[스페이스엑스]16. 팰컨9 블록5 로켓
유인우주선 발사, 군사목적 위성 발사를 위한 마지막 업그레이드 블록5
사람이 로켓을 만드는 목적은 하나다. 지구 궤도 혹은 그 이상에 지구에 있는 무언가를 이송하는 것이다. 그 무언가 중 가장 대표적인 것은 바로 인공위성(Satellite)이다. 위성이라는 말의 의미가 지구를 중심으로 빙빙도는 별을 뜻할터인데, 인공적으로 지구 주위를 회전하게 만든 것이 인공위성이다. 인공위성은 일반적으로 크게 2가지로 나눌 수 있다. 하나는 상업위성이고, 다른 하나는 군사위성이다. 그래서 국제위성발사서비스시장 규모도 군사위성시장과 상업위성시장으로 나뉘는데, 놀라운 사실은 군사위성 발사시장이 훨씬 규모가 크다. 그런데 군사위성시장의 규모가 대략적으로 어느정도일 것이라는 추측만 할 뿐, 자체 발사능력을 갖춘 극소수의 국가들(미국, 중국, 러시아 등) 중에서 군사위성개발비, 군사위성을 지구궤도로 이송하기 위하여 로켓회사에 지불한 금액 등에 대해서는 외부에 공개하는 경우 없이, 비밀유지가 일반적이다. 더더욱 이러니한 것은 동급의 위성이라하더라도 상업위성보다 군사위성의 발사비용이 훨씬 비싸게 책정이 되어있다. 군사위성의 목적을 위하여 만들어지는 인공위성은 일반적인 위성에 비하여 제작 단가가 쎄기 때문에 더 빡센 안전규정 등이 적용되기 때문일 수도 있겠지만(나중에 밝혀진 사실이지만, 스페이스엑스사 팰컨 9 기준으로 상업위성은 1회 발사 6천만불, 군사위성은 9천만불 이상임), 고가의 군사위성을 안전하게 지구 궤도에 투입하기 위해서는 신뢰성이 높은 비싼 로켓으로 발사하는 것이 당연했다. 이로 인하여 스페이스엑스의 팰컨 9 v1.2, 즉 블록 3 로켓까지는 미 정부의 군사위성 발사를 거의 수주하지 못하였다. 미국 국방부를 비롯한 정부의 위성 발주에서는 ULA(United Launch Alliance, 보잉과 록히드 마틴의 합작회사) 델타 4, 혹은 아틀라스 5 로켓만을 이용하여 발사를 수행했는데, 그 가격이 스페이스엑스사의 팰컨 9 로켓의 상업용 위성 발사 대행 단가와 비교했을 때 최소 2.5배 이상 비쌌다. 지금까지 ULA사의 로켓들이 확보한 신뢰성에 기반한 발사 비용이었던 것이다 (참고로 델타 4 로켓은 고체추진제를 1단으로 사용하는 로켓이며, 아틀라스 5는 러시아 에네르고마쉬사의 RD-180 엔진을 1단으로 장착한 로켓임). 스페이스엑스사는 당연히 미국 정부의 국가 안보 우주 발사(National Security Space Launch)를 수주하고 싶어했고, 더 나아가 우주왕복선의 비행 종료 후 대가 끊겼던 미국 영토 내에서 국제우주정거장(ISS)으로 우주인을 보내는 것까지도 추진하고 싶었다. 그러한 바램을 고스란히 녹여서 만든 로켓이 바로 팰컨 9 블록 5 로켓, 더 정확하게 말하면 팰컨 9 로켓의 블록 5 1단 부스터다.
16.1 팰컨 9 블록 5 로켓
우선 용어의 정리부터 시작하겠다. 팰컨 9 로켓 시리즈는 처음에는 v1.0, v1.1, v1.2 등 소프트웨어처럼 버전업 개념으로 업그레이드되었는데, v1.2에서 본격적으로 1단의 회수 후 재사용에 성공하게 되면서 명칭을 바꿔버린다. 즉 1단은 2단부에 탑재되 위성, 혹은 드래곤 우주선(화물을 운송하는 드래곤 카고, 우주인을 탑승시키는 크루 드레곤 등)을 목표고도까지 실어날으는 부스터 라는 개념으로 변환시킨 것이다. 그래서 1단은 1단 부스터라는 말로 바뀌게 되고, 기존에 팰컨 9 로켓의 초기 버전이었던 v1.0은 블록 1, 1차 업그레이드 로켓은 v1.1은 블록 2, 그리고 재사용에 처음으로 성공하였던 3차 업그레이드 버전은 v1.2에서 블록 3으로 명명되어버렸다(정지궤도용 러시아 로켓에서는 2단과 분리되어 위성을 목표 고도까지 실어날으는 상단 부스터(upper-stage booster)가 있는데, 이 부스터들 중 유명한 것들 중 블록(Block) 이라는 이름을 사용하였는데(ex. 블록 DM), 일론 머스크가 러시아 로켓 타입에서 '블록' 이라는 이름을 채용했다고 밝혔음). 다시 한번 확실하게 설명을 하면, 팰컨 9 블록 3 로켓은 팰컨 9 v1.2 로켓과 동일한 의미다.
팰컨 9 블록 3는 발사 전 static fire test 중 폭발한 것을 제외하고 실제 비행 중에서는 단 1차례의 미션(페이로드(로켓에 탑재되는 그 무엇. 일반적으로 인공위성)를 정해진 목표 궤도에 투입하는 것) 실패도 없었다. 하지만 스페이스엑스는 결코 변화를 두려워하지 않았다. 인류를 다행성 인종으로 만들자는 거대한 창업 이념을 실천하기 위한 목표 아래, 스페이스엑스는 먼저 인간을 지구 바깥으로 이송하는 프로젝트를 시작한다. 그것이 바로 팰컨 9 블록 5의 탄생이다(블록 5 전에 블록 4도 만들었으나, 공개된 정보가 한정적이고 그 변화도 크지않은듯 하기에 바로 블록 5로 넘어가겠음).
팰컨 9 블록 5 로켓은 기존 대비 어떠한 부분에서 성능의 업그레이드가 있었는지 살펴보자.
1) 더욱 간단한(쉬운), 가장 높은 신뢰성을 가진 제작성("the most reliable rocket ever bulit")
블록 5는 최소 10회 사용까지는 부품의 교체 없이 사용이 가능하며, 최대 100회 재사용을 목표로 업그레이드를 진행하였음(기존 2회 사용). 이와 같은 업그레이드의 원래 목적은 앞서 언급했던 미국우주항공국 NASA의 상업우주인프로그램(Commercial Crew program)과 미국 국방부 및 부처 등에서 국가적 목적의 발사를 대행하기 위한 국가 안보 우주 발사(National Security Space Launch)을 수행하기 위함임
2) 새로운 복합재 압력용기 적용
2016년에 발생한 팰컨 9 부스터 3 로켓 2단 폭발사고(발사대에서 static fire test) 준비 중 발생)의 원인이었던 압력용기(pressure vessel)를 운영압력 2배에서 견딜 수 있는 인류가 지금까지 만들 수 있는 최고 성능의 새로운 복합재 압력용기를 개발하여 블록 5에 적용
3) 2단용 멀린 1D 진공용 엔진 추력 5% 향상
1단 멀린 1D는 지상 추력 190,000파운드(86.2톤), 2단 멀린 1D 진공용 엔진은 210,000 파운드(95.3톤, 기존 대비 5% 향상)까지 증가시킴
4) 1단 9기의 멀린 1D 엔진을 잡아주는 옥타웹(Octaweb) 구조 개선
1단 엔진 중 1개 이상의 엔진에서 문제가 있을 때 해당 엔진에 대하여 구획화를 보장하는 옥타웹 구조가 더욱 강화됨. 옥타웹은 기존의 알루미늄 용접 대신에 볼트로 체결로 변경됨에 따라 단열성능 또한 향상됨
5) 1단 랜딩레그 구조 개선
해상 플랫폼 착륙을 위하여 외부 클램프(clamp) 구조 대신에 래치 메카니즘(latch mechanism)으로 개선함
6) 1단 그리드핀 및 항법장치 개선
1단 부스터 재돌입 시 방향 제어를 위한 알루미늄 그리드핀이 화염에 휩싸이는 현상을 피하기 위하여 티타늄으로 변경(블록 3에서부터 적용)하고 항법장치(avionics)도 업그레이드
7) 인터스테이지(1단과 2단 사이의 구조체)를 탄소섬유로 변경
스페이스엑스사가 개발한 소수정 단열재(hydrophobic thermal protection)은 재사용이 우수하고 페인트가 필요하지 않음. 특히 팰컨 1 로켓과 마찬가지로 인터스페이지의 구조체를 탄소섬유로 제작하여 스페이스엑스사 최초의 로켓에 대한 향수를 불러일으키는 심미적 디자인을 가미
16.2 팰컨 9 블록 5 로켓 첫발사
2018년 3월 11일 스페이스엑스사의 팰컨 9 블록 5 로켓은 방글라데시의 방가반두-1 위성을 싣고 케네디 우주센터에서 처음으로 발사되었다. 1단과 분리된 2단은 35분 동안 추가적인 비행 후 중량 3.5톤인 방글라데시의 첫 통신위성인 방가반두-1 위성을 정지천이궤도까지 무사히 투입하였다. 2단과 분리된 팰컨 9 블록 5 로켓의 1단 부스터는 발사 후 11분 뒤 성공적으로 수거되었다. 일론 머스크는 최초로 수거된 블록 5는 곧바로 재사용되지않고 수개월에 걸쳐서 분해 및 검사를 진행할 것이라고 밝혔다. 그 이후에 재사용될 것이라고도 덧붙였다.
16.3 현재의 팰컨 9 블록 5 로켓의 활용
이후 팰컨 9 블록 5 로켓은 단 1번의 발사 실패도 없이 지속적으로 발사, 재사용 중이다. 특히 10회 이상 재사용한 1단 부스터가 2개이며, 최근 2년간에는 발사 후 수거에 실패한 1단 부스터가 전무할 정도이다. 작년에는 크루 드래곤 모듈을 2단으로 탑재한 팰컨 9 블록 5의 발사에도 성공하였는데, 이를 통하여 우주왕복선 이후 최초로 미국의 영토 내에서 우주인을 다시 국제우주정거장으로 보내는 것에 성공한 쾌거이기도 했다. 그리고 올해까지 지속적으로 국제우주정거장으로 우주인을 성공적으로 이송하고 있다.
2021년 미국의 IT 억만장자인 아이작맨은 스페이스엑스와의 계약을 통하여 팰컨 9 블록 5 로켓의 크루 드레곤 우주선에 탑승하여 지구 궤도를 돌면서 다양한 실험을 진행하는 '인스퍼레이션 4'라는 프로젝트를 진행하였는데, 전문적인 우주인 훈련을 받지않은 일반인 4명이 수일간 크루 드레곤에 머물면서 지구 주위를 돌다가 돌아오는 프로젝트도 세계 최초로 성공하였다. 관심이 있는 분들은 아래 넷플릭스 다큐멘터리를 꼭 시청하시길 바란다. 매우 감동적 내용을 담고 있다. 특히 프로젝트에 참가한 4명의 크루 중 1명인 헤일리(여성)는 소아암을 앓은 경력이 있어, 지금도 다리에 철심을 박고 생활 중인데, 아무런 문제없이 음청난 중력가속도(G)를 이겨내고 우주에 다녀왔다. 그렇다. 철인이 아니더라도 일반적인 신체가 아니더라도 어느 누구도 이제 우주에 다녀올 수 있는 시대가 열린것이다.
https://www.netflix.com/kr/title/81441273
지금 지구의 상업위성발사시장은 스페이스엑스사가 주도하고 있다고 하여도 무방하다고 할 정도인데, 과거에 상업위성발사시장을 양분하고 있던 유럽과 러시아의 몰락 또한 그 이유이기도 하다 (국가위성 발사만 담당하는 중국의 로켓은 열외로 두자).
다음편은 스페이스엑스사가 딱 3번만 발사한, 계속 발사한다고 얘기만 하고 발사하지 않은(못하는?) 팰컨 헤비(Falcon Heavy, FH) 로켓에 대하여 소개하고자 한다 (스페이스엑스사에 대한 현재의 얘기는 이걸로 마무리)
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_Full_Thrust
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_Block_5
https://spacenews.com/musk-details-block-5-improvements-to-falcon-9/
https://spacenews.com/spacex-launches-bangladeshi-satellite-on-debut-block-5-falcon-9-mission/
