안녕하세요. 오유 과게 신입입니다. ^^

아직 하루에 2번만 게시글 올릴 수 있는게 좀 아쉽군요... 과학게시판을 로켓으로 오염시켜야 하는데 ㅋㅋㅋ

당분간 예전에 다른곳에 썼던 글들 중에서 좀 쉽고(?) 흥미가 있을만한 것 위주로 재업해보겠습니다.

최신글들은 연재글들이고 다소 전문적인 내용도 있어서 게시글 제한이 없어지면 연재하도록 하겠습니다.

로켓 관련되어 다른 질문들 있으시면 가급적 성실하게 답변해보도록 해보겠습니다.

앞으로 몇년 뒤면 우리나라도 독자 우주로켓을 발사하게 됩니다. 그때가 되면 언론에서 신나게 로켓강의를 할텐데요..

미리 예습한다 치고 알아봅시다~

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앨런 머스크의 스페이스X에서는 금년도(2015년)에 미공군 지원(EELV)으로 초중량물 우주발사체인 팰컨 헤비 (Falcon Heavy)를 시험발사할 예정입니다. 그간 NASA의 국제우주정거장 물자보급업무와 일반 상업용 위성 위탁발사업무를 대행하던 것에서 한층 사업을 확장합니다.

 [ Falcon 9 V1.1과 Falcon Heavy의 스펙비교 - 위 사양은 예전에 작성된 것이라 사실과 약간 다름 ]

전세계 인공위성 발사체 시장의 최대 고객은 바로 미공군입니다. 각종 군사위성(첩보위성, 군통신위성, 군관련 과학실험위성)을 록히드마틴의 아틀라스-V로켓, 보잉의 델타-IV로켓을 이용해서 반덴버그, 케이프커너베럴의 공군전용 발사장에서 주로 발사하고 있습니다.

특히 미공군의 첩보위성 키홀(KH-12)은 300~1,000km의 극타원궤도에 거의 20톤에 육박하는 중량 인공위성을 올려야 하기에 왠만한 발사체로는 운반할 수가 없습니다. (저 정도 중량물은 전세계적으로도 쏘아 올릴 수 있는 발사체가 몇종류 안됨)

한번에 가장 많은 페이로드를 운반할 수 있는 미국의 델타-IV 헤비의 경우 약 28.8톤의 페이로드를 지구저궤도(LEO)에 올릴 수 있습니다. 하지만 대당 가격이 1조원을 넘는것으로 알려진 KH-12 광학정찰위성의 경우, 20톤 중량 중에서 40%이상이 연료입니다. 첩보위성의 특성상 연료를 많이 탑재해야 수명이 길어지며, 특정지역에 더 낮은 고도로 접근하여 더욱 정밀한 관측이 가능합니다. 델타-IV헤비로는 KH-12 첩보위성을 300~1,000km의 극타원궤도로 진입시키려면 운반능력을 거의 소모해야 합니다.

팰컨9 v1.1을 3개 연결해서 제작하는 팰컨 헤비 발사체는 LEO에 약 45톤의 페이로드를 운반할 수 있습니다. 펠컨 헤비는 미국 첩보위성이 사용하는 극 타원궤도에 30톤을 넘는 중량 인공위성을 한번에 운반할 수 있고, 미공군은 이런 발사체를 사용한다면 기존의 것보다 수명이 약 1.5배에 달하는 첩보위성을 띄워서 비용절감을 할 수 있습니다.

 

2015년의 팰컨 헤비 실험발사가 끝나면, 2016년에 실제 미공군 발주의 인공위성을 탑재한 발사도 예정되어 있습니다. 그리고 팰컨 헤비의 개발에는 이미 미국방성(DoD)의 로켓연구지원금이 투입된 것으로 알려지고 있습니다.

이외에도 2016~2017년에 이미 팰컨 헤비를 이용해 정지위성천이궤도(GTO)에 약 6톤 중량의 통신위성 2기를 발사하기로 예약되어 있습니다. 팰컨 헤비의 GTO운반능력에 비하면 매우 적은 중량으로 아마도 이 과정에서 잔여연료를 이용해 발사체의 재활용(Reuseable)기술의 테스트도 겸할 것으로 예측됩니다.

팰컨 헤비의 발사비용은 지금껏 미공군이 사용한 아틀라스-V, 델타-IV에 비해 현격히 저렴할 것으로 예상됩니다. 가장 비쌌던 델타-IV 헤비 버젼은 1회 발사에 약 4,100억원이 소요됩니다. (페이로드 무게에 비례해서 다양한 버젼이지만 결국 무게에 비례해 가격이 올라감)

페이로드를 LEO에 올리는데 톤당 142억원이 들어가는 셈이죠. 팰컨 헤비는 1회 발사비용이 1,650억원 수준이 될것으로 전망됩니다. 현재 13톤의 페이로드를 LEO에 올리는데 약 650~700억원으로 추정되는 팰컨9 V1.1은 톤당 50억원 수준이 소요되는데, 팰컨 헤비는 그보다 더 적은 톤당 37억원 수준이죠. 델타-IV헤비의 톤당 140억원보다는 훨씬 저렴합니다.

그리고 미공군은 한번에 쏘아올릴 수 있는 페이로드가 클수록 유리했는데, 그간의 20톤대 발사체보다 더 큰 발사체가 출현하니 그로 인한 이득은 톤당 발사가격이 동일해도 얻을 수 있습니다. 기존 발사체보다 1.5~2배 더 큰 발사체의 이득과 톤당 발사비용마저 거의 1/3 수준이니 실제로 얻는 이득은 4배 가량 된다고 봐야겠죠.

이와는 별도로 스페이스X는 팰컨 헤비를 통해서 몇가지 혁신적인 신기술을 개발/적용할 예정입니다.

- 로켓 재활용 (Reusable) 기술

 

이를 통해서 팰컨 헤비의 각단을 선별적으로 재활용하려 합니다. 각단의 연료를 일정하게 남겨서 귀환시키는데 사용하며 재활용을 통해 실제로 톤당 운반비용은 더 절감됩니다. (단, 재활용 단수가 많을수록 최대 운반중량은 제한됨)

만약 재활용기술이 실제로 성공한다면 미공군은 팰컨헤비의 최대 운반중량을 사용할지, 아니면 기존 20톤급 위성을 운반하고 로켓은 재활용해서 비용을 더 절감하는게 유리한지를 판단하게 될겁니다.

- 크로스피드 (Cross feed) 기술

다소 혁신적인 개념의 이 기술이 실제로 성공할 수 있는지는 아직 불투명합니다만, 스페이스X는 이 기술의 개발에 꽤 의욕적인듯 합니다. 일종의 다단 연료이송기술인데 메인로켓(가운데)의 양측에 붙어있는 보조로켓 2개로부터 연료를 메인로켓으로 비행중에 계속 공급합니다. 그러면 보조로켓들은 연료소모가 빨라져서 분리시기가 앞당겨지지만, 보조로켓 분리후 메인로켓은 여전히 연료가 꽉 차있어서 전체적인 로켓효율에서 몇%가 증가하게 됩니다. 로켓효율이 단 몇% 증가한다는것은 페이로드 중량의 급격한 증가로 이어질 수 있습니다.

우주왕복선이 외부 연료탱크로부터 연료를 이송받아서 오비터의 메인엔진으로 연소시킨것은 초보적인 크로스피드 기술의 적용이었지만, 저렇게 스스로 연소하는 외부단들에서 동시에 연료를 메인로켓으로 이송받는것은 더 어려운 기술로 보입니다. 특히 연료관에 잔여연료가 남은 상태에서 부스터를 분리하면 위험성이 높기 때문이죠. 우주왕복선은 엔진이 모두 정지한 상태의 우주공간에서 비교적 안전하게 연료탱크를 분리했습니다.

- 재활용로켓 기술과 크로스피드 기술이 팰컨 헤비에 적용될때 효과

	LEO (185km x, inc 28.5º)	GTO (185~35,786km, inc 27º)	MTO(화성천이궤도)	발사비용 (2014년 추정치)
팰컨 헤비	45 톤	15 ~ 17 톤	9 ~ 10 톤	~ 1,650억원
팰컨 헤비 (Cross Feed)	53 톤	21.2 톤	13.2 톤	~ 1,650억원
팰컨 헤비 (Reusable)	26 ~ 28 톤	6.4 ~ 7.8 톤	3 ~ 4 톤	~ 935억원
팰컨 헤비 (Cross Feed +  Reusable)	40톤	13.5톤	7.5톤	~ 935억원

[ 크로스피드 기술과 재활용로켓 기술을 적용했을때 팰컨 헤비의 페이로드, 비용 ]

크로스피드 기술은 병렬연결된 단수가 많아질 수록 더 효과가 급증하는데, 팰컨 헤비는 이론상 최대 6개의 보조로켓(3쌍의 분리단)을 부착할 수 있어서 만약 실현되면 팰컨 헤비는 무려 132톤에 이르는 페이로드를 한번에 LEO에 올릴 수 있게 됩니다. 새턴-V로켓의 120톤, NASA의 차세대 발사체 SLS Block2의 130톤을 뛰어넘는 인류 역사상 최대로켓이 되는거죠.

스페이스X는 팰컨 헤비와 별도로 차세대 로켓엔진인 랩터엔진의 개발을 통해서 팰컨9, 팰컨 헤비보다 더 큰 팰컨X, 팰컨XX를 만드는 목표를 가지고 있습니다.

팰컨XX의 경우 한번에 150톤 가까운 중량물을 LEO로 운반할 수 있으며, 이러한 무지막지한 대형로켓이 필요한 이유는 바로 스페이스X의 최종목적인 화성식민지 건설에 필요한 MCT(Mars Colonial Transporter)를 우주에 띄우기 위함이죠.

동기부여가 확실한 상황에서 기존의 돈쳐먹는 하마가 된 여러 중량발사체 계획은 모두 스페이스X의 혁신적인 도전에 의해 격추될 가능성이 있고, 시간이 갈수록 실현가능성도 커지고 있습니다.

특히 NASA에서 야심차게 추진중인 SLS (Space Launch System)는 제일 먼저 직격탄을 맞을 가능성이 꽤 높습니다.  SLS의 초기형은 70톤의 페이로드를 LEO에 운반할 수 있지만 1회 발사비용이 최소 5,500억원으로 예상되고 있습니다. 톤당 78억원이 넘기에 53톤 페이로드의 팰컨 헤비가 크로스피드 기술을 적용하고 재활용은 적용안하면 톤당 31억원이니 비용면에서 상대가 안되죠. 오리온 심우주 우주선은 훗날 SLS가 아닌 팰컨 헤비, 팰컨X 헤비의 상단에 부착되는 처지가 될 가능성이 높다는 뜻입니다.

SLS는 그동안 여타 발사체에 비해 우월한 운반능력으로 미정부와 NASA의 심우주탐사계획(인류의 달재방문, 화성 유인미션)에 유일한 발사체라고 알려졌으나 조만간 그 운반능력 조차도 스페이스X에 추월당하는 처지가 될 운명입니다.

SLS는 그간 컨스텔레이션 계획 당시 아레스 발사체로 이미 3조원, 그리고 SLS로 이름을 바꾸고 앞으로 7조원이 개발에 투입되는 총 10조짜리 개발비가 들어가는 발사체입니다. 하지만 스페이스X의 팰컨 헤비는 그보다 훨씬 적은 개발비로 1차 실험발사를 눈앞에 두고 있으니 관주도의 개발이 얼마나 비효율적이었는지 알 수 있습니다. NASA가 초창기에 스페이스X의 개발을 후원했다면, 현재는 아이러니하게 미공군이 후원하고 있습니다. 모두 록히드마틴과 보잉의 바가지 상술의 결과입니다.

하지만 록히드마틴과 보잉의 합병자회사인 ULA에서는 스페이스X에 대항하기 위해 최근 블루오리진과 제휴하고 있습니다.

블루오리진의 흥미진진한 맹추격을 다음편에 설명해봅니다.

[ 추가설명 ]

** LEO(지구저궤도) 운반능력은 흔히 185 x 185km의 주차궤도(Parking Orbit, 궤도경사각 약 28.5도)까지 발사체가 운반가능한 페이로드 중량을 뜻합니다. 실제 위성체는 그보다 더 높은 고도로 궤도를 올리고, 궤도경사각도 변경해야 하므로 이에 따른 실질운반중량감소는 별도로 계산합니다. 극궤도 300 x 1,000km에 위성체를 운반하면 LEO운반능력보다 페이로드가 더 감소합니다.

*** GTO(정지위성천이궤도) 운반능력은 185km의 주차궤도(Parking Orbit)에 일단 궤도를 잡은 발사체가 위성속도가속단(Upper Stage)를 통해서 마저 페이로드를 185 x 35,786 km의  타원궤도(궤도경사각 27도)로 호만전이를 통해 궤도변경한 후의 잔여 중량을 말합니다. 이후 발사체와 분리된 위성체는 독자추진력으로 약 1,800m/sec의 속도증분(델타브이)를 얻어서 원하는 적도궤도의 위치에  진입후 35,786km의 원궤도로 정지위성궤도(GEO)에 머물게 됩니다. 

**** 위 두가지 요소는 발사체의 성능을 객관적으로 평가하거나, 우주화물운임 책정의 기준 지표가 됩니다.

[ References ]

1. 영문 Wiki - SpaceX Falcon Heavy

2. www.spacelaunchreport.com/falconH.html

3. SpaceX 홈페이지

4. www.space.com/

5. spaceflightnow.com