[21년 1월]SpaceX소식: 팔컨9, 21년 첫발사

21년 1월 팔컨9의 첫발사 성공 등 스페이스엑스 개발 소식

Feb 14. 2021

21년부터 매월 1번씩 스페이스엑스(SpaceX)社(이하 스페이스엑스)의 상용발사 및 개발동향 관련한 내용을 정리하여 포스팅하고자 한다. 아직까지 틀이 잡히지 않아서 어떠한 방식으로 이 내용을 구성해야하나?의 고민이 존재하기는 하지만, 일단은 써내려가면서 잡아가고자 한다.

2021년 스페이스엑스는 작년 대비 2배 가량 많은 48회 정도의 발사를 예정하고 있다고 일론 머스크가 트위터에서 밝혔다(2020년에는 25회 발사 및 성공, + 1회는 크루 드래곤 발사 취소(Launch abort) 시험 및 성공). 특히 작년에는 1번도 발사하지 않았던 대형로켓인 팔컨 헤비(Falcon Heavy)의 발사도 2분기에 예정이 되어있다.

그럼 우선 2021년도 1월 스페이스엑스의 발사 기록을 한번 살펴보자.

1. 21년 1월 발사 기록 (Launch Log)

▲ 21년 1번째 발사 : Falcon9 + Turksat 5A 위성

- 시간 : (EST 미동부표준시간) 1월 7일(목) 오후 9시 15분

- 발사체(로켓) : Falcon9

- 발사체 1단 : B1060 (4회차)

- 페이로드(인공위성): 터키 Turksat-5A (3.5톤)

2017년 터키통신에서는 2기의 위성을 유럽 에어버스에 발주를 하고, 그때 위성을 싣고갈 발사체(로켓)은 팔컨9으로 일찌감치 선정을 했었다. 2021년 스페이스엑스의 첫 발사 페이로드(탑재위성)는 바로 그때 발주하여 제작된 터키 위성 2기 중 1기인 Turksat-5A 다 (Turksat-5B는 6월경 발사 예정). 발사에 사용된 로켓은 스페이스엑스의 대표 로켓, 팔컨-9이다. 팔컨-9은 2단으로 구성이 되어있고, 1단은 재사용이 가능한 '블록 5'라는 부스터(멀린 1D 엔진 9기가 사용)를 사용한다. 이번에 사용한 1단 블록5 부스터는 B1060으로, 2018년 6월, 2020년 9월과 10월까지 3회 발사 및 해상 드론쉽에서 회수된 것을 청소, 수리, 점검한 것이다.

발사는 성공적이었으며(위성을 목표궤도에 투입했다는 뜻), 1단 회수도 대서양에 떠 있는 드론쉽(무인배)으로 성공리에 이뤄졌다.

Turksat 5A를 싣고 힘차게 비상하는 스페이스엑스의 팔컨-9 로켓 in 40번 발사대, 케이프 캐너버럴, 미국 플로리다

※ 팔컨-9의 1단 부스터 블록 5는 최대 10번까지 사용이 가능하도록 제작되었다. 10번의 발사까지는 항공기 정비와 같이 간단한 점검/세척 후 재사용이 가능하다는 뜻이다. 그렇다면 10번 이후에는 사용이 불가능하다는 뜻인가? 아니다! 10번의 재사용 이후에는 내부 부품 교체를 통하여 그 이상도 사용이 가능하다. 지금까지 팔컨-9의 1단 블록 5 부스터의 최다 재사용은 8회이다(2021년 2월 현재).

※ 팔컨-9의 1회 발사비용은 목표고도, 탑재중량, 함께 실리는 위성숫자 등에 따라 다른데, 일반적으로 알려진바에 따르면, 1번도 사용하지 않은 블록5를 1단으로 사용할 경우 6천만달러, 재사용 1단 블록 5로 사용할 경우에는 5천만달러 정도로 알려져있다 (제작원가는 외부로 공개되어있지 않음)

▲ 21년 2번째 발사 : Falcon9 + 스타링크(16번째)

- 시간 : (EST 미동부표준시간) 1월 7일(목) 오후 9시 15분

- 발사체(로켓) : Falcon9

- 발사체 1단 : B1051 (8회차)

- 페이로드(인공위성): 스타링크 위성 60기 (Starlink V1.0-L16)

스페이스엑스에서는 1월 20일 미국 플로리다 케네디우주센터 39A 발사장에서 팔컨-9 로켓과 1단 부스터 B1051을 사용하여 스타링크 위성 60기를 싣고 성공적으로 발사하였다. 이번 발사에서 가장 중요한 이벤트는 팔컨-9 로켓의 1단 부스터로 사용된 B1051 이다. 지금까지 B1051은 2019년 3월 첫발사 이후 7번 사용이 되었었는데, 이번 발사 성공 및 회수 성공으로 지구상에서 가장 많은 재사용 횟수인 8회에 도달한 유일무이한 1단 부스터가 되었다. 이제 일론 머스크가 약속했던 10회 재사용까지는 불과 2회만 남아있는데, 아마도 올해 내 달성할 수 있지 않을까? 하는 생각을 살짝 갖게 된다.

스타링크 16번째 60기 위성을 싣고 발사되는 팔컨-9 (케네디우주센터, 미국 플로리다)

※ 스타링크(Starlink)는 최근 일론 머스크가 기업공개(IPO)를 생각하고 있다고 언급한 회사인데, 주목적은 지구 저궤도에 수만개의 작은 위성을 띄운 뒤 연결하여 군집으로 지구를 감싼 뒤, 우주에서 지상으로 인터넷(통신) 서비스를 하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 스타링크는 미국과 캐나다 일부 지역에서 베타테스트 및 서비스를 시작하고 있으며 꾸준하게 인터넷 속도를 모니터링 중이다. 만약 스타링크의 서비스가 실질적으로 상용화가 된다면, 1년에 약 300억 달러, 한국돈으로 약 35조 정도의 수익이 발생할 것으로 예상되고 있다. 참고로 이번이 스타링크 위성 60기를 싣고 발사된 16번째이며, 1번째 발사는 2019년 11월이었다. 불과 1년 남짓에 1,000기 가까이 우주로 쏘아올렸다. 더구나 지난 1년 간 스타링크 위성의 버전은 계속 업데이트가 되었으며, 가장 최근의 위성과 가장 초기의 위성과는 성능차이가 존재하기때문에 오래된 위성은 궤도에서 떨어트려버린다고 한다.

※ 일론 머스크(테슬라)의 스페이스엑스와 제프 베조스(아마존)의 블루오리진의 우주개발전쟁이 2021년부터 본격적으로 진행이 될 것이다(두 회사의 경쟁에 대한 얘기도 별도로 주기적으로 작성해보도록 하겠음). 이번 발사의 8회 사용도 블루 오리진이 최근에 7회 재사용한 부스터의 발사 및 회수에 성공했다라고 제프 베조스가 알린 뒤 바로 일론 머스크가 기록을 깨버린 것이다. 일론과 제프는 케네디 우주센터 39번 발사대 사용, 1단 재사용을 위한 회수 방법 등에서 지속적인 마찰을 불러일으켰는데, 아직 시작도 하지 않은 우주인터넷 관련한 사업으로 벌써부터 서로 간에 으르렁거리기 시작했다(일론은 스타링크의 궤도를 좀더 낮춰줄 것을 미국 정부에 요청했고, 제프는 그 건의를 허용하지 말아야한다고 얘기했음. 웃기는 것은 일론의 스타링크는 미국 및 캐나다 일부 지역에서 벌써 베타 서비스를 개시하였는데, 제프는 아직까지 1기의 위성도, 자체 로켓으로 지구 궤도로 위성을 투입한 적도 없음) . 왜냐하면 두 회사가 보기에 이쪽 시장의 확장성은 지구 뿐만 아니라, 우주쪽으로의 무한한 확장성을 가지고 있는 교두보이기 때문일 것이다 (이 이야기는 따로 하겠음).

▲ 21년 3번째 발사 : Falcon9 + Transporter 1 (ride share)

- 시간 : (EST 미동부표준시간) 1월 24일(목) 오전 10시

- 발사체(로켓) : Falcon9

- 발사체 1단 : B1058 (4회차)

- 페이로드(인공위성): 143기의 위성(Starlink 10기 포함, 대부분이 머그컵 사이즈의 작은 위성들)

2021년 1월 24일 3번째 발사에서도 스페이스엑스는 세계 기록을 세운다. 무려 1번에 143개의 위성을 탑재하고 발사된 뒤, 모두 궤도 투입에 성공시켜버렸다. 일반적으로 로켓(발사체)는 1회 발사에 1개의 인공위성을 탑재하고서 발사가 되는데, 페이로드(위성과 같이 발사체에 실려 올라갈 물건?) 중량이나 공간에 여유가 있다면 2개 이상의 위성을 탑재하고 발사가 되기도 한다. 이때는 1개의 위성을 싣고 갈때보다 훨씬 복잡한 위성분리 메카니즘이 적용이 된다. 그런데 그 개수가 143개라면? 이건 다른 차원의 얘기가 아닌가?

143개의 위성이 탑재된 상태

2019년 스페이스엑스는 위성 1기에 600억원이 넘는 비용을 받고 발사하는 서비스 외에, 100 킬로그램 이하의 위성을 1개당 100만달러, 즉 12억원 이하의 비용을 받고 궤도에 투입해주는 서비스, 일명 라이드 쉐어(Ride share)를 발표했다(발사 미션 이름은 Transporter). 그리고 스페이스엑스의 홈이지를 통하여 발사를 원하는 위성들을 모객하였고, 그 첫번째 미션을 2021년 1월 24일에 수행한 것이다. 쉽게 설명하면 택시나 자가용 타지말고, 싸게 싸게 고속버스, 고속철도 같은 대중교통 같은 인공위성 상용발사서비스를 시작하겠다는 것이다.

현재 세계의 로켓(우주발사체)는 크게 3가지 종류로 구분이 된다 ; Light급, Middle급, Heavy급. 그리고 대부분의 스타트업 로켓 기업은 Light급 이하에 집중을 하고 있는데, 스페이스엑스는 Heavy급인데도 불구하고 시장의 범위를 Light급, Middle급으로까지 체급을 낮추어 시장 포식을 진행하고 있는 것이다. 후발주자들로서는 매우 힘든 미래가 보이는 부분이 아닐 수 없다.

143개의 위성을 싣고 발사되는 스페이스엑스의 팔컨-9 로켓 in 40번 발사대, 케이프 캐너버럴, 미국 플로리다

이번 발사에 사용된 1단 부스터는 B1058이며, 4번째 발사이다. 이 부스터는 작년 5월 2명의 미국 우주인을 태우고 우주왕복선 퇴임 후 약 9년 만에 미국땅에서 국제우주정거장으로 발사되었던 당시 1단 부스터로 사용한 것이다. 그러고보면 스페이스엑스의 전략은 명확해보인다. 가장 신뢰성이 높고 중요하고 비싼 발사 서비스(예를 들면 NASA, 혹은 미국 국방부(DoD) 등) 계약에서는 1번도 사용하지 않은 1단 부스터를 사용하여 발사한 뒤 회수하여 청소/수리/점검 후, 해당 1단 부스터는 비교적 제작 가격이 낮은 일반 위성이나 자회사인 스타링크 발사에 사용을 하여 비용을 절감하는 전략!

2. 스타쉽(Starship) 개발 현황

스페이스엑스에서 가장 열심히 개발을 하고 있는 것은 바로 스타쉽(Starship)이다. 그리고 스타쉽 8호기 (SN8) 관련한 내용은 지난 번에 발행한 적이 있다(아래 링크 참조)

https://brunch.co.kr/@dairyukem/3

[20년 12월] 스페이스엑스(SpaceX), SN8

달과 화성 탐사 위해 개발 중인 스타쉽 -8(SN-8), 착륙 시 폭발 | 2020년 초, 예상치 못한 COVID-19 바이러스로 인한 갑작스러운 팬데믹 현상으로 인하여, 세계 경제가 얼어붙었다. 단순하게 경제만 얼

https://brunch.co.kr/@dairyukem/3

스타쉽 SN8은 3기의 랩터 엔진을 점화하여 액체 메탄을 연료로 사용하여 성공적으로 이륙을 하였으며, 고도 12.5 킬로미터까지 도달 후, 작동하는 엔진의 개수를 조절하여 고도를 낮추면서, 양 사이드에 위치한 플립(Flip, 날개라 생각하면될듯)를 활용하여 스타쉽의 동체 배쪽 부분으로 매뉴버링하면서 자유 낙하 비스므리하 하다가, 지상 수백미터 지점까지 떨어졌을 때 엔진 2기를 재점화하여 다시 처음 발사때의 모습으로 꼿꼿하게 세운 뒤 천천히 떨어지려고 했으나... 엔진의 추력 저하로 인하여 바닥에 추락하면서 폭발해버렸다. 이를 RUD (Rapid Unscheduled Disassembly)라고 표현한다.

3기의 랩터엔진과 스타쉽 SN8이 전부 사라져버린 사건. 어찌보면 어마어마한 쇼킹한 실패다. 헌데 스페이스엑스는 그 실패를 만회하고자 조립이 끝난 스타쉽 SN9를 바로 SN8가 발사했던 바로 그 발사대로 20년 12월말에 이송했다.

SN9의 발사 준비 절차는 다음과 같다(여러가지 자료들을 근거로 추론).

- 1단계 : 조립이 끝난 SN9을 조립동에서 발사대로 이송(Roll out) 후 발사대에 장착

- 2단계: SN9의 연료탱크에 연료(극저온 액체 메탄, -182.7도), 산화제 탱크에 산화제(극저온 액체산소, -183도)를 채운 뒤, 탱크에 압력을 가하여 연료 탱크와 산화제 탱크에 누설되는 부분이 없는지 확인

- 3단계: 엔진보관실에서 랩터 엔진을 갖고 와서 SN9의 하부에 장착. 장착된 엔진과 SN9 간의 연결 인터페이스 부분들에 대한 완벽한 결합 여부 확인

- 4단계 : Static Fire Test, 즉 SN9에 달려있는 랩터 엔진을 약 3초 내외로 점화하는 시험을 진행. 이 시험은 보통 3 ~ 5회 정도 진행하는 것으로 보임. 왜 3초인가?라고 묻는다면, 엔진 시험에서 가장 위험한 구간이 바로 엔진의 초기 시동 구간이기 때문일 듯.