일본의 우주 발사체 (로켓) 개발 역사와 MHI (미쓰비시 중공업)

우주개발 사업이라고 하면, 국내 언론에서는 주로 미국만 다루지만, 가까운 러시아는 물론이고 이웃나라 중국과 일본도 우주 발사체와 위성 그리고 우주개발 관련 기술에서 세계 최상위에 속하는 수준을 보유하고 있다. 오늘은 일본의 로켓 개발 역사와 이미 민간기업으로 기술이 확산되고 있는 일본의 우주 개발 기술상황, 그중에서도 대표적인 기업 MHI (미쓰비시 중공업) 를 중심으로 적어 보겠다.

일본 로켓 개발의 선구자, Hideo Itokawa

먼저 일본의 로켓 아버지라 불리는 Hideo Itokawa (糸川英夫, 1912년 도쿄 출생) 부터 설명하는 것이 순서인 것 같다. 근대 인물임에도 위인전까지 출판된 적이 있을 정도로 유명한 사람으로, 당대의 천재로 인식되고 있다. 그는 인생의 대부분을 2차 세계대전의 전범국 일본의 주력 전투기 설계 핵심 기술자로, 패전 후에는 일본 최초의 우주 발사체 로켓 설계 기술자로 보냈다. 사실상 현재의 JAXA (일본 항공우주연구원)의 설립자이다.

1960년대, Hideo Itokawa 교수 모습 (왼쪽), 그가 개발한 로켓 모습 (오른쪽)

기록에 따르면, 그가 10대 시절이던, 1927년 미국의 비행사 찰스 린드버그가 단발 비행기를 타고 대서양을 횡단하는 데 성공했다는 뉴스를 접하고, 이를 계기로 비행기 설계자가 됐다고 한다. 그는 도쿄제국대학교 (현재의 도쿄대학교) 항공공학과에 입학하였고, 졸업하자마자 나카지마 비행기 설계사무소에 입사하여, 당시 비행기 기술로는 가장 첨단 기술인, 전투기 설계에 매진했다고 한다. 1940년대는 2차 세계대전이 한창이던 시절이었는데, 당시 30대 나이였던 Itokawa 는 나중에 일본 육군의 주력 전투기가 되었던, Hayabusa Ki-43 를 설계한 것으로 유명하다. 이 전투기는 1939년 11월 생산을 시작하여 2차 대전 중 약 5,900대가 생산될 정도로 그 성능이 뛰어났던 것으로 알려져 있다.

※ 본문 내용과 관련성이 높지 않지만, 1940년대 일본 최고의 전투기는 당대 천재로 추앙받는 Jiro Horikoshi (1903년 군마현 출생) 가 일본 해군을 위해 설계한, 제로센(모델명: Mitsubishi A6M) 이라고 알려져 있다. 그는 미야자키 하야오의 애니메이션 영화, "바람이 분다" 의 주인공이기도 하다. 이 글의 주인공인 Hideo Itokawa 와는 같은 대학, 같은 학과 선배이기도 하다.

1945년 일본이 패전한 뒤로 자신이 졸업한 도쿄제국대학의 교수가 되었고, 1952년 항공기술 관련 국제학회 참석을 위해 미국을 방문하였는데, 행사 중 만난 공학자들로부터 미국이 우주에 사람을 보내려고 한다는 계획을 접하고, 상당한 충격을 받았다고 한다. (당시 미국은 민주당의 트루먼 대통령에서 공화당 아이젠하워로 정권이 전환되는 시절이었고, 실제 우주로 사람을 보낸 건 그 다음 정권인 민주당의 케네디 대통령 집권 시절. 기록에 따르면 미국뿐 아니라 소련도 인간을 우주로 보내기 위한 예비 실험으로 1950년대부터 원숭이나 개를 우주 발사체로 고고도에 보내는 실험을 진행중이었다고 함. 이 당시 한국은 북한과 전쟁중이었음)

일본으로 돌아 온 Hideo Itokawa 는 패전 후, 국가 경제 재건에 예산이 턱없이 부족한 상황임에도 일본 정부를 설득하여 연구비를 지원받아, 소형 로켓을 시작으로 로켓용 고체연료 개발, 로켓 발사장 구축, 로켓 고도 측정 기술, 로켓 성능 검증 기술을 모두 자력으로 개발하였다고 한다. 당시 미국은 일본이 로켓을 개발하는 것에 반대하여 일체의 기술이전을 거부했기 때문에 스스로 개발할 수 밖에 없었다.

1966년 9월, 첫 로켓발사 시험은 목표한 고도까지 올라가는데 실패했는데, 원인은 당시 자체적으로 배합해 만든 고체연료 안에 보이지 않는 기공(공기구멍)이 있었고 이로 인해 연료가 고도에 도달할 때까지 연소하지 못해서였다고 한다. 결국 Itokawa 는 로켓 연료 배합기부터 다시 만들었고, 그 뒤로도 2~3차례 로켓 발사 시험이 있었으나 당시 열악한 개발환경 때문에 연이어 추가적인 문제들이 발생하며, 로켓을 우주궤도까지 진입시키는 데 성공하지 못했다.

1970년, 일본 최초의 우주궤도 진입에 성공

2차 세계대전 패전과 세계 최초의 피폭 국가라는 불명예로 우울했던 일본 국민들의 지대한 관심을 받던 중, 연이은 로켓 발사 실패는 미국의 강력한 반대와 함께 쓸데없는데 국가예산을 허비한다는 일본내 반대 의견도 강해지면서, 결국 Hideo Itokawa 는 도쿄대 로켓연구소를 떠나게 된다. 하지만, 당시 일본은 전후세대를 중심으로 국가재건과 부활에 활력이 넘치던 시절이었고, 1964년 도쿄 올림픽을 계기로 나라 전체가 긍정적 에너지가 넘치던 덕분에, 그의 제자들과 연구소 동료들은 계속 로켓기술 개량을 진행할 수 있었고, 첫 로켓 발사로부터 4년이 지난 1970년 2월, 지구에 있는 통신기지와 교신이 가능했던 인공위성, Ohsumi (당시 발사 장소의 지명을 땀) 를, 자체 개발 로켓 Lambda-4S 로 우주 저궤도에 안착시키는 데 성공한다. (1970년 한국에서는 최초의 고속도로, 경부고속도로와 최초의 터널, 남산 1호 터널이 개통되었고, 지금의 POSCO 인 포항종합제철소가 창업한 해)

※ 일본 최초의 우주 궤도 진입 성공 로켓, Lambda-4S 관련 동영상 : https://youtu.be/jgKMnJc72VU

 

 

 

 

 

민간기업으로의 기술이전과 기록적인 발사 성공률

1970년 첫 우주궤도 진입 성공 이후 계속 기술을 발전시켜, 1990년 1월에는 세계에서 2번째로 달 궤도에 자체 개발 인공위성, Hiten 을 보내는 데 성공한다. 당시 일본의 비교적 작은 우주 발사체 로켓으로도 달 궤도에 위성을 보내기 위해, 타원형 스윙바이 궤도를 미국의 Belbruno 교수, Miller 교수와 제안하게 되었고, 이 궤도를 활용하여 인공위성을 달 궤도로 진입시키는데 성공한다. 현재도 이 궤도는 Belbruno-Miller trajectory 라고 명명되어 사용되고 있다.

일본의 달궤도 위성, Hiten 모습 (오른쪽)과 이 위성을 달로 보내기 위한 Belbruno-Miller trajectory 당시 논문 내용 (왼쪽)

※ Belbruno 교수의 TED 강연 동영상 (자신이 제안한 달 궤도 진입 방법을 일본이 진짜로 위성발사에 사용한 것에 자기도 놀랐다고 함) : https://youtu.be/KduPNn_I9LE

 

※ 1990년 1월, 달 궤도 인공위성, Hiten 발사 관련 동영상 : https://youtu.be/ITS-nYtGr0Y

 

 

 

 

 

일본 JAXA (일본 항공우주연구원)에 따르면, 2000년부터 점진적으로 로켓 사업을 민간으로 기술이전하였다고 하며, 로켓 개발 초기부터 JAXA의 우주 발사체 제작을 담당하던 MHI (미쓰비시 중공업)를 중심으로 민간기업에게 기술이 확산되었다. 2012년 5월에 발사된 한국의 '아리랑 3호' 인공위성도 당시 MHI 의 우주 발사체로 궤도에 올려진 적이 있는데, 당시 '아리랑 3호' 는 MHI 가 일본 이외의 국가 인공위성을 우주로 쏘아 올린 첫 번째 사례가 됐다고 한다.

※ 한국의 '아리랑 3호' 위성을 발사하는 MHI 로켓 발사 관련 국내 뉴스 동영상 : https://youtu.be/skNlJbHi19A

 

 

 

 

 

현재 MHI 는 1단 부스터용 엔진 LE-7A, 2단 궤도 진입용 엔진 LE-5B, 인공위성과 최종 자세 보정용 엔진을 모두 자체 기술로 생산하고 있으며, 발사체 이외에도 ISS(국제 우주 정거장)용 물품 보급기(HTV)와 우주 실험실(JEM: 최대 4명이 우주에서 장기간 머물며 실험 가능. 현재도 ISS에서 사용 중) 등도 생산하고 있다. 그밖에도 고신뢰성이 필요한 각종 우주 실험용 극저온/극고온 센서와 광물조사를 위한 분광기, 우주 탐사 전자장비용 프로세서 등도 모두 자체 개발하였다.

일본 MHI 의 자체 개발 로켓 엔진 모습 (출처: MHI 홈페이지)

 

LE-7A 는 일본 자체 개발 로켓엔진 LE-7 의 개량형이고, MHI 와 IHI(이시카와지마 하리마 중공업: 스탤스 전투기용 제트엔진 제작 기술 보유)이 공동개발했다. LE-7 은 처음 개발이 시작된 1983년부터 완성하는데까지 10년이 걸린 로켓엔진으로, 미국에서 많이 사용하는 (한국도 동일함) 터보펌프의 불완전 연소된 연료와 액체산소를 그냥 버리는 방식이 아닌, 이를 다시 재활용하는 2단 연소방식의 엔진이다. 일반적으로 로켓 추력을 만드는 터보펌프는 과열되기 쉽기 때문에 폭발 위험을 줄이기 위해, 터보펌프의 회전을 위해 사용된 불완전 연소된 연료를 그냥 버리는 방식을 사용하는데 (아래 사진에서 검은 연기가 나오는 배기구), LE-7 은 터보펌프에 사용되고 그냥 버리던 연료와 산소를 다시 메인 추진기로 보내서 추진력을 증강 시키는 방식이다. 따라서 다른 나라 로켓 엔진과 달리 터보펌프용 별도 배기구가 없다. 일반적으로 1단 연소방식 엔진에 비해 제작비가 많이 들고 (특히 터보펌프가 훨씬 고압과 고열에 버틸 수 있도록 제작해야 함), 제작 난이도도 높아서 민간기업의 로켓에서는 잘 사용하지 않으나, 2단 연소방식은 추력을 만들기 위해 버려지는 연료와 액체산소가 거의 없기 때문에, 같은 연료와 산소로 날아갈 수 있는 거리도 더 길다. LE-7 의 개량형, LE-7A 는 기본적으로는 같은 원리와 구조이지만, 내구성을 대폭 강화하고 문제 발생 소지가 있는 구조를 좀 더 단순화하였다고 한다. (참고로 미국의 Space X 도 기존의 Merline 엔진의 개량형 Raptor 엔진을 2단 연소방식으로 개발 중. 최근에는 소형 로켓의 경우 아예 터보펌프를 없애고 대신 전기펌프를 사용하는 경우도 있음. 이 분야 선두기업은 일본 MHI 의 경쟁업체로 떠오르고 있는 뉴질랜드의 Rocket Lab. 현재는 미국으로 본사를 옮기고 나스닥에 RKLB 로 상장함)

 

미국 Space X 의 Merline 엔진 (왼쪽), 한국 누리호 엔진 (가운데), 일본 MHI 의 LE-7A 엔진 (오른쪽)

※ LE-7 엔진의 터보펌프에 대한 상세한 동영상 : https://youtu.be/k4dc-H4fwII

 

 

 

 

※ LE-7 로켓엔진 개발 상세 기록 동영상 (실험중 실패 동영상이나 터보펌프 제작내용 포함) : https://youtu.be/qzDze8CWXd0

 

 

 

 

MHI 의 주장에 따르면, 2003년 11월부터 2021년 10월까지 (약 18년간) 총 44회 자체 개발 로켓으로 인공위성을 우주 궤도로 쏘아 올렸으며, 발사 실패나 인공위성 궤도 진입에 실패한 경우는 단 2번 (2003년 11월 부스터 분리 실패, 2016년 5월 위성궤도 진입 실패) 을 제외하고 없었다고 한다. 최근 2021년 10월에도 동시에 9개의 소형 위성을 서로 다른 우주궤도에 올리는 데 성공하였다. 사실 우주 발사체 기술보유 상위 국가나 기업에서는 로켓 발사와 궤도 진입 성공율은 대부분 95% 이상으로 안정화 단계에 들어갔고, 현재는 관련 가격 경쟁력을 확보하는 것이 최대 관심사로 바뀌고 있는 단계이다.

※ 일본 MHI 우주발사체 조립, 운반, 발사 상세설명 동영상 : https://youtu.be/BUF3BYQhbaE

 

 

 

 

※ 2021년 11월, MHI 에서 발사한 저가형 고체연료 로켓 Epsilon-5 발사 동영상 (인공위성 9개 궤도 진입 성공) : https://youtu.be/O07J9gNsOws

MHI 제작 우주 발사체 로켓들 (출처: MHI 홈페이지)

 

미국 Space X 보다 경쟁력 있는 발사 비용

2023년 2월 중순, MHI 는 새로운 우주 발사체 H3  의 첫번째 시험기를 자국의 새로운 광학위성을 싣고 발사할 예정이다. 새로운 발사체는 동일 무게의 위성을 궤도에 올리는데 소요되는 비용을 기존 모델 H2 로켓의 절반 수준인 500억원 수준으로 낮출 수 있어서, 미국 Space X 보다 더 가격 경쟁력을 가진 기술을 보유하게 되었다고 한다. MHI 의 공개 자료에 따르면, 2014년부터 새로 개발한 고체 연료용 로켓엔진 LE-9 는 기존 액체 연료용 LE-7A 엔진에 비해 더 가볍고 저렴하게 제작 할 수 있고, 추력은 1.4 배 더 좋아졌다고 한다. 당초 계획으로는 2020년까지 성능검증을 완료 하기로 되어 있었지만, 완료 기한을 연장하여 2021년 개발 완료하였고, 2022년까지 약 2년간, 일주일에 1회 주기로 로켓엔진 성능 테스트를 실시하였다 한다. LE-9 엔진은 일부 부품을 제외하고 대부분의 부품이 금속 3D 프린터로 제작 되었다고 한다.

H3 우주 발사체 제작을 담당한 MHI 에 따르면, 기존 H2 로켓 제작에는 최소 2년 이상의 기간이 필요했지만, 새로운 로켓 H3 부터는 1년 이내에 제작 가능하다고 한다. 필자의 짐작으로는 제작 비용을 절반 수준까지 절감했다는 내용이, 사실은 대단한 기술 발전이 있었다기 보다는, 3D 프린팅 기술을 적용하여 제작 기간이 절반으로 감소하고, 연료를 고체연료로 변경해서 가능했던 것이 아닌가 추측해 본다. 참고로 전 세계의 인공위성 궤도 진입용 우주 발사체는 대부분 액체연료를 사용하며, 고체연료를 사용하는 로켓은 군사용 로켓이 대부분이다.

+ 신형 H3 발사체 관련 동영상 (최근 2년간 5일에 한번 주기로 신형 LE-9 엔진 테스트가 있었다고 함) : https://youtu.be/-Wycdz3J_RQ

 

+ MHI 의 새로운 우주 로켓용 LE-9 개발 관련 동영상 (2021년 1월 방송분) : https://youtu.be/yj7yF-EaDRs

 

다양한 신기술의 우주 공간 실험

일본은 현재 우주 궤도 내에 있는 우주 쓰레기나 더 이상 사용하지 않는 폐위성 회수 기술개발을 위해, 일본의 민간기업 Astroscale 을 지원하고 실험용 장치 (ELSA-d) 도 우주 저궤도에 올려 실험을 진행 중이다. 이 기술은 언뜻 보면 좋은 목적의 민간기술로 보이지만, 군사적으로 사용할 경우에는 멀쩡한 적국의 인공위성을 무력화시키는 것도 가능한 무서운 군사기술이 될 수도 있다.

※ 일본 Astroscale 사의 LEXI 프로젝트 소개 동영상 : https://youtu.be/-LaWvUlUHTI

 

그밖에도 지구와 달 사이의 고속 무선통신을 위한 광통신 기술을 Warpspace 라는 일본 민간기업을 통해 개발을 진행 중이다. 이미 실험용 위성을 우주 저궤도에서 운영 중이며, 미국 국방부와도 협력하고 있는 것으로 알려져 있다.

※ 일본 Warpspace 사의 우주 광통신 소개 동영상 : https://youtu.be/PoqgFmUSDuk

 

일본 Space Compass 사는 미국 Space X 사의 자회사 Starlink (스타링크: 인공위성 기반 인터넷 서비스) 의 일본판 서비스 회사라고 보면 가장 이해가 빠를 것 같다. 일본의 NTT (한국의 KT 한국통신과 비슷한 회사) 와 JSAT (미국을 제외하면 세계에서 가장 큰 규모라는 인공위성 지상 기지국이자 위성관리 전문 일본기업) 이 5:5 로 합자하여 만든 회사가 Space Compass. 미국 Starlink 는 주로 위성 인터넷 서비스를 위해 만들어 졌지만, 일본 Space Compass 는 휴대폰 서비스를 위해 설계되었다고 한다. 즉, 예전의 위성전화와는 달리, 일반 스마트폰으로도 어디서든 전화와 인터넷이 가능하도록 우주 저궤도와 중궤도 인공위성을 이용한 모바일 통신 인프라를 구축하여 차별화된 통신 서비스를 제공하는 것이 목표.

 

일본 ispace 사의 Hakuto-R 월면탐사 장치는, 사장 Ryo Ujiie 에 따르면, 지구의 유일한 위성인 달을 지구의 경제 생활권에 편입할 수 있는 기반을 마련한다는 목표 아래 현재 프로젝트가 진행 중이라고 한다. 일본의 금융사인 SMBC 와 아랍에미레이트 등으로부터 자금지원을 받아 현재 스스로 달에 착륙하고 이륙할 수 있으며, 자유롭게 달표면을 이동하며 탐사가 가능한 시스템 제작을 완료하고, 2022년 11월말 미국 Space X 사의 발사체를 이용하여 달로 보내질 예정이다. 참고로 Hakuto 는 일본의 전래동화에 등장하는 달에 사는 토끼이다. 2023년 3~4월에 달 착륙을 시도할 예정이다.

+ 2023년 4월 26일 일본 언론보도에 따르면, ispace사의 Hakuto-R 월면 탐사기가 달착륙에 실패했다고 한다. 당일 있었던 ispace 기자회견 동영상에 따르면, 달궤도 진입까지는 성공하였으나, 착륙과정에서 감속에 필요한 역추진 장치의 출력조절에 문제가 발생하여, 결과적으로 연료부족으로 추락한 것 같다고 발표되었다. 이번 달착륙선은 일본뿐 아니라, 여러 나라의 달표면 이동로봇(로버)이 탑재되었지만, 모두 쓸 수 없게 되었다. 필자의 추측으로는 감속을 위한 역추진 장치가 오작동하는 경우의 대안 (낙하산 등) 이 착륙 시나리오에 포함되어 있지 않았던 것 같다.

일본의 또다른 휴대폰 위성통신 서비스 민간업체는 OurStars. 일본의 민간 우주 발사체 업체, IST (Interstellar Technologies Inc.) 의 자회사로, 소형 궤도위성 개발을 전담하고 있다. CTO 는 JAXA (일본 항공우주연구원) 에서 통신위성 분야로 35년 이상 근무경험을 가진 Atsushi Noda 박사 이다.

휴대폰 위성통신 서비스의 가장 큰 기술적 문제는 지상의 휴대폰에서 지구 자전궤도 상에 떠 있는 위성으로 올려보내는 신호가 너무 약하다는 것. 휴대폰의 미약한 신호를 위성이 수신하기 위해서는 위성에 장착된 안테나가 64m² 이상 필요해지는데, OurStars 는 아주 작은 위성을 여러 대의 드론이 군집비행 하는 것처럼, 위성들이 일정 간격으로 거대한 안테나 형상을 유지하면서 위성통신 서비스를 구축하는 것이 목표라고 한다. 현재 4대의 소형 위성을 이용한 우주 안테나 구성과 이를 이용한 통신성능 검증은 완료된 상태.