1. 서 론
2. 사업구성 및 예비타당성조사 방법
2.1 사업구성
2.2 예비타당성조사 방법
3. 예비타당성조사 보고서
3.1 과학기술적 타당성 분석
3.2 정책적 타당성 분석
3.3 경제적 타당성 분석
4. 예비타당성조사 결론 및 제안
4.1 종합분석 내용
4.2 예비타당성조사 대안
4.3 결론 및 정책제언
5. 예비타당성조사 보고서 분석 의견
5.1 수행 임무
5.2 핵심 개발내용
5.3 발사비용 경쟁력
6. 결 론
1. 서 론
한국형발사체개발사업(KSLV-II)의 종료 및 한국형발사체고도화사업(KSLV-IIA)의 예비타당성조사(이하 ‘예타’) 과정에서 제외되었으나, 성능이 증가한 자력 발사체 개발 필요성으로 추진된 차세대발사체개발사업(KSLV-III)은 우주탐사, 대형 위성 및 화물의 우주수송 역량확보를 목표로 2023년 6월에 연구책임자를 선정하고[1] 시스템 요구조건 검토를 수행하고 있으며, 한국항공우주연구원과 공동설계를 수행할 체계종합기업 선정을 위한 준비를 진행하고 있다.
차세대발사체개발사업 기획(안)은 2022년 2월 공청회[2] 및 한국과학기술기획평가원(KISTEP) 주관으로 진행된 예타를 거쳐서 2022년 11월 대안이 포함된 형태로 통과가 확정되었고[3], 2023년 1월 해당 보고서가 공개되었다[4].
본 논문은 공개된 차세대발사체개발사업 예타 보고서에서 확인되는 차세대발사체개발사업 목표 및 시스템 구성과 예타 보고서에 기록된 내부 연구진과 외부자문단의 과학, 기술, 정책 및 경제 관점의 타당성에 대한 의견 및 결론 등을 바탕으로 차세대발사체개발사업의 선정과정에서 논의된 내용을 확인하고 검토하는 것을 목표로 한다. 그리고, 예타 과정에서 제시되고 제안된 내용들에 대해서 예타 보고서와 공개된 객관적인 자료를 바탕으로 평가하여 국가 우주기술 핵심 사업의 성공적인 수행과 개발된 결과물의 경쟁력 제고를 위한 제안을 목표로 하였다.
논문의 내용 구성 측면에서 2장에는 차세대발사체개발사업의 사업구성 및 예타 방법에 대해서 소개하고, 3장에는 과학기술적, 정책적, 경제적 타당성에 대한 분석 내용을 소개한다. 4장에는 예타 보고서 결론과 정책제언 내용을 소개하고, 5장에서 차세대발사체개발사업 예타 보고서 내용을 바탕으로 차세대발사체개발사업을 통해 대한민국에서 지속 가능하고 상업적으로 경쟁력이 있는 발사체를 확보하기 위해 추진해야 할 방향성에 대한 견해를 제시한다.
2. 사업구성 및 예비타당성조사 방법
2020년 달탐사선(830 kg)의 달전이궤도(LTO, Lunar Transfer Orbit) 투입성능을 가지는 발사체 확보를 위한 누리호(한국형발사체, KSLV-II) 성능개량과 지속발사를 통한 누리호 신뢰도 확보를 위해 한국형발사체고도화사업(KSLV-IIA)이 기획되었다. 하지만, 기획된 사업의 예타에서 달탐사선 임무를 위한 발사체 성능개량 부분은 제외되었고, 지속발사와 산업체 기술이전에 대한 부분만 통과되었다[5].
이 과정에서 우주탐사 및 대형 페이로드 투입을 위한 고성능 자력 발사체 확보를 위한 연구개발 공백이 발생하였다. 차세대발사체개발사업은 이러한 문제를 보완하여 우주탐사 역량을 강화하는 목표로 기획되었다. 차세대발사체의 목표 임무에 해당하는 달 탐사선은 1.5톤 이상의 달착륙선으로 설정되었고, 3.5톤급 이상의 정지궤도 위성 투입성능(나로우주센터에서 발사하는 경우는 궤도 투입은 불가)을 가진 액체산소-케로신 다단연소사이클 엔진을 활용하는 2단형 발사체 개발, 차세대발사체용 발사대 구축 및 시험/운용시설 증개축, 발사체 선행기술 연구개발을 주요 내용으로 기획되었다(Table 1, 2).
차세대발사체의 핵심 임무 목표인 달착륙선을 개발하는 사업의 예타는 차세대발사체개발사업 예타 과정에는 시작되지 않았지만, 결론이 거의 도출된 2022년 10월에 예비 타당성 조사 대상으로 선정되었다. 최근 달착륙선 추진기관 자력 개발 필요성에 대한 방향성을 결정하고 2023년 10월 최종 예타 통과가 결정되었으며, 향후 10년간(‘24∼’33) 약 5,300억 원의 예산을 투입하여 달 연착륙 검증선과 달 표면 탐사 임무를 수행하는 달착륙선 개발을 수행할 예정이다[6].
2.1 사업구성
차세대발사체개발사업은 KSLV-II 대비 궤도 투입성능이 향상된 2단형 발사체 개발과 선행기술 연구를 수행하는 2가지 추진분야로 구성되어 향후 9년간 1조 9,330억 원을 투입하며, 1단/2단에는 각각 추력 100톤급/10톤급 다단연소사이클엔진을 활용하는 것으로 기획되었다(Table 1).
탑재체 우주수송수단을 개발하는 차세대발사체개발사업은 사업 착수와 함께 첫 해에 시스템 요구조건 검토회의(SRR, System Requirement Review), 2년 차에 시스템설계검토회의(SDR, System Design Review), 4년 차에 예비설계검토회의(PDR, Preliminary Design Review), 7년 차에 상세설계검토회의(CDR, Critical Design Review), 8년과 9년 차에 각각 1회씩의 비행시험을 수행하는 사업 일정이다(Fig. 1).
기술적으로 KSLV-II 보다 성능이 향상되고, 성능확장 및 재사용 연계가 가능한 2단형 발사체를 민간기업과 공동설계 형태로 개발하고, 재점화 및 추력 조절 등의 재사용 발사체 기반 기술을 시연하는 것으로 기획되었다(Fig. 2). 또한 나로호(KSLV-I) 및 KSLV-II 시험발사체(TLV, Test Launch Vehicle) 발사에 활용된 나로우주센터 제 1발사대 부지를 개축하여 차세대발사체를 위한 발사대를 구축하는 계획도 포함되어 있다.
발사체 선행기술 연구분야는 민간주도 선행기술 연구개발을 통해 산학연의 연구 역량 강화를 목표로 제안되었다. 선행기술 연구분야는 엔진, 구조, 저장탱크 및 에비오닉스를 포함한 다양한 기술 연구(재사용 핵심기술 연구, 메탄/수소 엔진 선행기술 연구, 대형발사체 적용 구조 경량화, 에비오닉스 시스템 핵심기술, 상단 상온저장성 추진제 엔진 선행기술 및 고체부스터 핵심기술 연구)를 수행하기 위해서 700억 원(민간부담 140억 원 포함) 규모의 예산을 투입하는 것으로 기획되었다(Table 1).
예타를 통해 활용계획 불확실성과 사업 연관성 부족 및 개발된 기술로 적용할 수 있는 임무 모호성으로 인해 선행기술 연구개발 분야는 전체 사업계획에서 제외되었고, 달착륙선과 정지궤도 위성 투입성능이 각각 1.8톤, 3.7톤으로 개발사업 기획(안) 대비 상향되어 제시되었다(Fig. 3). 또한, 신규 개발 발사체를 활용한 달 착륙선 발사의 위험도를 고려하여 43차 우주개발실무진흥위원회[7]에서 달궤도투입 성능검증위성 발사 1회가 추가되어 추진하는 것으로 결정된 사항을 반영하여 보고서가 작성되었다(Table 3).
2.2 예비타당성조사 방법
차세대발사체개발사업 예타는 일반적인 연구개발사업과 동일하게 과학기술적, 정책적, 경제적 타당성의 틀에서 세부적인 내용의 적절성에 대한 검토가 수행되었다(Table 4).
3. 예비타당성조사 보고서
3.1 과학기술적 타당성 분석
차세대발사체개발사업 기획(안)은 국제적인 발사체 기술개발 흐름과 국내 발사체 생태계 현황 등을 검토하여, 이슈/문제를 도출하고 적절한 가정을 통해 목표를 설정하였으며, 필요한 투입 자원과 활동 내용을 산출한 결과로 평가되었다.
3.1.1 문제/이슈 도출의 적절성
예비타당성조사 보고서[4]에서 제시된 4가지 문제/이슈 중에서 사업과 직접적인 연관성이 있는 2가지(KSLV-II 성능 및 민간 개발역량 확보의 한계)는 일부 타당함이 인정되었으며, 사업을 통해 해소하는 것이 필요하고 중요한 것으로 평가되었다.
하지만, 개발된 발사체를 활용한 위성 발사 수요의 불확실성, 정지궤도위성 발사를 위한 추가적인 발사장 필요성, 동 사업을 통해 진입(또는 대응)하고자 대상 시장의 불명확성 등이 문제점으로 제시되었다.
3.1.2 사업목표의 적절성
정책적으로 결정된 1.5톤급 달착륙선 임무 수행을 위해 한국형발사체(KSLV-II)의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대발사체의 개발 필요성이 인정되었고, 우주강국 진입을 기반 마련을 위한 발사체 선행기술 연구개발 목표도 타당한 것으로 평가되었다.
하지만, 위성발사 및 상업적 우주활동 계획 등이 구체적이지 못하다는 점, 달성 여부에 대한 측정 기준이 불분명한 사업 목표(민간역량 확보, 우주강국 진입기반 마련), 추가 발사장이 필요한 정지궤도 위성의 임무 요건 설정의 부적절성 등은 지적 대상이다.
3.1.3 세부 활동 및 추진전략의 적절성
차세대발사체개발을 통한 달착륙선 이외의 위성 발사 및 선행기술 적용계획의 불확실성으로 인해 사업 성과뿐만 아니라 그 이후에서의 활용계획 측면에서도 불확실성이 존재하는 것으로 평가되었다. 또한 세부 활동 도출 과정에서 사업을 수행하는 연구기관 중심으로 인력을 구성하여 다양한 분야의 이해 관계자 의견 반영 및 균형 잡힌 사업기획이 어려웠을 것으로 분석되었다. 같은 맥락에서 사업 초기부터 민간이 참여하는 공동설계를 통해 역량을 강화한다는 계획을 제시하고 있으나, 민간 참여기업의 역할이 제한적이고 기존 한국형발사체개발사업과의 차별성이 불명확하다는 평가도 받았다.
사업 추진 일정과 예산 측면에서는 차세대발사체개발사업의 논리적인 흐름은 적절한 것으로 평가되었으나, 한국형발사체개발사업 경험에 비추어 절대적인 시간이 부족하므로 상당한 노력이 필요하고, 새롭게 개발돼야 하는 기술들이 많은 상황에서 예산 역시 문제가 발생할 가능성이 큰 것으로 분석되었다.
3.2 정책적 타당성 분석
3.2.1 상위계획과의 부합성
대형 개발사업인 차세대발사체 개발의 정책적 타당성을 분석하기 위해 국가 계획 중 ‘제4차 과학기술기본계획(’18∼ ‘22)’은 필수 계획, ‘제3차 우주개발진흥기본계획(’18∼ ‘22)’과 ‘대한민국 우주산업전략(’18.12.)‘을 선택군 계획, ‘제2차 위성정보활용 종합계획(‘19∼’23)’, ‘국가 중점우주기술 개발 로드맵 2.0(‘18.3.)’을 기타 계획으로 설정하여 상위계획과의 부합성이 검토되었다.
Table 5는 각각 한국형발사체고도화사업(KSLV- IIA)과 차세대발사체개발사업(KSLV-III)에 대한 상위계획 부합성 종합 평가표이다. 2개 사업 모두 필수계획과는 ‘부합도 높음’으로 평가되었으나, 선택군 계획과의 부합도에서는 ‘높음’ 과 ‘보통’으로 차이를 보였다. 단, 예타 시점에는 ‘제4차 우주개발진흥기본계획[8]’이 최종 의결 및 확정되지 않은 상태였기 때문에 부합성 평가 대상이 되지 못하였다.
결과에서 나타난 바와 같이 ‘적절’로 한국형발사체고도화사업은 예타 과정에서 발사체 기술개량이 제외되면서 지속 발사 부분만으로 사업이 이루어졌지만, ‘대체로 적절’로 한 단계 낮은 평가를 받은 차세대발사체개발사업은 선행기술 개발 부분을 제외한 대부분의 개발사업 내용이 추진되는 것으로 승인되었다.
3.2.2 사업 추진체제 및 추진 의지
예타 보고서를 통해 제시된 기획의 대안 내용에서 제외된 선행기술 연구개발은 타 사업(스페이스팰린지)과의 유사성에 대한 우려가 있었다. 그리고, 추진 의지 측면에서 참여 대상으로 하는 민간기업의 참여 의지가 저조한 것으로 낮게 나타났기 때문에 민간기업이 자기 자본을 투입하여 기술 개발사업에 참여하도록 유도할 수 있는 조건(수익성, 기술이전 우선권 등)들에 대한 검토 필요성이 제기되었다.
3.2.3 사업 추진상의 위험요인
사업 추진에 필요한 예산 확보 측면에서 이전 사업인 한국형발사체개발사업 수준의 예산 확보 가능성을 바탕으로 위험이 크지 않은 것으로 평가되지만, 민간부담금이 필요한 선행기술 연구개발 분야에 대해서는 기업의 투자 의향이 없는 것으로 확인되어 위험요인으로 평가되었다.
차세대발사체 임무 목표인 달착륙선은 ITAR (국제무기거래규정, International Traffic in Arms Regulations), EAR(수출관리규정, Export Administration Regulations) 제재(Table 6)에 의한 영향이 없도록 개발하는 것으로 합의하고 기획이 시작되었기 때문에 발사 계획에 지장이 없는 것으로 평가되었다. 하지만, 차세대발사체개발사업 예타 과정에서 잠재적인 수요로 제시된(Table 8) 다수의 실용 위성(KPS, 천리안, 다목적, 차중 등)은 ITAR 부품 없이 개발하는 것이 현실적으로 불가능하다. 따라서 ITAR 면제를 위한 외교 정책적인 노력과 함께 위성부품의 국내 개발을 통해 ITAR free로 해당 위성을 개발하는 구체적이고 실질적인 대응이 필요하다는 우려가 제시되었다.
또한, 차세대발사체 기술의 기한 내 개발 지연에 대한 대안으로 해외협력기관(우크라이나 유즈노예) 활용이 제시되었으나, 러시아-우크라이나 전쟁의 장기화에 따라 개발기간을 만족시킬 수 있는 또 다른 현실적인 대안 수립도 요구되었다.
Table 7
Satellite launch service demand estimation for KSLV-III in the preliminary feasibility analysis report[4].
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3.3 경제적 타당성 분석
차세대발사체 개발사업에 필요한 예산을 공학적 추정(bottom-up)을 통해 산출하고, 모수추정(top-down) 방식의 비용모델 2가지(Transcost, SEER)를 활용하여 추정/비교하였다(Table 8). 발사체 개발 예산을 추정할 수 있는 충분한 자료를 확보할 수 없는 조건이지만, 모수추정 방식의 비용모델과의 비교를 통해 제시된 예산 규모가 과도하지 않다는 것은 확인되었다. 하지만, 산출된 예산 및 편익 산출에 대해서는 적용 변수의 적절성 부족이 지적되었고, 시장수요접근법에 따른 경제적 편익이 부족한 것으로 평가되었다.
주관부처에서는 차세대발사체를 활용한 대체 가능 위성 발사 수요에 대한 비용효과분석을 통해 사업의 효과성을 제시하였다(Table 9, 10), 하지만, 해당 비용의 국내 소비에 따른 국부유출 방지 측면으로 작성된 자료는 위성의 발사서비스 수요 대응이라는 기본적인 목표 달성을 위한 절대적인 비용 측면에서는 효과적이지 않으며, 대안과의 비교가 없다는 점이 지적되었다.
차세대발사체 경제적 타당성 분석에서 제시된 정지궤도위성의 발사 비용은 개발 초도기에 해당하는 1호기, 2호기는 12,540만원/kg, 3호기부터 8,220만원/kg으로 추정되었다(Table 11). 이 비용은 현재 기준으로 비교하더라도 해외 발사체보다는 높은 비용인 것으로 분석되었고, 개발 완료 후 상용화 시점(최소 2032년 이후)의 국제 발사서비스 시장을 고려하면 경쟁력을 가질 수 없을 것으로 평가되었다.
4. 예비타당성조사 결론 및 제안
4.1 종합분석 내용
차세대발사체개발사업 사업계획에 대해서 예비타당성조사 방법에 근거하여 3가지 분야(과학 기술적, 정책적, 경제적) 타당성에 대한 종합 분석 내용을 아래와 같이 제시하였다.
•우주발사체가 정부 지원이 필요한 영역이라는 것은 인정되지만, 제기된 모든 문제/이슈가 차세대발사체개발사업과 연관이 있거나 동 사업을 통해서 해결될 수는 없음.
•제시된 달 착륙선 이외의 위성 임무요구조건 달성은 불확실함.
•기술성숙도(TRL, Technical Readiness Level) 지표설정 및 사업기획의 절차적 문제가 있음. 자체분석과 외부전문가 검토를 통해 TRL 분석 및 핵심기술(CTE, Critical Technoloy Elements) 선정하여 일부 신뢰 확보함.
•차세대발사체 이후의 성능확장을 위한 선행 기술개발은 공감되는 부분이 있으나, 적용시점, 활용계획 및 미션 등의 불확실성으로 인해 동 사업에서 추진해야 할 사유 불분명함.
•시험발사 계획이 구체적이지 않아 달착륙선 탑재에 따른 위험도가 높음. 우주개발실무진흥위원회를 통해 발사 횟수 1회 증가시켜 보완함.
•사업기획 과정에서의 민간 영역 의견 수렴이 부족하고 기존 한국형발사체 개발사업과의 차별성이 낮았으나, 체계종합기업의 역할/권한/책임을 제시하여 보완함.
•개발비용 정보가 부족하여 예산책정의 적정성 검토는 한계가 있음. 비용관리를 위한 체계적인 관리가 필요함. 사업관리(PM)/시스템엔지니어링(SE) 기반의 관리 기술 적용계획 제시됨.
•한국형발사체 개발사업과 비교하여 적정한 비용관리 및 일정관리 계획이 적절하게 계획된 것으로 판단됨.
•편익 산출에 일부 오류가 있었고, 추가 발사계획을 고려하면 0.410의 비용편익이 산출됨.
4.2 예비타당성조사 대안
차세대발사체개발사업 기획에서 제안된 내용을 바탕으로 예타 위원회는 사업 구성과 일정을 조정한 대안을 아래와 같이 제시하였다.
•국가 정책적으로 결정된 임무 요건(1.8톤 이상 달착륙선)이 변화하지 않는 조건에서 발사체 성능 및 기능 확보가 필요함.
•달착륙선이라는 정책목표 달성에 집중하는 것이 필요하므로 발사체 선행기술 개발 관련 내용은 제외함.
•1회 발사 추가에 따라 사업 기간은 9년(’23∼ ‘31)에서 10년(’23∼ ‘32)으로 증가되고, 예산은 1조 9,330억 원에서 2조 132억 원으로 증액된 대안을 제시함.
4.3 결론 및 정책제언
예타 대안으로 구성된 차세대발사체개발사업은 사업비 규모 2조 132억 원, 비용편익 비율은 0.429로 도출되었으며, 평가자 10명의 의견을 조사한 AHP(계층화분석법, Analytic Hierarchy Process) 평가에서 사업’시행 ‘에 대한 선호도가 높은 것으로 결론을 얻었다(Table 12).
예타 대안에 대해서’시행 ‘으로 결론이 도출된 차세대발사체개발사업에 대해서 사업의 성공, 개발된 기술의 활용도 증대, 민간기업 역량 제고와 육성 및 객관적인 사업 관리를 위해 몇 가지 제언이 보고서 마지막에 언급되었다.
•개별 기술별로 사업 완료 후의 기술 수준 격차 및 사용 가능성 정도를 측정/예측하여 격차 완화 및 활용 시기를 앞당기는 노력이 필요함.
•차세대발사체의 활용 수요에 대한 추가 발굴을 통해 명확한 시행계획 수립 필요함.
•민간 주도 시장을 지향하고 있으므로 수요 기반한 산업체의 투자 및 참여 유인방안 강구하고, 산업체의 역할과 책임을 명확히 정의하여 역할, 지식재산권 등의 세부적인 사항이 고려된 계약 및 협약 필요함.
•인적 자원에 대한 관리 및 육성 계획이 필요하고, 숙련된 전문 연구기관 인력의 민간기업 유입이 가능하도록 노력 필요함.
•우주탐사 위성의 활용 증대에 대비하여 국제 공동개발 위성의 국내 발사체 활용을 위한 외교적 노력 필요함.
•개발 단계별 엄격하고 객관적인 검증과 관리가 필요하고, 과도한 기간 및 예산 변경이 수반되는 경우는 정부연구개발 관리규정에 따른 별도의 평가 필요함.
5. 예비타당성조사 보고서 분석 의견
5.1 수행 임무
차세대발사체개발사업은 한국형발사체 후속으로 대한민국 우주탐사 역량 강화를 위해 2032년 1.5톤급 달착륙선을 달전이궤도에 투입하는 것을 핵심 임무로 기획된 사업이다. 즉, 정책적으로 결정된 달탐사 임무 목표 달성을 위해 국내 자력 발사체를 개발하는 계획이다.
예타 보고서에는 한국형발사체개발사업 및 한국형발사체고도화사업에서 기획되었던 830 kg 달탐사선 발사 계획이 1.8톤급 달착륙선(최초 기획에서는 1.5톤급)으로 변경된 정책 결정 사안에 대한 평가를 할 수는 없었을 것으로 미루어 짐작이 가능하다. 그럼에도 불구하고 대규모 연구개발 비용이 투입되는 사업 목표의 적절성과 대형 발사체 개발을 통한 자력 발사의 필요성에 대한 논의가 없었다는 것은 근본적인 문제점로 지적되어야 한다. 또한 개발된 대형발사체를 활용한 우주수송서비스의 불확실성, 불가능 등이 언급되었음에도 단일 임무 달성 후에 추가적인 사업(차세대발사체 개량, 추가 발사장 확보)을 통해 잠재적인 수요에 대해서 대응하겠다는 해결 방식 제시는 10년 후 개발 완료 시점의 국제적인 우주발사체 환경을 예상할 때, 지속 가능성이 없는 대형발사체 개발로 판단된다.
차세대발사체의 수행 가능 임무를 달 착륙선 이외로 확장하는 핵심적인 문제는 ITAR 이슈와 발사장 문제이다. 외교적인 노력으로 ITAR를 해결하겠다고는 하지만 2023년 사업이 종료된 한국형발사체 개발사업 역시 동일한 문제가 기획 단계에서 언급되었으나 여전히 해결되지 못한 상황이다(Fig. 4). 그로 인해서 차세대중형위성과 같은 500 kg급의 소형위성마저도 태양동기궤도(700 km) 1.9톤 이상의 탑재성능을 가진 한국형발사체(누리호)로 발사하지 못하는 상황이 발생하고 있다. 이 상황을 고려할 때, 더욱 고도화된 다양한 성능의 탑재체를 가진 실용위성의 발사 가능성은 더 낮게 볼 수밖에 없다.
3.7톤급 정지궤도위성 발사에 대해서는 기획(안) 및 답변자료의 내용으로 예타 보고서를 통해 자주 언급되고 있지만, 나로우주센터에서 발사할 경우 80% 수준의 성능손실이 발생하여 투입성능이 1톤으로 줄어드는 것으로 그 한계가 명확하게 언급되어 있다(Table 11[4]). 따라서, 차세대발사체개발사업만으로는 정지궤도위성 발사 능력을 확보할 수 없으며, 최근 보도 자료에 따르면 차세대발사체개발사업과 거의 동일한 2조원의 예산이 필요한 해상플랫폼이 추가로 요구되므로 차세대발사체 수요로 정지궤도, KPS 위성 등을 언급하는 것은 상당히 부적절하다.
발사체 포트폴리오와 운용 측면에서 정부 정책적 지향점과 상충하며, 이해하기 힘든 부분은 차세대중형위성/초소형위성 등을 차세대발사체 수요에 포함하여 계획을 수립했다는 것이다(Table 7). 이러한 계획은 탑재체의 규모, 발사체 성능 측면 및 민간기업을 육성하고 우주개발 역량을 키우겠다는 정부 정책 방향[10]에 역행하는 것이다.
기술이전을 통한 민간의 체계종합 및 발사운용 역량 강화와 상업 서비스로의 페러다임 전환 계획하에 지속 발사를 추진하고 있는 누리호도 ITAR 등의 문제로 탑재체 공간 일부만을 활용하는 궤도상 부품 검증(IOD, In-Orbit Demonstration) 용도를 위해 5차, 6차 발사를 준비하고 있다. 또한, 소형발사체를 개발하고 있는 민간기업에서는 공공의 위성발사 수요 확보를 정부에 요구하는 있는 실정에서 차세대발사체가 민간 소형발사체 및 한국형발사체의 모든 수요를 독점하는 방식으로 계획된 수요 계획은 현실적이지도 합리적이지도 못하다.
그리고, 발사된 위성의 실제 운영 수명이 임무 수명의 2배 이상 되는 현실(Fig. 5[11])을 반영하지 않고, 단순히 설계 수명만을 고려하여 지속적인 위성 발사 수요가 있을 것으로 산출한 것도 수요를 과대 예측하는 오류 중의 하나이다.
예타 보고서 내용 및 검토 의견을 종합하면 주관부처에서 제시한 위성수요[4, 5] 중에서 차세대발사체 개발을 통해서만 대응할 수 있고, 신규 발사체 개발이 타당하다고 평가할 수 있는 임무는 우주탐사(달착륙선)가 유일하다. 나머지 수요는 민간 소형발사체와 누리호를 통해서 발사하는 것이 적절하며, 정지궤도위성 발사를 위해서는 추가적인 성능 개선과 막대한 예산을 투입하는 별도의 발사장 확보를 통해서만 달성할 수 있다.
따라서 현재 시스템 요구조건 검토 및 공동 설계를 위한 체계종합기업 선정을 과정에 있는 차세대발사체개발사업에서는 개발된 차세대발사체를 통해 대응할 수 있고 대응하는 것이 타당한 임무에 대한 정교하고 경제성에 바탕을 둔 합리적인 재검토가 필요하며, 그에 부합하도록 시스템 설계가 이루어져야 한다.
이러한 계획이 구체적이지 못하면 사업이 추진되는 동안은 물론이고, 종료 이후에도 지속될 수 없는 발사체를 개발하는 사업이 될 수밖에 없다. 결국은 개발기간 동안 연구기관과 산업계에서 투입한 인적, 물적 자원과 노력의 의미가 상당히 퇴색된다. 그리고, 그 기간 동안 치열한 고민으로 방향을 잡아가고 있을 선진국과의 격차는 더욱 벌어지게 되고, 후발주자로 쫓아오는 경쟁자들과는 간극이 좁아져서 힘들게 확보한 경쟁력을 상실할 위협에 직면하게 될 것이다.
5.2 핵심 개발내용
차세대발사체개발사업 기간을 통해 개발이 필요한 핵심기술은 기획(안) 공청회를 통해 상세히 언급되었다(Fig. 3). 제시된 다양한 기술의 개발을 위해서 계획된 예산이 적절한 시기에 충분히 확보되어야 하며, 목표 달성을 위해서는 상당한 노력과 시간이 소요될 것으로 예상된다.
차세대발사체 1단/2단 구성안에 대해서 엔진 비추력 성능, 엔진 개발 불확실성, 발사체 경량화 요구 수준, 재사용 발사체 연계성 등을 검토하여 발사체 구성안이 평가되었고, 케로신을 연료로 사용하는 다단연소사이클을 채택한 100톤급/10톤급 엔진이 선정되었다(Table 13).
엔진에 대한 비교 평가에서 국제협력을 통한 기술확보 가능성과 개발 난이도, 개발 소요일정 및 예산, 체계일정 적합성 등이 평가되었다. 하지만, 차세대발사체 엔진 선정 과정에서 개발 후의 활용과 확장성에 대한 평가는 포함되지 않았다. 이런 상황은 나로호, 누리호에서 개발된 기술의 충분한 활용이 후속 사업에 연결되지 못한 상황과 유사하게 동 사업에서 개발될 핵심 엔진 기술들이 후속 사업에서 활용 단절로 이어질 가능성을 상당히 내포하고 있음을 의미한다.
기획단계에서 발사체 기술 고도화를 통해 발사 성능 향상과 재사용발사체 기술개발로 연계하는 것을 동 사업의 핵심 전략으로 설정하였다면(Fig. 6[2]), 비교평가표(Table 13)에서 나타나는 1년의 개발기간 차이는 중요도가 낮은 참고사항 정도로 고려되었어야 한다. 더욱이 차세대발사체개발사업 예타가 거의 마무리되는 시점에 예타가 착수되었던 달착륙선의 발사 일정이 주요 요구조건으로 작동하여 엔진 종류 선정에 영향을 미치는 것은 상식적이지도 바람직하지도 않은 방식이다. 이러한 불합리한 요구조건을 만족하는 것으로 평가된 케로신 다단엔진을 차세대발사체의 엔진으로 선정한 것은 대형 및 재사용 발사체에 메탄을 연료로 채택하고 있는 국제적인 발사체 개발 흐름[12] 및 향후 재사용발사체 개발로의 연계 계획에 부합하지 않는다.
이와 같은 결정 사항에 대해서는 착수된 차세대발사체 개발사업의 발사체 시스템 요구조건 검토와 발사체 시스템 설계 단계에서 치열한 논의가 반드시 필요하다. 그리고, 예타 보고서에는 그 과정과 근거, 논의 사항이 명확히 제시되어서 차세대발사체개발사업을 기획하고 개발 요구조건을 도출하는 과정이 어떠한 의사 결정으로 이루어졌는지 추적할 수 있도록 해야 한다.
검토 대상 엔진 중에서 메탄을 연료로 사용하는 경우에 대해서는 개발 난이도를 증가시키는 항목으로 메탄 시험설비 증개축과 구성품 기술개발이 필요성이 언급되었다(Table 13). 이 부분은 비교평가에서 비용과 일정을 증가시키는 측면에서 불리하게 작용하였을 것으로 짐작된다.
하지만, 차세대발사체개발사업의 WBS(Work Breakdown Structure) 항목별로 누리호 기술과 설비 활용, 개량 및 신규 개발을 구분하여 제시한 결과에 따르면, 동일한 케로신 연료를 사용하지만 엔진 사이클의 변경 및 발사체 규모 등의 변화로 인해 개량 및 신규개발이 필요한 항목으로 기술 91%, 설비 93%로 제시되고 있으며, 신규 개발이 50% 이상을 차지한다(Table 14).
Table 14
Technology and facility acquisition strategy for the KSLV-III program from the KSLV-II program[4].
| As Is | Modification | New | |
| Technology | 9% | 40% | 51% |
| Facility | 7% | 43% | 50% |
이러한 분석 결과는 차세대발사체 개발에 필요한 기술이 누리호에서 직접적으로 습득한 기술과 연속선상에 놓여 있지 않다는 것을 강하게 나타낸다. 따라서 누리호와 같은 연료를 사용한다는 이유로 개발 난이도가 상당히 높아질 수밖에 없는 고온 산화제 과잉 및 고압 작동 조건에서 운영되는 엔진 개발을 선택하는 것은 타당하지 않은 결정이다. 또한, 본 사업에서 개발된 케로신 다단연소사이클 엔진을 활용한 재사용발사체로의 확장은 국제적인 재사용발사체 개발 방향[13]과 동떨어져 있고, 우주탐사, 행성간 이동 기술 확보 및 친환경 추진기관 개발 등과 연관을 지어서 판단하면 기술개발 측면에서도 전략적으로 옳지 못한 판단이다.
차세대발사체 엔진 개발 계획에서는 재사용 발사체로의 확장을 고려하여 1단 엔진 추력조절 및 재사용을 위한 재점화 기능 구현이 중요한 기술로 지정되어 있다(Table 13, Fig. 6). 하지만, 정책적으로 결정된 달착륙선 임무는 소모성 발사체로 운용되기 때문에 1단 엔진 재점화와 40% 추력 조절은 필요 없는 기술이다. 따라서, 차세대발사체개발사업에서 핵심기술로 지정하여 개발을 위한 노력을 투입하는 것이 타당한지 재검토가 꼭 필요하다. 예타 과정에서 기술적 도전성을 부각하기 위해 재사용발사체라는 핵심 단어가 수사로 필요했을 수도 있다. 하지만, 그로 인해 차세대발사체라는 임무 지향적인 발사체 개발 과정에서 임무와 상관없는 과도한 요구조건이 할당되었다. 이와 같은 불필요한 요구조건은 결국 비용 상승, 개발 난이도 증가 및 일정 지연 등의 문제를 초래할 수밖에 없다.
따라서, 발사체 재사용을 위한 엔진관련 기술에 대한 검증은 엔진개발 모델에서 지상연소시험 수준의 시연을 통해 추력조절 및 재점화 기능을 확인하는 정도로 시도되어야 한다. 그 범위를 넘어서 비행모델에 준하는 형태로 해당 기술을 발사체 레이아웃 및 운영 개념에 포함시키는 것은 타당하지 않을뿐더러 차세대발사체 개발사업의 안정적인 수행을 위해서는 반드시 피해야 할 방향이다.
5.3 발사비용 경쟁력
차세대발사체 1회 발사 비용은 초기 개발 시제 2기에 대해서는 1,254억 원, 수요가 뒷받침되어서 4기/년의 지속 발사가 이루어진다는 가정하에 3호기부터는 822억 원으로 제시하고 있다(Table 12). 제시된 차세대발사체의 지속 발사 비용은 현재 운용 중인 Falcon 9의 USD $67M(약 890억 원, 22톤 @LEO), Soyuz의 USD $35M(약 470억 원, 7톤 @LEO), 2024년 발사 예정인 Ariane 6의 €75M(약 1,060억 원, 10톤 @ LEO), 그리고 뉴스페이스 시대를 맞이하여 경쟁력 확보를 위해 개발을 선언한 Amur의 USD $22M(약 290억 원, 12.5톤 @LEO), Terran R의 USD $55M(약 730억 원, 33톤 @LEO), Ariane Next의 50% 비용 절감 계획 등을 고려할 때, 미래의 국제 경쟁력 확보는 불가능해 보이며 현재 시점에서도 타 발사체 대비 경쟁력을 가지기 힘들어 보인다.
제시된 발사수요 측면에서도 4기/년(3,288억 원/년)의 발사계획은 수요에 대한 근거가 부족하며, 차세대발사체에 적합하지 않은 공공위성을 수요로 포함하는 등의 숫자를 늘리기 위해 최대한의 숫자를 합한 과도하게 포장된 가상의 숫자이다. 앞서 언급한 초소형위성/소형위성 등의 공공 수요를 모두 포함하고 드러나지 않은 국가 안보와 관련된 위성 등의 수요를 긍정적으로 고려하더라도 저궤도 10톤 급의 임무 능력을 갖춘 차세대발사체가 확보하기는 힘든 수요로 판단된다. 더구나 가격 경쟁력이 없고 ITAR 이슈가 여전히 존재할 가능성이 큰 우주수송서비스 시장에서 차세대발사체가 대상으로 하는 실용위성 발사수요를 해외 위성발사 수요 국가에서 가져올 가능성도 크지는 않다. 이러한 상황에서 소모성 차세대발사체를 1년에 4기씩 생산할 수 있는 산업 인프라를 구축하는 것은 현실적이지 않으며, 지속 가능하지 않은 잘못된 가정이다.
따라서, 경쟁력 확보를 통한 지속발사 계획이 수립되지 못한 상태에서 달탐사선이라는 지속 불가능한 일회성 임무 달성을 위한 차세대발사체개발사업 기획에서 제시한 4기/년의 수요 예측은 목표 가격을 염두에 두고 수요를 만들어 낸 과도한 희망을 포함한 허수이다.
6. 결 론
차세대발사체개발사업(KSLV-III) 예비타당성조사 보고서를 활용하여 향후 10년 동안 수행될 차세대발사체 개발 계획에 대해서 검토하였다. 공개된 예타 보고서와 공청회, 보도자료 및 한국형발사체고도화사업(KSLV-IIA) 예타 보고서 등의 자료를 활용하여 비교검토를 수행하였다. 10년간 약 2조 원의 국가 연구개발 예산이 투입되는 차세대발사체개발사업 기획보고서와 예타 과정에서 주관부처, 내부연구진 및 외부자문단이 주고받은 질문과 답변자료가 공개되어있다면 좀 더 정확한 검토가 가능했을 것으로 생각된다.
1.8톤급 달착륙선(최초 사업기획은 1.5톤급)의 달전이궤도(LTO) 투입을 위한 자력 운송 수단 확보를 위한 차세대발사체개발사업은 정부 정책적 임무 목표 달성을 위해 결정된 사업이다. 하지만, 예타 보고서에 언급하고 있는 것처럼 달탐사선 이외의 위성 발사수요에 대해 대응이 불가능하거나 불확실성이 높다는 것은 본격적인 발사체 설계를 착수하기 이전에 요구조건 검토와 시스템 설계 단계에서 반드시 재검토와 개선안 및 해결 방안 마련이 필요하다는 의미이다. 또한, 제시된 발사 수요 임무 중에 차세대발사체의 수송능력을 고려할 때 활용이 부적절한 수요가 다수 포함되어 있는 것과 ITAR에 대한 문제 해결을 전제로 제시된 수요 역시 재검토와 현실화가 필요하다.
이와 같은 상황을 고려하여 2조 원이라는 예산과 10년이라는 시간을 투입하여 개발되고, 향후 대한민국 우주탐사와 대형 우주수송을 책임지게 될 차세대발사체의 개발 규격에 대해서는 정책적으로 주어진 임무보다는 지속적인 우주수송서비스가 가능한 설계안 도출과 차세대발사체로 대응할 수 있는 현실적인 수요 발굴, 미래 확장 가능성, 경쟁력 확보 방안 등에 대한 심도 있는 검토와 해법 마련이 필요한 시점이다.
