팰컨 9
[clearfix]
1. 개요
'''팰컨 9'''은 미국의 민간기업 스페이스X에서 개발한 2단 우주발사체이다.[3]
우주 개발 역사상 재사용이라는 개념을 최초로 도입한 발사체이며[4] 덕분에 기존의 발사체에 비해 거의 '''절반 가까이 저렴한''' 발사비용과 로켓 사이즈에 비해 높은 효율성으로 출시 당시 일대 파란을 몰고 왔었다. 민간기업 또한 우주개발에 주도적으로 참여할 수 있다는 것을 확실히 각인시킨 발사체로 평가받는다.
2. 상세
현재 LEO까지 22,800kg의 화물을 발사하는 Block5 고객으로부터 받는 1회 발사비용은 5000만 달러 정도로 kg당 약 2,200달러라는 매우 싼 가격이고 재사용 로켓을 사용하는 경우에는 이것에서 30% 할인해 준다고 한다. 이는 아리안 로켓 등 경쟁업체들의 발사가격의 1/5 정도에 불과하다.
팰컨9에서 9라는 숫자는 1단에 사용되는 엔진 개수를 뜻하는 것이고, 9번째란 뜻은 아니다.[5]
2017년 3월 30일 인공위성 발사 미션에서 1단 로켓의 재사용에 성공함으로써 2017년 기준으로 세계에서 유일한 재사용 가능한 상용 우주발사체가 되었다.
3. 개발
스페이스X사에서는 이전의 팰컨 1 로켓을 개발할 때는 직접 자금을 충당했지만, 팰컨 9를 개발할 때는 '''NASA'''라는 든든한 지원군이 있었다. NASA에서는 ISS에 화물을 실어나르는 비용에 부담을 느껴 이를 민간기업에 이양하려는 계획이 있었고, 이러한 COTS(Commercial Orbital Transportation Services) 계획에 화물수송에 사용할 수 있는 민간 발사체와 우주선 개발을 지원하기로 한 것. 여기에 스페이스X사가 선정되면서 NASA의 자금과 기술 지원을 받으면서 개발을 할 수 있게 되었다. 이에 따라 개발된 발사체와 우주선이 팰컨 9와 드래곤이다. 그리고 유인 캡슐인 드래곤 V2가 2010년부터 진행된 상업 승무원 수송 프로그램[6]에서 보잉 CST-100과 함께 최종 후보로 꼽히며 더욱 연구개발에 힘을 얻었다.
이 팰컨 9의 개발과 시험에 들어간 개발비는 4억 4천 3백만 달러가 소요되었다. 만약 미국 NASA가 같은 정도의 로켓을 자체적으로 개발했더라면 약 40억 달러 정도가 소요될 것으로 추산되었다. 비용 분석보고서 이 액수도 팰컨 1의 개발에 소요된 9천만 달러를 포함한 것이고 순수하게 팰컨 9의 개발에 든 액수는 3억 달러가량으로 알려져 있다. NASA도 직접개발보다는 가능하면 상용품 (COTS, commercial off-the-shelf) 제품을 적극적으로 채용하면 예산을 크게 줄이고 불확실성 과 위험을 줄일 수 있다는 주장의 강력한 근거이다. #
1.0 버전은 2006년부터 개발을 시작하여 불과 4년 만인 2010년에 첫 시험발사를 수행해 성공하였고, 2012년에는 최초로 상업적인 발사를 하였다. 엔진이 개량되고 배치가 약간 변경되는 등의 변화를 거친 1.1버전은 2010년에 개발을 시작해서 2013년에 첫 발사에 성공하였다. 최종 업그레이드 버전인 Block5은 2018년 5월 11일에 첫 발사에 성공하였으며, 8월 7일 첫 재발사에 성공하였다.
3.1. 경쟁 로켓
미국 내 경쟁 발사체로는 ULA의 아틀라스 V, 델타 IV가 있고, 그 외에도 위성 발사 영역에서는 유럽 ESA의 아리안 5와 기타 중국/러시아 로켓들과 경쟁한다.
본래 민간 기업은 NASA의 지원을 받았더라도 국제우주정거장 보급을 제외하면 민간 위성만 발사가 가능했으나, 스페이스X가 2015년 말에는 로켓 회수를, 또 2017년 초에는 로켓 재발사를 성공하여 가격을 획기적으로 낮춤으로써 현재 미국 내, 아니 전 세계 최저가 발사체로써 활약 중이며 최근에는 ULA를 밀어내고 GPS-3 위성과 NRO 위성, 그리고 X-37B 실험기 발사미션을 따냈다. 스페이스X는 전 부품을 자체 생산, 즉 미국산 부품만을 사용하는 데 반해 주 경쟁 모델인 ULA의 아틀라스 V는 메인 엔진이 러시아산이라 스페이스X의 애국심 마케팅을[7] 이길 수 없었기 때문이다. 이 러시아산 엔진 문제는 미국 정치권에서 큰 논쟁을 불러일으킨지라 ULA는 새로운 엔진 공급 파트너를 찾지 않으면 안 되게 되었고 이 과정에서 자체적인 로켓 엔진 기술을 완성단계로 개발하고 있던 또 다른 민간 우주기업인 블루 오리진도 엔진 공급자로 수혜를 입게 되었다.
4. 특징
4.1. 1단
팰컨 9의 1단은 직경이 3.66m, 높이가 42.6m이며 공중량은 약 22,000kg이다. 케로신/액체산소 기반의 추진방식을 채택하고 있으며 9개의 멀린 1D+ 엔진이 장착되어 있다. 1단의 연료 탱크 벽과 돔은 알루미늄-알로이 재질로 제작되었으며 착륙다리는 탄소섬유 재질을 허니콤적극적으로 채용하고 있다.
또한 더 많은 액체 산소를 탑재하기 위해 액체 산소는 끓는점보다 10도 이상 낮은 온도에서 저장되고 있다. 이를 통해 액체 산소의 밀도를 기존보다 8% 상승시킨 1.338g/cm^3 까지 높일 수 있었다. 멀린 1D+ 엔진은 개방형 가스 발생기 사이클을 사용하고 있는데, 스페이스 X사는 다단계 사이클에 비해 비용이 저렴한 개방형 가스 발생기 사이클을 적용하여 팰컨 로켓의 경제성을 높이고자 하고 있다.
멀린 엔진은 1A 버전부터 1D+ 버전까지 지속적인 개량을 통하여 높은 온도와 압력, 추력 조건에서도 우수한 작동 컨디션을 보여줄 수 있도록 개량되었다. 엔진은 약 845kN의 추력과 282초의 비추력을 가지고 있다. 또한 노즐 확장비는 14.5에서 16으로 확대되었으며 추력 대 중량비는 198:1에 이른다. 엔진은 40%~100%까지 추력을 조절할 수 있도록 설계되었으며 유압식 추력편향 기능과 TEA-TEB 재시동 기능이 있다.
4.2. 2단
2단은 팰컨 9의 1단에 사용되었던 멀린 1D에서 노즐의 확장비 165:1로 증가시킨 멀린-1D vacuum을 기반으로 한 케로신 추진체계를 가지고 있다.
2단도 발사 비용을 줄이기 위해서 직경이나 구조적 측면에서 1단의 그것과 많은 부분을 공유하고 있다. 연료 탱크는 알루미늄-리튬의 모노코크 구조로 이루어졌다. 2단의 조종 컴퓨터는 c++ 언어로 제작된 리눅스 기반에서 작동된다
4.3. 엔진
4.3.1. 멀린 엔진(Merlin Engine)
항목참조
4.4. 재사용
스페이스X의 야심을 엿볼 수 있는 부분. 위성을 우주로 쏘아올리기 위해 다 쓴 발사체를 그대로 버리는 현재의 방식[8]에서 벗어나, 쓰고난 발사체가 '''스스로 날아서 다시 땅에 수직 착륙하는''' 새로운 방식의 발사체이다.(!)
이러한 재사용 발사체에 대한 연구 자체는 70년대쯤부터 시작되었고 우주왕복선 역시 중앙의 연료탱크를 제외한 나머지 부분이 재사용 가능한 발사체였다.[9]일론 머스크는 트위터를 통하여 2단 재사용을 구상하고 있다는 내용을 발표했고, 이후 한 걸음 더 나아가 페어링을 포함한 발사체의 모든 부분이 완전히 재사용 가능한 발사체를 구상 중이라고 밝혔다.
2020년 3월 현재 재사용이 가능한 부분은 1단 로켓과 페어링 부품이다. 그 기본적인 원리는 이러하다.
- 로켓의 1단을 분리할 때 아직 연료와 산화제가 조금 남아있는 상황에서 분리를 한다.
- 그 뒤 RCS로 진입각을 잡고 그대로 낙하하다 상단부의 스티어링 핀(그리드 핀) 을 펼쳐 약간의 감속효과와 각도 조정을 한다.
- 성층권에 본격적으로 진입하면 3대의 1단계 엔진을 점화하여 대기와의 마찰을 최소화한다. 이 과정을 Entry burn이라 부르며, 불꽃이 로켓 하단부에 조금 튀면서 1단 로켓이 불에 그을리는 원인이 되긴 하나 이 과정을 생략할 시 로켓이 대기와의 마찰에 의해 파괴될 수 있어 중요하다.
- 지면과의 거리가 좁혀지면 엔진을 재점화하여 감속, 착륙기어를 펼쳐 착륙한다.
그러나 2015년 12월 22일 드디어 1단 육상 착륙 실험이 성공했다.(착륙 장면은 32분 10초 부분부터 시작된다.)[13] 11개의 저궤도 위성을 쏘아올리는 OBRCOMM-2 미션에서 1단의 착륙이 성공하였다.
그리고 2016년 4월 8일(미국 동부표준시 기준) 드디어 바지선에서 1단 추진체의 해상 착륙이 성공하였다. 바지선 착륙 시도로는 다섯 번 만에, 4전5기로 성공한 셈.
2015년 말 착륙한 B1019 부스터는 현재 스페이스X 본사 앞에 정태보존 중이며, 2016년 4월 착륙한 B1021 부스터는 이듬해 3월 룩셈부르크 국적의 통신위성인 SES-10 발사 미션을 한번 더 뛰어 인류 최초의 완전재활용 로켓 타이틀을 얻은 다음 케이프 커내버럴에 정태보존 중이다.
안정적인 육상 기지에 착륙하지 않고 굳이 바다 위의 무인 바지선에 착륙하려는 이유는 1차 로켓의 연소가 끝나면 바다 위인 경우가 대부분이라 육지기지로 돌아오려면 그만큼 연료가 필요하므로 연료를 많이 남겨야 하고 로켓에 실을 수 있는 화물도 줄어들게 되기 때문이다. 바다에서 회수하면 회수에 연료가 적게 들어 경제적으로 유리하다. 또 발사 궤도에 따라 회수 지점도 달라지는데 바다 위의 바지선은 육상기지보다 훨씬 자유롭게 착륙 위치를 선정할 수 있다. 앞으로도 화물과 발사궤도에 따라 바지선과 육상 기지를 선택한다.
재미있는 점은 지금 실험용으로 쓰고 있는 착륙용 무인 바지선들의 이름이다. 하나는 "Just Read The Instructions(일단 설명서를 읽어봐)"이고, 다른 하나는 "Of Course I Still Love You(물론 아직 널 사랑한단다)"[14]이다. 이언 뱅크스의 SF소설시리즈 '컬처'에서 나온 우주선들의 이름을 따온 것. 현재 건조중인 바지선으로 "A Shortfall Of Gravitas"이다.
2017년 9월 14일 스페이스X에서 착륙 실패 영상을 '''직접''' 편집해 올렸다! 영상 BGM을 몬티 파이선의 주제가로 선택해 지난 과거의 쓰디쓴 실패를 유머러스하게 추억하는 모습이다.
[image]
페어링도 재사용한다. 왼쪽의 "Mr.Steven" 이라는 배를 이용하여 배에 걸린 거대한 그물로 페어링을 잡게 된다. 페어링은 패러포일로 감속하여 일종의 패러글라이더 같이 배의 그물에 안착하게 되는 것이다. 2019년 2월 22일 Nusantara Satu 미션 도중 페어링 낙하 예상해역의 악천후로 인한 파도 때문에 그물 지지대가 반파되어 수리에 들어갔고, 대신 드래곤 캡슐 회수용 선박인 Go Searcher를 4월 12일 팰컨 헤비의 Arabsat-6A 미션 당시 대서양에 보내 성공적으로 페어링을 회수하였다. 이 페어링은 이후 스페이스X의 위성 인터넷 서비스인 Starlink 시스템 위성 발사미션에서 재활용할 예정이다. 그리고 2019년 6월 23일 Mr.Steven이 수리가 완료됨과 동시에 Ms.Tree로 개명되었고 팰컨 헤비의 STP-2 미션에서 페어링을 회수하는 데 성공했다. 최근 발사된 팰컨 9에서도 페어링 회수에 성공했다. #
블록 5 버전 기준 1단계 부스터를 3~4회 재사용해 보는 것을 목표로 하고 있으며, 블록 5 버전 기준 1단계 부스터를 큰 수리 없이 10회까지 재사용하는 것을 염두하고 있다. # 2019년 현재 스페이스X가 보유 중인 부스터들 중 다수가 재사용되었으며, 특히 B1048 부스터는 '''5회''' 사용되어 민간 우주 개발 역사의 새 장을 몸소 써나갔지만 5회째 발사후 착륙 과정에서 착륙에 실패하여 파괴되었다. 하지만 이후 B1051 부스터가 8회의 발사및 착륙에 성공하여 재사용의 역사를 다시한번 갈아치웠다! 1단계 부스터 사용 현황 일람
팰컨 9의 2단의 회수는 더 난이도가 높은데, 대기권 바깥까지 나간 발사체를 다시 재진입시켜 착륙해야 하기 때문이다. 현재 팰컨 헤비에서의 1단 재사용만 보아도 그 난이도를 짐작할 수 있는데, 먼저 연료를 소진하고 분리되는 사이드 부스터는 회수에 모두 성공했지만, 이후에도 더 분사를 지속하여 높은 고도까지 올라갔다가 분리된 후 해상에 착륙해야 하는 센터 코어는 많은 실패를 보이고 있다. 2단을 회수하려고 한다면 현재 센터 코어의 회수보다 더 높은 난이도에 도전해야 하는 셈.
2단 회수를 위한 아이디어로 대형 파티 풍선을 달아서 에어바운스에 착륙시킨다거나, 풍선 형태의 낙하산인 Ballute를 전개하여 감속하며 착륙시키는 등의 아이디어가 흘러나온 바 있지만, 모든 부분의 발사체를 재활용하고자 하는 최종 목표는 팰컨 9 시스템에서는 근시일내에 실현되지 않을 가능성이 크다. 이는 현재 스페이스X가 진행중인 스타쉽 때문인데, 스타쉽의 2단 부분이 SSTO로 사용될수 있는 모듈로 개발되고 있기 때문이다. 일단 2020년 현재는 팰컨 시리즈의 2단 재사용은 시도하지 않고 있다. 스타쉽의 빠른 진척을 고려하면 2단 재사용까지는 포기한 것으로 보인다.
5. 버전 및 발사 기록
6. 팰컨 9-R
R은 Reusable의 약자이며, 말 그대로 재사용 가능한 팰컨 9이다. 이전에는 '재사용 가능한 '''버전의''' 팰컨 9' 라고 서술되어 있었으나, Falcon 9-R은 기존 Falcon 9에 랜딩기어를 장착하여 재사용이 가능하게 만드는 계획이며, 이 계획의 이름이 적용된 실험용 로켓은 있으나 위에서 서술된 통상적인 Falcon 로켓을 의미하는 '''버젼명'''은 아니다. 즉, CRS-6에 사용된 발사체는 분리 후 낙하. 대기 진입중 역추진하여 ASDS에 착륙하려다 실패했는데, 이는 Falcon 9-R 계획이 적용된 Falcon v1.1에 CRS-6이 실려 발사된 것으로 정리할수 있다.
시작 시기는 Falcon v1.0과 Falcon v1.1 사이이며, 초기에는 Grasshopper[15] 로켓을 이용해 실험하였으며, 그 이후에는 F9R Dev[16]1, 2를 이용해 시험비행을 하였다.
Grasshopper는 Falcon 9 v1.0의 연료탱크에 멀린-1D엔진을 조합에 접이식이 아닌 착륙지지대를 부착한 형태이다.
[image]
744m까지 상승 후 제자리에 착륙하는 시험을 헥사콥터로 촬영한 영상.
F9R Dev는 Falcon v1.1 1단부에 연료탱크를 키우고 엔진을 하나만 장착한 형태이며, 지지대는 CRS-6의 발사에 쓰인 Falcon 9 처럼 접이식이지만 '''펼친'''상태로 발사된다.
[1] 재사용하지 않을 경우[2] 재사용하지 않을 경우[3] NASA가 행성간 운송수단인 초대형 로켓인 SLS를 제외하고 자체 발사를 포기하면서 하청을 맡기는 기업이니 사실상 운영 주체의 차이이지 국영이든 민영이든 미국의 우주발사체의 최첨단을 달리는 기업이라 볼 수 있다.[4] 우주선에서는 이미 우주왕복선이 먼저 재사용을 선보인바가 있었다.[5] 팰컨2, 팰컨3 등은 없지만, 팰컨1은 존재한다. 이는 미국식 로켓 작명법에 따른 것으로, 로켓 모델명 뒤에 붙는 숫자는 보통 메인 엔진 개수가 좌우한다. 유명한 새턴 V 로켓 역시 알파벳 V가 아니라 로마 숫자 V(5)로 메인 엔진인 F1 엔진이 다섯개 달려있기 때문에 '새턴 '''파이브''''라고 부른다.[6] 러시아의 소유즈에 의지하지 않고 민간 우주기업에 ISS 승무원 수송을 위탁하는 프로그램.[7] 아이러니하게도 스페이스X가 처음 정부 사업을 수주하려고 했을 때는 CEO가 미국 태생이 아니라는 점이 발목을 잡았다.[8] 기존 로켓은 자동차로 치면 목적지에 도착했을때 운전석만 남는것과 같다. 그러다보니 돈낭비가 엄청나다.[9] Solid Rocket Booster(SRBs)는 낙하산을 이용해 착수, 오비터는 활공해 활주로에 착륙[10] 개발 중이라서 해상에서 착륙을 실험한 것이 아니라, Falcon 9의 발사장은 크게 두 곳인데, 주로 쓰는 발사장은 케이프 커내버럴 공군기지 39A 발사대이다. 흔히 KSC, 존.F. 케네디 우주센터라고 불리는, 아폴로 시리즈와 30년간 셔틀을 쏘아올린 그곳. 이곳에서 쏘게 되면 ISS 등지로 가기 위해서는 자연스레 동쪽으로 쏠 수밖에 없는것. 이는 자전방향과 맞춰 Delta V를 아끼기 위한 것도 있다.[11] 참고로 두 번째 발사장은 미 공군의 극궤도 군사위성 발사기지인 캘리포니아주 반덴버그 공군기지에 있다. 이곳에서는 실제 상용 발사보다는 국방부 위성이나 테스트용 발사를 진행하지만 향후 팰컨 헤비의 데뷔전은 이곳에서 쏘기로 예정되어 있다.[12] 아깝게 됐지만 그래도 다행히 인명 피해나 재산 피해는 없는 듯하다.[13] 우주개발역사에 길이 남을 명장면 중 하나이다. 한치의 오차도 없이 발사체 스스로 땅에 착륙하는 모습에 직원들마저 놀라 착륙 순간 아수라장이 되었으며 해설위원들조차도 “Holy shit, we did it!(씨X, 우리가 해냈어요!)” 등 라이브 방송에 대고 욕설과 함께 환호를 질렀다.[14] 기존 1단 발사체를 바다에 그냥 버리는 방식과 달리 팰컨9은 회수하는 방식을 택했으므로 이를 대변하는 대표적인 바지선의 문구이다.[15] 번역하면 메뚜기. 이름 그대로 뛰어오른 뒤 착륙하는게 이 로켓의 목적에 부합하다 할 수 있다.[16] Falcon 9 Reusable Development Vehicle