[스페이스엑스]12.팰컨 9 v1.1 로켓과 재사용시도
업그레이드 팰컨 9 (v1.1)으로 로켓 재사용을 제대로 시도하다
이제부터는 스페이스엑스사가 인류 로켓 개발사에서 처음으로 성공한 재사용 발사체 이야기를 시작하고자 한다. 핵심 키워드는 재사용 (Reuse, Repeated use) 이다. 일론 머스크는 2002년 처음 우주개발을 위한 로켓개발회사를 설립했을 때부터 수천억원의 제작비가 투입이 되는 로켓을 1회 발사 후 버리는 형태가 지속되는 한 우주개발의 혁신은 일어날 수 없으며, 우주로의 접근 비용도 결코 다운될 수 없음을 직시했다. 어느 누가 항공기를 1회 사용 후 버린다고 한다고 했다면 미친넘!이라는 비난을 피하기 어려웠을 것인데, 로켓은 그러한 행태가 50년 이상 지속되어도 그 어느 누구도 이상하다고 생각하지 않았었다. 하지만 일론 머스크는 그것이 이상하고 고쳐져야한다는 생각을 갖고 있었다. 그렇다! 혁신은 문제점을 정확하게 직시하고 그것을 타파하고자 행동하는 순간부터 시작이 되는 것이다. 그렇다면 어떻게 그것을 가능하게 하였는지를 팰컨 9 v1.1과 1단 엔진으로 장착된 멀린 1D 엔진을 통하여 살펴보도록 하자(결론적으로 팰컨 9 로켓의 재사용 시도는 v1.1이 아닌, v1.2에서 성공됨을 미리 밝힘)
12.1 팰컨 9 v1.1 특징
반덴버그 조립동에서 발사 준비 중인 팰컨 9 로켓 v1.1스페이스엑스에서 팰컨 9 로켓의 버전을 v1.0에서 v1.1로 업그레이드할 때 단순하게 버전명만을 바꾼 것이 아니다. 일단 외형적으로는 총 2단으로 구성된 팰컨 9의 길이를 기존의 47.8미터에서 68.4미터로 대폭 늘렸다. 이는 1단의 재사용 방식을 기존의 낙하산 랜딩에서 1단 엔진의 재점화를 통한 낙하속도 감소로 방법을 변경함에 따라 추가적인 추진제를 탑재할 필요가 있기 때문이다. 또한 1단 재점화를 통하여 지상(혹은 해상)으로 되돌아오는 1단의 착륙 시 안정화를 위하여 추가로 1단 하부에 장착된 랜딩레그와 방향을 제어하기 위하여 1단 상부에 2기의 그리드핀을 장착하는 등의 구조물 중량이 추가된 부분을 커버하기 위하여 추진제를 더욱 많이 실을 필요가 있었을 것이다. 두번째로 1단과 2단에 장착되는 엔진을 멀린 1C에서 멀린 1D 엔진으로 업그레이드함으로서 추력이 기존 대비 60 퍼센트, 비추력 또한 약 3% 증가하였다. 특히 멀린 1D 엔진은 오픈사이클 방식을 사용하는 케로신을 연료로 사용하는 엔진 중에는 성능적인 면에서 거의 신의 영역에 근접한 엔진으로 불리우고 있는데, 그 멀린 1D 엔진이 최초로 적용된 로켓이 바로 팰컨 9 v1.1이다(이 부분에 대한 이야기는 추후 자세히 언급하겠음). 또한 1단 하부의 엔진배치도 기존의 바둑판 배열에서 옥타곤방식(옥타웹, Octaweb)으로 변경하였다. 이는 1단 재사용을 위하여 가운데 1개의 엔진을 배치하고, 주위에 8개의 엔진을 배치한 것인데, 특히 가운데 위치한 1개의 멀린 1D 엔진은 주위 엔진보다 약간 톡 튀어나오게 배치를 하여 재점화 시 보다 효율적으로 속도를 줄이도록 하였다. 또한 단분리 시스템에 사용하는 접합부(콜렛과 공압시스템)도 기존의 12개에서 3개로 줄였고(무게 감소, 시스템 단순화), 전체적인 소프트웨어 및 에비오닉스 개선도 진행되었다.
팰컨 9 로켓 v1.0과 v1.1 간의 차이(후방뷰)12.2 팰컨 9 v1.1 로켓의 첫 비행, 그리고 2번째 비행
팰컨 9 로켓 v1.1은 약 600톤(진공에서는 680톤)의 추력을 내는 9기의 멀린 1D 엔진을 장착한 1단과 73톤의 추력을 내는 1기의 멀린 1D 엔진(고고도용)을 장착한 2단으로 구성이 되어있다.팰컨 9 로켓 v1.1의 1단의 첫 연소시험(엔진 9기 동시 점화)는 2013년 4월이었다. 6월에는 10초가 진행되었고, 그 뒤 바로 180초 동안 진행되는 full-duration 연소시험이 진행되었다. 그렇다면 2013년 7월에는 새로운 1단의 개발이 완료되었다고 할 수 있을 것이다 (전체 엔진 사이클로그램 분석을 통하여 9기의 엔진 시험 데이터에 대한 분석을 통한 이상유무를 확인하고 최종적으로 문제가 없음을 확인하는 과정이 필요했을 것임).
팰컨 9 로켓 v1.1의 2단도 1단으로 사용하는 멀린 1D 엔진과 동일한 엔진이지만, 다만 진공이기 때문에 비추력을 높이기 위하여 노즐을 쭈욱 길게 늘인 버전이다. 참고로 팰컨 9 로켓 이전의 2단형 로켓 개발에 성공한 러시아, 미국, 유럽, 일본 등의 모든 발사체는 1단용 엔진과 2단용 엔진이 동일하지 않았다. 1단은 대체적으로 무겁고 힘이 좋은 엔진을 사용하였고(힘이 부족하면 고체엔진 부스터를 추가로 장착하여 추력을 높임), 2단은 추력을 부족하지면 효율이 높은 추진제(예를 들면 수소 등)를 사용하면서 무게는 가벼우나 효율이 높은(비추력이 높고 다중 점화가 가능한) 엔진을 사용하는 것이 일반적인 로켓의 구성이었다. 그런데 이러한 패턴을 깬 로켓이 바로 팰컨 9 이다 (스페이스엑스사에서 제일 먼저 개발에 성공한 팰컨 1 로켓은 1단은 멀린 1A, 멀린 1C 엔진을, 2단으로는 케스트렐 엔진을 별도로 개발하였음).
팰컨 9 로켓 v1.1 첫발사 장면팰컨 9 로켓 v1.1의 첫발사는 2013년 9월 29일 캘리포니아 반덴버그 공군기지 내 발사장에서 성공적으로 이뤄졌다. 멀린 1D 엔진으로 구성된 1단은 정상적으로 작동하였으며, 페이로드로는 드레곤 모듈이 아닌 100kg급 위성(카시오페) 5기를 탑재하여 궤도에 투입하는 것을 목적으로 하는 팰컨 9 로켓의 첫 위성 발사였다(이번 발사 전까지 팰컨 9 로켓은 국제우주정거장으로 화물을 이송하는 CRS 계약만 수행). 결론부터 말하면 팰컨 9 로켓 v1.1의 2단은 위성투입에는 성공하였다. 다만 2단의 재점화 시험에는 실패하였다(재점화 연습을 수행하고자 하였으나 재점화를 위한 점화제가 동결되었음이 확인되었고, 스페이스엑스는 재점화용 점화제에 단열재를 덧대는 것으로 문제를 해결하였음) . 다만 1단은 2단과 분리 후 다시 지구로 재돌입하여 바다 위에 착륙하는 테스트를 진행하였다. 지구 재돌입 시 방향을 변환하여 원하는 궤도로 1단을 진입시키고, 1단 엔진의 재점화를 통한 속도를 감소시키는 시도까지도 성공하였다. 다만 마지막 엔진 점화 시 공력적 스핀현상으로 인하여 점화된 엔진이 빨리 셧다운되는 현상이 발생하여 바다 위로 과격하게 착륙하여 부서져버렸다(물론 스페이스엑스는 다음 도전을 위하여 부서진 파편을 수집하여 분석하였음).
팰컨 9 로켓 v1.1의 두번째 비행은 2013년 12월 룩셈부르크 통신위성을 싣고 발사되었다. 위성의 궤도 투입에는 성공하였으나, 1단 재사용을 위한 시도는 하지 않았다고 한다(발사 후 로켓 내 여러가지 문제가 발생했다고함). 위성의 궤도투입 성공이 먼저 이뤄진 뒤에 다음 스텝으로 나가는 것이 현명한 개발 접근법이 아니었을까? 하는 생각을 하게 된다.
12.3팰컨 9 v1.1 로켓의 마지막 비행
팰컨 9 v1.1 로켓은 총 15기가 제작되어 발사되었는데, 총 15기 중 14기의 발사는 미션에 성공하였으나, 14번째 비행이었던 CRS-7 미션은 1단 비행 중 2단 산화제 탱크의 오버프레셔로 실패하였다. 조사 결과 2단의 액체산소 탱크 속의 스트럿(체결부) 문제였음이 확인되었고, NASA에서는 디자인 자체가 잘못되었다고 결론을 내렸다. 특히 스페이스엑스가 항공우주등급이 아닌, 산업용등급을 사용한 뒤 적절한 스크리닝 및 테스트를 수행하지 않았음을 지적했다.
이후 발사된 마지막 15번째 비행은 2016년 1월 17일이었으며, 발사는 성공적으로 완료되었다.
12.4 멀린 1D 엔진 (예고)
멀린 1D 엔진. 케로신을 연료로 사용하는 로켓 엔진 중 오픈 사이클(가스발생기 사이클) 타입의 엔진 중 최고의 성능을 자랑하는 지구 최고의 thrust to weight를 보유한 엔진, 멀린 1D. 이 엔진에 대해서는 다음편에 자세히 설명하고자 한다. ^^
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_v1.1
https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX_Merlin#Merlin_1D
https://www.flickr.com/photos/spacex/16855223522/in/photostream/
https://www.nasaspaceflight.com/2012/01/spacex-testing-reusable-falcon-9-technology-this-year/
http://journal.kspe.org/_common/do.php?a=full&bidx=1792&aidx=22106
https://spaceflightnow.com/2015/02/22/100th-merlin-1d-engine-flies-on-falcon-9-rocket/
