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by 대륙엠 Jun 03. 2022

[스페이스엑스]17. 팰컨 헤비 로켓(2,268톤추력)

현존 지구상에서 가장 강력한 로켓, 스페이스엑스사의 팰컨 헤비 로켓

일반적으로 로켓은 크게 3 종류로 구분을 한다. 지구 저궤도(지구 궤도 200킬로미터)에 2톤 이하의 위성을 실어나를 수 있는 소형발사체, 2톤에서 20톤까지를 실어나를 수 있는 중형발사체, 20톤에서 50톤까지를 실어나를 수 있는 대형발사체. 지금까지 지구상의 모든 로켓은 위 카테고리 내에서 구분이 가능하였다. 그런데 2018년에 위 3개의 카테고리를 넘어서는 로켓이 등장하였다. 50톤 이상의 페이로드를 싣고서 지구 저궤도까지 날아갈 수 있는 로켓, 바로 초대형 로켓 팰컨 헤비(Falcon Heavy)다.

스페이스엑스사의 설립 목적은 화성으로 인류를 이주시키는 것이다. 지구에서 화성까지의 거리는 7,800만 킬로미터이고, 최소 6개월 정도 소요가 된다. 6개월 동안 이동하는 기간 동안에 우주선에 탑승한 사람들이 생활하기 위해서는 무척 큰 공간과 저장품이 필요할 것이다. 화성에 도착해서도 스스로 화성 내에서 무언가 숨쉬고 먹고 이동하기 위한 인프라를 갖출 때까지도 견딜 무언가가 필요할 것이다. 이렇게 하기 위해서는 어떻게 해야할까? 바로 기존보다는 훨씬 많은 물건을 싣고 지구 바깥으로 실어나를 수 있는 로켓이 필요한데, 바로 팰컨 헤비가 그 역할을 할 것이라고 생각하고 최초 개발을 시작한 것이다 (물론 스페이스엑스사는 지금은 스타쉽이라는 새로운 개념의 로켓을 만들어 시험 중에 있기 때문에 팰컨 헤비는 초기의 목적대로 활용될 수는 없음).

17.1 팰컨 헤비 로켓의 개발

스페이스엑스사의 개발 방법은 기존, 혹은 타 국가의 우주개발기관과는 많이 다른데, 가장 대표적인 개발 철학의 차이는 한번 개발한 것을 최대한 활용하자, 흔히 하는 속된 말로 뽕빨 뽑을 때까지 이용한다!라는 정신이다. 일반적으로 연구원들은 새로운 것을 개발하는 것을 좋아한다. 기존에 개발한 것 말고, 새롭고 팬시하고 뭔가 공학적으로 앞선 기술을 채용하는 새로운 것! 그러한 것들에 호기심을 느끼고 즐기는 경향이 있다. 헌데 스페이스엑스는 가급적 최대한 기존에 개발한 것을 활용하는 정책을 취한다(물론 아예 새로운 것을 시도할 때에는 화끈하게 벌이기도 함). 즉 기존에 개발한 것들 기반으로 끊임없이 보태고 더하고 빼고 해서 하나의 추가적인 시스템을 만든다. 그 대표적인 것이 바로 팰컨 9 시리즈다. 팰컨 1 로켓의 1단 멀린 1C 엔진을 9개로 클러스터링하고, 심지어 2단에도 동일한 멀린 1C 진공 엔진을 얹어서 조립하여 발사에 성공한 것이 팰컨 9 로켓 v1.0 (블록 1) 로켓이다. 그것도 부족하여 멀린 1D까지 엔진 성능을 업그레이드한 뒤 1단의 재사용을 통하여 기존에 1번 쓰고 버리는 로켓의 개념을 바꾸었다(팰컨 9 v1.2(블록 3)). 여기에서 멈추지않고 러시아의 앙가라 로켓처럼 1단을 모듈화하여 3개의 1단 부스터를 장착하여 기존보다 약 3배 많은 페이로드(위성 등)을 탑재하고 지구 저궤도까지 실어나를 수 있는 세계에서 가장 큰 초대형 로켓인 팰컨 헤비까지 개발한 것이다. 요약하면 아래와 같다.

팰컨 1(1단 엔진 1기) --> 팰컨 9 v1.0(블록1. 1단 엔진 9기로 클러스터링, 2단 엔진 1기는 1단과 동일. 총 10기의 동일한 엔진 사용을 대량생산 가능) --> 팰컨 9 v1.1(블록2. 1단 엔진 성능 업그레이드를 통한 재사용 시도) --> 팰컨 9 v1.2(블록3. 1단 엔진 성능 업그레이드를 통한 재사용 현실화(성공)) --> 팰컨 헤비(블록3의 1단 부스터 3기를 모듈화하여 1단으로 사용) --> 팰컨 9 블록 5(블록 3의 업그레이드. 제작성 및 재사용 편의성 등에 중점을 둔 업그레이드) --> 팰컨 헤비(블록 5의 1단 부스터 3기를 모듈화하여 1단으로 사용)

팰컨 헤비에 대한 부분적인 개발은 2000년대 후반부터 진행이 되었으나, 아래 사진과 같은 팰컨 헤비 로켓 개발은 2015년 팰컨 9 v1.2 개발의 성공(과냉각된 추진제를 사용하는 멀린 1D+ 엔진 개발의 성공)과 함께 시작되었다. 2017년 5월에는 중앙 코어 1단에 대한 연소시험을 성공하였으며, 2018년 1월에는 팰컨 헤비 3개의 1단 모듈을 동시에 장착한 static fire test를 성공적으로 진행하였다.

팰컨 헤비의 스펙은 위 그림과 같다. 우선 높이는 70미터(팰컨 9 v1.2 이후로 모두 동일). 지구저궤도(LEO, Low Earth Orbit)까지는 63.8톤까지 실어나를 수 있고, 정지천이궤도(Geo Transfer Orbit)까지는 16.8톤까지 가능하다(참고로, 팰컨 헤비 전까지 지구상 최고의 로켓은 델타 4 헤비 로켓이었는데, LEO까지 28.8톤, GTO까지는 14.2톤까지 가능했음).

팰컨 헤비의 이륙 중량은 1,420톤이며, 초기 발사 시(리프트 오프 시) 27기의 멀린 1D 엔진 추력의 합은 5백만 파운드(약 2,268톤)인데, 이 정도의 추력은 보잉 747 여객기 18대의 추력과 동일하다고 한다.

17.2 팰컨 헤비 로켓의 첫 발사

팰컨 헤비는 2018년 2월 6일 케이프케나베럴 센터에서 처음으로 발사되었다. 강풍으로 인하여 당초 계획했던 시각보다 약 2시간 늦게 발사되었다. 첫 발사에 탑재된 페이로드는 일론 머스크 창업자의 또다른 회사, 테슬라에서 만든 전기자동차 로드스타였으며, 로드스타에 탑승한 우주인은 바로 스페이스엑스사의 새로운 우주복을 입은 스타맨 이었다. 발사는 성공적이었다. 스타맨이 탑승한 로드스타는 성공적으로 분리되어 지금도 화성을 향하여 날아가고 있다. 가장 멋진 사진은 스타맨, 로드스타 그리고 지구가 1장의 사진 속에 모두 보여지는 장면이었다. 민간우주개발회사이기 때문에 가능한 퍼포먼스다.

팰컨 헤비는 이륙 후 중앙에 취한 코어 부스터는 추력을 40%까지 다운시키고, 양쪽에 위치한 2개의 부스터는 풀 추력으로 비행한다. 그리고 2개의 사이드 부스터는 분리되어 지구로 돌아가고, 가운데 부스터가 추력을 100%까지 올려서 계속 비행 후 2단과 분리한다. 보기에는 2단이지만, 실제로는 2.5단 로켓이라고 부르는 이유가 바로 여기에 있다. 또한 각 부스터 간에는 연료의 교환이 가능한 크로스 피딩 기능이 추가되어있다고도 한다.

첫비행에서 사이드에 위치했던 1단 부스터 2기는 모두 지상으로 무사히 착륙을 했으나, 가운데 위치한 코어 부스터는 안타깝게도 대서양에 추락하였다.