 | | ▲ SR-XM 발사 장면 /출처: 마이크로코코즘 |
 | | ▲ KSR-3 발사 장면 /한국항공우주연구원 |
일론 머스크(Musk)는 기존 로켓의 10분의 1 가격으로 인공위성을 우주로 발사하는 사업을 하겠다는 꿈을
갖고 스페이스 엑스(Space X)를 2002년 설립하였다.
머스크는 값싼 로켓을 개발하고자 미국의 항공우주산업체에서 로켓을 연구 개발한 경험이 많고 혁신적인
아이디어를 가진 창의적인 인재들을 스카우트 하였다.
그 대표적인 인물은 마이크로코즘(Microcosm Inc.)에서 우주시스템 부장으로 저가 로켓시스템을 연구개발을
지휘하던 그윈 쇼트웰(Shotwell)과 독일에서 항공
우주공학박사학위를 받은 유도제어 전문가 한스 퀘니히스만(Koenigsmann) 그리고 TRW에서 저가 로켓
엔진을 연구해온 톰 뮐러(Tom Mueller)등이다.
미국에서 저가 로켓기술(Low-cost rocket technology)에 대한 연구는 오래전부터 진행되고 있었다.
1996년에는 미국항공우주학회(AIAA)에서 개최한 로켓추진공학회에서 이 분야에 대한 단기강좌를 개설
하였고 필자도 이 강좌에 참석하였다.
당시 미국의 몇몇 우주분야 벤처나 중소기업들이 저가 로켓개발에 관심이 많았는데 마이크로코즘(Microcosm
Inc.)이 대표적이었다.
현 스페이스엑스 사장인 그윈 쇼트웰을 비롯 부사장 한스 퀘니히스만 등 많은 로켓엔지니어가 마이크로코즘
출신이다.
마이크로코즘에서는 미 공군의 프로젝트로 2회에 걸쳐서 저가 로켓을 개발하여 발사하였다.
첫 번째 저가 로켓 SR-S는 직경 46㎝, 길이 8m 무게 821㎏인데 2268kf의 추력으로 1999년 1월 27일 170㎞
까지 올리는데 성공하였다.
그리고 2번째 로켓 SR-XM은 직경 1m 길이 12m,무게 3t인데 액체산소와 등유를 추진제로 4540kgf의 추력을
발생시켜 2001년 3월 9일 모하비 사막에서 발사 55㎞까지 성공적으로 올리기도 하였다.
현재 스페이스X 사장인 쇼트웰이 마이크로코즘에서 SR-XM을 개발할 때 중요한 역할을 했기 때문에 이들
로켓이 팔콘 1 우주로켓의 모델이 되었을 것이다.
필자도 96년의 미국의 저가 로켓기술 단기강좌에서 배운 아이디어를 한국 최초의 액체 추진제 과학로켓인
KSR-3를 개발할 때 많이 활용하였다.
우리의 KSR(Korea Sounding Rocket)-3와 마이크로코즘의 SR-XM, 팔콘 1을 비교해보면 다음과 같다.
마이크로코즘은 1990년대부터 복합재료로 추진제 탱크와 엔진을 만드는 저가 우주로켓을 개발의 좋은 아이디어와 기술을 갖고 2번의 과학로켓까지 발사
하였으나 위성발사용 우주로켓 스콜피어스(Scolpius) 개발에 필요한 재원을 확보하지 못해 위성을 발사할 수 있는 규모의 저가 우주로켓 개발은 진행시키지
못하였다.
이 때 머스크가 개인 재산 1억 달러(1100억원)를 투자하여 스페이스 엑스를 세우고 저가 로켓 개발 사업에 뛰어 들면서 저가 과학로켓을 발사해본
마이크로코즘의 핵심연구원과 TRW의 연구원을 중심으로 저가 우주발사체 사업을 준비하게 된 것이다.
위의 표에서 보듯이 KSR-3와 SR-XM은 직경은 같고 길이만 KSR-3가 2m 더 길다.
KSR-3는 2002년의 11월의 첫 발사에서43㎞를 상승하였다.
두 로켓 모두 가압식이지만 마이크로코즘의 SR-XM은 추진제 탱크를 모두 복합재료로 만들어 KSR-3보다 가볍게 제작하여 55㎞까지 상승할 수 있었다.
2002년 설립된 미국의 인공위성 발사서비스 벤처기업인 스페이스 엑스는 마이크로코즘의 SR-XM을 기반으로 4년 뒤인 2006년 팔콘 1 저가 우주로켓의 개발에
성공했다.
ㆍ팔콘 1
팔콘 1 로켓은 미국공군사관학교에서 개발한 무게 19.5㎏, 길이 32㎝짜리용 정육면체 우주플라스마 측정용 소형인공위성인 팔콘셋(FalconSAT)-2를 경사각
39도인 450㎞궤도에 발사하는 것을 목표로 개발되었다.
2005년 11월까지 발사하는 것이 목표이고 발사가격은 750만 달러(약 85억원)을 제시하였다.
초기의 팔콘 1 로켓은 2단 액체 추진제 로켓으로 전체 길이는 21.3m, 직경 1.7m이며, 발사할 때 무게는 26,533㎏이다. 첫 발사는 개발을 시작한 지 4년 만인
2006년 3월 24일 하와이 남서쪽 4023㎞ 떨어진 콰절린(Kwajalein) 산호섬의 미 육군의 로널드 레이건 유도탄 방어 시험장에서 발사됐다.
발사 25초 후 연료의 유출로 발사는 실패로 돌아갔다.
☞ Premium Chosun ☜ ■ 채연석 과학기술연합대학원대학 교수 gogospace@naver.com
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일론 머스크가 세운 스페이스 엑스 팔콘 1의 특징은?
두 번째 발사는 1년 뒤 이루어졌다.
2007년 3월 21일 발사된 팔콘 1 호는 1단 로켓이 성공적으로 작동하고 2단 로켓은 고도 289㎞에서 초속 5.1㎞의 속도를 만드는 것으로 만족해야했다.
위성 발사에는 실패했지만 원래 계획의 95%정도 성능을 발휘하였기 때문에 희망이 보였다.
2번의 발사 실패를 겪으면서 1단 로켓 엔진의 성능을 높일 필요가 있었다.
1단 로켓의 엔진을 머린 1A 엔진에서 그 동안 개량한 머린 1C엔진으로 교체하였다.
머린 1A엔진은 연소실과 노즐 부분을 복합재료로 만들어 냉각시스템이 없이 내열재를 삭마시키면서 냉각시키는 형태의 엔진이지만 1C 엔진은 연소실과 노즐을
연료로 냉각하는 재생냉각 시스템을 갖춘 엔진이었다.
두 엔진을 비교하면 다음과 같다.
엔진의 값은 더 비싸지만 성능이 좋고 무게가 가벼워졌다.
1단 로켓은 직경 1.7m, 길이 15m, 추진제로 액체산소와 등유를 사용하여 해면에서 35,561kgf의 추력을 발생하는 머린(Merlin) 1C 터보펌프 엔진을 사용하며
169초 동안 작동한다.
지상에서의 비추력은 255초(진공 비추력 304초)이며 연소실 압력은 825psi(62.6kgf/㎠) 엔진의 최대직경은 1250㎜이다.
추진제를 채우기 전의 무게는 1.451t, 추진제를 채운 무게는 22.851t이다.
머린 1C 엔진의 특징은 단일 분사기를 사용하여 엔진의 제작가격을 저렴하게 한 점도 큰 특징이다.
2단 로켓은 직경 1.678m, 길이 2.7m, 액체산소와 등유를 추진제로 사용하여 진공상태에서 3.16ton-f의 추력을 발생하는 가압식 케스트렐(Kestrel) 엔진을
사용한다.
연소시간은 378초에서 414초로 늘렸으며 비추력(진공)은 320초, 엔진의 무게는 52㎏이다.
추진제의 무게는 3.387t, 2단 로켓 전체의 무게는 4.581t이다.
1개의 헬륨 가스 추력기를 롤(roll) 조종용으로 사용한다.
페어링은 길이 3.5m, 직경 1.5m 인데 무게는 145㎏이다.
 | | ▲ 팔콘 1 발사 장면 /Wronkiew |
2008년 9월 28일 팔콘(Falcon) 1을 개량하여 인공위성의 첫 발사에 성공하였다.
스페이스 엑스 사는 6년 동안 4번의 발사 시도 끝에 무게 165㎏의 인공위성 RatSAT을 궤도에 올리는데 성공하였다.
그리고 2009년 7월 14일 한국의 쎄트렉아이가 말레이시아에 납품한 무게 180㎏의 라작셋(RazakSAT)을 근지점 621㎞ 원지점 643㎞, 경사각 9.3도의 지구
저궤도에 진입시키는데 성공하였다.
민간이 개발한 저가 로켓 팔콘의 인공위성 상업발사성공으로 상업발사서비스시장에 큰 변화가 예고된다. 팔콘 1 저가 우주로켓의 특징은 다음과 같다.
(1) 1, 2단의 추진제를 같은 종류를 사용한다.
(2) 액체산소와 케로신(등유)와 같은 가장 값싼 추진제를 사용한다.
(3) 2단 로켓으로 표준 로켓을 설계한다.(다단 로켓 일수록 단 분리시스템이 추가로 필요)
(4) 추진제 탱크의 직경을 도로에서 이동이 가능한 크기로 한다.
(5) 한 장소에 시험시설을 모은다.
(6) 구조가 가장 간단한 로켓엔진을 사용하여 제작비와 제작시간을 줄인다.
(7) 터보펌프의 축이 하나인 것을 사용.
(8) 팰콘 1의 1단 엔진과 팰콘 9의 1, 2단 엔진을 같은 것을 사용.
(9) 산화제와 연료탱크의 사이에 구조체(interstage)가 없도록 같은 돔을 사용하도록 설계하여 구조체의 무게를 가볍게 한다.
(10) 추진제 탱크의 재료를 알루미늄-리티늄 합금(aluminum-lithium alloy)을 사용하여 강하면서 가볍게 만든다.
(11) 복잡한 구조체제작에 3D 프린터를 이용한다.
(12) 1단 로켓을 재사용한다.
일론 머스크가 자기 재산의 반이 넘는 1억 달러를 투자 저가 우주로켓을 개발하여 위성발사서비스시장을 정복하겠다는 구상을 할 수 있었던 이유는 어려서부터
우주개발의 꿈을 갖고 있었고 마이크로코즘의 저가 로켓 SR-XM의 성공적인 발사로 저가 우주로켓 개발에 자신감이 있었기 때문이었다.
머스크가 스페이스 엑스를 설립하던 2002년 우리나라도 저가 액체추진제 로켓 KSR-3의 발사에 성공했기 때문에 시작은 앞섰으나 아직도 독자적인 우주
발사체를 갖고 있지 못한 점은 큰 아쉬움이다.
팔콘 1 우주로켓으로 소형인공위성의 상업발사에 성공한 머스크는 무게 1t의 위성을 저궤도에 발사할 수 있는 팔콘 1e의 개발을 계획하였으나 이를 취소하고
바로 정지궤도에 위성을 발사할 수 있는 대형우주발사체인 팔콘 9의 개발에 도전하였다.
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