2009 항공우주공학개론 로켓추진과우주여행 2009. 5. 12. 서울대학교기계항공공학부 윤영빈교수
내용 로켓의역사 우리나라로켓개발사 우주여행
로켓의역사
로켓 (Rocket) 이란? 어원 Rocchetto 는 작은실감개 뜻의이탈리아어 로켓이란? 고온고압의가스를발생 분출시켜그반동으로추진하는장치 연료로서연소에필요한산소도함께가지고있어대기권밖에서도추진가능 TITAN IV B-27
로켓의종류 고체로켓액체로켓하이브리드로켓 고체연료 액체연료 고체연료 + 액체산화제 고체로켓구성 액체로켓구성 하이브리드로켓구성
로켓의역사 중국의 화전 (1040 년경 ) 중국의 비화창 (1230 년경 ) 일명불화살 로켓의시조 문헌상가장오래된로켓 금나라의몽고대전용 화약을사용 화전 비화창장전모습
지올코프스키 ( 러시아 ) Konstantin Eduardovitch Ziolkovsky (1857-1935) : Father of Cosmonautics and Human Space Flight - 로켓공학이론의선구자 - 로켓운동의가장큰원리인반작용에의한비행을착상 - 우주여행을체계적으로정립 - Rocket Equation 정립 (1898) - 액체산소와수소를이용한로켓의원리발표 (1903) - 인공중력을얻기위한공전하는우주정거장고안 - 우주복고안 - 무중력상태에서의수면, 식사등의문제제안
고다드 ( 미국 ) Robert Goddard (1882-1945) - 독자적인로켓개발 - 다단로켓 개발로달에갈수있음을주장 (1920) - NewYork Times의비판을받음 - Apollo 11 달착륙성공후 NewYork Times의공식사과 (1969) - 세계최초의액체연료로켓발사 (1926) - 음속보다빠른로켓개발 (1935)
고다드 ( 미국 )
폰브라운 ( 독일 ) Wernher Von Braun (1912-1977) - 독일우주여행협회가입 (1929) - 액체산소이용한연료로로켓발사 (1931) - 독일로켓개발프로젝트책임자 (1932) - 첫탄도미사일발사 V-2 로개량 (1942) - V-2 로켓, 첫실전발사 (1944) - 독일의패망직후미국으로투항 (Paperclip 작전 ) 117 명의연구진, V-2 로켓 100 기, 트럭 300 대분의자료 -Saturn Rocket ( 미국 ) 개발
V-2 로켓 ( 독일 ) V-2 ROCKET 폰브라운박사주축 1932년 ~1942년 현대적액체로켓 우주개발에중대한역할 V-2 로켓시험발사장면
동서냉전시대 미국과소련의우주전쟁 소련 (1957. 10.) : Sputnik 1 호 ( 최초의인공위성 ) 미국 (1958. 1.) : Explorer 1 호 ( 두번째인공위성 ) 미국 (1958. 10.) : NASA 설립 소련 (1961. 4.) : Gagarin - 세계최초의유인우주비행 (Vostok-1 호 ) 미국 (1961. 5.) : Sheppard 두번째유인우주비행 (Mercury-3 호 ) 미국의주피터 -C 로켓 미국 (1961. 5.) : Apollo 계획발동
Sputnik 호 ( 러시아 ) 스푸트니크 세계최초의인공위성 1957 년 10 월 4 일발사 무게직경위치모양탑재물 Sputnik 1 호 86.3kg 58cm 근지점 : 228km 원지점 : 947km 주기 : 96.2 분적도경사 : 65.2 4 개의안테나가달린금속구 라디오송신기 2 개 스푸트니크 1 호
세르게이코룔로프 ( 러시아 ) Sergey Korolyov (1907-1966) - 구소련로켓엔지니어의수장 - 동서냉전시대구소련의로켓개발주도 (1950-1960) - 유도탄로켓모터개발에공헌 - 스푸트니크 1 호발사성공 ( 개발책임자 ) - 스푸트니크, 보스토크프로젝트담당자
John F. Kennedy ( 미국 ) 아폴로계획발표 (1961. 5. 25.] Kennedy s Speech NASA 에서의케네디 I believe this Nation should commit itself to achieving a goal before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth. 연설문을낭독하는역사적순간
SATURN 로켓 ( 미국 ) 목적 : 아폴로계획 1962.1. 폰브라운지휘하에개발착수 1967.11. 새턴 5 로켓발사성공 1969.7.16 인류최초유인달착륙성공 구성 : 3단로켓 인류역사상가장강력한발사체 발사대로옮겨지는새턴로켓 아폴로계획에참여한새턴로켓들 F-1 엔진 : 세계최대의 액체추진엔진
Space Shuttle ( 미국 ) 우주왕복선 (Space Shuttle] 우주개발예산절감 재사용가능 구성 : 궤도선고체추진제 (2) 외부탱크 1981. 4. 발사성공 국제우주정거장이동수단 우주왕복선발사장면 Columbia 호
부란 (Buran, 러시아 ) 개발및비행결과 1980년제조시작 1984년실물크기시험기제작, 대기권내비행실험실시 실제우주왕복선은 1988 제작완료 11월 15일, 처음이자마지막으로우주궤도비행실시 생명유지장치점검미완료로인해컴퓨터자동조종으로고도 256km에서궤도를 2번돈뒤3시간 25분만에착륙 발사준비중인부란 Space Shuttle
Soyuz 로켓 ( 러시아 ) 개발및활용 1966년개발 1980년대초반에는연간 60여대생산 세계최다발사횟수 (1700회이상) 저비용, 높은신뢰성으로상업적사용에적합 최신형소유즈 /ST ( 소유즈-2) 개발 - 디지털유도시스템적용 2003년 2월 ~ 2005년 7월사이에는국제우주정거장 (ISS) 와의유일한수송수단 소유즈발사장면
Delta 로켓 ( 미국 ) 기존 12개로켓의기술이용, 1959년개발 최초발사 : 1960년 5월 13일 델타계획에따라 200회이상발사됨 GPS용위성인NAVSTAR 발사 지속적으로개발, 활용할계획 Delta family Delta II 로켓
Ariane 로켓 ( 유럽 ) 프랑스주도하 ESA / CNES에서개발, Arianespace사운용 유럽 10개국참여 1979년첫발사성공 세계최대상업위성발사로켓 현재 Ariane 5까지개발 Ariane Family Ariane-5 로켓발사
H-2 로켓 ( 일본 ) H-Ⅱ 로켓의탄생 (1994. 2.) 10 년의개발기간, 자주기술 1 단엔진 : 액체수소와액체산소를추진제 (LE-7 엔진사용 ) 2 단엔진 : H-Ⅰ 에사용한 ( LE-5A 엔진 ) 총중량 260 톤을발사가능 위성중량약 2 톤 발사를기다리는 H-2 로켓 1 호
장정로켓 ( 중국 ) 첸쉐센박사 1955년미국에서귀국 핵심로켓기술보유 장정로켓 1970 년대부터개발 장정로켓의개발사 장정로켓발사장면
첸쉐센 ( 중국 ) 첸쉐센박사 (1909- ) - 캘리포니아공과대학박사학위 (1938) - 캘리포니아공과대학교수로있으면서초음속및제트추진기를연구 - 제2차세계대전중미국국방과학위원회미사일조주임, 전쟁후독일미사일설비조사대책임자 - 과학문서를휴대하고중국으로가려다가미국이민국에의해구금, 후에보석 (1950) - 중국귀국, 중국과학원역학연구소를창설 (1955) - 핵물리연구소역학연구소장 (1964) - 핵미사일실험지휘, 국방과학위원회부주임 (1966) - 중국인공위성제작책임자 (1970) CZ-1
선저우호 ( 중국 ) 선저우 5 호 2003년 10월 15일발사 중국최초유인우주선 세계 3번째유인우주선 양리웨이탑승 양리웨이 러시아, 미국에이어 3 대우주강국으로진입 해외자본유치폭등 경제성장에이바지 국제적이미지, 국제경쟁력강화
대포동 ( 북한 ) 중국 일본 대포동 1 호 ( 광명성 1 호 ) 대만 스커드 B 스커드 C 노동 1 호 대포동 1 호 대포동 2 호 대포동 2 호개량형 사거리 (km) 340 500 1300 2200~2900 4300~6000 5400~6700 추진장치 1 단 ( 액체연료 ) 1 단 ( 액체 ) 1 단 ( 액체 ) 2 단 ( 액체 + 고체 ) 2, 3 단 ( 액체 + 고체 ) 2, 3 단 ( 액체 + 고체 ) 배치여부 ( 년도 ) 실전배치 (1981) 실전배치 (1989) 실전배치 (1999) 시험발사 (1998) 개발중 ( 추정 ) 개발중 ( 추정 ) [ 자료 : 외신종합, 조선일보, 한국일보 ]
우리나라로켓개발사
K-1 백곰 / K-2 현무 K-1 백곰 1978년개발 사정거리 180km 구형흑색화약추진제 K-2 현무 < K-1 백곰 > 1986 년양산 사정거리 180km( 개량형은 300km) 무연화약추진제 < K-2 현무 >
KSR-I ( 과학로켓 1 호 ) 다른이름 : KSR-420 대기상태, 오존농도, 로켓온도, 연소실온도측정 1993. 6. 3. 서해안안흥시험장에서발사 1 단고체추진로켓 96.3 초후최대고도 39km 에도달 전장 6.72m 무게 1.410ton 지름 0.42m 단수 1단 추력 - 연소시간 18초 도달고도 50km 발사각도 70 비행시간 188 초 비행거리 77.1km 최대속도 1100m/s 최대가속도 - <KSR-I 발사장면 >
KSR-II ( 과학로켓 2 호 ) 제원 : KSR-I 과유사 1998. 9. 1. 발사 112.5 초후최대고도 49.4km 도달 213 초동안 101.3km 비행 대한민국상공오존층농도측정 < KSR-II 발사장면 > < KSR-II 제원 >
KSR-III 국내최초액체추진로켓 PAYLOAD 발사 : 2002.11. 28. PAYLOAD ATTITUDE CONTROL SYSTEM 총연구비 : 780 억원 가압식액체추진과학로켓 관성항법장치 (Pegasus 급 ) KICK MOTOR PRESSURIZING SYSTEM FUEL TANK ROLL CONTROL THRUSTER TANK 추력벡터제어 총중량 : 6 ton 총길이 / 직경 : 14 m, 1 m 추진제 : Kerosene/Lox OXIDIZER TANK ROLL CONTROL THRUSTER LIQUID ROCKET ENGINE < KSR-III 구조 > < KSR-III 제작 >
KSR-III 발사장면 ( 동영상 )
KSLV-l 제원 엔진제원 추력 : 150 ~ 170 톤 크기 : 높이 32m, 직경 2.9m 인젝터 : 동축형 연료공급방식 : 터보펌프식 냉각방식 : 재생냉각 엔진개발방식 러시아와공동개발 러시아주도, 한국참여형태 발사 : 2009 년 < Korea Space Launch Vehicle >
한국형발사체 (KSLV-II) 목표성능 - 1.5 톤급실용위성을고도 600~800 km 의태양동기궤도에발사 개발기간 : 2009 년 ~ 2017 년 개발안 - 국내개발가능한 75 톤급엔진을사용한 3 단형 - 구성 1 단 : 75 톤급엔진 4 기클러스터링 2 단 : 75 톤급엔진 1 기 3 단 : 5~10 톤급엔진 1 기 - 제원 이륙중량 : 200 톤 직경 : 약 3m, 높이 : 약 50m
국내외우주개발동향 세계우주산업매출액 구분 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 억달러 (%) 2004 연평균증가율 매출액 490 550 604 737 786 861 910 1,030 13.3 자료 : Futron Corporation(2004). 그룹구분국가 A 그룹 자체로켓발사능력및위성개발능력보유국가 미국, 러시아, 영국, 프랑스일본, 인도, 중국, 이스라엘 B 그룹위성개발능력보유국가캐나다, 독일, 이탈리아, 브라질 C 그룹 부분적로켓및위성개발능력보유국가 한국, 오스트리아, 덴마크, 벨기에핀란드, 네덜란드, 노르웨이 D 그룹최근연구개발착수국가인도네시아, 호주, 대만
국가우주개발진흥기본계획 독자적우주개발력및자주적우주운용력확보 2000 1999 다목적실용위성 1 호 2006 2003 다목적실용위성 2호과학기술위성 1호 2009 KSLV-I 2009 과학기술위성 2 호 2009 통신해양기상위성 1999 우리별 3 호 2010 다목적실용위성 5 호 2010 과학기술위성 3 호 2017 KSLV-II 2016 통신해양기상위성 2016 다목적실용위성 7호 2011 2012 2013 다목적실용위성 3호 2015 다목적실용위성 3A호 다목적실용위성 6호 [ 자료 : 항공우주연구원 ]
인공위성해상도비교 다목적위성 ( 아리랑 1 호 & 2 호 & 3 호 ) 해상도비교 위성개발추진 KOMPSAT-1 6.6m 급해상도 KOMPSAT-2 1m 급해상도 KOMPSAT-3 80cm 급해상도 [ 자료 : 과학기술부 ]
최근인공위성사진 평양인공위성사진 서울잠실인공위성사진
나로우주센터 나로우주센터 전라남도고흥군봉래면위치 면적 : 150만평 ( 시설부지 8.7만평 ) 투자규모 : 2650억원 2003년 8월착공 2008년말준공예정 위성발사대 세계 26번째발사장 공사완료시 - 세계 13번째위성발사시설보유 - 세계 9번째위성발사능력확보
우주인양성계획 우주발사체한국최초의우주인 ( 이소연 ) 우주운송체인소유즈발사체 (2008. 4. 8.)
국제우주정거장 (International Space Station) 우주정거장의역사 살류트시리즈 (Salyut, 러시아 ) : 1971 ~ 1991 스카이랩 (Skylab, 미국 ) : 1973 ~ 1979 미르 (Mir, 러시아 ) : 1986 ~ 2001 국제우주정거장 (ISS) : 1998 ~ ISS 건설진행상황 미국, 러시아, 유럽연합 (11 개국 ), 일본, 캐나다, 브라질등총 16개국참여 43개모듈, 500ton 1998년시공, 2010년건설완료목표 1000억달러이상소요예상 International Space Station
달탐사계획 우리나라의계획 2020년에우리나라도달탐사궤도위성 1호를쏘아올리고 2025년엔달탐사위성 2호를쏘아착륙선과탐사로봇이달표면을밟게하겠다 - 2007.11.20 과학기술부 우주개발세부실천로드맵 - 실천방향 2010 ~ 2016 년 : 위성기술자립화와우주탐사기초연구를진행 2017 ~ 2020 년 : 달탐사위성발사로상징되는여러우주탐사프로그램본격추진 2017 년부터 : 국제공동우주탐사프로그램에참여해달과행성탐사사업중장기로추진 2026 년까지 : 우주탐사용위성을발사할수있는 우주운송시스템발사시설 구축, 달탐사와유인우주선에대한기초연구도진행
달탐사목적 기초과학연구 - 달의토양, 암석채취등을통한우주연구 자원확보 - 달궤도를돌며광물질등자원에관한정보수집 - 헬륨 3 : 핵융합발전의원료 (200 만톤매장추정 ) 환경조사 - 미래의인류주거가능환경여부연구 -달의지도작성 탐사기술확보 - 더먼행성혹은위성으로의탐사기술확보
우주여행
우주여행 우주여행 (Space Tourism] 개인이우주여행가능성 과학연구의목적이아닌개인의기쁨을위한여행 개인의큰부담 개발초점 : 우주로의여행 & 저비용을모두충족 지구궤도에서본지구곡선 : 이멋진광경을보기위해사람들이우주를여행하고싶어한다.
우주여행분류 달여행 - 달궤도를여행 - 소유즈호 - 티켓가격 : $ 1억정도 궤도여행 - 소유즈탑승, 국제우주정거장에서 1주일정도거주 - 티켓가격 : $ 2,000만정도 근궤도여행 - 100km 정도의고도여행, 약 5분간의무중력체험 - 티켓가격 : $10만 ~ $20만 초고도제트비행 -36km 고도비행, 티켓가격 : $ 24,000 무중력체험 - 포물선궤도, 30초간의무중력체험 - 티켓가격 : $ 3750
우주관광객 우주관광객 - 5 명의고객이소유즈를타고국제우주정거장을여행하였다. 1st 2nd 3rd 4th 5th Dennis Tito ( 미국 ) 2001. 4. 28 5. 6 Mark Shuttleworth ( 남아프리카공화국 ) 2002. 4. 25 5. 5 Gregory Olsen ( 미국 ) 2005. 8. 1-11 Anousheh Ansari ( 이란 / 미국 ) 2006. 9. 18-29 Charles Simonyi ( 미국 ) 2007. 4. 7 21-1 명의고객이소유즈탑승이예약되어있다.
근궤도우주여행 근궤도 100km 정도고도의궤도 근궤도우주여행 100km 정도의고도의궤도까지비행 5분정도의무중력체험 우주공간에서의천체, 지구의모습관람 여행비 : $ 20 만 -> $ 3 만정도목표 100km 상공에서의 California (Google 제공 ) 궤도우주여행 엄청난비용 대중화 ( 상대적 ) 근궤도우주여행 간결한우주여행 1/100 의비용
근궤도우주여행 - 한국 C & SPACE 국내벤처기업 프로젝트 Proteus CHASE-10 Proteus 메인엔진 LNG( 메탄 ) 엔진 Proteus 순수국내기술
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