일본의 고체 연료 로켓; 람다(Lambda), M-V(Mu), 엡실론(Epsilon)

일본은 탄도미사일을 개발할 수 없는 제약을 가지고 있지만 이와 유사한 기술을 사용하는 고체 연료 로켓을 사용한 우주발사체 기술은 매우 우수하다.
일본의 고체 연료 로켓에 대한 과거 이력을 보고 현재 보유하고 있는 로켓은 어떤 것이 있는지 한번 살펴 보자.
일본의 고체 연료 로켓은 Pencil rocket에서 시작하여, Baby rocket, 27종류의 Kappa rocket 시리즈, 9종류의 Lambda rocket 시리즈, 8종류의 Mu rocket 시리즈로 이어지면서 점점 대형화되었다. 그리고 2013년부터는 소형이면서 발사 비용이 경제적인 엡실론 로켓을 운용하고 있다.

 

로켓명	모델명	길이,m	직경,m	무게,t	LEO,kg	성공/발사	운용기간
Lambda	L-4S	16.5	0.735	9.4	26	1/5	1966-1970
Mu	M-4S	23.6	1.41	43.6	180	3/4	1970-1972
	M-3C	20.2	1.41	41.6	195	3/4	1974-1979
	M-3H	23.8	1.41	48.7	300	3/3	1977-1978
	M-3S	23.8	1.41	48.7	300	4/4	1980-1984
	M-3SII	27.8	1.41	61	770	7/8	1985-1995
	M-V	30.7	2.5	139	1800	6/7	1997-2006
Epsilon	Epsilon	24.4	2.6	91	1200	2/2	2013-현역

 

 

<펜슬 로켓, 베이비 로켓, 카파 로켓>
1954년 2월, 동경대 생산기술연구소에 AVSA(Avionics and Supersonic Aerodynamics)이라는 연구반이 생겼다. 그리고 1955년 이토카와 교수가 AVSA연구반을 개편하여 SR연구반을 만들었다.
펜슬 로켓이란 이 SR연구반에서 만든 최초의 로켓이다. 펜슬 로켓은 말 그래도 조금 큰 크기이 연필에 날개를 달아놓은 모양이었다.  니트로글리세린과 니트로셀룰로오스를 연료로 하였고 길이 23cm에 직경 18mm의 크기였다. 이토카와 교수와 SR연구반은 이 로켓을 1955년 8월에 아키타의 미치가와 해안에서 비행실험을 했다.
그 후 이 펜슬 로켓을 개선하여 길이 1.24m에 직경 80mm, 무게 11.8kg의 베이비로켓(Baby Rocket)을 만들어 발사를 했다.
또 1956년에는 좀 더 크기를 키운 길이 2.25m에 직경 130mm인 Kappa rocket(카파 로켓)을 만들었고, 1958년에는 이 카파로켓을 발전시켜 고도 60km까지 올라가는 로켓을 만들었다. 카파 로켓은 27종류가 만들어졌다.

 

<람다-4S(Lambda 4S), 일본 최초의 위성발사체>
람다 4S는 도쿄대학 우주항공연구소가 개발한  4단 고체로켓이다. 일본 최초의 우주발사체이다. 1966년 9월 26일 초도비행했으며, 1970년 2월 11일 일본 최초의 인공위성 오스미 위성을 발사하는데 성공했다. 일본은 이 인공위성 발사 성공으로 세계에서 4번째로 자력 인공위성 발사에 성공한 국가가 되었다. 이것은 세계 최초로 대학에 의한 인공위성 발사, 세계에서 최초의 고체연료 우주발사체에 의한 인공위성 발사 성공, 세계에서 최초의 유도 제어장치를 탑재하지 않는 로켓에 의한 인공 위성의 발사 성공이라는 대기록을 세웠다. 세계 최초로 유도 제어장치를 탑재하지 않고 인공위성 발사를 하게 된 것은 당시 일본사회당이 로켓 기술이 탄도 미사일에 전용될 가능성이 있으므로 유도 제어장치의 탑재에 반대했기 때문이다. 일반적으로 원하는 궤도에 인공위성을 올릴 때 사용하는 방식인 수직발사 후 유도장치를 이용해 궤도를 수정하는 방식이 아닌 유도 제어장치 없이 원하는 궤도에 인공 위성을 올리기  위해서, 중력과 바람을 계산해서 수직이 아닌 비스듬한 방향으로 발사되었다. 이로 인해서 람다 4S는 '오스미'라는 위성을 탑재하고 총 5번 발사(실험비행 1회는 제외)되었는데 그중 단 1회만 성공하였다. 그리고 한번의 성공도 부분 실패라고 보는 주장도 있다. 오스미 위성이 궤도에 올라가긴 했으나 목표궤도인 원지점 2900km, 근지점 530km에 도달하지 못하고 원지점 2440km, 근지점 323km의 낮은 타원형 궤도를 돌았기 대문이다.

이토카와 교수가 람다 로켓을 개발하고 있을 무렵, 1964년 도쿄올림픽을 개최하게 되고 미국에 의해서 위성영상이 방송되었다.
그러자 일본정부는 이토카와 교수의 로켓연구에 막대한 관심을 가졌고, 과학기술처(현 문부과학성)는 NSDC(National Space Development Center)를 창설하게 되고 그 후 1969년, NSDC는 NASDA(National Space Development Agency of Japan)로 명칭이 변경된다.

 

<뮤 프로젝트(Mu Project)>
람다 발사체를 성공한 후 일본은 Mu프로젝트를 시작하게 된다. 이 Mu프로젝트는 1970년부터 2006년까지 진행된 초장기 고체연료 프로젝트로써, 로켓의 모델 변화는 있었지만 고성능의 고체 연료 로켓는 계속 적용되었다.

 

<Mu 로켓 형상 및 운용기간, 사진출처: http://cannaflower.tistory.com/>

 

2015년 지구로 귀환한 소행성탐사선인 하야부사를 발사한 M-V(Mu-V, 뮤 파이브)로켓은 정말 세계 최고의 고체 연료 로켓이다. 길이는 30.7m에 직경 2.5m, 무게는 자그마치 139톤에 달하며 극지방저궤도에 약 1.3톤 가량을 올려보낼 수 있다. 이 M-V발사체는 1990년에 문부과학성 산하 우주과학연구소인 ISAS(Institute of Space and Aeronautical Science)와 닛산자동차 우주항공사업부, IHI Aerospace가 150억엔을 들여서 개발했다.

 

 

<M-V 로켓, 하야부사와 노조미를 발사한 로켓>

 

하지만 M-V발사체는 고체연료 로켓으로는 세계 최고의 성능이였으나, 발사 비용이 57억엔으로 경제성이 낮았다.

M-V로켓은 일본 최초의 화성탐사위성인 노조미를 1998년 발사한 발사체이기도 하다. 노조미는 임무에 실패했지만, 발사 과정 자체는 순조로웠기 때문에 M-V로켓은 매우 성공적인 로켓이라고 볼 수 있다. 그리고 2003년에는 소행성 탐사를 위한 하야부사 우주탐사선을 성공적으로 발사했다.

 

<엡실론 로켓>
2003년, 일본은 문부과학성 우주과학연구소(ISAS)와 항공우주기술연구소(NAL), 우주개발사업단(NASDA)를 통합해서 문부과학성 산하 일본 우주항공연구개발기구(Japan Aerospace eXploration Agency)를 만들게 된다.
그리고 JAXA는 비용이 많이 들어가던 M-V 발사체 로켓을 버리고, 발사 비용이 싸면서도 M-V로켓 정도의 고체로켓을 만들길 원했는데 엡실론 로켓을 개발하여 2013년부터 운영하고 있다.
엡실론 로켓의 제작자는 JAXA와 IHI 에어로스페이스이며 길이는 24.4m, 직경 2.6m, 중량91톤의 중형 로켓이다. 로켓은 3단으로 구성되어 있고 4단으로 확장할 수 있은데 저궤도(LEO, Low Earth Orbital)에는 1.5톤을 올릴 수 있는 능력을 가지고 있다.

 

   . 제작자 : JAXA (ISAS), IHI 에아로스페스
   . 전 장 : 24.4m(TF1), 26.0m (F2)
   . 직 경 :   2.6m
   . 중 량 :   91 t (TF1), 95,4 t (F2)
   . 단 수 :  3단(기본) / 4단 (옵션)
   . LEO 페이로드 :  1,200kg (TF1) 1,500kg (F2)

 

원래 고체로켓은 액체로켓에 비해 제작이 쉽지만 유도가 어려워 발사체를 정밀하게 궤도에 진입시키는 것은 어려운 기술인데, JAXA는 M-V의 기술과 액체 연료 로켓인 H-2의 기술력을 융합하여 세계 최고 수준의 궤도 진입 능력을 보여주고 있다.
이 엡실론 로켓은 발사준비가 매우 빠르다는 것이 특징인데, M-V로켓의 경우에는 발사장에서 발사체를 발사하기 위한 작업기간이 42일, 위성 점검부터 발사까지의 소요시간이 9시간에 걸렸던 것에 비해서 엡실론로켓은 작업기간이 7일, 위성 점검부터 발사까지 3시간이 걸리기 때문에 발사 준비에 소요되는 시간이 매우 짧다.
또한 엡실론로켓은 인공지능을 도입하여 발사전에 발사체의 점검을 자동화하고 발사체 분리 시에 사용하는 파이로테크닉

스(폭발볼트같은 화약류)의 점검에는 자동차의 에어백 기술이 응용된다고 한다. 그러므로 인력 절감과 작업시간 단축, 비용 절감을 이루었으며 컴퓨터 몇대만으로 원격으로 로켓 관제를 할 수 있다는 점도 큰 장점 중 하나라고 한다.

 

 

 

참고로 일본의 고체 연료 로켓은 도쿄대학의 이토카와 히데오 교수와 함께 했다. 이토카와 히데오는 1912년 태어나서 1999년에 세상을 떠났다. 그는 2차 세계대전 중 하야부사라는 전투기 설계에 참가한 이력이 있고, 일본이 2015년 탐사한 소행성에 그의 이름을 따서 이토카와라 부른다. 그리고 우연의 일치인지는 모르겠으나 2003년에 M-V 로켓으로 발사되었던 소행성 탐사선의 이름이 하야부사이다.