[스페이스엑스]14.팰컨 9 재사용 시도 역사 및 성공
세계 로켓 개발사의 한 획을 그은 팰컨 9 v1.2 로켓 1단 부스터회수
스페이스엑스라는 기업을 지금 세계 최고의 우주기업을 만든 것은 팰컨 로켓 시리즈와 멀린 1D 엔진이라는 걸출한 역작이 있기 때문이기도 하겠지만, 그것을 능가하는 것이 있다. 바로 지금까지 로켓은 1회용이라는 개념을 과감하게 혁신적으로 바꾼 것이다. 바로 재사용 로켓. 물론 팰컨 9 로켓 이전에 우주왕복선이 존재하기는 하였으나, 1회 재발사 비용이 1조를 쉽게 넘어가는 우주왕복선을 재사용 로켓으로 보기에는 솔직히 무리가 있다.
스페이스엑스는 재사용 시도를 제일 먼저 발사한 팰컨 1 로켓에서부터 시작을 하였다. 팰컨 1 로켓의 초기 발사에서부터 스페이스엑스사는 1단부 상부에 낙하산을 장착하였고, 2단을 목표 고도에 올린 뒤 분리되어 떨어질 때 낙하산을 펴서 해상에서 회수하는 방법을 시도하고자 하였다. 그리고 약 10년 가까운 노력 끝에 드디어 인류 최초로 1단 로켓 부스터(흔히 우리가 로켓의 1단으로 부름)를 재사용하기에 이르렀다. 이번 장에서는 스페이스엑스 팰컨 9 로켓의 1단 재사용을 위한 위대한 여정에 대하여 소개하고자 한다.
14.1 그래스호퍼 로켓(Grasshopper rocket)
미국회사들의 로켓 개발 방법을 분석해보면 아주 체계적이다. 최종적으로 개발하고자 하는 목표 기술이 있다면, 그 기술을 세분화하여 핵심요소기술들로 우선 나눈다(인체를 해부하듯이...). 이렇게 브레이크 다운한 핵심요소기술들을 병렬적으로, 혹은 순차적으로 개발완료한 뒤 일부 기능들, 혹은 모든 기능을 통합한 하나의 아웃풋으로 만들어 최종기술검증시험을 통하여 개발을 완료하는 것, 이것이 일반적인 미국의 개발방식이다. 물론 그 핵심요소기술들을 자체적으로 하느냐? 위탁을 주느냐? 핵심요소기술들 중 어느 기술을 먼저 개발할 것인가? 어떠한 방법과 절차 등으로 기술개발을 하고 검증할 것이냐? 등은 결국 개발을 주도하는 회사의 역량이자 철학인데, 스페이스엑스사는 이 부분에서 독보적인 위치에 올라서 있는 것이고.
스페이스엑스사에서 1단 상부에 낙하산을 매달아서 1단부의 낙하 속도를 떨어트려 회수하여 재사용하고자 하는 방식은 최종적으로 실현불가능함을 직접 확인한 후 다른 방법으로 1단 재사용 방식을 개발하기 시작하였다. 바로 1단 엔진의 재점화를 통한 1단 낙하 속도를 떨어트려서 착륙시키는 방법이다. 이 방법은 기존의 낙하산 낙하 방식에 비하여 여러가지 안좋은 단점이 있었다. 우선 이륙할 때 착륙을 위하여 추가적인 연소가 필요하기 때문에 추진제를 훨씬 많이 탑재해야하고, 결과적으로는 지구 궤도로 투입할 수 있는 페이로드(위성)의 중량 또한 줄어들 수 밖에 없다. 두번째로 1단 엔진의 재점화(최소 3회 이상)가 필수적이므로, 1단 멀린 1D 엔진의 재점화기술이 추가되어야한다. 세번째로 1단 엔진의 추력 조절기능(흔히 말하는 쓰로틀링)이 기존 40%까지 다운이 되어야한다. 엔진 쓰로틀링 시 가장 문제가 되는 부분은 바로 연소불안정이다. 연소불안정 없이 엔진이 연소를 하면서 추력을 40%까지 다운을 시켜야지만이 스무스한 1단의 랜딩이 가능하다.
위와 같은 재사용관련 핵심요소기술들을 시험하기 위하여 스페이스엑스사에서는 2012년 2월에 "추진력만을 사용하여 로켓을 발사대로 다시 가지고 오겠음"이라는 명제를 제시하면서 2012년 말부터 2013년 8월까지 총 7회에 걸쳐서 그래스호퍼(한국어명 메뚜기) 로켓을 제작하여 시험을 진행하였다. 시험의 시퀀스는 매우 심플하다.
1) 추진제 탱크와 엔진, 착륙용 랜딩레그가 장착된 그래스호퍼를 준비
2) 엔진을 점화하여 그래스호퍼를 천천히 이륙
3) 엔진 추력을 쓰로틀링하면서 천천히 줄여서 궁극적으로는 0으로 만듬
4) 공중에서 잠시 멈춘 그래스호퍼가 자중(자체무게)로 인하여 천천히 아래로 낙하
5) 다시 엔진을 점화하여 그래스호퍼의 낙하속도를 줄여 안정적으로 지상에 착지
14.2 팰컷 9 v1.1 로켓을 이용한 1단 재사용 기술 검증
이와 같은 방식으로 검증을 마친 후 2013년 3월에는 그래스호퍼 로켓에 적용되어 검증된 기술을 팰컨 9 v1.1 로켓에 적용하여 1단을 재사용하기 위한 시험을 하겠다고 발표하였다(제작 후 실제 시험에 기반한 실패를 통하여 사전에 예측하지 못했던 문제점들을 고쳐나가겠다고도 선언하였음-스페이스엑스사의 기본적인 개발방향). 그리고 2013년 9월 팰컨 9 v1.1 로켓 1호기 발사 후 분리된 1단은 다시 지구로 재돌입하면서 1단의 방향 제어, 재점화 등등을 통하여 속도를 최대한 떨어트려서 안정적으로 해상으로 떨어지는 시험까지 처음으로 진행되었다. 팰컨 9 v1.1 로켓 1단은 발사 후 재사용을 위하여 아래와 같은 기능을 시험하였다.
1) 1-2단 분리 후 1단의 플립 메뉴버링
2) 로켓 수평속도를 줄이기 위한 엔진 재점화
3) 재돌입 시 초음속에서 1단 기체 손상을 최소화하기 위한 엔진 재점화
4) 목표지점으로 정확한 착륙을 위한 자동항법 기반의 제어된 1단 낙하
5) 지상, 혹은 해상 낙하 전 1단의 중력가속도 G = 0으로 만들기 위한 엔진의 마지막 재점화
팰컨 9 로켓 1단 부스터 재사용 방법팰컨 9 v1.1 로켓은 총 15번의 발사를 통하여 끊임없이 1단 재사용 기술에 대한 테스트를 진행하였다. 대표적으로 2014년 4월 CRS-3 발사 후 1단은 해상으로 부드럽게 착륙을 하였으나(바다에 착륙. 드론쉽 아님), 회수되기 전에 부서졌다. 특히 2015년 1월 CRS-5 발사에서는 해상 무인드론쉽에 너무 쎄게 착륙하여 바로 폭발을 하였다. 2015년 4월 CRS-6 발사에서 팰컨 9 v1.1 로켓의 1단은 해상 드론쉽(JUST READ THE INSTRUCTION)에 성공적으로 부드럽게 착륙한 듯 보였으나, 수평방향으로 과도한 속도가 남아있는바람에 안타깝게 쓰러지면서 폭발해버리기도 하였다.
2015년 4월 CRS-6 미션 후 무인 드론쉽 위로 착륙 중인 팰컨9 v1.1 로켓 1단 부스터2013년부터 2015년까지 팰컨 9 v1.1 로켓은 총 15번을 발사하였는데, 안타깝게도 단 1기의 1단 부스터도 회수되지 못하여 수거한 1단을 리퍼비쉬 및 점검 후 재사용을 시도할 수 없었다(멀린 1D 엔진은 케로신을 연료로 사용하는 엔진이기때문에 케로신과 액체산소 혼합을 통한 연소 후에는 끄을음(수트)가 발생할 수 밖에 없음. 따라서 수거한 1단 엔진 내부를 알콜 같은 화학품을 이용하여 깨끗하게 세척하고 점검하는 단계가 필수적임. 현재 스페이스엑스사에서 스타쉽 이라는 초대형 로켓을 개발 중이고 그 로켓의 1단에는 메탄 엔진인 랩터를 사용하고자 하는 가장 큰 이유 중 하나도 매탄과 액체산소 혼합물의 연소 시에는 수트가 거의 없어 세척없이 바로 점검 후 재사용이 가능하기 때문이기도 함).
참고로 팰컨 9 로켓의 재사용 성공은 다음 모델인 팰컨 9 v1.2 (Full Thrust) 로켓에서 바로 달성된다.
14.3 팰컷 9 v1.2 로켓 (팰컨 9 Full Thrust)과 재사용 성공
팰컨 9 로켓은 v1.0. v1.1을 거쳐 세번째 업그레이드를 2014년부터 2015년까지 진행하였고, 그 결과로 팰컨 9 v1.2 혹은 팰컨 9 Full Thrust 로켓을 개발하기에 이르른다. 이 로켓이 지금까지 팰컨 9 로켓의 주력기로 사용하고 있다. 2022년 5월 22일 기준으로 총 136회의 비행을 하였고, 단 1번의 실패도 없는 100% 발사 성공을 기록하고 있다.
특히 2015년 12월 첫 비행에서 랜드 랜딩에 성공하였으며, 2016년 4월에는 해상 랜딩에까지 인류의 로켓 개발 역사상 최초로 성공하였다.
발사 성공 100%, 1단 부스터 재사용 성공까지 기록한 팰컨 9 v1.2 로켓은 도대체 어떤 로켓인가? 다음 장에서 살펴보자. ^^
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_v1.1
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_Full_Thrust
https://www.flickr.com/photos/spacex/17369785125/in/photostream/
https://spacenews.com/37740spacex-retires-grasshopper-new-test-rig-to-fly-in-december/
