티스토리 뷰
SpaceX는 현재 미국에서 가장 혁신적이라고 평가받는 CEO인 엘론 머스크가 설립한 기업이다.
민간우주항공기업으로썬 최초로 국제우주정거장에 물자를 수송하는데 성공한 기업이기도 하다.
엘론 머스크는 벤쳐기업 X.com으로 사업을 시작한 후 페이팔의 공동CEO가 되었던 인물로,
페이팔의 지분을 정리한 현재는 테슬라의 공동창립자이자 CEO이며, 태양광기업 솔라시티의 회장이기도 하다.
머스크가 설립한 기업들은 모두 원대한 목표를 가지고 있는데,
예를들어 테슬라는 일반 승용차급의 성능과 가격을 가진 전기차를 대량양산하여 전기차시대를 여는 촉진제가 되겠다는 목표를 가지고 있다.
SpaceX도 역시 예외가 아니다.
SpaceX는 현재 일회용으로 사용되고 버려지는 로켓을 회수하여 재활용함으로써 로켓 발사비용을 단기적으로 1/10배로 떨어트리겠다는 목표를 가졋다.
로켓 발사비용에서 연료가 차지하는 비율은 1%가 채 되지 않으므로, 로켓을 비교적 싼값에 재활용할수 있다면 많은 돈을 아낄수 있다는 논리이며
머스크는 이를 통해 언젠가는 화성에 자급자족이 가능한 콜로니를 짓겠다는 원대한 포부를 밝히고 있다.
우주 왕복선의 사례를 떠올리며 재활용 로켓의 현실성에 의문을 품는 사람도 많을것 같은데, 이에 관련해서 가질수 있는 의문들은 밑에서 다루도록 하자.
2. 방법
사실 재활용 로켓이라는 연구분야는 전혀 새로운것이 아니다.
가장 멀리까지 거슬러 올라가자면 베르너 폰 브라운이 아폴로 프로젝트 후에 재활용 로켓 프로젝트를 제안한 바 있으며,
NASA는 그 후로도 여러가지 재활용로켓의 컨셉에 대해 연구를 해왔다.
그러나 재활용 로켓이라고 했을때 누구나 가장 먼저 떠올리는 것은
바로 우주 왕복선일것이다.
우주왕복선은 실제로 외부연료탱크를 제외하고는 대부분의 부품을 완전히 재활용할 수 있었지만,
그를 위해선 최소 9개월간 1만명이 넘는 인력이 우주왕복선을 붙잡고 해체재조립을 통해 재생을 해야했다.
그런 절차에 막대한 돈이 들긴 했지만, 실제로 동일한 능력을 일회용 로켓으로 얻는것보다는 대체로 비용이 쌋다. (7인 유인미션 + 저궤도 20톤 페이로드)
그러나 컬럼비아호와 첼린저호의 사고 이후로 안전비용이 극도로 높아져서 매번 발사때마다 우주왕복선을 새로 만들어서 쏘는 수준의 비용이 들자
결국 우주왕복선 프로젝트는 폐지되게 된다.
이에 머스크는 훨씬 간단한 방식을 통해 재활용 로켓을 만들 방법을 강구하게 된다.
NASA가 역점적으로 연구했던 SSTO(단단식로켓)과 같은 초고성능을 요구하는 형태를 버리고
오랜 세월 검증된 기술로 가능한 간단한 구조의 TSTO(2단식로켓) 를 만들어서
일반 로켓처럼 수직으로 발사한 후 1단과 2단을 분리시키고 제각각 수직착륙 시키는 방법으로 재활용 로켓을 만들고자 했다.
(개념자체는 새로운것이 아니다. 재할용 TSTO는 실제로 오랜세월 연구되어온 주제)
2단식 로켓에 있어서 총 비용의 80~90%를 차지하는것은 가장 무겁고 추력도 큰 1단로켓이다.
따라서 발사후에 분리한 1단로켓을 지상에 수직착륙 시켜서 재활용한다면, 대부분의 발사비용을 보전할수 있게 되는것이다.
게다가 1단은 마하 5~7 가량의 속도에서 분리되므로 고온의 재진입열에 (거의)노출되지 않으며, 원하는곳에 착륙시킬 수 있고,
바닷물에 직접적으로 접촉할 일이 없으므로 기존 방식과는 다르게 재생이 쉬워지고
재급유가 빨라지므로 단위시간당 로켓 한대가 소화할 수 있는 발사회수가 늘어나게 된다.
(우주왕복선 고체연료부스터 회수와 다른점은 밑의 항목 에서 다룬다)
또한 SpaceX는 기술을 점차 성숙시켜서 최종적으로는 2단과 우주선까지 재활용할 계획을 가지고 있다.
혁신적인 목표와는 대조적으로 현재까지 SpaceX는 혁신적인 신기술을 개발해서 판도를 바꾸기보다는 검증된 기술들을 조합해서 활용하고 있다고도 볼수있다.
실제로 재활용 시험을 하기 전에도 SpaceX는 이미 업계 최저가에 가까운 발사코스트와 높은 신뢰성을 자랑했는데,
산업에서 흔히 쓰이는 집약생산의 테크닉들을 로켓생산에 접목시켜서 생산효율을 극대화 시킴으로써 그런 일이 가능했다고 한다.
3. 지상착륙과 해상착륙의 차이
우선 작년 12월에 성공한 지상착륙 영상을 보자
넓고 안정적인 착륙장에 로켓이 사뿐히 내려앉는것을 볼수있다.
그러나 가장 위에 올린 영상인 CRS-8 미션의 해상착륙장면을 보면 해상착륙에 쓰인 드론쉽(drone ship) 플랫폼은
크기도 지상착륙장에 비해 한참 작고 파도에 의해 이리저리 출렁이기도 한다.
해상의 기후가 좋지못하면 더 착륙하기 힘든 환경이 조성될 것이다.
그런데 왜 SpaceX는 지상착륙 외에도 해상착륙 능력을 달성하려고 하고 있을까?
기본적으로는 동일한 로켓을 통해 더 많은 페이로드를 우주로 보내는것이 경제적으로 유리하기 때문이다.
로켓은 인적이 드문 방향을 향해 발사해야 하므로 일반적으로는 해상쪽으로 발사하게 된다. (러시아나 중국은 육지로 발사할때도 있다)
따라서 지상에 착륙하기 위해서는 갓던 길을 다시 돌아올 필요가 있다.
그러나 1단을 발사한 후 발사장 가까이에 위치한 착륙장까지 돌아오려면 1단이 가지고있던 수평속도를 상쇄시키기 위해
일정량의 추진제를 소비해서 역추진을 해야만 한다. 그 뿐만아니라 착륙위치까지 도달하기 위해 추가적인 추진을 할 필요가 있다.
이런 기동 하나하나가 추진제를 소모하는 원인이되고 그로인해 동일한 양의 추진제를 탑재하고도 페이로드양이 줄어들게 된다.
반면 수평속도를 줄이지 않고, 그대로 포물선을 그리며 자유낙하 한다면 착륙하기 직전에만 역추진을 하면 되므로 추진제를 좀더 아낄수 있다.
(실제로는 정확한 조준과 재진입속도 경감을 위해 고고도에서 한번 더 짧게 역추진한다)
문제는 애초에 발사하는 방향이 바다쪽이므로, 반드시 바다위에 착륙플랫폼이 떠 있어야하고, 그 위에 착륙할만한 능력을 갖춰야 하는것이다.
이런 능력을 갖추기 위한 비용이 늘어나는 페이로드로 벌수 있는 비용보다 적은지는 미지수이지만 도전할만한 가치는 충분하다.
페이로드가 늘어날 뿐만 아니라, 동일한 페이로드를 운반가능한 궤도에도 큰 차이가 있기 때문이다.
특히 대형의 로켓발사가 필요한 위성은 보통 저궤도에 비해 훨씬 높이까지 올라가야만 하는 정지궤도위성이라는 점을 상기해 볼때
재활용 상업발사체로써 꼭 갖춰야 하는 기능인지도 모른다.
4. 실험과 실패들
한가지 확실히 해두고 싶은 점이 있는데, 이들 착륙시험은 메인 미션과는 관계가 없는 실험이라는 점이다.
1단이 제 역할을 다 끝마치고 1단과 2단이 분리되면 2단은 그대로 다른 일반적인 로켓들과 마찬가지로 부여받은 미션을 완수하러 간다.
일반적인 로켓이라면 이시점에서 분리된 1단은 제어하지 않고 바다에 추락시키겠지만,
SpaceX에서는 그것을 버리지 않고 곧바로 실전을 겸한 실험에 활용하고 있다고 볼수있다.
따라서 착륙이 실패하더라도 미션자체가 실패한것이 아니다.
머스크는 2016년 중에 있을 착륙실험들 중에 70%가 성공하길 기대하며, 2017년에는 90%까지 성공률이 증가하길 바란다고 글을 남긴바 있다.
고로 앞으로 실패한 착륙실험에 대한 소식을 접하게 되더라도, 발사미션완수에 실패했다는 의미로 받아들이지 않길 바란다.
참고로,
CRS-5는 유압작용유체 부족문제,
CRS-6는 엔진스로틀 제어 딜레이문제,
Jason-3는 발사시점에 랜딩기어에 끼인 얼음때문에 랜딩기어가 고정되지 않은것이 실패의 원인이라고 한다.
우주항공분야에선 이렇듯 생각지도 못한 이유로 실패하곤 하는 상황이 자주 벌어지기 때문에 시행착오를 통해 경험을 쌓아 개선하는 일이 중요하다.
개인적으로 회사 이미지가 십창날수 있는데도 불구하고 이렇게 꼬박꼬박 실패영상을 공개하는것 자체가 대단하다고 본다.
또한 현재 SpaceX는 메탄연료와 새로운 연소 사이클을 도입한 Raptor 라는 로켓엔진을 연구개발하고 있다.
메탄연료는 기존에 사용하던 케로신에 비해 효율적이고, 코크스 등을 남기지 않아 엔진 재생이 훨씬 쉬워진다는 장점이 있다.
이 엔진이 성공적으로 개발되면 현재 9대의 엔진으로 추진하는 팔콘9을 단 한대의 Raptor엔진으로 추진할수 있을것으로 보이는데,
머스크는 그 랩터엔진 9대를 묶어서 세턴V급의 초대형 로켓을 만들겠다는 계획을 밝힌 바 있다.
싼값으로 한번에 100톤이 넘는 페이로드를 우주로 수송함으로써 진지하게 화성유인기지 계획을 뒷받침하겠다는 것인데 ,
머스크는 항상 비현실적으로 보이는 목표를 이루어 내면서 현재의 위치에 오른 인물이니 기대해봐도 좋을듯 하다.
물론 유인미션을 위한 'Dragon v2' 라는 유인 우주선도 개발중이다.
Dragon 우주선의 경우 이미 우주왕복선에 정기적으로 물자를 공급하는 화물선으로 쓰이고 있는 중이다.
5. Q&A
이 주제에 대해서 일반적으로 받은 질문들이 있는데 궁금한점이 다들 비슷하길래 여기에 정리해서 올리고자 한다.
Q : 낙하산 매달아서 바다에 그냥 착수시킨후에 끌고오면 되는거 아니냐?
A : 우주왕복선의 고체연료부스터가 실제로 그런 방식을 썼었다.
여기에는 몇가지 문제가 있다.
일단 착수시의 충격이 대단히 크다. 고체연료로켓은 벽면이 12mm두께의 강철 판으로 되어있어서 이정도 충격에는 충분히 버틸 수 있었다.
문제는 액체연료로켓의 벽면은 성능 극대화를 위해 1~2mm수준의 얇은 알루미늄 합금으로 만든다는 것이다.
따라서 만약에 액체연료로켓을 바다에 그대로 착수시킨다면 그대로 부서질 것이다.
이는 고체연료로켓의 성능이 더 우수하기 때문이 아니라, 둘의 작동원리가 달라서 생기는 차이다.
고체연료로켓의 경우엔 고체로 된 추진제가 로켓의 내부로부터 연소되며 로켓 몸체 전체에 강력한 압력을 만든다. (불꽃놀이랑 똑같다)
따라서 그 압력에 견디기 위해 벽면도 당연히 강하고 무거워질수밖에 없는 구조다.
반면 액체연료로켓은 액체상태의 연료와 산화제를 펌핑해서 로켓엔진에 쑤셔넣어 그 속에서만 연소시키는 구조기 때문에 엔진만 압력에 견디면 된다.
이 외에도 여러가지 요인으로 인해 일반적으로 액체연료로켓이 고체연료로켓에 비해 훨씬 높은 추진효율과 성능을 가진다.
그래서 일반적으로 우주발사체는 액체연료로켓을 메인으로 두고, 고체연료로켓은 부스터로만 쓰는경우가 잦다. (군용은 목적이 다르므로 제외)
또 SpaceX에서는 회수한 로켓을 가능한 빠르게 재생해서 재발사하고 싶어하는데, (목표는 1주일내로 재발사)
재발사 준비기간이 짧아질수록 동일한 로켓으로 많은 발사를 소화해낼수 있어서 더 경제적이기 때문이다.
그런데 고체연료로켓은 일단 재생과 급유 자체가 어렵다. 연료가 말 그대로 고체기 때문에 충전하는데도 특수한 기술과 공정이 필요하다.
거기다 바다에 착수하면 바닷물의 강력한 부식력에 의해 로켓 몸체와 각종 정밀한 기기들이 부식될 위험이 있다. 그래서 재생에 긴 시간과 노력이 필요하다.
착륙지점을 특정할수 없다는것도 문제다. 실제로 우주왕복선 시대에는 우주왕복선을 쏘는날이면 고체연료부스터가 착수할것으로 예상되는 해역을
군함을 동원해서 봉쇄해야만 했다. 거기다 특수히 개조된 회수선이 3대나 동원됫고, 전용 다이버들까지 필요했다. 비용이 많이 들었음은 말할것도 없다.
따라서 궂이 역추진이라는 섬세한 방법을 쓰면서 수직으로 착륙해야만 하는 이유를 이렇게 꼽을수 있다.
성능이 높아야하고, 큰 충격을 받지 않아야하고, 바닷물에 접하지 않아야하고, 원하는곳에 착륙할수 있어야하며 빠르게 재활용이 가능해야 하기 때문이다.
Q : 발사체가 단 분리를 해야하는 이유가 뭐냐?
A : 효율을 위해서다.
예를들어 내가 주유소까지 가는데 필요한 기름이 1톤이 들어서 차에 1톤어치 기름을 급유했다고 하면,
차의 무게가 1톤이나 늘어나므로 그 1톤을 끌고갈 에너지를 만들기 위해 더 많은 기름을 소모해야 한다.
따라서 실제로 기름은 1톤보다 더 많이 드는데, 그렇게 더 넣은 연료와 연료탱크의 무게도 역시 차에 무게를 더하므로 더더욱 많은 연료가 필요해진다.
그 무게도 필요한 연료량이 커지게만들고 그게 또 무게를 추가하고.. 하는식으로 기하급수적인 악순환이 계속된다.
이렇게 필요한 연료가 기하급수적으로 늘어나고 마는 효과는 치올코프스키가 최초로 수식화했기 때문에 '치올코프스키 로켓방정식' 이라고 부른다.
그런데 만약에 차를 중간쯤 타고가다가 다 쓴 연료통을 길거리에 버려버리면 차는 더 가벼워지고, 거기서부터는 더 적은연료만 가지고도
주유소에 도달할 수 있다. 로켓도 다 사용한 연료통과 더이상 필요없는 수준의 추력을 발휘하는 로켓엔진을 분리해버리면 더 적은 연료만 가지고도
목표한 궤도에 도달할 수 있다. 이론적으로는 단분리를 많이 하면 할수록 효율이 높아지지만 현실적으로는 3단정도가 바람직하다.
이런 단분리를 수행하더라도 로켓 무게의 90~95%는 추진제가 차지한다는 점이 로켓공학을 어렵게 만든다.
참고로 단분리를 한번도 안하고 궤도에 도달하려는 연구도 있는데, 이런 발사체를 SSTO(single stage to orbit) 라고 부른다. 로켓방정식상
SSTO가 가능하려면 극도로 가벼운 로켓을 만들던가, 혹은 기존방식보다 더 높은 효율을 가진 추진시스템이 필요한데
NASA는 양쪽 방식을 모두 개발해본 전력이 있고 둘다 실패했다.
Q : 역추진에 드는 추진제 무게가 문제되지 않는가?
A : 미션에 지장을 줄 정도는 아니다.
로켓 질량의 90~95%는 추진제가 차지하기 때문에 로켓이 추진제를 거의 다 소모한 상태에서는 무게가 훨씬 가벼워진다.
로켓이 더 가벼워진 만큼 역추진하는데 드는 에너지도 줄어든다. 착륙을 시도하는 영상들을 보면, 팔콘9의 1단은 엔진이 9대나 달려있음에도 불구하고
착륙시에는 한대만 점화시켜 놓은것을 볼수있다. 그정도의 추력만 있으면 충분하기 때문.
물론 일회용 발사체들과 비교하면 동 출력, 질량 대비 성능이 떨어지는게 당연하지만 재활용이 가능하기 때문에 훨씬 이득이다.
날개를 달아서 글라이더처럼 돌아오게 하는것이 어떻겠느냐는 재활용 로켓 연구분야도 있는데,
날개도 역시 추가적인 연료와 마찬가지로 무게를 추가하므로 효율면에서 역추진 방식과 우열을 가리기는 애매하다.
Q : 아마존 설립자 제프 베조스가 설립한 '블루 오리진' 이 먼저 착륙에 성공했다고 하던데?
A : '우주' 에 도달한 후 다시 착륙한것은 사실이다.
블루 오리진이 국제적인 기준상 우주라고 부를수 있는 고도(100km)까지 New Shepard 로켓을 올렷다가 착륙시킨건 사실이다.
그런데 블루 오리진의 로켓은 순전히 관광용으로, 제자리에서 고도 100km까지만 올라갓다가 다시 착륙하는 로켓이다.
그 안에서 10분간 무중력상태와 풍경을 감상하게 해줄 수 있다는데, 그게 대단하지 않다는 말은 아니지만 '우주' 도달과 '궤도' 도달을 구분해야만 한다.
우주까지 도달했다는 꼬리표를 얻으려면 100km고도만 돌파하면 되지만 그 직후에 다시 떨어질 것이다.
반면 우주에서 체류하려면 궤도를 형성해야 하고, 그러기 위해서는 마하 25까지 물체를 가속할 필요가 있다.
블루 오리진의 로켓은 그런 능력은 일체 갖추지 않았다. 애초에 체급이 너무 다르다.
게다가 우주까지 도달했다가 귀환한 기록이 있는 로켓추진 비행체가 New Shapard밖에 없는것도 아닌데
대놓고 최초라고 보도하는게 어째 의도가 보이는것 같다.
머스크는 트위터를 통해 블루 오리진의 성공을 축하하면서도 '우주'와 '궤도'를 구분하는것이 중요하다고 지적을 하기도 했다.
Q : NASA는 왜 이런거 안하냐? 민간기업이 어떻게 나사도 못하는 기술력을 가질수있냐?
A : NASA가 없었더라면 하지 못했을수도 있다.
NASA는 냉전시기의 경쟁을 위해 태어난 기관이지만 설립목적에 경쟁만 있었던건 아니다.
우주항공에 관련한 연구, 개발을 국가주도로 한 후 기술을 민간에 이양해서 우주항공산업을 부양하겠다는 국가연구기관다운 목적도 있었다.
실제로 NASA는 우주항공 민간기업에 기술지원, 인력지원, 자금지원 등을 하기도 하고 어떤 경우에는 개발한 기술을 통채로 매각하기도 한다.
SpaceX도 그 혜택을 많이 받은 바 있다. NASA가 미리 관련기술을 총대매고 연구하지 않았더라면 지금의 SpaceX 기술력은 없었을수도 있다.
그럼에도 불구하고 여지껏 SpaceX같은 기업이 나오지 않았던 이유는 우주항공이 그만큼 해먹기 힘들어서라고 할 수 있겠다.
시장은 좁지, 고객은적지, 필요한 기술은 세계정상급이고 돈도 어마어마하게 드니 진입이 힘들수밖에 없다.
그래서 여태까지 미국의 민간우주항공은 방산업체와 항공기 제조사 중심으로 꾸려왔다.
그런데 머스크가 SpaceX를 통해 민간우주항공도 수지타산이 맞는 사업체로써 경영할 수 있다는 것을 증명했으니 앞으로는 많은것이 바뀔수도 있다.