은하2호의 발사는 어떻게 가능했나

 

<연재> 곽동기의 오늘의 북한산업 (4)
2010년 06월 23일 (수) 14:06:04곽동기 <U>tongil@tongilnews.com</U><U></U>
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곽동기 (한국민권연구소 상임연구위원)

오늘의 북한산업 연재를 시작하며

이명박 정부가 집권하고 3년째를 맞는 2010년, 6.15와 10.4 선언의 이행은 답보되며 남북관계는 격폐되는 답답한 상황이 이어지고 있습니다.

북한은 2012년 사회주의 강성대국의 대문을 열겠다는 그들의 목표를 제시하고 올해를 “인민생활의 결정적 전환”을 가져오겠다고 주장하고 있습니다. 이미 작년 말부터 CNC, 주체철, 비날론 등 북한당국은 여러 성과들을 계속적으로 보도하고 있습니다.

한 가지 아쉬운 점은 북한당국이 발표하는 보도내용이 어떠한 경제.산업적 의의가 있고 과학기술적 의의가 있는지 평가되고 있지 못하다는 것입니다. 그러다보니 한국사회에서는 2009년 4월에 발사하였던 북한의 우주발사체 ‘은하2호’가 어떻게 만들어졌는지 전혀 설명하지 못하고 있습니다.

북한의 경제-산업적 현황에 대한 사실관계의 파악이 목마른 지금, 북한이 발표하는 경제. 산업 각 분야의 성과가 어떠한 의미와 파급력이 있는지 살펴보고자 합니다. 북한의 현황에 대한 활발한 토론은 차후 반드시 재기될 남북경협의 실효성을 높이기 위해서라도 꼭 필요하다고 봅니다. /필자주

필자 곽동기는?

  
2007 KAIST 신소재 공학박사 학위취득
2007 서울산업대학교 강사
현재 한국민권연구소 상임연구원

저서   『 북한의 경제발전전략』 
공저  『 북한의 미사일전략』, 『 김정일 국방위원장과 21세기 북한』

6월 10일, 발사되었던 나로호가 온 국민이 큰 관심을 가졌던 것은 우주발사체를 발사한다는 자체가 매우 종합적이고 높은 기술수준을 요구하는 작업이기 때문이다. 우주발사체의 발사는 로켓엔진 제작 측면에서, 자세제어 측면에서, 부품소재측면에서 세계적 수준의 기술을 요구한다.

그러하기에 북한이 2009년에 은하2호를 자체의 기술로 발사하였다는 사실은 시사하는 바는 크다. 북한의 우주발사체 기술의 근원은 미사일 기술이 기초가 되었고 그 미사일 기술은 옛 소련으로부터 들여온 스커드 계열 미사일로부터 출발하였다고 하지만 스커드 미사일과 우주발사체는 차원이 다른 수준이라는 점을 인식해야 한다.

수입이 안 되는 로켓엔진

길이 30m에 무게가 100톤이 넘는 초대형 로켓을 우주로 쏘아올리는 것은 매우 정밀하게 제어되면서도 상상을 초월하는 막대한 추진력을 갖는 로켓엔진을 제작하지 않고서는 불가능하다.

  
▲ 유럽의 아리안 로켓에서 사용되는 Vulcain2 로켓엔진. [자료사진 - 곽동기]

우주발사체의 로켓엔진은 외부에서 들여올 수도 없을 뿐더러 뜯어볼 수도 없다. 60년째 미국의 대북제재에 가로막혀 있는 북한이 위 사진과 같은 로켓엔진을 외부로부터 공급받을 가능성은 없다고 할 수 있다. 오로지 자체의 기술에 의거해서 만들어야 하는 점이 로켓엔진의 특징이다.

로켓엔진은 자동차 내연기관에 사용되는 가솔린엔진과 달리 피스톤의 왕복운동이 아니라 추진연료를 연소시켜 이를 분출시키면서 그 반작용으로 나아가는 엔진이다. 그렇기 때문에 순식간에 압도적으로 많은 용량의 연료를 매우 높은 효율로 연소시켜야 한다. 일례로 미국이 1969년 달착륙선을 발사하였다는 새턴 5로켓은 매 초당 13톤의 추진연료를 연소한다. 자동차의 가솔린 엔진이 시속 100km 정도로 달릴 때의 추진력이 대략 50마력 내외라면 역사상 최대 출력을 보였던 새턴 5 로켓엔진의 추진력은 1억 6000만 마력에 달한다.

여러 가지 차이가 있겠지만 새턴 5로켓과 은하2호 로켓을 추진력 중심으로 단순비교하면 은하2호의 로켓엔진이 지구대기권을 벗어나기 위해서는 매초 400kg의 추진연료를 연소해야 하며 최대 추진력은 470만 마력으로 추산할 수 있다. 이는 고속도로에서 힘차게 달리는 자동차 9만대를 한 번에 묶은 것과 같은 출력이며 KTX 고속열차 260대가 한꺼번에 질주하는 것과 같은 출력이다.

역사상 인류가 개발한 모든 기계류를 통틀어 최대추진력을 내는 기관이 바로 로켓엔진이다.

매초에 400kg의 연료를 일정하게 소모하기 위해서는 추진연료를 매우 높은 압력으로 분출시켜주어야 한다. 일반적으로 로켓엔진은 터보펌프를 사용하여 연료를 공급해야 중력가속도를 넘어설 수 있다.

자체의 능력으로 설계해야 가능

로켓엔진을 자체 힘으로 제작하기 위해서는 먼저 엔진의 설계기술이 갖추어져야 한다. 이같은 엔진을 설계하는 데에는 기계공학의 폭넓은 저변이 없이는 불가능하다. 이를테면 로켓엔진은 작용-반작용 법칙에 의해 추진연료 분사의 반작용으로 로켓체가 진행하는 원리를 기본으로 하고 있는데 추진연료의 분사방식을 어떻게 만들어내는가, 로켓엔진의 노즐이 어떠한 곡면으로 형성되는가에 따라 분사효율은 크게 차이가 난다. 노즐곡면 형성이 연료추진에 미치는 영향은 고도의 수학적 계산을 요구하는 어려운 작업이다. 은하2호 발사성공은 북한기술진들이 이러한 작업을 자체적으로 해냈다는 것을 반증한다.

게다가 로켓엔진은 우주공간에서 비행해야 하므로 산소를 액체산소 형태로 보관하거나 N2O4와 N2H4 같은 가연성 연료의 형태로 주입하여야 한다. 은하2호 로켓엔진이 점화되면 매 초당 400kg의 추진연료가 타 없어지는데 이때 발생하는 로켓질량의 감소가 정확히 제어되어 로켓의 궤적이 예측되어야 한다. 이 역시 북한기술진에 의해 최적치가 구해졌다고 보아야 한다.

로켓엔진은 연소에 따라 질량이 가벼워짐과 동시에 고도가 높아짐에 따라 공기저항력이 급격히 감소하여 동일출력으로 비행할 경우 그 가속도가 급격히 증가하게 된다. 이러한 속도증가여부가 정확히 제어되어야 인공위성을 궤도에 올릴 수 있다.

뿐만 아니라 길이 30m에 이르는 초대형 로켓을 발사할 경우 가급적 자체중량을 가볍게 만드는 것이 필수적이다. 커다란 압력에도 견딜 수 있도록 엔진을 단단하게 설계하는데 주력하다보면 엔진의 무게가 무거워져 영원히 못 날아오를 수가 있기 때문이다. 엔진이 가급적 작고 가볍게 제작되는 것은 로켓발사와 상용화의 필수요건이라고 할 수 있다.

이 과정에서 연료의 연소효율이 매우 높은 수준에서 유지되어야 하는 것은 필수조건이다. 이 모든 설계는 물리학을 비롯한 북한의 기초과학 수준이 세계적 수준에 오르지 않고서는 불가능하다.

은하2호를 떠받치는 군수산업 기반

그러하기에 북한의 은하2호 발사는 어쩌다 운이 좋아 하늘에서 떨어진 것이라 볼 수 없다. 기계공업을 비롯한 중공업에 집중한 북한의 국가적 방침과 더불어 지난 40여년에 걸친 미사일 발사체에 대한 꾸준한 연구와 기술축적이 있었기에 은하2호의 발사가 가능하였다.

우주발사체 개발의 뿌리는 북한의 기계공업으로 거슬러 올라간다. 북한은 1950년대에 이미 기계설비의 자체생산능력을 갖추었다. 강호제 박사는 “북한 인공위성 발사의 과학기술사적 의미”라는 글에서 “북한은 1958년부터 굴착기(락원기계공장), 트랙터(기양농기계공장), 오토바이, 화물자동차(덕천기계공장), 불도저(북중기계공장) 등을 비록 역설계방식(Reverse-engineering)이었지만 자체적으로 생산하게 되었다.”고 밝히고 있다.

굴착기, 트랙터, 불도저 등을 자체생산한 기초역량이 있었기 때문에 그로부터 50여년이 지난 오늘날, 북한은 은하2호의 로켓엔진을 자체의 힘으로 제작하였다.

미사일과 관련한 북한의 폭넓은 군수산업도 은하2호 발사의 중요한 기반이다. 북한은 1970년대부터 미사일을 연구개발하기 시작하여 1984년 스커드 개량형 미사일 개발과 시험발사에 성공한 데 이어 1988년 스커드 계량형 미사일을 실전배치하였으며 1990년에는 스커드 미사일 형태를 뛰어넘는 노동1호 미사일을 자체기술로 발사 성공하였다. 이어 1998년 8월 31일에는 우주발사체 백두산1호에 인공위성 광명성 1호를 실어 쏘아올리게 된다.

  
▲ 1998년 8월 31일, 북한이 자체개발, 발사한 백두산1호 로켓. [자료사진 - 곽동기]
미국의 중앙정보국과 국방정보국은 북한의 장거리 미사일 발사능력을 탄두무게가 750-900kg일 경우 사정거리가 약 6700km에 달한다고 분석하였다. 또한 일각에서는 이미 북한이 은하2호를 발사하기 전의 기술수준으로도 탄두중량을 240-650kg까지 경량화시킨다면 장거리 미사일의 사정거리는 1만km를 넘겨서 미국본토를 타격할 수 있다고 추정하고 있다.

그 구체적 위치와 장소는 알려져 있지 않지만 북한이 자체적으로 미사일을 생산, 배치하는 군수산업 토대를 구축하고 있다는 점에서는 이견의 여지가 없다. 무엇보다도 북한이 군사용 미사일을 수출하고 있다는 점에서 북한의 미사일 관련기술은 세계적으로 이미 인정받고 있다고 할 수 있다.

북한이 그 동안 구축해 온 미사일 능력을 인공위성 발사 기술로 전환해서 살펴본다면 은하2호의 기술개발 수준을 추정할 수 있다.

일례로 한국은 2008년, 추진력 30톤급의 액체연료 로켓을 실험하였는데 이것은 북한이 1990년에 이미 발사 성공하였으며 실전배치까지 완료한 노동1호 미사일과 유사한 출력이라고 한다.

물론 노동1호 미사일은 군사용이기 때문에 발사 전 연료주입이 필요없이 연료를 항시 내장하고 있는 고체연료 계통 추진체라 이를 단순비교하기에는 무리이다. 하지만 로켓엔진과 관련한 경험의 축적과 미사일엔진의 생산설비, 그리고 “한미 미사일 지침”에 의해 탄도미사일의 사정거리가 300km로 제한되어 있는 한국의 처지 등을 볼 때 적어도 로켓발사에 있어서 북한은 한국에 비해 최대 20년 가까이 앞서 있다고도 말할 수 있다.