스페이스 X, 팰컨(Falcon) 9 로켓은 무엇을 재사용할까?

팰컨 9 로켓은 스페이스 X를 대표하는 로켓이다. 그리고 이 로켓은 재사용이 가능하다는 점이 큰 특징이다. 

팰컨 9에서 "9"는 아홉번째를 의미하는 것이 아니고 엔진수가 9개여서이다. 팰컨 9은 멀린이라는 엔진 9개를 묶어서 만든 로켓이다.

지금까지 대부분의 발사체는 페이로드에 실은 화물을 우주로 보내는 임무를 수행한 후에 버려졌다. 그러나 팰컨 9은 사용한 발사체를 버리지 않고 바다나 땅에 다시 수직 착륙시켜 다시 사용하는 방식이다. 2024년 현재까지는 팰컨 9에 유일하게 적용되는 기술이고 이렇게 하므로써 발사 비용을 현저하게 절감할 수 있다.

발사체 재사용에 대한 연구는 1970년대 즈음부터 시작되었고 나사에서 사용했던 우주왕복선 역시 중앙의 연료탱크를 제외한 나머지 부분은 다시 재사용하는 방식이었다.

 

그렇다면 팰컨 9은 모든 것을 재사용하고 있을까?

결론은 "아직 모든 것"을 다 재사용하는 것은 아니다.

2024년 현재 재사용이 가능한 부분은 1단 로켓과 페어링 부품이다.

 

1. 1단 로켓 회수 ① 발사 후 1단 로켓의

연료와 산화제가 조금 남아있는 상황에서 1단 로켓을 분리하는데, 이를 MECO (Main Engine Cut Off)라고 한다. 시간은 보통 2분 30초 이내이며,  잔여 연료량은 일반적으로 약 5 ~ 10%이고 이는 페이로드의 중량에 따라 차이가 있다. 

② 그 뒤 RCS (Reaction Control System, 추력기)로 진입각을 잡고 낙하하다 상단부의 그리드 핀을 펼쳐 약간의 감속효과와 각도 조정을 한다.

그리드 핀(빨간 원)

③ 발사 6분 30초 즈음 성층권에 본격적으로 진입하면 3개 엔진을 점화하여 감속하는 Entry burn을 실행한다. 낙하 속도가 너무 높으면 대기권 진입 시 발생하는 단열 압축 효과로 인한 플라즈마 때문에 로켓이 파괴될 수 있는 터라 매우 중요한 과정. 평균 5,000~7,000 km/h에서 2,500 km/h 정도로 감속하는 것으로 알려져 있다. 

④지상 착륙장 혹은 무인 착륙선과의 거리가 대략 2~3Km 정도로 좁혀지면 엔진 1개를 재점화하며 최종 감속함과 동시에 1단 로켓 하부에 장착된 4개의 착륙기어를 삼발이 모양처럼 펼쳐 착륙한다. 참고로 착륙장 & 무인 착륙선에 그려진 원안에 딱 들어갈 만큼 착륙 정확성이 뛰어난 편. 이 때 엔진은 정확한 타이밍에 점화되어야 하는데, 멀린 엔진 1대의 최소 스로틀 추력이 기체의 착륙 중량보다 크기 때문에 너무 일찍 점화하면 착지 하기도 전에 기체가 다시 상승하게 되므로 지면에 닿는 순간 속도가 0이 되도록 스로틀과 점화 타이밍을 조절한다. 이를 스페이스 X에서는 호버슬램이라 부른다.

상단 그리드 핀이 펴져 있고 삼발이도 펼쳐진 모습

 

착륙 중 1개의 멀린엔진만 점화되어 있는 모습

스페이스 X는 1단 로켓의 착륙성공은 2015년 12월 22일이 처음이고 육상착륙이었고, 2016년 4월 8일 해상 바지선에서도 성공했다.

해상 바지선 착륙 성공, 2016년 4월 8일

 

안정적인 육상기지에 착륙하지 않고 해상의 무인 바지선에 착륙시키는 이유는 1차 로켓의 연소가 끝나면 바다 위인 경우가 대부분이라 육지기지로 되돌아오려면 그만큼 연료와 산화제를 많이 남겨야 하기 때문이다. 또 발사 궤도에 따라 회수 지점도 달라지는데 바다 위의 바지선은 육상기지보다 훨씬 자유롭게 착륙 위치를 선정할 수 있는 장점이 있다.

2024년 12월 기준, 현재까지 발사 횟수 10회 이상을 기록한 부스터는 17개, 그중 B1067 부스터가 발사 횟수 24번으로 최다 발사 기록을 가지고 있다.

 

2. 페어링 회수

페어링은 우주발사체가 대기권을 통과해 우주 공간으로 갈 때 공기 저항과 마찰열 등로부터 인공위성 또는 탐사선을 보호하는 덮개를 말한다. 대기권을 벗어난 후에는 더이상 쓸모 없고 무게만 차지하기 때문에 분리된다.  스페이스X 측의 언급에 따르면 페어링 1세트 당 가격이 약 600만 달러로 한화 약 65억 정도의 고가 부품이다. 

① 발사 후 정해진 궤도에 도달하면 페어링이 분리되고 장착된 RCS로 재진입 각도를 조정한다. 

② 재진입 낙하 후 페어링 내부에 장착된 패러포일이란 낙하산을 전개해서 감속한다.

③ 낙하 예정지점에 거대한 특수 그물이 달린 배로 공중에서 낙하하는 페어링을 잡는다

낙하산에 달린 페어링과 회수선박(Ms. Tree)

2023년의 스타링크 Group 6-9 미션에서 페어링의 10회 재사용(11회 사용)을 달성했다. 


3. 2단 로켓 재사용 불가 사유

① 극외권 (500 km 이상)에서 위성이 아래로 떨어지지 않고 안정적으로 지구를 돌려면 평균 27,000~30,000 km로 가속할 필요가 있다. 위성 분리 후 2단 로켓을 착륙시키기 위해서는 속도를 적어도 3,000 km로 줄여야 하나 엔진 점화로 속도를 줄이려면 그만큼 많은 연료가 필요하다. 연료를 늘리려면 로켓의 크기가 커져야 하고 그만큼 무게가 늘어나니 1단 로켓의 엔진도 더 늘려야 하며 연료도 더 빠르게 소모된다.

② 방열판을 장착해 공기로 감속하는 아이디어도 있었으나 약 30,000 km에서 1/10 속도로 감속하기 위해서는 단순히 계산해도 방열판의 두께가 기존의 10배가 되어야 하며 재질과 무게를 고려하면 ① 과 같은 문제가 일어난다.

많은 아이디어가 나왔지만 현실성이 없어 모두 폐기되었으며, 2단 로켓의 재사용 목표를 달성하기 위해 지속적인 연구 중입니다.