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SpaceX사의 Falcon Heavy 로켓 상업발사 성공

김승조의_우주항공기술강좌 작성자: 김승조
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작성일: 2019-04-12 17:54:43

Falcon Heavy 로켓의 상업발사 성공


오늘 오전(현지 시간 410일 오후 6) NASA케네디 우주센터의 아폴로 우주선 발사로 유명한 39A 발사대에서 Arabsat 6A를 지구정지궤도에 올려 놓기 위해 발사되었다발사 후 양쪽 부스터 분리, 1단 메인코어 분리, 2 1차점화, 2단연소 중지페어링 분리, 2 2차점화 과정 등을 성공적으로 거친 후 발사 38분 경과 후 6.4톤짜리 위성을 지구정지궤도로 향하기 위한 정해진 천이궤도에 올렸다



Arabsat 6A를 싣고 발사되고 있는 Falcon Heavy Rocket


분리된 양쪽부스터와 메인코어는 발사대 근처 지상과 대서양에 떠 있는Of Course Still I Love You 라는 특이하게 긴 이름의, 무인로켓회수선에 각각 성공적으로 착륙시켰다지난해에는 메인코어의 해상착륙은 실패했었는데 이번에는 보란 듯이 3개 모두 성공하면서 SpaceX기술진들의 진전된 실력을 한껏 뽐냈다

 


해상착륙선과 지상 모두에 성공적으로 되돌아온 3개의 부스터


SpaceX 설립자 Elon Musk에게 이번 발사의 성공은 지난달 3월 초에 Dragon2 우주선이 국제우주정거장 도킹 한 후 성공적인 귀환한 것과 더불어 아주 중요하고 꼭 필요했던 성공이라고 볼 수 있다발사 장면은 전세계에 유튜브 중계되면서 언론으로부터 집중된 관심을 받았으며 3개 로켓 코어의 환상적인 착륙장면은 보는 이로 하여금 찬탄을 금할 수 없게 만들었다지난해, Elon Musk는 테슬라사의 비공개화 해프닝으로 거액의 벌금을 미정부로부터 얻어 맞았고그간 스트레스가 너무 컸었는지공개석상에서 마리화나를 흡입하는 등 이상한 행동을 보여 정부(특히 미 국방부는 Elon의 비밀취급인가를 재검토하고 있다)나 일부 인사들로부터 잃었었는데 이제 그 신뢰감을 회복시키는데 큰 도움을 줄 것으로 보인다

개인 기업으로써는 이룰 수 없는 미친 짓이라는 비아냥 속에서도 회사 창립 8년만에 단돈(?) 3억달러를 들여 대형로켓(Falcon 9)을 개발해 발사에 성공했고이제는 현존하는 최고 파워풀한 Falcon Heavy 로켓을 발사하여 만천하가 보는 앞에서 보란 듯이 성공한 것이다.


발사대 옆 수평조립장에서 조립중인 1단 코어들


이번 Falcon Heavy 발사는 두 번째이었다.  Musk 본인이 타던 테슬라 자동차를 우주로 보내는데 성공한 지난해 2월의 Falcon Heavy 발사시험은 전세계를 흥분시키는 쾌거가 되었었다. 1시간 이상 중계된 유튜브 동영상 중계인데도 전세계에서 수백만 명이 시청했다고 한다정치가 모든 것을 좌우하는 듯해서정치에 매몰된 것으로 보이는대한민국만(?) 빼고는 전세계가 열광했었다현재 존재하는 가장 강력한 로켓을 완성했을뿐만 아니라 기존의 로켓들처럼 사용한 로켓엔진을 바다에 버리지 않고 지상으로 귀환시켜 재사용할 수 있는 획기적인 기술개발에 성공한 것이다. 분리된 로켓엔진을 역추진하여 대기권에 재진입 시켜 정확한 귀환 비행경로를 거쳐하게 발사장 근처에 설치된 두 개의 목표로 되돌아 와서 그림처럼 나란히 재 착륙하는 장면은 전세계 많은 시청자들을 매료시키고도 남음이 있었다. 특히 이번에 성공한 메인코어의 해상착륙은 더욱 극적이었다. 메인코어는 양쪽 부스터에 비해 2분여 더 비행한 후 분리되었기에 착륙지로 되돌아 가기는 불가능해서 해상으로 내릴 수 밖에 없었다. 분리시 비행속도 시속1만 Km, 고도 100Km의 대기권 밖 우주공간에서 대서양 바다 한복판에 떠 있는 조그만 착륙 바지선에 오차없이 되돌아 와 사뿐히 내리는 것은 기적에 가까운 기술인 것이다. 메인 코어가 100Km 고도에서 시속 1만 Km속도로 비행하다가 대서양에 떠 있는 고도, 시속 0으로 한점에 내리는 것은 아마 수십리 밖에서 바늘을 던져 구멍을 꿰는 것과 같은 어려움이리라. 이렇게 되돌아와 회수된 Block 5 로켓코어는 별다른 정비 없이도 10번 정도 까지 재사용 가능하고 약간의 정비를 거치게 되면 100번까지도 재사용 가능하다니 반 독점체제에서 두둑한 정부 지원까지 받아 오던 경쟁 발사체 업체들에게는 이제 생존을 걱정해야 하는 상황에 이르른게 아닐까 한다.



Falcon Heavy의 비행경로와 2개의 부스터의 지상평행착륙, 그리고 해상착륙 경로


이번 Falcon Heavy 1400톤 정도의 발사 중량으로 추력은 지난해보다 10% 정도 늘어났고 재사용성이 훨씬 개선된 소위 Block 5 버전 로켓코어를 사용했다. 9개 멀린엔진을 장착한 코어 3개의 1단 추진력은 총 2330톤이고 2단 진공용 엔진은 Falcon 9과 같이 95톤 정도의 추진력이다.


Falcon Heavy의 발사 능력


Lockheed Martin이 제작한 65천만 달러짜리 위성, Arabsat 6A는 동경 30.5도 정지궤도에 올려져 중동, 아프리카, 유럽의 인터넷, 방송, 통신 중계에 사용될 위성으로 6.5톤 정도의 무게를 가져 사실 Falcon 9으로도 충분히 궤도에 올릴 수 있었다. 그런데도 더 큰 그러나 확실한 검증이 안된 Falcon Heavy를 택한 데는 주요한 이점들이 있었다고 본다.

우선 Falcon Heavy의 추력에 여력이 있어 위성을 통상의 경우보다 훨씬 빠른 속도로 천이궤도로 넣어 줌으로써 타원형을 그리는 천이궤도에서 여러 번의 분사과정을 통해 원형의 정지궤도로 안착하는데 필요한 위성자체의 연료소모를 절약할 수 있어 위성수명을 20%정도 연장되는 점이다. 설게수명이 15년인 Arabsat 6A는 고에너지 천이궤도에 던져짐으로써 18년에서 20년까지 수명이 길어질 것이라는 예측이다.

다음은 위험을 무릅쓰고 Falcon Heavy의 최초상업 발사를 택함으로써 적지 않은 할인을 받았을 것이라는 점이다. 공식 발사비는 9000만불(1050억원)이지만 비밀엄수 계약을 해서 실제 발사비는 밝히지 않았지만 아마도 상당한 할인을 받았음을 암시했다


궤도에서의 Arabsat 6A

60여대의 정지궤도, 중궤도 위성들을 보유한 세계 최고의 상업위성회사인 LuxembourgSES사도 위험을 떠안으면서 Falcon 9의 초기 발사기회를 최대로 활용해 발사비를 아껴 현재의 성공적인 기업이 되었다. (https://blog.naver.com/spsssjk 참조)  Arabsat도 아랍 21개국의 투자에 의해 이루어졌지만 일종의 민간기업(사우디 아라비아가 최대 주주)으로 모험을 택하는 대신 비용 절감을 이룬 것이다. 국민 세금을 쓰는 국가기관들은 실패를 용납하기 힘들어 많은 비용을 내더라도 최고의 안전을 추구하는 경향이 있다. 미국 국방부는 소위 엄청 까다로운 군규격(military specification) 내세워 2, 3배의 비용도 마다 않고 발사업체를 고르기도 한다.


이번 Falcon Heavy 발사의 과정을 한번 살펴보도록 하자.


1.T+0:0:0: 발사  Merlin 4D+엔진 9개를 장착한 Block 5코어로 1단과 양쪽 부스터를 구성해서 약 2330톤의 추력으로 이륙. 이륙시 무게가 1400톤 정도되므로 이륙시 가속도는 1.67G 정도이다


2.T+0:01:09: 최대동압(MaxQ, Maximum Aerodynamic Pressure) 로켓의 시속 1100Km, 고도 12Km 추력에 의해 속도가 높아지는 반면 대기 밀도가 낮아지므로 공기흐름에 의한 공기압력은 계속 증가하지 않고 최대가 되는 순간을 지나면 도리어 낮아져 우주로 가면 없게 된다. 최대동압은 공기에 의해 구조물에 가해지는 힘이 최대 시점이고 구조물이 안전 설계는 이 압력을 기준으로 한다.


3.T+0:02:34: BECO(Booster Engine Cut-Off) 로켓의 시속 5800Km, 고도 58Km 2개의 양 옆 Booster의 엔진을 끄고 분리를 준비한다.


4.T+0:02:38: Booster 분리 로켓의 시속 5880Km, 고도 60Km 대략 15층 높이의 양 옆 Booster를 분리하는 단계. 발사장근처 착륙지점에 나란히 내리게 된다.


5.T+0:03:03: 귀환점화(Side Booster Back burn) 로켓의 시속 7590Km, 고도 77Km 130초 후인 430초에 귀환부스터 엔진 끔. 착륙 전에 2번 더 점화함


6.T+0:03:36-40: MECO(Main Engine Cut-Off)1단분리 로켓의 시속 10730Km, 고도 100Km


7.T+0:03:50: 2단 엔진 점화 로켓의 시속 10680Km, 고도 110Km


8.T+0:04:10: 페어링 분리 로켓의 시속 11260Km, 고도 122Km


9.T+0:06:14: Booster 귀환용 진입점화(Entry Burn) 로켓의 시속 15500Km, 고도 160Km 630초에 엔진끔


10.T+0:07:10: 메인코어 귀환용 진입점화 로켓의 시속 18400Km, 고도 165Km


11.T+0:07:32: Booster 착륙점화 로켓의 시속 19770Km, 고도 166Km


12.T+0:07:50: Booster 착륙 로켓의 로켓의 시속 20690Km, 고도 166Km




13.T+0:08:58: SECO 1(Second Engine Cut-Off 1) 로켓의 시속 26720Km, 고도 164Km   2단엔진 1차로끔, 추력이 없는 채로 약간의 상승 운동을 지속. 따라서 고도는 약간씩 떨어짐14.  T+0:09:55: 메인코어 착륙


14. T+0:09:55: 메인코어 착륙




15.T+0:27:38: 2단엔진 2차점화 로켓의 시속 26570Km, 고도 198Km. 거의 19분간 엔진 추진력 없이 비행해서 아프리카 서해안 상공까지 간 후 다시 점화하여 속도와 고도를 올림.


16.T+0:29:05: 2단엔진 2차소화 로켓의 시속 36700Km, 고도 223Km. 로켓의 모든 추진 마치고 위성 투입 준비


17.T+0:34:04 Arabsat 6A 궤도투입 로켓의 시속 35200Km, 고도 715Km 통상의 정지궤도용 천이 속도보다 더욱 빠르게 투입했다. 소위 고에너지(High-Energy) 천이궤도 투입으로 원지점이 훨씬 먼 타원궤도에 투입한 것으로 위성이 정지궤도로 오르기 위해 필요한 3회의 원지점 추진(Apogee Kick) 시 훨씬 적은 에너지가 필요하게 되어 위성의 연료절약에 기여하게 된다. 현재 Arabsat은 굉장히 길죽한 타원궤도를 돌고 있으며 정지궤도로의 궤도 변환을 준비중인 것으로 보인다.


Perigee(근지점): 330.9 km

Apogee(원지점: 90,085.3 km
Inclination(
위성궤도 경사각): 23.0 °Period(지구 1주 주기): 1,943.0 minutes


통상적인 정지궤도로 올라가는 통상적인 3번의 분사 과정(Apogee Kick)


성의 수명이 대체적으로 탑재연료에 의해서 좌우되는데 이렇게 연료절약을 함으로써 위성수명이 20%정도 길어진다고 한다. 이 장점은 Falcon Heavy 로켓의 앞으로의 새로운 마케팅에 활용하게 될 것으로 보인다.




정상적인 정지궤도용 천이궤도

 














댓글 5

  • 로직 2019-04-14 추천 0

    이런데 세금을 써야하죠 그것도 장기적으로 꾸준히
    그래야 성과가 있는거죠...눈앞에 돈만연연하면 이런성과 절대 안나옵니다
    돈과 시간안들이고 성과바라는게 꼰대 마인드죠 썩은꼰대

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  • 화력터널 2019-04-14 추천 0

    부럽다...

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  • 래이맨 2019-04-14 추천 0

    정말 대단하고 부럽습니다.
    민간이 국민세금 안쓰고 큰 비용도 안들이고 엄청난 기술적 진보를 이루어 냈군요.

    댓글 (2)

    래이맨 2019-04-15 추천 0

    정부로 부터 개발자금 안받고 회사돈으로 개발했으면 국민세금 안쓴거죠. 간단한 겁니다.
    나사가 옛날에 아무리 많을 돈을 써도 오늘 머스크같은 인간이 없으면 아무 일도 안 일어납니다.
    우주산업에서 저런 결과를 만드는데 저 정도 돈으로 했으면 큰 비용 안든거라는 거죠..

    요호 2019-04-14 추천 0

    * 기술 진보가 부럽다는 점 : 로켓 재활용 아이디어를 내고 실제로 해냈다는 점 매우 부럽고 동의합니다.
    * 국민세금 안쓰고 : Space X 기술 기반이 과거 NASA에서 개발 한 기술을 무시 할 수 없다는 점에서 국민세금 없이 뚝딱 만들어진 기술이 아니라, 오히려 국가의 장기간에 걸친 투자가 드디어 빛을 봤다고 생각이 듭니다.
    * 큰 비용 안 들이고 : 이미 투자 금액이 한 번에 천 억 단위는 수 차례 들어가고 있다는 면에서, 기존 발사체 대비 저렴하다는 맞지만 큰 비용을 안 들였다는것은 사실에 맞지 않다는 생각이 듭니다..

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