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북한 미사일, 로켓 기술 간단 분석
작성자 : 김승조(100.100.xxx.xxx)
입력 2016-02-29 13:54:26
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북한이 설 하루 전날에 전격적으로 광명성호를 발사해 우리를 놀라게 했다. 우리는 이를 미사일 발사라 부르고 북한은 인공위성발사 시험이라고 주장한다. 그래서 많은 일반 국민들은 너무 궁금해 하고 있는 것 같다. 미사일 발사이냐? 아니면 인공위성 궤도 진입 시험이냐? 우리 정부는 미사일 발사 시험이라고 선언했기 때문에 정부측 대변인의 " …… 발사체가 궤도에 올라 갔다." 라는 좀 어색한 발표문도 있었다. 1단, 2단, 3단으로 구성된 발사체는 모두 분리되어 사라지고 정작 궤도에 올라 간 것 것은 탑재체인 데……   
 

이 글에서는 간단한 분석을 통해 이런 의문에 기술적인 답을 해볼까 한다. 당연하게도 정밀 분석에 필요한 정보가 상당히 부족하기 때문에 잘 모르는 부분은 유추를 해서 밝혀 보고자 한다. 사실 대다수 외국언론은 위성발사를 가장한 미사일 시험이라고 표현한다. 북한의 주장대로 위성을 궤도에 올리는 방법에 따라 로켓이 비행했기에 미사일 시험이라고 콕 찍어 말하기 어려운 바도 있으니까.

이번에는 발사대에 서있는 1단 로켓에 광명성이라는 이름이 선명하게 보이는 사진도 공개 했다. 이때까진, 북한이 위성이라고 주장하는 탑재체의 이름은 광명성이었다. 2009년 4월의 은하 2호 로켓에 광명성2호위성 발사 실패, 2012년 4월에 은하 3호 광명성 3호 발사 실패, 그리고 2012년 12월에 같은 3호를 재발사의 경우에도 발사체와 위성의 이름이 달랐는데 이번에는 발사체와 위성의 이름이 같아져 버렸다. 의도적인 것인지 모르겠지만 혼란스럽고 헷갈리게 만든다. 허긴 구 소련도 발사체 이름을 소유즈, 우주선 이름도 소유즈로 혼동되게 붙이긴 했기에 어쩌면 북한이 이를 흉내 낸 것인지도 모르겠다.

북한은 1980년경에 이집트로부터 Scud-B 미사일을 수입해서 자체 미사일을 개발해 왔고 이번의 광명성은 이러한 개발 방향의 일환라고 보는 것이 일반적인 생각이다.

우선 Scud 미사일부터 간략히 살펴보자.

Scud A는 나토 식별명이고 러시아 이름은 R-11이다. 1951년경에 나치 독일의 V-2 로켓 정도 성능의 탄도미사일을 목표로 개발을 시작했다. 구 소련의 신화적인 로켓 개발 대부, 코롤로프가 지휘하고 있던 OKB-1 산하에서 이사예프 설계팀이 본격적으로 개발에 착수했고 그 후 다른 부서로 독립해서 계속 개발했으며 완료되어 1955년에 생산 개시했다. 1958년에는 핵탄두를 실을 수 있게 끔 진화된다. 사거리 180Km 정도로 이동 발사용이었고 가까운 유럽 지역들이 목표들이었다.



1964년에 실전 배치되기 시작한 Scud B는 가장 유명하고 가장 많이 생산된 Scud이고 소련의 우방이었던 국가들을 주로 해서 전세계 32개국에 배치되었었다 한다. 무게가 6톤 정도로 사거리는 300Km이고 985Kg 탄두를 탑재할 수 있었다. Scud C, D들은 B를 개선해 정밀도를 높인 버전들이다. Scud는 1단 로켓으로 연료는 TM-185(20%가솔린과 80% 케로신)를 산화제로는 AK-271( 27% N2O4와 73% HNO3)을 사용했다. 이 경우 비추력은 230초(진공에서는 271초)이 되고 추진력은 약 13톤정도이었다. Scud-B(이사예프 9D21엔진 1기 사용)는 길이 14m에 무게12.5톤 그리고 추력 26톤의 V-2 로켓보다는 소형이었지만 사거리 300Km정도에 탄두무게가 1톤인 V-2와 유사하기 때문에 좀 더 날렵해 지면서 많이 개선된 미사일인 셈이다.

북한은 1980년대 이 Scud B를 리버스 엔지니어링하여 1984년에 시험 발사했고 화성-5로 이름 지었었다. 1985년에는 소소한 성능이 약간 개량된 화성-5를 생산 개시했고 이란 등에 100여기 수출한 것으로 알려져 있다.

1988년경에는 Scud-C를 모방한 화성-6 개발이 시작되었고 91년 성공적인 발사 이후 1992년부터는 본격적인 양산이 시작되었다. 유도제어 시스템이 개선되고 사거리가 500Km로 늘어 났지만 탑재 가능 탄두 무게는 770Kg 정도로 줄어 들었다고 한다. 이동용 TEL(Transporter, Erector Launch, 운반 기립 발사) 차량의 구득이 힘들어 이 무렵에 국산화도 이루게 된다. 화성 6호는 길이 12m에 직경이 약 88cm이고 1000개 가까이 제작되었으며 그 중 반 가까이는 중동 여러 나라에 수출 되었다 한다.


화성 시리즈 다음으로 북한이 개발한 것이 유명한 노동 미사일이다. Scud기술을 익힌 후 대대적인 개선을 꾀한 북한 자체 개발 엔진을 기반으로 해서 개발한 것이다. 1990년 처음 발사에는 실패하고 1993년 성공하게 된다.

노동-1호는 백두산-1호라고도 불리며 1000Km의 사거리에 타격정밀도는 3Km전후인 것으로 알려져 있어 일본을 타격할 수 있는 사거리 성능이 된다. 이것의 개발 무렵에 러시아의 도움을 받은 것으로 알려져 있으며, 단지 두 번의 발사 시험 후에 중동 국가들에 수출하기 시작했다. 이 때문에 일부 전문가들은 구소련에서 수행하던 개발 프로젝트가 소련 붕괴 후 취소된 것이 북한에서 완성된 것이 아니냐는 의견을 내기도 한다. 노동-1호는 직경 1.25m, 길이 12.55m 정도로 추정되고 Scud B와 마찬가지로 적연질산과 케로신을 사용한 것으로 판단된다. 엔진 추력은 해상 기준으로 27톤에 달한 것으로 추정된다.

대포동1호는 노동엔진을 토대로 해서 북한이 만든 최초의 3단 로켓으로 1단으로는 노동 로켓에서 사용한 엔진 4개, 2단에는 Scud 계열 엔진 1기, 3단에는 SA-2대공 미사일을 활용한 것으로 분석된다. 북한으로부터 기술을 수입하여 생산한 것으로 알려진 이란의 샤합-3와 파키스탄의 차우리 미사일들로부터 크기를 유추하면 동체 단면적이 Scud의 2배 즉 직경이 배인 1.25m인것으로 추정할 수 있다.


 



 
대포동2호는 은하2호 은하3호와 같은 것으로 판단된다. 3단 로켓으로 1단은 대포동1호와 같이 27톤 추력의 노동 엔진 4개를 사용하고 있으며 비행제어에 사용되는 3톤의 추력을 가진 버니어 엔진 4개가 붙어 있어 1단 총 추력은 120톤으로 추산된다.


대포동 2호 발사시 동아일보에 게재된 그래픽..

은하4호 혹은 광명성호도 은하2,3호와 큰 차이가 없어 보인다. 일부 비행제어시스템이 개선되어 좀 더 큰 탑재체(100Kg에서 200Kg)를 좀 더 높은 궤도(300Km에서 500Km)로의 투입이 이루어졌고 2012년 말 발사 성공한 은하3호 보다 좀 더 안정화된 것으로 판단된다.

그러면 지금부터 북한의 로켓들이 궤도에 올라 갈 수 있는 성능인지 아니면 단지 대륙간 탄도탄수준인지를 간단한 지표로 분석해 보자.

로켓이 위성을 원하는 궤도에 올릴 수 있는 지 볼 수 있는 가장 기본적인 설계지표는 델타 브이(delta-v) 값이다. 델타 브이 값은 소위 치올코프스키 방정식(Tsiolkovsky Rocket Equation, TRE)으로부터 계산될 수 있다.

편의상 로켓 노즐 배기속도, V 가 일정하다고 가정하면 TRE는

델타 브이= V ln(m0/m1) 로 표시된다. 여기서 ln는 자연대수이고 m0는 로켓의 초기질량, m1은 연소 종료 시 질량이다. 배기속도는 비추력과 중력의 곱으로 표시될 수 있다.


2단 이상의 다단 로켓의 경우 자연대수식의 특성에 따라 각 단에서 얻은 델타 브이 값을 단순히 더하면 전체 로켓의 델타 브이가 된다. 또한, 필요한 수치가 비추력이다. 연소실압력 등의 설계 사양과 사용연료에 따라 비추력 값이 달라진다. 가장 높은 것이 액체수소와 액체산소 조합으로 400초 전 후이고 케로신 액체산소는 300초 전후 그리고 상온 액체 추진제 조합들은 200초 초 중반이다.

자, 이제 이번 광명성호의 델타 브이를 계산해보자.

광명성호의 1단로켓은 4개의 노동계열 엔진의 최신판이라고 보면 1기당 지상에서 27톤의 추력으로 추측되어 4기의 엔진이면 총 108톤이 되고 4개의 로켓제어용 소형연소기인 버니어 챔버가 추가로 장착되어 있어 기당 3톤 해서 1단 총 추력은 120톤이 된다. (일부 전문가는 버니어 챔버의 추력 총합 12톤은 1단 전체 추력의 10%에 달할 정도로 너무 커서 비현실적이라고 판단하여 각 1톤 정도가 정상이라는 견해도 피력하고 있음. 이게 맞는다면 1단 전체 추력은112톤)

북한은 상온 액체 추진제를 사용하고 있고 1단 로켓의 경우 산화제는 질산을, 연료로는 케로신을 사용하는 것으로 알려져 있다.  이들 조합의 비추력은 해상에서 225초 진공에서는 252초가 된다.

이상의 값들을 토대로 델타-브이를 계산해보면 다음 표와 같다.

 
여기에서는 우선 1단 추력을 버니어 챔버의 추력을 1톤으로 잡고 위성을 100Kg과 200Kg의 두 경우로 계산해 보았다. 영어로 LEO(Low Earth Orbit)로 불리는 저궤도는 대략 160Km(궤도 주기 88분)에서 2000Km(궤도 주기 127분)를 일컫는다. LEO에 위성을 원궤도에 올리기 위한 궤도 속도는 대략 7.8Km/s에서 시작해서 1500Km/s고도에서는 7.12Km/s이다. 위성을 저궤도에 올리기 위해 필요한 델타 브이는 9.4Km/s에서 시작한다. 그런데 지구의 중력영향(중력저항이라고 부른다.)과 공기저항 등을 고려하면 1.3-1.8Km/s가 더 필요하다. 따라서 LEO에 위성을 올리기 위해서는 10.7-11.2Km/s의 델타 브이가 필요하다. 그리고 적도 상공을 도는 궤도 위성의 경우 보다는 남북을 도는 극궤도 위성은 델타 브이가 더 필요하다. 이번 북한의 위성은 극궤도에 가까우므로 아마 더 높은 델타 브이 값이 필요하게 된다. 그런데 앞에서 계산한 델타 브이가 10과 9.45로 위성을 500Km/s 극궤도에 올리기에는 상당히 부족한 값이다. 그러나 보도에 의하면 위성이 500Km의 유사 원 궤도를 돌고 있다고 하므로 설계변수를 상향 추정해야 하겠다. 이번에는 북한이 추력을 증가시키기 위해 좀 더 비추력이 높은 추진제 조합을 사용했다고 가정하고 북한 로켓에 관한 여러 자료들 중 최고치의 비추력을 넣어 본다.  



상향 조정된 무리한(?) 비추력 값으로 델타 브이가 10.5, 11.1로 산출되어 일단 저궤도에 위성을 올릴 수 있는 값이다.

이상의 간단한 계산으로도 북한 로켓이 적절한 위성발사체가 되기에는 문제가 많다는 사실을 보여 준다. 즉, 겨우 자그마한 위성을 낮은 저궤도에 올릴 수 있는 수준이다. 따라서 많은 전문가들의 판단대로 대륙간 탄도탄의 시험용이라고 볼 수 있겠다.

그러면 북한이 앞으로 로켓 성능을 향상시킬 수 있을 것인가를 생각해 보면 여러가지 면에서 어렵다고 본다.

우선 현재의 27톤급엔진에서 상향화 하는 것이 북한에게는 쉬운 일이 아닐 것으로 판단한다. 로켓 엔진 개발을 위해서는 정밀기계가공 제작 기술이 필수적이다. 50톤 100톤으로 엔진 크기가 커지면 소형엔진개발 시에 예측 못했던 각종 어려움이 생긴다. 로켓기술과 관련 있는 전후방 산업이 아주 취약한 북한으로써는 아주 힘든 일일 것이라고 생각한다. 또한 고성능의 엔진을 개발해서 성능을 체크하기 위한 시험시설도 갖추려면 엄청난 예산이 필요하다. 우리 한국형 발사체 개발을 위한 시험시설 구축비용이 4500억원인 것을 감안하면 더욱 그렇다. 노동 엔진 개발 시에는 이란으로부터 자금 지원을 받았지만 지금으로써는 개발비를 도와 줄 우군이 거의 없다.

사실 현재 광명성호에 사용한 엔진에 대해서도 과연 자체 개발품인지 의심하는 사람들도 많다.

지난번 은하 3호 발사 시 건져 올린 1단 로켓 엔진과 연료통의 조악함을 볼 때 더 큰 로켓의 제작은 힘들 것이라는 판단이 많다.

또 하나 덧붙이자면, 많은 사람들이 이번에 200Kg 추정의 위성을 올렸기에 지난번의 100Kg에 비해 2배의 성능을 개량한 것처럼 이해하는 사람들이 있는데 그런 것은 아니다.

위의 분석에서 보듯이 위성 100Kg과 200Kg의 경우 1단 로켓의 델타 브이 값에는 거의 영향이 없고 3단에 와서 15% 정도 영향이 있는 정도다. 최적의 설계변경 정도를 통해서도 이룰 수 있는 수준이다. 사람들이 생각하는 만큼의 큰 발전은 아니라는 얘기다.


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댓글 5
0 / 500
  • best안보기술1 (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-02 02:52:28
    정은이 동네가 1단 로켓 추력 120톤 정도 가지고 유에스를 괴멸시키겠다며 축제 분위기인데
    우리 처럼 300톤 추력을 가졌다면 지구의 자전을 멈추게 하겠다고 난리치겠다.
    3
  • 眞波 (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-24 11:37:51
    분석글 잘 읽었습니다. 감사!
    0
  • 바람의 향기 (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-02 03:29:43
    북한의 과학자들은 이가 없으면 잇몸으로 만들지요..
    아니다라고 하지만 ~~
    북한의 과학자들은 스커드, 노동, 무수단을 자체 제작을 하였습니다.
    icbm아 아니더라도 일본과 한국을 충분히 공격할수 있는 능력을 가지고 있습니다.
    1
  • 안보기술1 (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-02 02:52:28
    정은이 동네가 1단 로켓 추력 120톤 정도 가지고 유에스를 괴멸시키겠다며 축제 분위기인데
    우리 처럼 300톤 추력을 가졌다면 지구의 자전을 멈추게 하겠다고 난리치겠다.
    3
  • legos (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-01 22:34:14
    이번에 3단 로켓이 떨어진 곳이 필리핀 인근으로 대략 3200키로 내외입니다.
    그러면 3단 로켓이 분리된 곳이 훨씬 이전이라는 이야기입니다.
    탄두가 관성비행을 한다고 하더라도 사거리가 6000키로내외가 됩니다.
    북괴에서 6000키로내외이면 북태평양 한가운데가 됩니다.
    물론 알래스카까지 6000키로내외이니 알래스카는 사거리에 들겠지만
    LA근처만 하더라도 10,000키로가 됩니다.
    거기다가 현재 북괴의 기술으로는 사거리을 늘리기가 쉽지 않고
    탄두 중량을 올리기도 쉽지 않습니다.
    1
  • 외돌괴 (112.175.xxx.xxx)
    2016-03-01 17:01:33
    재미있게 잘보고 갑니다.
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