로활용되는재사용발사체, 우주관광발사체, 소형위성전용발사체등기존성능과역할을뛰어넘는차세대발사체나화성과달의유인탐사를위한대형발사체개발중 우리나라도우주발사체를단순히기술확보의목적이아닌, 경제적 상업적혹은과학적활용측면을고려한차세대발사체개발방향설정과후속연구주제발굴필요 국내우주발사체개발은정부와정부출연연구기관주도로진행되고있지만, 민간기업의적극적인참여유도와타기관과의긴밀한협업체계구축필요 미국 (NASA), 유럽 (ESA), 일본 (JAXA) 은수요제기와기술이전을통해민간기업의수익을보장함으로서기업이우주산업을주도할수있는환경조성 정부는민간기업이발사체시장에서독자적으로활동할수있는기반을마련하고산 학 연간긴밀한협업체계가구현될수있도록산업생태계조성필요 26 KISTEP 기술동향브리프 15 호
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참고 참고 1 미국의주력우주발사체및차세대발사체개발현황 참고 2 유럽의주력우주발사체및차세대발사체개발현황 29
우주발사체 참고 3 러시아의주력우주발사체및차세대발사체개발현황 참고 4 중국의주력우주발사체및차세대발사체개발현황 30 KISTEP 기술동향브리프 15 호
참고 참고 5 일본의주력우주발사체및차세대발사체개발현황 31
우주발사체 KISTEP 기술동향브리프발간현황 발간호제목저자및소속 2018-01 블록체인유거송 (KISTEP), 김경훈 (KISDI) 2018-02 독일의연구개발동향이주석 김승연 (KISTEP) 2018-03 휴먼마이크로바이옴 2018-04 신육종기술 (NPBTs) 황은혜 김은정 (KISTEP) 남영도 (KFRI) 박지현 홍미영 (KISTEP) 한지학 ( 툴젠 ) 2018-05 2차원소재 함선영 (KISTEP) 2018-06 이산화탄소포집 저장 활용기술 김한해 배준희 정지연 (KISTEP) 2018-07 줄기세포 김주원 김수민 (KISTEP) 2018-08 일본의연구개발동향 유종태 (KISTEP) 2018-09 AR/VR 기술 임상우 (KISTEP), 서경원 (UBC) 2018-10 미국의연구개발동향 강문상 (KISTEP) 2018-11 빅데이터 김수연 도지훈 김보라 (KISTEP) 2018-12 스마트시티 황건욱 (KISTEP) 2018-13 방사선이용기술 변영호 정혜경 (KISTEP) 2018-14 자동차용경량소재 김준수 조나현 (KISTEP) 2018-15 우주발사체 문태석 이재민 (KISTEP) 32 KISTEP 기술동향브리프 15 호
KISTEP 기술동향브리프 2018-15 호우주발사체 저자소개 문태석 한국과학기술기획평가원거대공공사업센터연구원 Tel: 02-589-5091 E-mail: moontaeseok@kistep.re.kr 이재민 한국과학기술기획평가원거대공공사업센터부연구위원 Tel: 02-589-5255 E-mail: bakbear@kistep.re.kr
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