[스페이스엑스] 0. 로켓(우주발사체)의 구성과 엔진
스페이스엑스 팰컨-1 로켓의 구조와 엔진 종류
지금까지는 일론 머스크 라는 개인에 대하여 소개하였다.
일론 머스크를 요약하면 아래와 같이 짧게 얘기할 수 있을 것 같다.
일론 머스크는
남아프리카공화국에서 태어나 대학까지 다니다가
캐나다로 이민가서 개고생하면서 다시 대학을 다니다가
미국으로 대학 3학년 편입 후 졸업, 그리고 석사과정에 들어간 뒤 이틀 뒤 자퇴!
첫번째 회사 Zip2를 창업하여 매진한 결과 약 200억원 가량의 지분을 팔아 수중에 넣은 뒤
두번째 회사 X.com을 설립하여 또 한번 더 매진하여 2,000억원 가량의 지분을 팔아 수중에 큰 금액을 마련.
어마어마한 목돈을 손에 거머쥔 뒤,
그는 어렸을 때부터 하고 싶었던 일인 우주개발을 러시아의 구형 로켓을 이용하여 진행하려다가
마음을 고쳐먹고 직접 우주개발전문회사를 차리게 된다.
그 회사가 바로 지금부터 소개할 스페이스엑스(SpaceX) 다.
그의 3번째 창업이다.
이제부터는 일론 머스크가 주도적으로 세워서 운영하고 있는 '스페이스엑스(SpaceX)' 라는 로켓 제작회사, 전문적으로 표현하면 민간 우주발사체 개발 기업에 대하여 얘기하고자 한다.
전체적인 이야기는 스페이스엑스 라는 민간 우주개발회사가 어떻게 로켓을 개발하면서 운영되었고, 어떠한 우여곡절 끝에 세계 최초의 민간 우주발사체 개발 기업으로 우뚝서서 지금 인류의 우주개발을 리딩하는 회사가 될 수 있었는지를 살펴볼 요량이다.
하지만 스페이스엑스 보다 먼저 이해해야하는 것이 있다. 바로 스페이스엑스가 만들고자 하는 궁극적인 결과물(Output)인 우주발사체(Launch Vehicle), 즉 로켓(Rocket) 이다.
붉은 색 화염을 내뿜으며 하늘을 가로지르며 우주로 날아가는 불화살과 같은 모양의 로켓은 도대체 어떻게 구성되어있고, 어떻게 제작해야하는가? 무엇이 제일 중요한 부품인가? 등에 대한 이해가 없다면 앞으로 설명하게될 스페이스엑스사의 개발과정과 관련된 모든 이야기가 전혀 이해가 되지 않을 수 있다. 따라서 이번 챕터에서는 로켓에 대한 간략한 설명을 스페이스엑스사가 처음으로 개발한 로켓인 '팰컨-1'의 그림과 함께 설명하도록 한 뒤 다음 장부터 스페이스엑스라는 회사에 대하여 상세하게 설명하도록 하겠다.
0.1 로켓의 구성
지구 바깥의 우주로 인공위성 같은 페이로드(Payload)를 투입하기 위해서는 지구의 중력을 이겨내며 지구를 벗어날 수 있는 강력한 힘을 가진 로켓(Rocket)이 필요하다. 혹자들은 비행기를 타고 우주를 날아가면 되지않냐?고 반문할 수도 있는데, 러시아의 우주과학자 찌올콥스키가 최초로 증명을 했듯, 지구의 중력을 벗어나기 위해서는 최소 7.9 km/s 이상의 속도가 필요하다. 이를 마하수로 바꾸면 마하 23.24 인데, 자구상에서 가장 빠른 여객기인 콩코드가 마하 2 정도의 속도였던 것을 감안하면, 콩코드보다 12배 정도 빠른 속도로 날아야 지구 탈출이 가능하다는 계산이 나온다. 따라서 현재 지구에서는 로켓만이 이러한 속도를 낼 수 있는 유일한 수단이며, 그 속도의 힘의 원천이 바로 엔진이다.
엔진
바로 엔진(Engine system)이다. 로켓의 엔진 종류로는 고체로켓엔진(Solid Rocket Engine), 액체로켓엔진(Liquid Rocket Engine), 하이브리드로켓엔진(Hybrid Rocket Engine, 고체 + 액체), 핵로켓엔진(Nuclear Rocket Engine), 전기로켓엔진(Electric Rocket Engine) 등이 있는데, 스페이스엑스사에서 만드는 로켓에 사용하는 엔진은 모두 액체로켓엔진이다.
스페이스엑스에서 제작한 팰컨-1에서는 연료(Fuel, Kerosene이라는 로켓용 등유))와 산화제(Oxidizer, 보통 Liquid Oxygen(LOx)인 액체산소)를 최적의 비율로 혼합하여 연소시키면서 추력(Thrust), 즉 추진력을 만든다. 스페이스엑스가 처음으로 만든 팰컨-1 로켓의 멀린(Merline, 매의 한 종류로 세상의 엔진에는 그 나름의 약어, 시리얼넘버 등이 있음) 엔진 추력은 약 50톤 정도다. 즉 멀린 엔진 1기는 50톤의 무게의 로켓을 하늘로 올릴 수 있는 힘을 가지고 있다는 뜻이다.
구조체
비행기나 자동차의 경우 땅 위에서 대기 중의 공기(정확하게 얘기하면 기체 산소)를 엔진으로 흡입 및 압축하여 산화제로 활용하기 때문에 추진제인 기름(휘발유 혹은 경유)만 기름 탱크에 싣고 다니면 되지만, 로켓은 처음 스타트부터 강력한 추진력이 필요하기 때문에 처음부터 추진제(Propellant)와 산화제(Oxidizer)를 로켓의 탱크(Tank)에 일정한 압력을 으로 눌러서 보관하고 있다가 로켓 시동 직후부터 비행이 끝날때 까지 꾸준하게 조건에 맞춰서 공급할 수 있는 구조체(Structure system)가 필수적이다.
단
엔진, 구조체 등을 모두 포함하는 시스템을 단(stage)라고 한다. 로켓은 최소 2단 이상으로 구성이 되어있다. 그 이유는 1단으로만 구성했을 때보다 2단으로 구성했을 때 더 적은 연료로 보다 많은 위성을 궤도에 투입할 수 있기 때문이다. 팰컨-1의 경우 2단으로 구성되어있으며, 지상에서 발사될 때에는 1단의 멀린 엔진의 50톤 추진력 만으로 일정 목표 고도까지 올라간 뒤, 단 분리(Stage Separation)를 통하여 1단을 떼어내어 지상으로 버리면서 가볍게 만든다. 그리고 2단에 장착된 추력 3톤의 케스트렐(Kestrel) 엔진을 연소시켜 원하는 목표 궤도까지 위성을 운송하는 개념으로 운영이 된다.
페어링
로켓의 마지막 단, 즉 팰컨-1 로켓에서는 2단에 탑재된 위성을 일정 고도까지 안전하게 보호하는 최선단부 덮개인 페어링(Fairing)도 장착되어있다. 페어링은 위성이 정해진 궤도에 투입되기 전에 반드시 먼저 분리가 되어야한다.
그 외에도 로켓의 방향성 및 각종 기능 제어를 담당하는 유도항법제어(Guidance, Navigation and Control) 장치 등도 필요하다.
0.2 로켓의 심장, 엔진(Engine)의 종류
로켓 성능의 80 % 이상은 로켓의 심장이라 할 수 있는 엔진에 좌우된다. 스페이스엑스의 첫번째 로켓인 팰컨-1이 첫번째 비행을 비교적 짧은 개발 기간인 4년 내 발사할 수 있었던 결정적인 이유도 바로 그들의 첫번째 엔진인 멀린 1A의 개발을 톰 뮬러라는 전설적인 엔진전문가가 이끄는 팀에서 성공적으로 할 수 있었기 때문이다.
우선 로켓에 사용되는 엔진를 살펴보자. 로켓의 엔진은 사용하는 연료의 특성에 따라 크게 2가지 종류로 나눌 수 있다. 액체로켓엔진(Liquid Rocket Engine)과 고체로켓엔진(Solid Rocket Engine)이다.
액체로켓엔진은 말 그대로 액체 상태의 추진제(Propellant)를 사용하는 엔진인데, 보통 연료(Fuel)와 산화제(Oxidizer)를 혼합하여 연소를 한다. 현재 세계의 대부분의 로켓은 액체로켓엔진을 메인으로 사용한다. 앞으로 자주 언급하게 될 스페이스엑스의 멀린 엔진 뿐만 아니라, 올해 발사 예정인 한국의 누리호(KSLV-II)의 75톤 및 7톤 엔진, 미국 우주왕복선과 보잉의 SLS의 RS-25 엔진, 러시아의 앙가라 발사체의 RD-191엔진, 일본의 H-3 1단 LE-9 엔진, 유럽의 아리안-5 Vulcain 엔진 등도 모두 액체로켓엔진이다. 액체로켓엔진의 가장 큰 장점은 추력을 조절할 수 있다는 점이다. 또한 요즘 뉴스페이스의 가장 화두인 재사용이 가능하며, 이를 통하여 발사비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 다만 고체로켓엔진에 비하여 엔진 부품수가 많아 구조가 복잡하고, 발사 직전에 추진제를 충전해야하는 등 준비단계가 복잡하다(극저온 액체산소를 발사 직전에 충전해야함).
이에 반하여 고체로켓엔진은 고체상태의 화약 연료인 니트로글리세린 등과 알루미늄 파티클 등을 섞어서 만든 고체연료를 연소시켜 추력을 얻는 시스템이다. 고체로켓엔진은 액체로켓엔진에 비하여 구조가 간단하고 저장성이 뛰어나 보통은 미사일, 대륙간탄도미사일 등과 같이 언제 어디서든 재빠르게 발사할 수 있는 비행체에 일반적으로 사용한다. 다만 액체로켓엔진과 달리 엔진의 추력을 제어할 수가 없고, 비추력(로켓엔진의 효율을 나타내는 파라미터)도 떨어진다. 무엇보다 뉴스페이스의 화두인 경제성 입장에서 본다면 재사용을 할 수 없기 때문에 비용을 줄일 수 없는 매우 큰 약점이 있다. 그래서 지금 전세계의 모든 로켓개발 관련 스타트업에서는 고체로켓엔진 기반으로 사업을 진행하고 있는 곳은 단 한 곳도 없다.
앞서 언급했듯 스페이스엑스가 창업 초기부터 개발에 몰두하여 성공한 멀린 엔진은 액체로켓엔진이기때문에 이후부터 언급되는 엔진은 액체로켓엔진이라고 생각하시기 바란다.
0.3 액체로켓엔진의 종류
액체엔진은 일반적으로 가스발생기(Gas Generator, 혹은 예연소기(Pre-burner)), 터보펌프(Turbopump), 연소기(Combustion Chamber), 각종 제어밸브(Valves), 배관들(Pipelines) 등으로 구성된다.
이를 바탕으로 액체로켓엔진의 종류를 3가지로 구분해보자.
(1)엔진의 연소기에 연료를 공급하는 방식에 기반한 구분
엔진 연소기에 추진제를 공급하는 방식에 따라 가압식 엔진과 터보펌프 엔진으로 구분이 가능하다. 조금 더 설명하면 엔진의 연소는 연소기의 연소실에서 일어난다. 즉 로켓의 탱크에 보관하고 있던 연료와 산화제가 연소기의 연소실로 인젝터(Injector, 분사기)를 통하여 뿌려지면서 연소가 일어나는데, 로켓의 힘은 결국 연소실에서 연소되는 추진제의 압력과 매우 밀접한 관계가 있다(높을수록 높은 추력 발생).
우선 추진제를 보관하고 있는 탱크에서 높은 압력으로 보관하고 있다가 연소실로 직방으로 추진제를 공급하는 방식을 가압식이라고 한다(한국의 과학로켓 KSR-III 1단 엔진, 미국 스페이스엑스 팰컨-1 2단의 케스트렐 엔진). 이렇게 될 경우 탱크의 두께가 두꺼워져 결국 로켓 무게가 늘어나 효율이 떨어진다. 이러한 단점을 커버하기 위하여 고안한 장치가 바로 터보펌프다. 터보펌프는 탱크로부터 추진제를 공급받아 빠른 회전으로 가압하여 압력을 높인 뒤에 바로 연소기에 투입해주기 때문에 가압식보다는 훨씬 효율이 높기 때문에 대부분의 로켓 1단용 액체 엔진에는 터보펌프를 사용한다 . 다만 터보펌프는 구조가 복잡하여 제작하기가 어렵다. 스페이스엑스도 멀린 엔진에 자체 제작한 터보펌프를 장착하기까지 약 10년 가까이 소요되었다.
(2) (터보펌프가 있는 경우) 액체엔진의 사이클로그램에 기반한 구분
터보펌프가 있는 액체엔진은 연소 방법에 따라 크게 Open Cycle 엔진과 Closed Cycle(혹은 다단연소(Staged-combustion)) 엔진으로 나눌 수 있다. 이 중 가스발생기의 주 목적은 연소기로 들어가는 추진제의 속도와 압력을 높여주는 터보펌프의 터빈을 구동하기 위한 작은 연소기로 생각하면 된다. 요 작은 가스발생기도 연소기와 마찬가지로 연료와 산화제가 혼합되어 연소한 뒤 배출되어 나오는 배기가스가 터보펌프의 터빈을 구동한 후 대기 중으로 바로 배출되면(한국 KAIR의 75톤/7톤 엔진, 미국 스페이스엑스사 멀린-1 엔진 등) Open-cycle 엔진이고, 대기 중으로 배출하지 않고 다시 연소기 속으로 집어넣어 1번 더 연소시킨 후 연소기의 노즐로 배출이 되면 Close-cycle 엔진이라고 한다.
이 외에도 일본에서 개발하여 사용 중인 LE 엔진 시리즈에서는 Expander cycle을 사용한다. 이 방법은 터보펌프의 터빈 구동을 위한 가스발생기를 사용하지 않고 엔진 노즐부의 재생냉각채널(Regenerative cooling)에서 가열된 추진제만을 사용하여 구동하는 사이클이다.
(3) 엔진의 사용 횟수, 혹은 점화 회수에 기반한 구분
엔진의 사용회수에 따라 1회용 엔진과 재사용 엔진으로 나눌 수 있다. 또는 엔진의 점화 회수에 따라 1회 점화 엔진과 다중 점화 엔진으로도 구분이 가능하다. 액체 엔진이 탱크와 터보펌프로부터 연료와 산화제를 공급받아 연소기에서 혼합하여 연소하기 위해서는 점화기(Igniter)가 필요하다. 점화기로 점화된 로켓의 1단 엔진은 보통 150초 이상의 연소 종료 후 2단과 분리되어 지상으로 버려지게 된다. 이것이 1회 점화, 혹은 1회 사용 액체엔진이다. 하지만 위성을 높은 궤도에 투입하는 로켓의 2단은 최소 2회 이상의 재점화가 필요하다(팰컨-1 로켓의 2단 케스트럴 엔진도 2회 점화). 더구나 스페이스엑스사는 2015년부터 팰컨-9 로켓의 1단을 재사용하기 위하여 수차례의 시도와 실패 끝에 결국 성공하였고, 지금 팰컨-9 로켓의 1단 부스터 재사용은 최대 10번까지의 검증을 완료하였다. 특히 팰컨-9의 1단 재사용을 위하여 필수적인 기술 중 하나가 재점화였는데, 스페이스엑스사는 최소 3회 이상의 재점화를 통하여 지구 대기에서 지상으로 내려오는 팰컨-9의 속도를 줄이는데 성공하였다.
위의 4가지 분류법으로 팰컨-1의 1단 엔진인 멀린 1A를 정의한다면, open-cycle, 터보펌프 방식, 1점화 1회용 액체엔진이라고 할 수 있을 것이며, 2단 엔진인 케스트렐의 경우는 가압식, 2점화 1회용 액체엔진이라고 할 수 있다.
http://www.b14643.de/Spacerockets_2/United_States_1/Falcon-9/Merlin/index.htm
https://zdnet.co.kr/view/?no=20211021091816
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