[스페이스엑스] 3. 팰컨-1 로켓의 심장, 멀린 엔진
팰컨-1을 위한 멀린 1A, 1B, 1C까지 이어지는 성능 업그레이드
스페이스엑스가 지금까지 승승장구할 수 있었던 가장 큰 이유는 멀린 엔진을 스스로 개발했기 때문이다. 만약 멀린 엔진 개발을 성공하지 못했다면, 지금 우리가 알고 있는 스페이스엑스 라는 이름의 민간우주개발회사는 진즉에 역사 속으로 사라졌을 것이다. 그만큼 스페이스엑스의 모든 기술의 시작은 바로 멀린 엔진 개발의 역사와 그 궤를 같이한다고 할 수 있다. 이번 장에서는 멀린 엔진의 개발 과정의 그 특징에 대해서 가급적 쉬운 용어로 설명하도록 하겠다. 다만 멀린 엔진은 팰컨 1 로켓에서는 1차와 2차 발사에서는 멀린 1A 엔진이 사용되었고, 3차와 4차 발사에서는 멀린 1C가 사용되었다. 지금 인간계를 넘어 신계에 도달한 엔진으로 불리우는 멀린 1D 시리즈는 2010년대 이후 팰컨 9 로켓에서 사용되기 위하여 개량한 것이기 때문에, 이번 장에서는 멀린 1A, 1C에 대한 설명한 한다는 것을 미리 말해둔다.
3.1 멀린(Merlin) 1A 엔진의 개발의 특징
(이제부터는 엔진에 대한 전문적인 얘기가 나오기 때문에, 앞에서 언급한 3.0장, 3.2 장의 내용을 참고하시길)
2002년 스페이스엑스가 창업 후 가장 먼저 시작한 개발은 멀린 엔진을 자체적으로 설계하고 개발하는 것이었다. 이를 위하여 일론 머스크가 창업 멤버로 영입한 사람이 앞장에서 설명한 톰 뮬러다. 일론 머스크가 톰 뮬러에게 요구한 엔진 개발의 철학은 빨리, 싸게, 성능좋게 였으며, 가급적 2년 내 엔진의 완성을 보고싶어했다 (보통 새로운 엔진을 개발하는데는 10년의 시간이 걸린다고 함 ^^;;;).
이와 같은 엄격한 요구조건을 만족시키기 위해서 톰 뮬러는 고민 끝에 본인이 연구했고 개발했던 엔진들을 기반으로 새로운 엔진을 만들지 않을 수 없었다. 그 고민 끝에 탄생한 멀린 1A 엔진의 특징은 다음과 같다.
Open-cycle (NASA Fastrac 엔진)
연료는 RP-1 (NASA Fastrac 엔진)
핀틀 인젝터(Pintle injector)를 사용한 연소기 (TRW사 TR-106 엔진)
Ablative 냉각 (톰 뮬러 선호, 재생냉각 대비 제작이 간단함)
이와 같은 개념으로 만든 엔진이 바로 멀린 1A 엔진이다.
멀린 1A 엔진은 추력 340 KN(76,000파운드), 연소시간 169초, 중량 760kg였다.
자. 그럼... 멀린 1A 엔진의 특징을 하나하나씩 살펴보자.
3.2 Open-cycle (오픈 사이클)
Open-cycle. 오픈 사이클. 열려있다는 얘기다. 위 그림에서 Exhaust 라는 용어가 보이시는가? 바로 배출이다. 바깥으로 내보내는 것을 배출이라고 하지 않던가? 그래서 닫혀있지 않고 열려있다는 뜻으로, 이러한 사이클을 Open-cycle이라고 한다 (Close-cycle은 배출(Exhaust) 대신에 배기가스를 다시 연소실(Combustion Chamber) 안으로 집어넣어 재연소 시키는 방법임).
일반적으로 Open-cycle 엔진의 연소 시퀀스(순서)는 다음과 같다.
(여기서 터보펌프는 연료펌프, 터빈, 산화제펌프 등을 모두 포함하는 컴포넌트로 통칭함)
1) 고압 공급, 혹은 파이로 폭약을 터트려 터보펌프의 터빈(Turbine)을 구동(회전)
2) 추진제(연료, 산화제)가 각각의 펌프들을 통해서 예연소기(Pre-burner, 일반적으로 Gas-Generator(가스발생기)라고도 함)로 주입
3) 예연소기에서 연료들이 연소하면서 배기가스 발생
4) 배기가스가 터빈으로 들어가 구동(회신)시킨 후 대기(바깥)으로 배출
5) 연료 및 산화제 펌프들이 본격적으로 회전하면서 탱크로부터 추진제들을 공급받음
6) 연료 펌프를 통과한 추진제의 대부분은 노즐 끝단까지 갔다가 노즐의 재생냉각채널(Regenerative cooling), 노즐목, 연소기벽 등을 따라 다시 연소기 헤드부로 이동
7) 산화제 펌프를 통과한 산화제의 대부분은 바로 연소기 헤드부로 이동
8) 연소기 해드의 분사기로 각각 들어간 연료와 산화제는 연소실(Combustion Chamber)에서 연소 후 노즐목을 통과하면서 추력을 발생시키면서 노즐 끝단으로 배출
Open-cycle 엔진의 장점은 구조가 간단하여 만들기가 쉽고, 연소실 내 압력이 높지 않아서 제작성이 용이하고 신뢰성이 높은 장점이 있다. 그래서 대부분의 국가에서 처음 로켓의 엔진을 만들 때에는 Open-cycle 엔진부터 시작하는 특징이 있다. 다만 SpaceX가 멀린 엔진을 개발할 시점이 2002년 인것을 감안한다면 조금 고개를 갸웃거릴 수 있다. 왜냐하면 미국은 이미 1950년대부터 로켓 엔진을 만든 국가인데, 4~50년 전에 만든 엔진을 2000년대에 다시 끄집에내어 만든다? 뭔가 납득이 잘 가지 않는 부분이 있을 수도 있다. 이 부분을 풀어주는 것이 바로 1999년 미국 NASA가 진행했던 Low Cost Boost Technology 프로젝트로 개발했던 Fastrac 60K (나중에 MC-1 으로 바뀜) 엔진이 있다. Fastrac 60K 엔진은 적당한 성능의 엔진을 가장 싸게 만들기 위한 연구 프로젝트의 일환으로 개발되었는데, 그 주요 특징이 바로 Open-cycle에 Pre-burner를 사용하는 것이다.
톰 뮬러와 일론 머스크는 분명 Fastrac 60K 엔진 개발과 관련한 모든 사항을 조사했고, 이 엔진의 유효성까지 확인한 후 직접 구매도 추진했었다. 하지만 미국 NASA의 행정적 절차 속도가 결국을 발목을 잡아 그 뜻을 이루진 못했다.
3.3 핀틀 인젝터 (Pintle injector, 핀틀 분사기)
멀린 엔진 시리즈를 세계적인 명품 엔진으로 만든 가장 큰 차이점, 혹은 특징을 하나 꼽으라면 아마 열에 아홉은 핀틀 인젝터라고 말을 할 것이다. 그만큼 멀린 엔진에서 핀틀 인젝터가 차지하는 상징성이 크다는 반증일 것이다. 왜냐하면 현존하는 지구상의 모든 로켓용 엔진에서 핀틀 인젝터를 사용하는 엔진은 멀린 엔진시리즈가 유일하고, 그 유일성이 결국은 큰 차이점을 만든 원동력이라고 모두 짐작하고 있기 때문이다.
그렇다면 핀틀 인젝터는 무엇인가? 인젝터는 한국어로 분사기다. 분사. 뭔가를 뿌린다는 뜻이다. 터보펌프에서 가압된 연료와 산화제는 연소실에서 연소되기 위하여 연소기 위쪽의 연소기 헤드부에 위치한 분사기를 통하여 연소실로 뿌려진다. 연소실 상단에 위치한 수십 ~ 수백개의 분사기에서는 연료와 산화제가 뿌려진 뒤 연소실 내에서 최대한 잘게 쪼개져 잘 혼합되어 연소가 일어나는데, 이때가 엔진에서 가장 중요한 순간이다. 그도 그럴 것이 로켓의 날아갈 수 있는 결정적인 이유가 바로 연소실에서 연료와 산화제가 연소를 하면서 노즐 목을 통하여 노즐 출구 바깥으로 나가면서 내뿜는 힘이 추력 아닌가?
일반적인 연소기 헤드부 분사기그런데 멀린 엔진은 단 1개의 핀틀 인젝터만 사용한다고 한다. 어떻게 그것이 가능할까? 앞서 언급했던 분사기의 목적인 연료와 산화제를 연소실 내부 공간에 가능하면 잘게 균일하게 뿌리는 것이 목적이기 때문에 수백개의 분사기를 사용하여 연소불안정이 일어나지 않도록 하는 것이 매우 중요한다. 헌데 이것을 단 1개의 커다란 핀틀 인젝터가 그 역할을 해버린다? 과연 어떻게 이것이 가능할까? 그 궁금증이 하늘을 찌르지만, 매우 안타깝게도 스페이스엑스는 핀틀 인젝터와 관련해서는 어떠한 논문이나 기술적 자료, 심지어 공식적 사진도 공개된 적이 없다. 다만 핀틀 인젝터를 사용하고 있다는 사실만 확인되고 있으며, 톰 뮬러가 2004년 미국 특허청에 등록한 3장짜리 특허만 찾을 수 있는 상황이다. 그렇다면 왜 일론 머스크와 톰 뮬러는 핀틀 인젝터를 멀린 엔진에 사용하는 결정을 했을까?
우선 핀틀 인젝터의 역사를 살펴보면 1957년 나사 JPL(Jet Propulsion Lab)에서 처음으로 개발하였고, TRW사에서는 핀틀 인젝터를 사용하여 미국의 아폴로 우주선이 달 착륙을 할 때 사용했던 LEMD엔진 (Lunar Excursion Module Descent Engine)에 성공적으로 사용하여 유효성을 입증했다. 하지만 TRW사는 미국의 엔진개발회사 중 인지도가 높지 않았고, 지상에서 발사되는 로켓의 1단이나 2단으로 개발되는 엔진에 핀틀 인젝터가 적용된 것은 1990년대 톰 뮬러가 참여한 TR-106 엔진이 거의 유일했다. TR-106 엔진도 연소시험까지는 진행했으나 결국은 엔진 수요를 창출하지 못하여 프로젝트를 접어야했으며, 심지어 TRW사는 노스롭 그루만사로 인수합병되었다.
톰 뮬러는 엔지니어다. 엔지니어는 본인이 참여했던 프로젝트에 대한 애정과 자부심이 있다. 비록 핀틀 인젝터가 타 엔진에서는 적용되지않았지만, 엔진의 중요한 특성인 추력 조절, 연소안정성, 엔진효율 등에서는 분명 장점이 많은 분사기라고 톰 뮬러는 믿고 있었다. 특히 일론 머스크가 스페이스엑스에서 추구하는 목표가 저렴한 가격, 좋은 성능, 빠른 제작 임을 감안한다면, 일반적으로 수십톤의 추력을 내는 엔진 제작에 소요되는 수백개의 일반적인 동축 분사기를 제작하는 대신에 1개의 핀틀 인젝터만 제작하여 목표로 하는 엔진 개발에 성공한다면 엔진의 제작 비용절감 및 일정단축은 물론이거니와, 아직도 성공한 적이 없는 새로운 기술의 상용화라는 큰 타이틀도 얻을 수 있다. 더구나 일론 머스크는 실리콘 밸리 출신의 IT 갑부 아닌가? 새로운 시도를 좋아하고, 무엇을 시도하다가 실패하더라도 무척 관대한 사람이며, 실패를 통하여 새로운 것을 더 배울 수 있다고 믿는 사람 아닌가?
이와 같은 여러가지 복합적인 요인들이 맞아떨어져서 멀린 1A 엔진 설계에서부터 핀플 분사기를 적극적으로 도입했고, 결국 그 결정은 멀린 엔진을 지금의 명품 엔진으로 만든 가장 중요한 결정이었음을 지금에서야 확실히 알게 되었다. 나중에 따로 얘기하겠지만, 핀틀 인젝터로 연소기를 만들지 안았다면 멀린 엔진 시리즈의 끝판왕인 1D 시리즈 개량에서 보여준 영역 파괴적인 엔진의 퍼포먼스는 절대로 보여줄 수 없었을 것이다.
TR-107 핀틀 인젝터 도면3.4 터보펌프는 자체개발이 아닌, Barber Nochols 사에서 구매
스페이스엑스는 미국 캘리포니아 엘에이에 본사가 있다. 미국 이라는 나라에 세운 회사다. 스페이스엑스가 미국회사이기 때문에 지금과 같이 큰 성공을 할 수 있었다고 나는 100% 확신한다. 왜? 미국은 어느 것이든 풍족한 나라다. 특히 우주분야에 대한 저변이 충분히 확대되어있고, 매년 수십조원의 미국 정부 예산이 우주산업으로 흘러가기 때문에 지속적으로 산업생태계가 유지되고 있기 때문에 다양한 민간기업들이 존재하는 것도 사실이다. 이러한 산업기반이 구축되면 다양한 선택이 가능해진다.
톰 뮬러가 TRW사에서 엔진개발 책임자로 15년 동안 일을 했지만, 그가 액체엔진의 모든 것을 설계한 것은 아니다. 다행히도 톰 뮬러는 연소기 설계할 수 있었지만, 터보펌프는 설계할 수 없었다. 그렇다면 터보펌프가 없는 가압식 엔진을 만들면 되지 않냐고 생각하 수 있겠지만, 터보펌프가 없으면 엔진의 추력이나 효율이 현격하게 떨어지기 때문에 로켓의 1단용 액체엔진에서 터보펌프가 없는 엔진은 상상할 수 조차 없다 (팰컨-1의 2단 엔진인 케스트럴은 터보펌프가 없는 가압식 엔진으로 만들었음). 그렇다면 새로운 터보펌프 전문가들을 왕창 채용해야하나? 해외의 업체로부터 구매를 해야하나? 등등의 생각을 할 수 있겠지만, 그럴 필요가 전혀 없었다.
앞서 언급한 NASA에서 개발하다가 중단한 Fastrac 60K 엔진 얘기를 기억하시는가? 그 엔진의 터보펌프를 만든 회사가 미국 콜로라도에 위치한 Barber Nichols 다. NASA로 부터 Fastrac 60K 엔진 구매건의 지지부진함에 염증을 느낀 일론 머스크와 톰 뮬러는 당장 콜로라도 덴버로 날아가서 Barber Nichols사와 협상 후 바로 멀린 1A 엔진용 터보펌프 제작을 의뢰하였다. 게다가 Barber Nichols사에서는 팰컨-1 로켓의 1단과 2단 엔진의 이름이 필요하다는 제안과 함께 수많은 새의 이름이 적힌 리스트까지 제시했으며, 톰 뮬러는 그 중에서 팰컨(Falcon, 매)의 다른 종인 '멀린' 과 '케스트럴' 의 이름까지 이곳에서 명명한다.
그렇다면 터보펌프는 직접 만들기 어려운 컴포넌트인가? 맞다. 엔진으로서 작동을 할 수 있느냐? 없느냐?의 결정은 연소기에서 이뤄지지만, 엔진의 성능은 터보펌프에 좌우된다는 말이 있다. 아래 사진이 Barber Nichols에서 Falcon 1 의 멀린 엔진에 사용된 실제 터보펌프 사진인데, 보기에도 복잡함이 느껴진다. 이 터보펌프는 멀린 1A 부터 1C까지 납품되었다. 멀린 1D 부터는 스페이스엑스 내에서 자체적으로 설계 및 제작한 터보펌프를 사용하기 시작했는데, 딱 10년 정도 소요가 되었다. 즉 터보펌프가 얼마나 제대로 만들기 어려운엔진의 컴포넌트인지 쉽게 상상이 가는 대목이다.
참고로, 터보펌프의 성능은 토크가 20,000 rpm(분당 회전수), 중량이 68 kg 이다.
Barber Nichols에서 제작한 멀린 1A용 터보펌프3.5 Ablative Cooling (삭마 냉각)
엔진의 컴포넌트 중 연소기는 연료와 산화제가 혼합되어 연소하는 공간인 연소실, 노즐목, 연소된 가스가 확장되어 빠져나가면서 음속 이상의 속도를 만드는 노즐로 구성이 된다. 연소실의 연소 압력은 작게는 수십 bar (1 bar는 1 대기압)에서 수백 bar 까지인데, 연소온도는 3,000도를 넘는다.
T - 온도, P - 압력, M - 마하속도, 하단부 그림은 연소기 (연소실, 노즐목, 노즐로 구성)일반적으로 금속의 녹는 점이 1,500도를 넘지 않는다, 즉 1,500도 이상의 온도를 견딜 수 있는 일반적인 금속은 지구상에 없다는 점을 감안한다면, 연료와 산화제의 연소가 일어나는 연소실의 뜨거운 온도를 견딜 수 있는 금속은 지구상에 존재할 수가 없다. 따라서 금속이 높은 온도를 견딜 수 있도록 연소기와 노즐을 식혀주는 쿨링, 즉 냉각 기술을 적용한다면 이 또한 가능해진다. .
멀린 1A 엔진의 연소실 온도는 3,370도 까지 올라갔는데, 이를 견딜 수 있는 냉각방법으로 톰 뮬러는 저렴하면서 빨리 적용할 수 있는 Ablative cooling, 즉 흡열 냉각 방식을 선택했다. 연소실, 노즐목, 노즐의 안쪽 표면에 실리콘 섬유와 혼합된 수지(resin)을 발라서 코팅을 한다. 이를 Ablative coating (흡열 코팅)이라고 한다. 흡열 코팅된 부분은 연소 중 만들어지는 뜨거운 연소가스에 의해 용융, 기화 및 화학적 변형까지 하면서 열을 흡수하면서 사라지고, 상대적으로 낮은 연소 온도가 연소기의 금속 표면에 직접적으로 전달되도록 하는 것이다. 참고로 노즐부는 탄소섬유(Carbon Fiber)로 제작했다.
멀린 1A 연소기는 제작 후 연소시험 전에 압력시험을 먼너 진행하는데, 압력시험 후 관찰해보면 연소기의 흡열 코팅된 부분에 자그마한 흡집이 발생했다. 그리고 실제 연소시험을 하면 160초를 견뎌야하는 연소기는 그수초만 견디게 되는 부분이 거의 대부분이었다. 이를 해결하기 위해서는 연소기의 재설계와 흡열 코팅을 상대적으로 더욱 두껍게하는 것 외에는 없었다. 결국 이는 추가적인 개발기간과 비용투입을 의미했으며, 무거워진 연소기 무게는 결국 엔진의 효율까지 떨어트리는 결과까지 불러왔다.
그래도 일론 머스크와 톰 뮬러는 팰컨 1 로켓의 1차와 2차 발사에는 흡열냉각방식의 멀린 1A 엔진을 장착하고 발사까지 성공적으로 진행하였다. 안타깝게도 두번의 발사 모두 실패로 귀결되었으나 멀린 1A가 실패의 원인은 아니었다.
3.6 Regenerative cooling (재생 냉각)
스페이스엑스사는 2번의 팰컨 1 로켓의 발사 실패 후 추력을 약 10% 정도 증가한 멀린 1B 엔진을 개발하면서 (멀린 1B 엔진은 추력 380 KN(85,000파운드), 파워 2,500 hp, 터보펌프 토크 22,000 rpm) 거의 동시에 엔진 연소기의 냉각 방법을 흡열 냉각에서 재생 냉각(Regenerative cooling)으로 개선하는 연구도 동시에 진행했다. 그리고 그것이 결국은 멀린 1C 엔진의 탄생으로 이어졌다. 톰 뮬러가 지금도 실수라고 인정하는 부분이 바로 멀린 1A 개발 초기에 흡열 냉각 방식을 고집한 것이라고 얘기한다. 흡열 냉각 방식이 저렴하고 만들기 쉽다고 본인이 끝까지 주장하여 일론 머스크가 그의 제안을 받아들인 것이었다 (일론 머스크는 처음부터 재생 냉각 방식으로 가자고 얘기하였음).
멀린 1B
멀린 1C재생 냉각 방식은 터보 펌프의 연료펌프에서 배출된 연료가 곧바로 연소기 헤드부로 공급되지않고 노즐의 끝단의 채널에 투입이 된다. 노즐 끝에서부터 노즐벽을 따라 노즐목을 거쳐 연소실벽을 지나 연소기 헤드부 분사기로 공급이 된다. 이 과정을 거치면서 상온의 연료 온도는 노즐벽을 통하여 연소가스와의 열교환을 하게되어 온도가 상승하게 되고, 이는 결국 연소 효율의 증가도 가지고 온다.
톰 뮬러와 그의 팀원들은 재생 냉각 방법을 적용한 멀린 1C 엔진 개발을 시작하였다. 그리고 어떠한 기술적 어려움 없이 매우 쉽게 재생 냉각 방식의 멀린 1C 엔진 개발을 완성해버린다. 진행이 되어버려 오히려 본인도 무척 놀라게되었다.
멀린 1C는 기존의 멀린 1A 보다 많은 성능의 업그레이드를 가지고 왔는데, 이는 재생 냉각 방법이 가지고 온 큰 축복이었다. 특히 추력(sea level 기준)이 73,000파운드에서 78,400파운드로 약 7.4% 증가하였고, 비추력(sea level 기준, 추진제 1kg으로 연소할 수 있는 시간(초)) 253.7초에서 264.5초로 약 4.3% 증가하였다. 즉 이전보다 엔진의 힘과 효율이 모두 향상되었기 때문에 팰컨-1의 3차 발사를 준비하는 입장에서는 훨씬 마음의 부담이 경감될 수 있는 큰 안정감을 주었다.
https://en.wikipedia.org/wiki/TR-106
https://en.wikipedia.org/wiki/Fastrac_(rocket_engine)
https://blog.naver.com/karipr/220937001548
https://blog.naver.com/karipr/221362557271
http://www.b14643.de/Spacerockets_2/United_States_1/Falcon-9/Merlin/index.htm
https://aerospacenotes.com/propulsion-2/cooling-in-liquid-rocket/
