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by 대륙엠 Jul 29. 2021

[스페이스엑스] 11. 팔컨 9 v1.0 로켓과 드래곤

2006년 COTS 계약 (국제우주정거장까지 날아갈 수 있는 로켓 연구개발비 지원)을 수주한 이후, 2008년 CRS 계약 (국제우주정거장으로 보급물품을 이송하는 계약)까지 수주한 스페이스엑스는 민간기업 최초로 민간기업이 만든 로켓으로 국제우주정거장으로 물품을 보급하기 위한 로켓 개발에 전념한다.

앞서도 수차례 반복해서 강조했지만, 새로운 로켓 개발에 있어서 가장 중요한 것, 즉 핵심구성품은 바로 엔진이다. 엔진이 없는 로켓, 즉 날 수 없는 로켓은 로켓이 아니다. 그 중요성을 확실히 인지하고 있는 일론 머스크는 팰컨 1 로켓 이후의 주력 로켓으로 팰컨 9으로 설정하고 기존의 멀린 1A 엔진의 성능을 대폭 업그레이드한 멀린 1C 엔진 개발을 2008년에 완료하였다. 또한 팔컨 9 로켓의 2단 엔진도 1단과 동일한 멀린 1C 엔진의 진공 버전으로 확장하는 것으로 개념을 잡았고 2009년에 개발을 완료하였다.

이제 팔컨 9 v1.0 로켓 개발과 관련한 대한 전반적 사항에 대하여 살펴보자.

11. 1 팔컨 9 v1.0 스펙

팔컨 9 v1.0 로켓은 2단형으로 구성되어있다. 2단은 페이로드(payload)로 보급물품을 싣고 국제우주정거장(ISS)과 도킹할 수 있는 드래곤(Dragon) 우주선이다. 지구 저궤도 기준으로 9톤까지 실어오를 수 있는데, 정지천이궤도(GTO)까지는 3.4톤까지 올릴 수 있다. 1단에는 9기의 멀린 1C 엔진을 3 x 3 바둑판 형태로 장착하여 연소 시 총 503톤의 추력을 발생시킨다. 1단의 연소시간은 총 170초이며 로켓 전체에 대한 이륙 및 1단 점화 종료 후 단분리 후 지구로 자유낙하한다. 2단은 1기의 멀린 1C 엔진을 장착하여 45.3톤의 추력을 발생한다. 2단의 연소시간은 345초이며, 1회 점화다. 2단은 1단과 분리 후 점화를 시작하여 탑재한 페이로드(드래곤 우주선)을 목표궤도에 정확하게 투입하는 것을 목적으로 한다. 1단과 2단 사이에는 탄소 섬유 알루미늄 복합 구조로 제작된 인터스테이지(inter-stage, 단간)이 위치하고 있다. 단 분리는 재사용이 가능한 콜릿(collet)과 공압 푸셔 장치 12개가 장착되어 동시에 작동하여 분리를 진행한다 (단 분리를 위하여 파이로 볼트 같은 폭약 사용하지 않는데, 그 이유는 1단을 재사용하기 위함임). 총 개발 기간은 2005년부터 2010년까지이며, 투입된 개발비는 3억불 (3,600억원)으로 알려져있다 (NASA에서 NASA-Air Force Cost Model(NAFCOM) 을 이용하여 동일한 로켓을 개발한다고 가정하여 개발비를 산정했는데, 일반적 개발비용은 36억불 (4.2조원), 상업적으로 비용절감한다면 16억불 (1.9조원)이 필요한 것으로 계산됨).

팰컨 9 로켓의 발사장은 미국 플로리다 케이프 커내버랄 공군기지 SLC - 40 으로 결정이 되었다. 그렇다. 팰컨 9 로켓부터 스페이스엑스는 드디어 미국 영토 내 최고의 위치와 시설을 자랑하는 플로리다의 발사장을 사용할 수 있게 된 것이다.

팔컨 9 v1.0 로켓의 첫 발사는 2010년 6월 4일에 진행되었다(Dragon Test Flight). 첫 발사의 목적은 팰컨 9 v1.0 로켓 2단에 탑재된 드래곤 우주선의 인증 유닛(Dragon Qualification Unit)을 무사히 목표한 궤도까지 투입하는 것이었다. 일반적으로 새로운 로켓을 첫 발사에 실제 운영할 위성을 탑재하는 경우가 거의 없고, 인증용 혹은 더미를 탑재하고 발사하는 것이 대부분이다. 왜냐하면 그만큼 첫번째 로켓의 발사 실패 확율이 이미 성공을 한 로켓이 다음 발사에서 실패할 확율보다 훨씬 높기 때문이다. 결과적으로 팰컨 9 v1.0 로켓의 1차 발사는 성공이었으며, 드래곤 인증 유닛은 우주에 23일 머물렀다. 특히 이번 발사는 CRS를 위한 COTS 계약의 점검 이라는 측면에서 매우 큰 의미가 있었다.

2010년 12월 8일 팰컨 9 v1.0 로켓의 두번째 발사가 진행되었다. (COTS Demo Flight 1) 이번에도 드래곤 우주선을 탑재는 하였으나, 프로토타입(실제와 거의 유사한 모델)이었다. 드래곤 우주선은 크게 2 부분으로 구성이 되어있다; 캡슐과 트렁크(태양전지판 포함). 아래 그림에서 보면 앞쪽의 세모난 모형이 캡슐 부분으로, 국제우주정거장과 도킹 및 지구 귀환 시 재돌입하는 부분이다. 트렁크는 태양전지판이 펴져있는 부분인데, ISS로 이송할 물건들이 적재된 공간이며, 지구로 귀환하지는 않는다. 이번 2차 발사에서는 드래곤 우주선의 캡슐만 분리되어 지구로 다시 귀환하는 부분을 검증했으며, 그 결과는 성공적이었다 (뉴멕시코 앞바다에 무사히 착륙).

2012년 5월 22일 팰컨 9 v1.0 로켓의 세번째 발사가 진행되었다. 이번 발사의 이름은 COTS Demo Flight 2로 명명되었다. COTS는 2006년 스페이스엑스가 NASA로부터 수주한 계약이며, 국제우주정거장까지 화물을 이송하는 로켓을 만드는 것을 주요 계약내용이다. 따라서 이번 비행은 COTS 계약 수행과 동일한 절차로 탑재된 드래곤 우주선이 발사되어 궤도에서 분리되어 국제우주정거장과 도킹, 국제우주정거장과 분리 후 지구 재돌입 및 해상 착륙까지의 전과정을 모두 점검하는 마지막 시험발사였다. 결과는 당연히 성공적이었다.

2012년 10월 8일 팰컨 9 v1.0 로켓의 네번째 발사가 진행되었다. 드디어 CRS-1으로 명명되어진, 민간이 개발한 로켓에 보급품을 드래곤 우주선에 싣고 ISS까지 날아갔다가 보급 후 지구로 귀환하는 역사적인 날의 서막이 올랐다. 발사는 당연히 성공적이었고, 약 400kg의 보급물품이 ISS로 배달되었다(패킹까지 포함하면 905kg). 또한 지구로 귀환 시에는 759kg의 물품을 싣고 귀환하였다(패킹까지 포함하면 동일한 905kg).

특히 이번 발사에서는 1단에 장착된 9개의 멀린 1C 엔진 중 1번 엔진에 문제가 발생하여 강제 종료시킨 후, 문제가 없는 8개의 엔진으로 추진제를 재분배하여 계획보다 오래 연소시켜서 단분리 고도까지 로켓을 성공적으로 상승시켰다. 나중에 밝혀진 1번 엔진의 문제는 엔진 연소기의 재료 결함으로 연소실 균열이 발생하였고, 그 틈으로 뜨거운 열기가 방출하여 엔진 연소실의 압력이 급격히 떨어졌기에 강제종료를 시켰고, 그로 인하여 다행히 폭발은 일어나지 않았다. 이로서 스페이스엑스가 1단에 강력한 1개의 대형엔진이 아닌, 9기의 동일한 엔진을 사용하는 확실한 장점을 확인할 수 있었던 팰컨 9 v1.0의 4차 비행이었다.

2013년 2월 25일 팰컨 9 v1.0 로켓의 5차 비행이 진행되었다. CRS-2 이며, 이번이 팰컨 9 v1.0 로켓의 마지막 발사였다. 원래 스페이스엑스에서는 좀 더 일찍 발사를 하고자 하였으나, 지난 4차 비행에서 발생한 1단 엔진 고장의 원인 분석으로 인하여 발사가 지연되었다. 이번 발사에서는 총 575kg (패킹 포함 677kg)의 보급품을 싣고 발사되었다. 지구 귀환 시에는 1,210kg (패킹 포함 1,370kg)을 싣고 돌아왔다.

참고로 CRS-3은 2014년 4월 18일에 진행되었는데, 이때는 팰컨 9 v1.1 로켓을 이용하였다. 기존보다 더 길고 1단 부스터의 재사용을 목적으로 개량한 로켓이다.

아쉽게도 팰컨 9 v1.0 로켓은 위성을 페이로드로 탑재하고 발사된 적은 없다. 위성을 탑재한 팔콘 9 로켓은 v1.1 부터다. 그 이유는 팰컨 9 v1.0의 목적은 바로 NASA로부터 수주한 COTS, CRS 계약을 충족시키기 위한 로켓 개발 및 발사가 우선적이었기 때문이다. 이 마일스톤을 달성한 이후에야 스페이스엑스도 여유를 찾고 뭔가 다른 업그레이드를 진행할 수 있었을 것이다.

11.2 팰컨 9 v1.0 로켓에 처음 적용된 기술들 : Friction Stir Welding

스페이스엑스 팰컨 9 v1.0 로켓의 가장 의미 중 하나를 찾으라면 구조체를 스페이스엑스에서 직접 제작한 첫번째 로켓이라는 점이다. 앞서 스페이스엑스는 설립 초기부터 인하우스 제작을 최우선 철학으로 삼았지만, 갓 태어난 신성 회사가 갑작스럽게 로켓의 구조체를 전부 다 제작할 수는 없었다. 특히 스페이스엑스의 공통격벽 탱크와 같은 높은 요구사항을 만들어줄 업체는 전세계에서도 손에 꼽을 정도로 적다. 물론 미국이라는 나라에는 그 요구조건을 맞춰줄 업체가 있었고 미네소타주 밀워키의 spincraft사에 주문제작을 의뢰하여 팰컨 1 로켓의 구조체를 납품받아 5번에 걸친 발사 끝에 발사를 성공했지만, 로켓의 구조체를 직접 만드는 것은 스페이스엑스에서 반드시 극복해야하는 하나의 거대한 장애물이었다.

스페이스엑스는 2005년부터 팰컨 9 로켓에 대한 연구를 시작했다. 고성능의 엔진을 장착하여 제대로 된 성능을 내기 위해서는 엔진에 공급되는 추진제의 유량이 클 수 밖에 없고, 그에 맞는 구조체의 추진제 탱크가 필요한 것은 당연하다. 그래서 팰컨 9 v1.0 1단의 직경은 3.66미터(12 피트)다 (팰컨 1 로켓의 1단 직경은 1.7미터). 그렇다면 스페이스엑스는 어떻게 제작을 했을까?

바로 Friction Stir Welding (마찰교반접합)이라는 기법으로 1단의 구조체를 제작하였다 (기존에는 TIG 용접). 이 방법은 1991년 영국 공립연구기관인 The Welding Institute에서 개발한 기술인데, 융점(녹는점) 이하에서 마찰교반접합(서로 비비면서 마찰을 일으킨 열로 녹이면서 붙임)을 하기 때문에 접합 외곡이 적어 결함발생율을 낮추는 장점이 있다. 특히 용접 전처리, 용접 후 기밀확인을 위한 X선 검사 등의 추가적인 작업들이 시리얼하게 수반되는 것이 일반적인데, 마찰교반접합은 용접작업과 동시에 초음파로 검사가 가능하여 훨씬 빨리 제작이 가능하다. 이것은 결국 제작 시간을 줄이게 되고, 결국은 1단 구조체의 제작단가 절감으로 이어지게 되었다.

https://youtu.be/EaguF5K9I-Q

11.3 재사용을 향한 도전 : Thermal Protection System

일론 머스크는 재사용이 가능한 로켓 만드는 것을 최우선적으로 고려하여 설계를 하였다. 팰컨 1 로켓에서도 1단을 재활용하기 위하여 1단 상부에 낙하선을 탑재하여 1단 회수를 시도하고자 하였다. 그리고 실제로 팰컨 1 로켓의 4차 발사에서 1단의 재사용을 시도했으나, 단분리 이후 지상으로 내려오는 과정에서 1단 구조체가 너무 많이 타버렸다(over cooked). 팰컨 9 v1.0 로켓의 1단 재사용의 초기 개념도 팰컨 1 로켓과 동일하게 가져갔다. 1단에 낙하산을 달아서 단 분리 후 자유낙하하는 1단을 낙하산을 이용하여 속도를 줄여서 재사용하는 개념이었다. 다만 팰컨 1 로켓의 1단 회수에서 발견한 문제점(over cooked)를 방지하기 위하여 고고도에서 자유낙하하는 1단을 보호하기 위한 단열시스템(Thermal Protection System)을 1단 하부에 추가 장착하기로 했다. 하지만 이 방법은 안타깝게도 실패로 귀결되었고, 스페이스엑스는 1단 재사용을 위한 다른 방법을 고안하게 된다.