델타 4 헤비
[image]
1. 개요
델타 4는 현재 미국 유나이티드 론치 얼라이언스(ULA)에 의해 개발된 액체수소/액체산소 기반 로켓이다. 2004년도에 첫 발사가 이루어졌다.[1]
2. 상세
2017년 기준 미국에서 운용중인 발사체 중 가장 큰 중량과 가장 우수한 페이로드 탑재 능력을 가지고 있으며, 저궤도에 28톤의 페이로드를 발사할 수 있다. 델타 4 헤비의 경우 2019년 기준 총 11번 발사되었으며, 델타 4 헤비를 이용해 차세대 유인 우주선인 오리온의 시험발사가 이루어지기도 하였다. 발사비용은 대략 3억달러에서 3억 5천만 달러 가량이다.
2018년 2월 6일 발사에 성공한 팰컨 헤비로 인해 경쟁상대가 생겼다는 분석이다. 하지만 팰컨 헤비 재사용 버전과 델타 4 헤비를 비교하면 델타 4 헤비가 더 강력하다. 또한 효율적이기도 하다. 팰컨 헤비는 다시 발사장으로 되돌아갈 연료를 아껴야 하기 때문에 실질적인 연소 시간이 짧은데다 케로신을 연료로 사용해 비추력이 낮은 반면, 델타 4 헤비는 연료를 완전히 소모할 수 있고, 또한 액체 수소를 사용하기 때문에 비추력이 매우 높다. 게다가 2019년 시점 기준으로, 델타 헤비는 미국이 가지고 있는 유일한 3단 구성이 가능한 검증된 발사체이기도 하다. 따라서 가격면에서는 팰컨 헤비, 효율성과 안정성 등 목적에 따라서는 델타 4 헤비를 이용하는 식으로 용도가 나뉠 것으로 보인다. 펠컨 헤비와 델타 4 헤비 사이에 재미있는 경쟁이 펼쳐질 것이다. 사실상 상호보완관계.
ULA는 2014년 델타 헤비를 제외한 나머지 파생형에 대한 페이드 아웃을 선언했고, 결국 델타 미디엄 급의 경우 2019년 단종하고 쌓여 있는 주문량은 아틀라스 발사체로 처리하기로 했다.[2] 센터 코어는 델타 헤비에도 3개씩 쓰이기 때문에, 미디엄 급의 단종은 델타 헤비 생산 단가를 더욱 올리게 되는 결과로 이어졌으며, 결국 ULA는 2020년대 초반까지 델타 헤비를 판매하고 그 이후에는 벌컨 발사체로 완전 교체하겠다고 선언하였다.크기가 훨씬 작은 벌컨으로 대체가 가능한 이유는, 사실상의 유일한 고객[3]인 미국 정부가 발사하는 정찰 위성의 무게가 그리 무겁지 않기 때문이다.[4] 물론 그렇다는 것은 팰컨 헤비가 아니라 그냥 팰컨9으로도 쏘아 올릴 수 있다는 뜻도 되며, 실제로 SpaceX는 NRO의 위성을 쏘아 올리고 있다. 물론 정찰 위성을 운용하는 NRO는 벌컨 발사체의 개발 스케줄을 전혀 신뢰하지 않고 있기 때문에, 2023년치까지 델타 헤비로 정찰 위성을 쏘기로 계약을 잡아 놓은 상태이다.
그러나…그런 와중에 미국 군부가 스페이스X를 아예 신규 위성 발사 입찰에서 배제하고 ULA을 비롯한 다른 업체에 계약 건수를 몰아주다가 2019년 3월에 SpaceX로부터 고소를 당하는 사건이 터졌고 그 향방에 따라선 정말로 조기 퇴역하게 될 수도 있는 상황까지 오고 말았다.[5]
2020년, 엎친 데 덮친 격으로 SpaceX가 팰컨헤비에 3단 옵션을 추가하면서 외행성 탐사 미션을 수주하는데 성공했다.[6] 게다가 NRO가 정찰 위성의 경량화에 성공하면서, 기존의 델타헤비 미션이 벌컨 발사체도 아니라 기존의 아틀라스 발사체로도 가능해져 버렸고, NRO는 곧장 아틀라스 발사체로 미션을 발주해 버렸다. 이로서 델타헤비의 미래는 더욱 불투명해지고 말았다.
2020년 8월 29일, 최초로 발사에 실패했다. 카운트다운이 끝나고 lift-off 사인이 내려졌지만 델타 4 헤비는 이륙하지 못했고, 발사는 그대로 중단되었다.
2020년 9월 30일 발사 역시 실패했다. 앞서 실패했던 8월 29일의 발사에 이어 시도된 발사 시도였으나, T-5초까지 카운트 된 후 대기 사인이 내려지면서 엔진 점화가 되지 않았고, 발사는 그대로 중단되었다. 탑재 화물은 앞서 실패했던 8월 29일 발사와 같은 NROL-44. 기밀 첩보위성이다.
2020년 12월 10일 동부 표준시 기준 오후 7시 40분에 마침내 발사에 성공했다. 화물은 앞선 두 번의 실패와 같은 NROL-44였으며, 연기 없이 깔끔하게 발사에 성공했다.
3. '''1단'''
델타 4는 액체수소/액체산소 기반의 추진체계를 채택하고 있으며, 액체수소의 작은 밀도로 인하여 매우 큰 부피를 가지고 있다. 각각의 추진제 탱크는 알루미늄-아이소그리드 구조가 적용되어 있으며 RS-68 엔진 1개씩, 총 3개가 탑재되어 있다.
RS-68 엔진은 이륙시 2,950kN의 추력을 제공하는 강력한 액체수소 엔진으로 비추력이 409초로 매우 우수하다. 노즐의 확장비는 약 21.5이며 연소실의 압력은 196bar이다. RS-68은 가장 기본적인 가스 발생식 사이클을 이용하고 있으며 현재는 개량된 RS-68A가 델타 IV 헤비 발사체에 탑재되고 있다.
델타 IV 헤비 로켓의 특징은 속도 증분을 증대시키기 위해 중앙 코어와 부스터 코어의 추력을 조절하였다는 점이다. 중앙 코어의 추력은 최대의 57.5 %로 양쪽 부스터들의 추력이 중앙보다 더 높게 설정되었다. 이는 부스터의 분리 시간을 더 앞당기게 되고 비행 과정에서의 사하중(Dead weight)를 감소시켜 속도 증분을 증대시키는 결과가 나온다. 이는 스페이스X에서 제안한 크로스 피드 기술을 제외하고는 부스터가 장착된 발사체의 비추력을 상승시키는 데에 가장 효과적인 방법 중 하나이다.
[image]
부스터와 코어에 달린 RS-68 엔진은 세계에서 가장 뛰어난 연소 효율을 지닌 가스 발생식 사이클의 액체 수소 엔진으로, 우주왕복선과 NASA의 차세대 발사체인 SLS의 메인 엔진인 RS-25 엔진보다 부품 수를 80% 이상 절감하였다. 엔진에는 브레이징 된 채널(Channel wall)을 통한 재생 냉각과 절삭형 재료를 이용한 삭마 냉각 방식을 적용되었다.
4. '''2단'''
의외로 2단을 메인엔진이라고 부른다. (1단은 부스터라고 한다.)
델타 헤비 로켓의 2단은 직경이 5m에 이르는 액체수소/액체산소 조합의 2단을 가지고 있다. 2단에서 액체 수소 탱크와 액체 산소 탱크는 각각의 벌크헤드(Bulkhead)가 트러스 구조로 연결되는 방식으로 설계 되었으며 두 탱크 사이의 공간은 압력 유지를 위한 액체 헬륨을 저장하는 탱크로 사용된다.
2단에는 약 110kN의 추력과 464초의 비추력을 가진 RL-10B 엔진이 장착되어 있는데 확장비가 커진 노즐을 통하여 아틀라스 V 로켓에 달린 RL-10 엔진보다 더욱 우수한 성능을 보여주고 있다.
RL-10 은 폐쇄형 확장 사이클로 수소 가스에 의해 터빈을 작동시킨다. 시동의 경우 진공 상태에서의 연소실과 연료 공급 체계 사이의 압력 차이를 이용하여 공급하며 스파크식 점화기에 의해 점화된다. 더불어 2단에는 MR-106D라 불리우는 21~41N의 추력을 지닌 소형의 하이드라진 추력기를 궤도 조절을 위해 장착되어 있다.
[image]
2단에 달린 엔진, 즉 메인엔진인 RL-10B 엔진은 폐쇄식 확장형 사이클.을 채택하고 있는 엔진이다. 확장형 사이클은 제곱 세제곱 법칙에 의해 추력이 비교적 작은 엔진에 적합하다.
[1] 이때 예상 성능을 발휘하지 못해 예정 궤도까지 도달하는데 실패하였다. 이것은 델타 4 헤비의 처음이자 마지막 발사 실패 기록이다.[2] 2019년 2월 기준 발사는 2회 남겨두고 있다.[3] 20년치 발사 스케줄 중에 민간 용도 발사는 단 1건, 2018년 파커 솔라 위성 뿐이고, 나머지는 전부 군사 위성 발사다. 물론 그 이후로도 민간 발사 스케줄은 없다.[4] 지금까지 발사한 정찰 위성 중 가장 무거운 것이 KH-11 위성으로 17톤 정도이고, 신형 위성들은 15톤 정도 되는 것으로 알려져 있다. 그 정도 무게라면 약간의 연료 손실을 감수한다면 벌컨으로도 쏘아 올릴 수 있다.[5] 물론 미국 군부 말로는 특정 업체가 계약을 독점하는 상황을 막기 위해서라고 하지만, SpaceX 등장 전까지 ULA가 미군 관련 발사 사업을 100% 독점을 해왔던 것을 생각하면 설득력은 거의 없다시피 하다.[6] 정확히는 3단 추진체 구성은 아니고, 3단 기능을 수행할 수 있는 대형 추진부를 장착한 위성 탑재 옵션이다. 화학 추진제 로켓 대신, 이온 엔진이 대세가 되면서 대규모 3단 구성이 더 이상 필수적이지 않게 된 탓이 크다고도 볼 수 있다.