〔우주산업〕팰컨나인(Falcon 9) / 스페이스X가 개발한 재사용가능한 궤도 우주발사체

〔우주산업〕팰컨나인(Falcon 9) / 스페이스X가 개발한 재사용가능한 궤도 우주발사체

 

팰컨 9(Falcon 9)는 스페이스X가 개발한 재사용 가능한 우주발사체로 2010년 6월 4일 최초 발사했다.

 

팰컨 9은 나사의 상업 물자 운송(CRS) 프로그램과 상업용 궤도 운송 서비스(COTS) 프로젝트에 따라 화물과 승객을 운반하는 스페이스X 드래곤의 발사체이며, 스페이스X 크루 드래곤과 카고 드래곤의 발사체로 운용되고 있다. 또한 팰컨 9은 스타링크 위성군 구성 프로그램의 주요 발사체이다.

 

 

스페이스X의 무한 진화…”재사용의 한계에 도전한다”

(dongascience.com)

 

 (왼쪽부터) 스페이스X의 우주발사체 팰컨 9 v1.0, v1.1, v1.2 , 팰컨 9 블록 5, 팰컨 헤비 및 팰컨 헤비 블록 5.

위키피디아 제공

 

스페이스X의 진화는 계속되고 있다. 부분 재사용이 가능한 팰컨9 로켓을 주력으로 이미 세계 발사체 시장의 60% 이상을 점유했음에도 기술적 진보를 위한 노력을 멈추지 않고 있다. 여기에 ‘게임 체인저’라 불리는 100% 재사용 로켓 스타십의 운영이 시작되면 시장에서 스페이스X의 입지는 더욱 굳건해질 것이 확실하다.

 

스페이스X가 현재 추구하는 진화의 방향은 ‘더 자주, 더 빨리’라는 말로 요약할 수 있다.

 

로켓을 최대한 자주 발사하고, 한번 사용한 팰컨9의 1단 추진체를 최대한 빨리 수리해 다시 사용하는 것을 말한다. 이를 통해 로켓 발사 당 비용이 지속적으로 낮아지는 ‘규모의 경제’를 달성하고 또 축적된 비행 데이터를 이용해 발사의 안전성과 성공률을 최대한 끌어올린다는 전략이다.

 

지난달 28일 미국 텍사스에서 열린 한 콘퍼런스에서 벤지 리드 스페이스X 유인 우주비행 사업국장은 팰컨9의 '발사 빈도'를 최대한 높이는 것이 회사가 현재 중점적으로 추진하는 미션 중 하나라고 말했다. 그는 “발사 빈도는 정말 정말 중요하다”며 “이를 통해 우리는 새로운 것을 배울 수 있고, 성장할 수 있다”라고 말했다. 이어 “우리가 생각하는 것은 산업적 측면에서 의미가 있는 발사 빈도”라며 “우리는 로켓을 매일, 매시간, 매분마다 로켓을 발사하는 날이 곧 오기를 고대하고 있다”라고 말했다.

 

이러한 목표를 위한 스페이스X의 노력은 2010년 6월 4일 팰컨9의 첫 발사와 함께 시작됐다. 참고로 이때부터 올해 4월 말까지 팰컨9은 150회 이상 발사됐으며 비행 중 폭발은 2015년 6월에 딱 한번 있었다. 올해에만 17회 발사(4월 말 기준)가 이루어졌다.

 

 

◇첫번째 변곡점 │ 발사1회-50회

 

스페이스X가 최초로 개발한 우주발사체는 ‘팰컨1’이다. 지구 저궤도까지 약 670kg의 탑재체를 실을 수 있었다. 팰컨1은 길이가 21m의 단일 엔진으로 구동됐다. 액체산소와 등유가 연료다. 팰컨이라는 이름은 머스크가 우주영화 ‘스타워즈’에 나오는 우주선 ‘밀레니엄 팰컨’의 이름을 따서 지었다.  스페이스x 제공

 

스페이스X의 발사와 관련된 자료를 보면 팰컨9은 매 50회 발사를 전후로 기술적 변곡점이 있었음을 알 수 있다. 그리고 그 변곡점을 기준으로 발사 빈도는 더 빨라지고, 재사용 1단 추진체의 사용 비율도 높아지는 추세가 나타나고 있다. 팰컨9의 첫 발사부터 50번째 발사까지는 8년(2010~2018년)이라는 시간이 걸렸다.

 

당시 로켓 조립동에서 발사장까지의 운송은 물론 로켓의 핵심인 엔진의 보급도 원활하지 않았다는 것이 많은 자료에 기록되어 있다. 때문에 이 기간 중 팰컨9은 평균 56.6일에 한 번꼴로 발사됐다. 그리고 50번의 발사 중 한번 발사 후 수리를 거쳐 재사용하는 1단 추진체를 사용한 비행은 단지 7회에 불과했다.

 

팰컨9의 유일한 비행 중 폭발도 이때(2015년 6월 28일) 발생했다. 미국항공우주국(NASA)의 의뢰로 국제우주정거장(ISS)에 보내는 화물을 운송하던 팰컨9은 발사 139초 후 2단 로켓에 있던 액체산소 탱크에 문제가 생겨 비행 중 폭발했다. 사후 조사에서 NASA는 사고의 원인이 로켓 디자인상 결함에 있다는 결론을 내렸다.

 

작년 10월에 발사된 한국의 누리호도 이와 유사한 원인으로 위성 모사체를 궤도에 올리는데 실패했다. 사고 당시 사용된 팰컨9의 1.1 버전은 2016년 2월 발사를 마지막으로 퇴역했다. 지상에서 연소시험을 하던 도중 팰컨9이 폭발하는 사고도 이 기간 중 있었다.

 

사고는 2016년 9월 1일에 발생했는데 당시 발사대에 세워져 있던 팰컨9의 2단 액체산소 탱크가 폭발했고, 그 결과 로켓은 물론 탑재되어 있던 이스라엘의 통신위성 에이모스(Amos)-6도 함께 파괴됐다. 다행히 인명피해는 없었다. 이 기간 중 스페이스X는 팰컨9의 디자인 및 성능개선 작업을 다수 진행했고, 그 결실이 다음 50번 발사 때 나타났다.

 

 

◇두번째 변곡점 │ 발사51회-100회

 

스페이스X는 팰컨1의 성공적인 개발과 발사 이후 팰컨5 개발을 고려했지만 곧바로 팰컨9 개발에 착수했다. 팰컨9은 9개의 엔진을 클러스터링 방식을 통해 구동하는 발사체다. 스페이스X 제공

 

팰컨9의 51번째 발사는 2018년 3월 30일에 있었다. 그리고 100번째 발사는 그로부터 2년 8개월이 지난 2020년 11월 25일에 있었다. 첫 50번 발사에 8년이 걸릴 것과 비교하면 팰컨9의 발사 빈도가 엄청나게 빨라진 것을 알 수 있다. 이 기간 중 팰컨9은 평균 19.4일에 한 번꼴로 발사됐고, 그중 35회는 1번 이상 사용된 재사용 1단 추진체를 이용해 추진됐다. 로켓의 비행 중 사고는 한 번도 없었다. 이 중 의미가 가장 큰 비행은 2018년 5월 11일에 있었던 54번째 비행으로 ‘블록 5’라는 버전의 1단 추진체를 사용한 첫 번째 팰컨9 발사였다.

 

블록5는 기존에 사용되던 블록3와 설계 및 사용되는 부품 측면에서 많은 것이 개선됐다. 이러한 개선의 다양한 목적을 달성하기 위해 추진됐다. 우선 1단 추진체를 더 많이 그리고 빠르게 생산하기 위함이 있었다. 발사 후 1단 추진체의 지상 착륙 성공률을 더 높이기 위한 목적도 있었고, 착륙에 성공한 추진체를 쉽고 빠르게 재정비해 다시 사용할 수 있게 만들기 위한 포석도 깔려 있었다.

 

블록5 버전의 1단 추진체는 한번 발사 후 간단한 정비를 통해 최대 10회까지 재사용할 수 있고, 전체적인 재정비를 하면 최대 100회까지 재사용이 가능한 것으로 알려졌다. 4월 말 현재 1단 추진체 최다 재사용 횟수는 12회다. 지난 3월 19일 B1051라는 이름의 추진체가 이 기록을 처음 세웠고, 4월 21일 B1060 역시 이 기록을 달성했다. 그 밖에 B1058 11회, B1049 10회, B1061 7회, B1062 6회, B1059 6회, B1048 5회 등을 기록하고 있다.

 

블록5를 이용한 팰컨9의 첫 비행이 성공적으로 끝난 후 일론 머스크는 “로켓에 대해 아는 사람들은 이것이 얼마나 어려운 일인지 알 것”이라며 감동 섞인 소감을 발표했다. 그는 “오늘을 위해 우리는 16년간 노력했다”며 “그동안 정말 열심히 노력했고, 수많은 시행착오를 겪었으며 수천 번의 크고 작은, 하지만 중요한, 개선 작업을 통해 오늘까지 왔다”라고 했다.

 

지금 돌이켜 보면 당시 머스크의 이러한 감격은 단지 팰컨9의 재사용 가능성 상승 때문만은 아니었던 것으로 보인다. 그보다는 향후 추진할 유인우주선 발사와 더 관련이 있었을 것으로 추정한다. 로켓의 안전성과 재사용성이 강화된 블록5가 성공적으로 작동한다면 유인 우주비행 시장에서의 주도권도 손쉽게 잡을 수 있기 때문이다.

 

실제로 스페이스X는 블록5의 첫 비행 2년 후인 2020년 5월 30일 첫 유인우주선 발사에 성공했다. NASA 우주인 두 명을 팰컨9 상단에 실린 크루 드래건 캡슐에 태우고 국제우주정거장(ISS)을 향해 성공적으로 비행했다. 그 후 스페이스X는 ISS와 지구를 오가는 다수의 유인우주비행 미션을 성공적으로 수행했다. 작년에는 러시아도 “스페이스X의 안전성을 인정한다”며 NASA의 협조 하에 러시아 우주인을 스페이스X 로켓을 이용해 ISS로 보내고 싶다는 의사를 타진해 왔다.

 

 

◇세번째 변곡점 │ 발사 101회-150회

 

스페이스X의 재사용로켓 ‘팰컨9’이 해상 바지선에 착륙하는 모습. 스페이스X 제공

 

팰컨9의 101번째 발사는 2020년 12월 6일에 있었고, 150번째 발사는 2022년 4월 27일에 있었다. 1년 5개월 만에 50회 발사를 한 것으로 이전 두 번의 50회 발사가 각각 8년, 2년 8개월 걸린 것보다 발사 주기가 더욱 빨라졌다. 평균 10.1일에 한 번씩 발사가 진행됐고, 50번 발사 중 47번이 재사용 1단 추진체를 사용했다. 이 기간 중 발사된 모든 팰컨9의 1단이 ‘블록5’였다는 것을 고려하면 로켓의 성능 및 효율성 개선에 블록5가 결정적인 역할을 했다는 것을 알 수 있다.

 

팰컨9의 발사가 150회를 넘어선 지금 스페이스X는 두 가지 궁금증에 대한 대답을 구하기 위해 노력하고 있는 것으로 알려졌다. 첫 번째는 1단 추진체를 실제로 몇 번까지 재사용할 수 있는가, 두 번째는 한번 사용된 1단 추진체를 다시 발사에 투입하는 데까지 걸리는 시간을 최대한 얼마큼 줄일 수 있는가다.

 

앞서 언급한 12회 재사용된 1단 발사체 2기(B1051·B1060)가 첫 번째 궁금증에 대한 답을 해줄 것으로 보인다. 두 번째 궁금증과 관련해서 스페이스X는 최근 “3주 내 재사용 가능”이라는 결과를 얻었다. 스페이스X는 지난 4월 29일 스타링크 위성을 발사했는데, 이 발사에 사용된 1단 추진체는 이로부터 3주 전인 4월 8일 민간 우주인 4명을 국제우주정거장으로 보내는 액시엄-1 미션에도 사용됐다.

 

※ 동아사이언스는 미국 우주 전문 매체 스페이스뉴스와 해외 우주산업 동향과 우주 분야의 주요 이슈를 매주 소개하는 코너를 마련했다. 국내에서 접하기 어려운 세계 우주 산업의 동향과 트렌드를 깊이 있게 제공할 계획이다. 박시수 스페이스뉴스 서울 지국장은 2007년 영자신문인 코리아타임스에 입사해 사회부, 정치부, 경제부를 거쳐 디지털뉴스팀장을 지냈다. 한국기자협회 국제교류분과위원장을 지냈고 2021년 미국 우주 전문 매체 스페이스뉴스에 합류해 서울지국장으로 활동하고 있다.

 

2022.05.06 12:00