[20년 정리] SpaceX(스페이스엑스) 확보기술

스페이스엑스가 2020년 비행시험을 통하여 증명한 6가지 확보기술

Jan 11. 2021

21년 1월 지구상에서 가장 뜨거운, 속된말로 '핫'한 사람은 인터넷 쇼핑몰 '아마존' 창업주 제프 베조스(Jeff Bezos)를 3년 반만에 2위로 밀어내고 지구상에서 가장 부자가 된 사람, 일론 머스크(Elon Musk)일 것이다. 작년에 700% 이상 급등한 테슬라 주식이 올해 1월에도 급등세를 보이며 세계 1위 부자로 등극한 날, 일론은 그의 트위터를 통하여 다음과 같은 말을 남겼다.

How strange (얼마나 이상한가)

Well, back to work... (그럼.. 일하러 가자...)

내 나름대로 모은 일론 머스크를 분석한 데이터를 가지고 위 두 분장을 분석하면, 첫번째 문장의 뜻은 본인이 세계에서 가장 부자가 되었다는 사실 자체가 너무 이상하다고 느끼는 것이다. 아직 일론 머스크의 테슬라 자동차가 세계 자동차시장에서 보여준 것이 실질적으로는 그렇게 많지 않음에도 불구하고(그가 생각한 것 대비), 그가 세상에서 가장 부자로 등극했다는 것이 이해가 안된다는 뜻이다. 두번째 문장의 뜻은 그가 얼마나 워크홀릭인지를 보여주는 말이다. 한국이 주당 40시간, 최대 52시간의 업무를 법적으로 정하였으나, 일론은 주당 80시간 이상의 업무시간이 필요하다고 주장하면서 본인 스스로도 그렇게 생활하며 지내고 있다. 물론 그가 뽑은 스페이스엑스, 테슬라의 천재급 엔지니어들도 그와 비슷한 업무강도로 일을 하고 있을 것이다(확인한 바는 없음. ^^;;)

솔직히 작년과 올해 계속 테슬라가 세상을 핫하게 만들었고 만들 것이다. 미국 특유의 개척정신으로 First Mover의 역할(내연기관 자동차 ---> 전기자동차)을 수행했었고, 그 가치를 이제서야 세상 사람들이 알아주기 시작했다고 생각한다. 세계적인 자동차 회사인 도요타, 폭스바겐 등이 기존의 연구, 제조, 인프라 속에 갖혀있을 때 한사람의 혁신적 마인드와 추진력을 가진 사람이 일으킨 거대한 변화의 바람, 패러다임 쉬프팅은 지구촌이 이전과 확연하게 다른 하나 국가라는 생각마저 갖게 한다.

그런데 10년 뒤를 바라보자. 그때는? 우리에게 지금의 테슬라 같이 사람들의 입에 오르내리고 있을 회사는 자동차회사인 '테슬라' 보다 2002년 3월 14일에 일론 머스크가 직접 창업한 '스페이스엑스'가 될 확율이 높다 (참고로, '테슬라'의 창업주는 일론이 아니며, 일론은 테슬라 창업주들로부터 도움을 요청받았을 때 전권을 이양받을 조건으로 수락을 하였음. 그리고 그가 직접 창업한 '스페이스엑스'는 여전히 기업공개를 하고 있지 않음).

혹시 '스페이스엑스(SpaceX)'가 어떤 회사인지 잘 모르겠다고 하신다면, 아래의 한문장으로 설명이 가능하다.

인공위성(물건?), 혹은 사람을 지구 바깥의 우주로 이송하는 우주발사체(Space Launch Vehicle, 흔히 말하는 Rocket(로켓))을 제작하는 미국 LA 호손에 위치한 민간회사

그렇다면 이렇게 반문할 수도 있다. 전세계에 로켓 만드는 회사들이 꽤 있을터인데, 이 회사가 무슨 특별한 것이라도 있는 것인가? 라고.

당연히 있다. 스페이스엑스라는 민간회사가 창업한지 이제 18년 정도 되었지만, 이 회사로 인하여 2020년대의 우주개발의 패러다임이 완전히 바꿔버렸다고 해도 과언이 아니다. 우주개발의 경쟁은 1950년대부터 미국과 소련이 누가 먼저 우주로 사람을 보내느냐? 누가 먼저 우주 공간 밖으로 사람을 유영하게 하느냐? 그리고 누가 먼저 달에 사람을 보내느냐? 의 3 단계 경쟁이 끝난 1970년대 초 막을 내려버렸고, 더이상의 급진적인 우주기술의 발전은 거의 일어나지 않았다. 그렇기 때문에 기존의 국가주도의 우주개발이 옳은 정책이며 유일한 방법이라고 믿고 있었다. 또한 우주기술의 특성 상 기존에 성공한 우주비행에 성공한 기술만이 지속적으로 사용되어야지만이 신뢰성을 확보할 수 있다는 묘~한 믿음으로 인하여 새로운 최신 기술들은 여전히 적용되고 있지 못한 유일한 분야였다(아직까지 우주선에 탑재한 컴퓨터 장비의 CPU 수준이 586 이라는 얘기가 들립니다...). 따라서 우주로 날아가는 로켓은 제작비용이 비싸고 개발하는데 시간이 오래걸리는 최첨단? 분야라는 인식이 일반적이었다. 하지만 2002년 3월에 일론 머스크가 세운 회사, 스페이스엑스는 4차 산업혁신(3D프린팅, AI, Big Data 등등)으로 무장하면서 이전과 같은 우주개발 경쟁에 다시 불을 확실하게 땡기고 있는 것이다.

(스페이스엑스와 일론 머스크가 어떻게 지금의 위치에 올라오게 되었는지에 대한 이야기는 차차 하기로 하고...)

오늘은 '스페이스엑스'라는 로켓 제작업체가 2020년에 달성한 기술 6가지를 소개하고자 한다.

2020년 1월 ~ 12월까지 12개월의 기간 동안에 일론 머스크가 이끄는 스페이스엑스는 세계의 어느 로켓 회사보다 많은 위성발사와 새로운 기술을 장착한 비행을 선보였다.

인스타그램에서 위의 내용을 정리하여 아래의 6가지 기술개발을 선정하였는데, 하나하나 그림, 혹은 영상과 함께 그 위대한 기술의 진일보를 소개하고자 한다.

1. In-flight abort test (비행 중 중지 시험)

용어가 조금 어려울 수 있는데, 설명을 들으면 쉬울 것이다. In-flight는 '비행 중' 이다. 그리고 abort는 '진행하고 있는 것을 중지하다'의 뜻이다. 즉 발사한 로켓에 어떠한 문제가 발생하여 비행을 중지할 수 밖에 없는 상황이 발생했을 때 실제로 그렇게 할 수 있는지를 증명하는 시험이다.

이 시험의 목적이 무엇이고, 왜 이 시험이 그렇게 중요한가?

그 이유는 2020년 스페이스엑스가 발사할 로켓은 지금까지 인공위성과 같은 물건을 우주로 이송하는 것이 아닌, 사람(우주인)이 탑승할 예정이었기 때문이다. 만약 로켓이 인공위성을 싣고 우주로 날아갈 때 문제가 발생한다면, 그 로켓은 바다(육지)로 추락하거나 공중에서 폭발할 것이지만, 사람들에게 직접적인 피해를 주진 않는다. 하지만 사람이 로켓에 탑승하는 경우에 사고가 난다면 어떻게 될까? 따라서 탑승한 우주인들을 보호하여 인사사고로 이어지지 않도록 대비하기 위한 다양하면서 훨씬 엄격한 로켓 개발 요구조건과 검증 시험조건이 필요하다.

미국은 2011년 7월 8일(이하 미국시간) 우주왕복선 아틀란티스호를 마지막으로 더이상 자국의 영토에서 사람을 지구바깥으로 보낸 적이 없었다. 대신 민간회사 2곳 (보잉, 스페이스엑스)를 선정하여 우주왕복선 대신에 우주로 사람을 이송할 수 있는 신형 로켓개발 프로젝트 대상자로 선정하여 지원했었다. 그리고 그 기나긴 9년의 기간 (2011년 ~ 2019년) 동안에는 1명당 약 1천억원 가까운 비용을 러시아에 지불하면서 소유즈 우주선의 좌석을 이용해야했었다. 2020년은 스페이스엑스가 우주인을 미국 영토에서 미국의 우주선을 이용하여 다시 우주로 미국인을 보내는 것을 다시 시작하는, 러시아에 빼앗겼던 우주탑승권을 다시 되찾는 기념비적인 해(year) 인 것이다. 스페이스엑스가 이와 같이 위대한 미션을 수행하기 위하여 필요한 모든 기술들을 개발했음을 증명하기 위하여 차근차근 데모를 진행했었고, 그 마지막의 데모 테스트가 바로 'In-flight abort test'이다. 즉, 우주인을 태우고 발사한 스페이스엑스 팰컨-9 로켓이 비행 중 문제가 발생했을 때, 우주인이 탑승한 '크루 드래곤' 모듈만이 로켓 본체와 분리된 뒤, 다시 육지로 무사히 착륙하는(낙하선이 펴지면서 속도를 줄임) 전체적인 프로세스에 대한 최종 검증을 실제 비행을 통하여 진행한 것이다. 다른 비행체지만 비행기와 비교를 한다면, 전투기가 추락할 때 파일럿을 탈출시키기는 ejection 시험과 비슷하다고 할 수 있다.

그렇다면 최종관문이라 할 수 있는 이 시험은 성공했을까? 아래의 영상을 통하여 직접 확인하시기 바란다.

(이 시험에서 가장 중요한 것은 팰컨-9 로켓과 분리된 크루 드래곤 모듈이 탑재된 드라코 엔진의 추력을 이용하여 팰컨-9보다 빠른 속도로 궤도에서 벗어나는 것이었음)

https://youtu.be/mu5Ydz34oVc

2. First Humans on board dragon (드래곤 우주선에 탑승한 첫번째 우주인들)

앞서 언급했던 'In-flight abort test'를 성공적으로 완료한 스페이스엑스는 실제로 우주인들을 팰컨-9 로켓 + 크루 드래곤(dragon) 우주선에 탑승시킨 뒤 국제우주정거장(International Space Station, 이하 ISS)로 이송하는 위대한 프로젝트를 차근차근 수행했다.

우선 '20. 5월 30일, 2명의 미국인을 태우고 미국의 케네디 우주센터 39번 발사장(아폴로 우주선이 새턴 로켓으로 발사될 당시 사용했던 그 발사장)에서 ISS로 성공적으로 발사되어 도킹에 성공하였으며, 약 2달 가량 우주에서 체류한 후, 8월 2일 지구(바다)로 무사귀환을 했다. 그리고 '20. 11월 15일에는 무려 4명의 우주인 (1명의 일본인 포함)을 ISS로 이송하는 발사를 성공적으로 완수하였다(이분들은 아직 귀환하고 있지 않고 ISS에 머물고 있음).

무엇이든 처음이 제일 가슴 떨리고 흥분되는 순간인데, '20. 5월 30일 크루 데모-2 (크루 데모 -1은 우주인 탑승 없이 무인으로 발사되어 ISS 도킹 후 지구로 무사히 귀환하는 테스트였고, '19년에 성공하였음)라고 명명되어진 첫번째 비행 시 미국의 대통령 트럼프 내외도 발사 1시간을 앞두고 직접 케네디 우주센터를 방문할 정도로 미국 내 관심이 무척 높았던 프로젝트였다 (처음 1차 시도는 기상상태가 좋지않아 발사 10여분을 앞두고 취소가 되었었음. 따라서 바쁜 트럼프 대통령은 2차례나 케네디 우주센터를 방문해야했으며, 케네디 우주센터 착륙 전 트럼프 대통령이 탑승한 에어포스-1 비행기는 39번 발사대 인근을 한바퀴 돈 후에 비행장으로 착륙했음)

3. 스타쉽 150미터 호프 성공

스페이스엑스는 현재 절찬리에 성공적으로 발사하고 있는 팰컨-9 로켓에 만족지 않았다. 애초에 일론 머스크가 스페이스엑스를 설립한 목적이 화성 탐사였기 때문에, 화성으로 효과적으로 가기 위하여 필요한 찐로켓의 성공적인 개발 및 화성 정착이 최종 목적인 것이다(아직 가야할 길이 멉니다...). 팰컨-9의 지속적인 발사 성공, 팰컨 헤비의 발사 성공 등으로 사람들, 속칭 전문가들은 모두 팰컨-9이 화성행 로켓으로 사용될 것으로 예상했었지만, 일론 머스크는 전혀 새로운 개념의 '스타쉽(Starship)' 이라는 우주선을 2017년 IAC 학회에서 최초로 소개했었다. 더구나 스타쉽의 형상과 제원은 시간이 지나갈 수록 점점 구체화되었는데, 화성으로 날아간 스타쉽이 지구로 귀환하기 위하여 화성에 있는 메탄을 추진제로 이용할 것이라고 발표했다(현재 지구에 존재하는 로켓 엔진회사들 중 메탄을 추진제로 사용하는 엔진을 만들어 로켓에 장착한 뒤 지구 궤도에 위성 등을 투입한 로켓은 존재하지 않음). 이것이 현실화될 경우, 지구에서 출발할 때 귀환용 추진제를 탑재하지 않기 때문에 그 부분만큼 필요한 물품을 추가로 탑재할 수 있는 매우 큰 장점이 있다.

스타쉽은 텍사스의 남쪽 보카치카 발사장의 노지 조립장에서 제작되고 있는데, '20. 8월 스타쉽 SN(Serial Number)-5가 150미터 호핑 (하늘로 발사된 뒤 다시 고대로 착륙하는 형태의 비행)에 성공하였고, '20. 9월에는 SN-6 또한 150미터 호핑에 성공하였다.

아래 영상은 SN-6 비행시험 시 촬영한 것이다.

https://youtu.be/MdAKrzOLQTg

4. (팰컨-9 로켓의 1단) 부스터의 7번 재사용

스페이스엑스가 로켓 개발의 패러다임을 바꾼 것들 중 가장 위대한 것을 하나 꼽으라면, 나는 주저하지 않고 바로 1단 부스터의 재사용이라고 답할 것이다. 일론 머스크는 스페이스엑스를 설립할 때부터 재사용 로켓의 개발을 제일 우선적으로 달성해야하는 마일스톤으로 설정하였다. 2010년대 초반까지 지구상의 모든 로켓들(우주왕복선 제외)은 1회용이었다. 적게는 수십 kg에서 많게는 수십톤의 페이로드(payload -탑재물, 일반적으로 인공위성)를 지구 궤도까지 이송하는 로켓(우주발사체)은 제작비용만 최소 수백억원에 달하는 어마어마하게 고가 제품임에도 불구하고, 어느 기업도 재사용에 성공하지 못했다. 그래서 로켓 개발회사들은 한번 개발에 성공하기만 하면 지속적으로 고가의 발사계약을 안정적으로 수주할 수가 있었다(1회용을 높은 제작비를 들여서 계속해서 만들면어도 비싼 값으로 사주는 커스터머가 있으니까...). 진입장벽은 높으나, 막상 진입장벽을 깨면 안정적으로 운영이 될 수 있는 환경이었던 것이다.

하지만 2010년대에 스페이스엑스가 이러한 기존의 로켓 개발 패러다임을 와장창 깨 버렸다. 스페이스엑스의 팰컨-9은 1단과 2단으로 구성이 되어있으며, 1단에는 추진제 탱크들과 9기의 멀린 엔진이 장착되어있다. 팰컨-9이 이륙할 때에는 바로 이 9기의 멀린 엔진의 추력을 이용하여 발사가 된다. 2단은 탑재물인 인공위성과 추진제탱크, 1기의 멀린 엔진이 장착되어있다. 스페이스엑스는 팰컨-9의 1단을 재사용하는 계획을 세웠고, 지구로 낙하하는 1단 부스터를 착륙시키기 위한 장소로 무인으로 조정되는 드론쉽, 즉 배를 만들었다. 미국의 동남부 끝에 위치한 케네디 우주센터에서 발사된 팰컨-9은 1단과 2단이 분리된 뒤, 1단은 자유낙하를 하며 바다로 풍덩 빠지면서 버려지는 것이 지금까지의 로켓 사용 방법이었는데, 스페이스엑스는 2단과 분리된 1단 엔진들을 재점화하여 낙하 속도를 줄이고, 방향을 바꾸기 위하여 1단 상부에 그리드 핀, 반동제어시스템(RCS) 등의 보조시스템을 이용하여 대서양에 위치한 드론쉽(Of Course Still I Love You)에 착륙시키는 시도(Sea Landing)를 시작하였다. 그리고 5번의 시도 끝에 '16. 4월에 드디어 성공하였다 (케네디 우주센터 내 도착장소에 착륙하는 시도(Land Landing)는 '15. 12월에 성공하였음).

일론 머스크는 최대 10회의 1단 부스터의 재사용이 필요하며, 나중에는 100회까지 늘릴 것이라고 공언한 바 있다. 현재 스페이스엑스와 위성발사를 계약할 때 위성회사들은 재사용 1단 부스터를 사용할 것인지, 1번도 사용하지 않은 부스터를 사용할 것인지를 선택할 수 있으며, 재사용 부스터를 선택할 경우 최소 20% 이상 발사비용을 절감할 수 있다고 알려져있다.

2020년에 스페이스엑스는 최다 7회 재사용한 1단 부스터의 회수에 성공하였다. 1단 부스터 49번째 모델이 바로 그 주인공이다. 이제 3번만 더 재사용된다면, 일론 머스크의 재사용 계획의 첫 마일스톤도 달성되는 것이다.

참고로 일론 머스크는 1단 부스터 뿐만 아니라, 2단 페어링(로켓 앞부분의 위성보호 덮개. 위성을 궤도에 투입하기 위하여 분리 후 지구로 자유낙하함) 분리에도 심혈을 기울이고 있으며, 이미 수십개의 페어링 회수를 대서양에서 큰 그물이 배 앞 위쪽에 달린 특수한 형태의 배(Mr. Steven)를 이용하여 회수에 성공하고 있다. 페어링 내부에 낙하산을 장착하여, 팰컨-9에서 분리된 페어링이 지구로 자유낙하하다가 일정한 고도가 되면 낙하산이 자동으로 펴져서 떨어지는 속도를 화악 늦워서 그때 배가 다가가서 그물로 캐치하는 방식을 취하는 것인데, 마치 야구에서 외야수가 야구공을 잡는 것과 유사하다. 일론 머스크는 페어링 제작 단가가 6백만불, 원화로는 약 70억원 정도 하는 고가이므로 무조건 재사용을 해야한다고 믿고 있다(참고로 사람이 아닌, 위성을 지구 궤도에 투입할 스타쉽의 경우 페어링은 분리를 하지 않고 열었다가 위성을 발사하고 다시 페어링을 닫는 구조로 설계를 진행하고 있음 ^^;;;)