brunch

You can make anything
by writing

C.S.Lewis

by 대륙엠 May 30. 2022

[스페이스엑스]13. 멀린 1D 엔진의 탄생

추력 중량비 지구 최고의 엔진 탄생. 멀린 1D+. ++까지 이어진다

앞서도 수차례 언급을 했지만, 로켓의 핵심은 엔진이다. 엔진이 없는 로켓은 존재할 수가 없다. 로켓 성능의 90% 이상은 엔진이 결정한다고 해도 과언이 아닐 것이다. 스페이스엑스가 지금 전세계 위성발사서비스 시장을 장악한 결정적인 계기는 바로 명품 엔진을 만들었기 때문이다. 바로 멀린 1D 엔진이다(멀린 1D의 1차 업그레이드 버전인 1D+, 2차 업그레이드이자 현재 사용 중인 1D++가 있지만 공개된 자세한 엔진 스펙은 멀린 1D가 마지막임). 과연 어떤 엔진이길래 저세상 엔진, 지구상 극강의 엔진이라고 칭송을 받고 있는 것일까? 한번 살펴보도록 하자.

13.1 멀린 1D 엔진의 탄생 배경 - 자체제작 터보펌프

https://brunch.co.kr/@dairyukem/20

[스페이스엑스] 3. 팰컨-1 로켓의 심장, 멀린 엔진

팰컨-1을 위한 멀린 1A, 1B, 1C까지 이어지는 성능 업그레이드 | 스페이스엑스가 지금까지 승승장구할 수 있었던 가장 큰 이유는 멀린 엔진을 스스로 개발했기 때문이다. 만약 멀린 엔진 개발을 성

brunch.co.kr/@dairyukem/20

우선 멀린 1A, 1B, 1C 관련 얘기를 먼저 일어보시길 강력히 권하면서... 이야기를 이어가겠다(위 내용을 숙지하고 있다는 가정 하에).

멀린 1D 엔진 연소시험 장면

멀린 1D는 2011년부터 개발을 시작했다. 멀린 1C엔진이 이미 사용 중인 상황에서도 스페이스엑스는 더 나은 엔진을 만드는 것에 있어서 멈춤이 없었다는 얘기다. 멀린 1D 엔진 개발의 목적은 기존보다 높은 신뢰성, 성능, 제작성을 위해서였다. 우선 기존의 멀린 1C 엔진과 비교하여 멀린 1D에서 새롭게 변경된 가장 큰 구성품은 바로 터보펌프였다. 멀린 1A에서 1C 까지 장착한 터보펌프는 바버 니콜스사에서 설계 제작한 것을 받아서 조립하여 사용하였다. 많은 사람들이 스페이스엑스사는 모든 부품을 인하우스로 제작하거나, 쉽게 구할 수 있는 상용부품을 사용한다고 알고 계실텐데, 스페이스엑스는 개발 초기에 인하우스 개발(자체 제작)할 수 있는 것과 구매할 수 있는 것을 나누어서 투트랙으로 개발을 진행하였다. 특히 액체로켓엔진의 핵심구성품인 터보펌프의 경우 기술적 난이도가 너무 높아서 처음부터 자체제작을 고집할 경우 엔진개발을 완성할 수 없음을 사전에 인지하였고(매우 현명한 결정), 처음부터 터보펌프를 만드는 미국 내 회사에 의뢰하여 납품받아서 사용하였다(이것이 바로 미국 우주산업의 무서운 점임. 한국에서는 터보펌프를 자체개발하지 못할 경우 국내에서 터보펌프 제작을 의뢰할 곳이 전무함. 비단 터보펌프 뿐만이 아님). 하지만 납품받은 터보펌프, 즉 엔진의 심장박동을 담당하는 터보펌프를 끈질긴 연구 끝에 자체제작에 성공하였으며, 그 터보펌프가 멀린 1D에 장착된 것이다(바버 니콜스사 홈페이지에 가면 멀린 엔진에 납품한 터보펌프의 납품기간이 2012년에 끝남). 자체 제작한 터보펌프는 기존 터보펌프에 비하여 크기는 컴팩트해지고 무게는 적게 나가면서 성능(터보펌프 터빈 온도, 산화제/연료 펌프의 인렛-아웃렛 압력 및 회전수 등)은 대폭 개선되었다. 다만 2010년대에 들어서면서 스페이스엑스는 자체 개발한 구성품에 대하여 기술적인 데이터를 전혀 공개하고 있지 않기 때문에(그나마 일론 머스크 트윗이나 그윗 숏웰의 인터뷰 등을 통해서 조각 조각을 모을 수만 있을 뿐, 전체적인 그림은 전혀 공개하지 않고 있음) 추측만 가능할 뿐이다. 터보펌프의 목적은 추진제 탱크에 있는 연료와 산화제를 공급받아서 산화제와 추진제의 압력을 높이고 유속을 증가시켜 연소기로 공급하는 것을 목적으로 하는데, 이 부분에서 성능이 대폭 증가된 것이다. 그 결과로 인하여 멀린 1D 엔진의 전체적인 성능 또한 대폭 향상시켰다. 예를 들면 멀린 1C의 추력(이하 진공추력 기준)이 110,000파운드(49.8톤)였는데, 1D 엔진은 165,000 파운드(74.8톤)(과냉각된 추진제를 사용하는 멀린 1D+에서는 205,000 파운드(93톤) 이상)의 추력으로까지 향상시켰다. 그러면서 비추력도 310초까지 증가시켰으며, 연소압력도 67.7바에서 97바로 높였다.

멀린 1D ++? 조립 후 점검 장면

13.2 멀린 1D 엔진의 추력 중량비는 180

일반적으로 이와 같은 엔진의 성능 개선이, 특히 연소압이 증가되는 경우에는 추력 중량비(Thrust to Weight Ratio)가 상대적으로 낮아지기 마련인데, 멀린 엔진의 경우 1C 엔진에서는 96(멀린 1C 엔진의 건조중량 630kg)이었는데, 1D 엔진에서는 180(멀린 1D 엔진의 건조중량은 470kg)으로 배 이상 증가하였다. 즉 엔진의 추력이 거의 2배 가깝게 향상되었는데, 추력 중량비도 2배 가까이 향상이 된 것이다. 지금까지 최고의 추력 중량비를 보유하고 있던 러시아 꾸즈네초프 설계국에서 제작한 NK-33 엔진(스페이스엑스의 팰컨 9 로켓과 함께 미국 CRS 계약을 수주한 오비탈 사이언스에서 개발한 안타레스 로켓의 1단으로 한때 사용된 엔진임. 지금은 러시아 에네르고마쉬사의 RD-180 엔진을 장착함)이 보유하고 있던 137 이라는 숫자를 가볍게 뛰어넘는 혁신적인 기술의 달성이었다. 이러한 기술적인 사양을 근거로 추측을 해보면 스페이스엑스사가 멀린 1D 엔진을 개발한 목적은 재사용 발사체를 위한 첫번째 엔진 개발이었을 것이다. 로켓의 재사용을 위해서는 엔진은 기존보다 가벼워야한다. 가볍운 엔진, 즉 추력 중량비가 혁신적으로 좋아야한다. 그러면서 엔진의 효율, 즉 비추력은 높아야하고, 또 추력도 기존보다 높아야한다. 1단이 2단부(위성 포함)을 탑재하고 기존 엔진보다 나은 성능으로 더 높이 멀리 올라갈 수 있어야 재사용 성공을 높일 수 있지 않았을까? 이 모든 기술적 진보의 최종 목적은 재사용에 적합한 엔진을 만드는 것이었고, 그것이 현실화된 엔진이 바로 멀린 1D 엔진 (후에 1D+, 그리고 지금 사용 중인 1D++)의 탄생인 것이다. 그리고 스페이스엑스는 그것을 성공시켰다.