요약:
오늘 이른 아침, 스페이스X는 또 한 번 공상과학 영화에 나올 법한 장면을 연출했습니다. 22시간이 넘는 우주 비행과 지구 주위 14개의 궤도를 돌은 후, 약 52미터 높이의 거대한 우주선이 대기권에 다시 진입하여 미국 텍사스에 있는 스타쉽 기지로 다시 날아갔습니다. 지상에서 멀지 않은 곳에서 우주선은 엔진을 재점화하고 최종 반전과 감속을 완료한 후 발사탑의 두 개의 거대한 기계 팔 사이로 정확하게 진입했습니다. 그런 다음 엔진이 꺼지고 로봇 팔이 꾸준히 우주선을 잡았습니다.
인간이 발사대 로봇 팔을 사용해 지구 궤도에서 돌아오는 우주선을 포획하는 데 성공한 것은 이번이 처음입니다. 이는 또한 SpaceX가 완전히 재사용 가능한 궤도 운송 시스템에 한 걸음 더 다가섰다는 것을 의미합니다.
발사에 앞서 머스크는 X에서 SpaceX가 초중형 부스터와 우주선 상부 스테이지를 동시에 포착하려고 노력할 것이라고 말했습니다. 둘 다 성공한다면 궤도 로켓의 모든 주요 비행 부분이 지구로 처음으로 완전히 복귀하는 것을 의미합니다.
그는 이를 '생명을 여러 행성에 존재하는 종으로 만드는 데 필요한 핵심 돌파구'라고 불렀습니다.
그러나 SpaceX는 이번에도 기대했던 '이중 회복'을 달성하지 못했습니다. 슈퍼헤비 부스터는 귀환 과정에서 이상 현상을 겪게 되었고 결국 멕시코 만에 추락하게 되었습니다. 실제로 역사를 만든 것은 우주선 상부 무대였습니다.
우주에서 돌아와 '젓가락'에 붙잡히다
얼마나 어렵나요?
지난 10여 년 동안 SpaceX는 Falcon 9를 통해 로켓은 한 번만 사용할 수 없다는 사실을 입증했습니다.
발사 후 Falcon 9의 1단계 부스터는 재점화, 감속 및 수직 착륙이 가능하며 검사 및 개조 후 임무를 재개할 수 있습니다. 이 기술은 상업용 우주 비행의 비용 구조를 크게 변화시킵니다.
그러나 Falcon 9에는 항상 한계가 있습니다. 2단계 로켓은 회수할 수 없습니다.
SpaceX의 우주선은 이러한 재사용성을 전체 발사 시스템으로 확장하기를 희망합니다.
전체 우주선 시스템은 높이가 약 124미터이며 아래에는 33개의 랩터 엔진이 장착된 초중 부스터와 위의 우주선 우주선으로 구성됩니다.
설계에 따르면 초중부스터는 우주선을 우주로 보낸 다음 발사 장소로 돌아가는 역할을 담당합니다. 우주선은 계속해서 궤도로 가속하고, 위성을 배치하거나 다른 작업을 수행하고, 마침내 지구로 돌아옵니다.
두 부품 모두 재사용이 가능해 우주 수송이 점차 민간 항공의 운용 모드에 접근할 수 있게 됐다.
그러나 어려운 점은 우주에서 우주선을 돌려보내는 것이 1단계 부스터를 회수하는 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것입니다.
1단 부스터는 상대적으로 느린 속도로 분리돼 상대적으로 짧은 복귀 과정을 겪었다. 지구 저궤도에 진입하는 우주선은 초당 약 7.8km의 속도로 비행한다. 이런 거대체가 안전하게 귀환하려면 고속 재진입, 열 보호, 자세 제어, 정밀 착륙 등 일련의 문제를 동시에 해결해야 한다.
가장 어려운 것은 보온입니다.
우주선이 궤도 속도로 대기권에 다시 진입하면 전방의 공기가 격렬하게 압축되어 극도로 높은 온도의 기류를 형성합니다. 우주선은 바람이 불어오는 쪽을 덮고 있는 수천 개의 단열 타일을 사용하여 스테인레스 스틸 로켓 본체를 고온 손상으로부터 보호합니다.
이 단열 타일은 발사 시 심한 진동을 견뎌야 할 뿐만 아니라 우주 환경과 고속 재진입을 경험해야 하며 최대한 손상되지 않은 상태로 유지되어야 합니다.
이전 테스트 비행에서 SpaceX는 단열 타일의 신뢰성을 테스트해 왔으며 극한의 고온에서 지역의 성능을 관찰하기 위해 일부 타일을 제거하는 작업에도 앞장섰습니다.
이번 15차 시험비행에서 스페이스X는 단열 타일의 고정 방식을 더욱 개선하고, 타일 사이의 국부적인 발열을 줄이기 위해 새로운 곡선형 단열 타일 디자인을 채택했다.
흥미롭게도 스타쉽은 이번에도 스타링크 V3 위성 26개를 배치했는데, 그 중 일부에는 스타쉽의 방열판 상태를 외부에서 확인할 수 있는 특수 카메라가 장착됐다.
즉, 우주선이 우주로 보낸 위성은 우주선이 안전하게 돌아올 수 있는지 확인하는 데 도움이 되어야 합니다.
가장 위험한 재진입 단계를 살아남은 뒤, 또 다른 극한의 작전이 이제 막 시작됐다.
우주선이 전통적인 로켓처럼 항상 꼬리를 아래로 향한 채 착륙하는 것은 아닙니다. 먼저 거대한 선체를 사용하여 공기 저항을 증가시켜 바람을 향한 배 정도의 자세로 하강하는 동시에 전면 및 후면 플랩 4개를 통해 비행 자세와 궤도를 조정합니다.
이 스타일을 벨리플롭(Belly Flop)이라고 합니다.
우주선이 지상에 접근하면 랩터 엔진이 다시 점화되고 추력을 사용하여 우주선 본체를 수직 자세로 빠르게 뒤집습니다. 그런 다음 지속적으로 추력과 위치를 조정하고 최종적으로 발사대의 두 로봇 팔 사이로 들어갑니다.
밖 세계에 익숙한 '젓가락 로켓'이다.
어려운 곡예처럼 들리지만 그 이면에는 엔진 추력 제어, 탐색 및 위치 지정, 자세 조정, 로봇 팔 제어 등 여러 시스템의 공동 작업이 필요합니다.
위험해 보이는 이런 접근 방식을 채택해야 하는 이유는 무엇입니까? 그 이유는 무게와 효율성 때문입니다.
기존의 착륙 다리는 로켓 자체의 구조적 질량을 증가시키고 운반 능력에 영향을 미칩니다. 지상 발사대가 지원 및 포획 작업을 수행하도록 허용하면 우주선이 운반해야 하는 추가 구조물을 줄일 수 있습니다.
더 중요한 것은 우주선이 발사대로 직접 돌아올 수 있어 잠재적으로 바다에서 회수, 운송, 재이양과 같은 지루한 단계가 필요 없다는 것입니다.
물론 이는 재활용 과정을 더욱 위험하게 만들기도 합니다. 우주선이 마지막 몇 초 동안 크게 벗어나면 우주선을 잃을 수 있을 뿐만 아니라 값비싼 발사대도 손상될 수 있습니다.
따라서 SpaceX는 이 임무를 위해 여러 개의 상태 확인 노드를 설정하고 해상 백업 계획을 예약했습니다. 우주선과 지상 시설이 모두 조건을 충족하는 경우에만 로봇 팔 캡처가 계속됩니다.
결국 우주선은 궤도 비행부터 대기권 재진입, 발사탑 포획까지 전 과정을 성공적으로 마쳤다.
이전에도 SpaceX는 Super Heavy 부스터의 로봇 팔 캡처를 여러 번 달성했지만 이번에까지 궤도에서 돌아 오는 상단 단계가 실제로 캡처되지 않았습니다.
거리 완전 재사용
아직 몇 가지 최종 레벨이 남아 있습니다
동일한 출시 과정에서 초중형 부스터가 복구 실패를 겪었다는 점은 주목할 만합니다.
발사 후 약 6분여 만에 부스터가 복귀하던 중 이상 현상이 발생해 발사대 복귀 조건을 충족하지 못했습니다. 그런 다음 비행 제어 시스템은 포획을 취소하고 멕시코만의 미리 설정된 지역으로 비행하도록 허용했습니다.
머스크에 대한 설명
그는 두 가지 개선 방향을 제안했습니다. 하나는 Raptor 엔진의 성능과 일관성을 개선하는 것이고, 다른 하나는 더 많은 반환 추진제를 유지하도록 엔진 정지 시기를 조정하는 것입니다. 그러나 최종 원인을 찾으려면 여전히 원격 측정 데이터에 대한 완전한 분석이 필요합니다.
이는 또한 완전한 재사용의 핵심 과제를 드러냅니다. 로켓은 반송을 위한 충분한 추진제를 남겨두면서 운반 효율성을 극대화해야 합니다.
추진제를 더 많이 남겨두면 탑재량이 줄어들 수 있습니다. 추진제를 너무 적게 남겨두면 엔진 성능 변동으로 인해 엔진의 회복 능력이 상실될 수 있습니다.
그런데 그에 비하면 이번에 우주선 상류층이 검증한 기술은 더욱 파격적이다.
이전에 SpaceX는 1단계 로켓을 재사용할 수 있음을 입증했습니다. 극복해야 할 진짜 문제는 궤도 임무를 완료한 후 상단 스테이지가 그대로 돌아올 수 있도록 허용하는 것입니다.
물론 성공적인 재활용과 완전한 재사용은 여전히 서로 다른 개념입니다.
다음으로, SpaceX는 회수된 우주선이 다시 비행할 수 있고, 단열 타일이 여러 번의 고온 재진입을 견딜 수 있으며, 엔진 및 비행 제어 시스템의 신뢰성이 충분히 높으며, 검사, 재생 및 추진제 재충전 과정이 충분히 효율적이라는 점을 증명해야 합니다.
그렇지 않으면 매번 복구에 성공하더라도 유지비가 여전히 높고, 준비 기간이 여전히 길면 스타쉽이 진정한 고주파 운용을 달성하기 어려울 것이다.
스타쉽 재활용
변화된 것은 우주 발사만이 아닙니다
SpaceX는 항공우주 산업의 기본 논리를 바꾸려고 노력해 왔습니다. 항공기가 비행할 때마다 폐기되어야 한다면 오늘날 항공 운송 비용은 얼마나 될까요?
로케츠는 오랫동안 비슷한 문제에 직면해 왔습니다.
Falcon 9는 1단계 재사용을 통해 상업용 우주 비행의 경제성을 변화시켰습니다. 스타쉽은 한발 더 나아가 전체 배송 시스템을 재사용할 수 있게 만들고자 한다.
미래의 우주선이 더 짧은 시간 내에 검사, 재급유, 재발사를 완료할 수 있다면 로켓 제조 비용이 더 많은 작업에 분산될 수 있고 단일 궤도 운송 비용도 더욱 절감될 것으로 예상됩니다.
가장 직접적인 이점은 SpaceX의 자체 Starlink 네트워크일 수 있습니다.
복구 완료 외에도 이번 시험 비행에서는 26개의 Starlink V3 위성을 성공적으로 배치했습니다. SpaceX가 발표한 데이터에 따르면 이러한 위성이 제공하는 네트워크 용량은 Falcon 9의 10개의 Starlink V2 Mini 위성 발사 임무와 거의 동일합니다.
미래에 우주선이 고주파수 작동을 달성하게 되면 SpaceX는 더 낮은 운송 비용으로 더 큰 규모의 고성능 위성을 궤도에 올릴 수 있게 될 것입니다.
스타링크를 넘어 우주 데이터센터, 대규모 궤도 인프라, 심우주 수송 등의 개념 역시 강력한 저비용 운반 능력을 요구합니다.
추가 목표는 달과 화성입니다.
NASA는 아르테미스 프로그램의 유인 달 착륙 시스템 솔루션 중 하나로 스타쉽을 선택했습니다. 그러나 실제로 달 착륙 임무를 수행하기 전에 SpaceX는 궤도 내 추진제 이동, 대규모 극저온 추진제 저장, 심우주 비행과 같은 기술적 문제도 해결해야 합니다.
이는 우주선이 처음으로 로봇 팔에 의해 들어올려졌다는 의미인데, 이는 끝이 멀다.
2023년 첫 번째 전체 테스트 비행부터 2024년 초중부스터의 첫 포획, 오늘 궤도에서 귀환하는 우주선의 성공적인 픽업까지 SpaceX는 겉보기에 미친 엔지니어링 아이디어를 점차 현실로 바꾸고 있습니다.
그러나 머스크가 기대하는 미래에 있어서 진정한 분수령은 아직 오지 않았을 수도 있습니다.
동일한 우주선이 두 번째, 세 번째 또는 그 이상 우주로 비행할 수 있고 로켓 회수가 더 이상 글로벌 과학 및 기술 뉴스가 아니라 일상적인 우주 발사 작업이 될 때 SpaceX는 달성하고자 하는 미래에 진정으로 가까워졌습니다.
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