KARI 한국항공우주연구원

무인 우주비행기는 로켓으로 지구의 저궤도에 발사되며, 궤도비행을 하면서 지상관측 등의 임무를 수행한 후 비행기처럼 지상으로 활공하여 착륙하는 재사용 우주비행체이다. 한국항공우주연구원은 2019년 ‘우주비행기 형상 및 기초기술 연구’를 기관 연구과제로 선정해 3년간 무인 우주비행기의 기초기술 연구를 수행하였고, 2023년부터 6년간 기본사업으로 ‘우주비행기 핵심기술 개발 및 재진입환경 지상시험’ 과제를 수행한다.
우주비행기 핵심기술 연구는 4개 세부과제로 나누어, 우주비행기의 형상 설계 기술, 극초음속 공기역학, 열공력 가열, 재진입 최적 궤적 설계, 활공 및 착륙비행 자동제어, 열방어시스템 설계, 고온 구조 및 세부계통 설계 기술 연구와, 우주비행기의 지구 재진입시 극초음속부터 착륙단계의 아음속까지 다양한 비행환경에 대해 지상시험장치를 이용한 시험과 축소형 기체를 이용한 활공착륙시험을 수행한다. 본 연구를 통해 획득한 분야별 핵심기술은 지구 귀환 캡슐 및 한국형 무인 우주비행기 개발에 적용될 수 있다.

무인 우주비행기는 한국형발사체 누리호의 유상하중으로 탑재되어, 지구 저궤도에서 주어진 임무를 완료하고 비행시험장 활주로에 착륙하는 것을 예상하여 임무형상을 설계한다. 주어진 임무로는 지상관측 및 궤도에서 발생하는 원심력에 의한 미세중력을 이용하여 식물의 성장 등의 생물학 연구, 부력의 제거를 통한 신소재 개발 연구 등 미세 중력 실험, Thermocouple Pyrometer 등의 센서를 이용하여 재진입 시 발생하는 공력가열과 그로 인한 깍여나가는 삭마량측정 등의 실험을 실시한다.
임무 고도인 300km에서 비행하는 무인 우주비행기는 한국형발사체 누리호의 유상하중을 고려해 중량 4,800kg 이하, 폭 5m 이하, 길이 7m 이하로 설계되어야 하며, 초기 속도 7,000m/s로 재진입에 돌입하고 활주로에 활공 착륙하는 것을 목표로 한다.

우주비행기 기술 실증기는 해외 사례에서처럼 실기체 시험, 모델 시험 등의 방법을 통해 시험 평가할 수 있으며, 기술 실증기의 기체를 실제 우주 궤도, 또는 준궤도로 발사해 통신 등의 기술 시험과 공력 특성 등을 파악한다. 한국형발사체의 경우 페이로드 크기가 소형 무인 우주기가 들어갈 수 있을 정도로 충분히 크기 때문에 무인 우주기의 발사를 해외에 의존하지 않고 독자적으로 수행할 수 있다.
이러한 우주비행기 기술 연구를 통해 재사용 무인 우주비행체외에도 미래 우주 연구에 필요한 행성 탐사용 우주수송선, 스크램제트 극초음속비행기 등 다양한 비행체 설계·개발을 위한 기술 확보가 가능할 것으로 보인다. 우주비행기 설계를 위해 활용될 극초음속유동에서의 공력가열 해석과 열방어시스템 설계기술은 지구로의 재진입이 필요한 모든 우주 분야에서 공통적으로 활용이 가능한 기술이다. 이 기술을 우주비행체 설계 기술에 적용해 연구를 진행하게 되면 이후 개발할 다양한 우주비행체에 대한 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대한다.