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글로벌 미국
로켓 재사용으로 우주시대 성큼

 

지난해 12월 육상 착륙에 이어, 스페이스X의 ‘팰컨 9’ 로켓이 지난 5월 6일 밤에 다시 한 번 해상 착륙에 성공했다. 최근의 연이은 성공으로 스페이스X는 로켓을 회수해 재사용함으로써 우주운송 비용을 대폭 낮춘다는 목표에 성큼 다가섰다. 이러한 성과는 기존 로켓 발사업체들과의 로켓 회수 기술과 로켓 발사의 비용 경쟁을 촉발시키면서 미래의 우주사업에 일대 혁신을 가져올 것으로 보인다.

재사용 로켓의 세 번째 귀환
스페이스X(Space Exploration Technologies Corporation)의 팰컨 9(Falcon 9) 로켓이 지난 5월 6일 밤에 다시 한 번 해상 착륙에 성공했다. 플로리다 주 케이프 카나베럴 공군기지에서 발사된 팰컨 9의 이번 임무는 일본의 통신위성을 정지천이궤도(GTO : Geosynchronous Transfer Orbit)에 올리는 것이었는데, 위성을 실은 상단 추진부의 분리 후 1차 추진부가 대서양의 작은 무인선에 온전히 착륙한 것이다. 이는 2015년 12월의 육상 착륙과 4월의 해상 착륙에 이은 세 번째 성과였다. 특히 이번 임무는 저지구궤도(LEO : Low Earth Orbit) 위 우주정거장으로 향했던 4월의 임무보다 훨씬 더 높은 궤도를 향한 것으로, 대기 재진입 시의 속도와 저항열이 훨씬 더 높아서 안전한 착륙이 어려울 것이라는 예측이었다.
스페이스X는 그동안 로켓을 착륙시켜 재사용한다는 계획을 꾸준히 추진해왔다. 일반적으로 로켓 발사 후 화물을 실은 상단 추진부가 분리되고 나면 소모된 1차 추진부는 지구 대기로 재진입하면서 불타고 소멸된다. 그러나 이를 회수해 다시 사용할 수 있다면 우주화물의 운송비용을 대폭 낮출 수 있을 것이다. 스페이스X의 CEO 엘론 머스크(Elon Musk)는 회사 홈페이지에서 “로켓을 효율적으로 재사용하는 방법을 찾아낸다면 우주로 향하는 비용이 100분의 1 수준으로 떨어질 것”이라고 전망한 바 있다.
스페이스X의 ‘팰컨 9’ 로켓은 처음부터 이러한 착륙과 재사용의 가능성을 염두에 두고 개발되었다. 이 로켓에는 냉가스 추력장치(cold-gas thrusters)와 그리드 핀(grid fins), 네 개의 착륙 지지대(landing legs) 등 착륙에 필요한 하드웨어를 추가로 탑재하고 있다. 발사 후 목표 고도에 올라 상단 추진체가 분리되고 나면 냉가스 추력장치가 가동되어 로켓의 몸체를 지구 방향으로 틀고 비행궤적을 수정한다. 지구로의 방향 조종은 접이식 소형 날개인 그리드 핀이 맡게 된다. 지구의 대기를 지나 낙하하는 동안 엔진이 수차례 재점화되면서 낙하 속도를 줄이고 착륙지점에 가까워지면 착륙 지지대가 구동되어 안전한 착륙을 유도한다. 모든 시스템은 로켓에 전달되는 실시간 데이터를 바탕으로 자동으로 수행된다.
스페이스X는 2012년부터 팰컨 9 로켓의 착륙 성능을 테스트해왔다. 그러나 실전 임무에서는 여러 차례 미미한 오동작으로 실패를 거듭했다. 그러다 마침내 2015년 12월에 완벽한 육상 착륙에 성공했고, 그 후 두 번의 안정적인 해상 착륙을 이끌어낸 것이다.

비용부담 줄여 우주사업에 활력소 기대
로켓을 착륙시켜 재사용한다는 구상은 스페이스X의 시도 전에는 현실성이 떨어진다는 것이 중론이었다. 미국과 소련의 우주경쟁이 끝난 후 새로운 도전에 대한 명백한 동기가 없었을 뿐 아니라, 일부 장비의 재사용을 통한 비용절감을 염두에 두고 설계되었던 NASA의 스페이스 셔틀이 부정적인 예로 남아 있었다.
스페이스 셔틀은 상용 비행기처럼 지상에 착륙한 후 수차례 다시 발사되었지만 대형 연료 탱크는 매 임무마다 새로 장착되어야 했고, 바다에 떨어진 두 대의 로켓 부스터는 매번 회수해서 대대적인 보수검사 과정을 거쳐야 했다. 주엔진도 몇 차례의 발사 후 새롭게 대체해야 했다. 결국 스페이스 셔틀의 총 비용은 원래 계획보다 훨씬 늘어나서 각 임무당 발사 비용이 4억 5,000만 달러에서 15억 달러에 달한 것으로 추산된다.
로켓 재사용에 있어 또 다른 문제는, 로켓을 착륙시킬 경우 상대적인 화물 적재량의 감소를 감안해야 한다는 점이다. 회항에 필요한 추가 연료와 착륙용 하드웨어가 로켓의 무게를 더하기 때문에 실제로 실을 수 있는 화물의 무게는 줄어들 수 밖에 없다. 스페이스X가 로켓의 지상 착륙뿐 아니라 해상 착륙을 모두 중요하게 추진하고 있는 이유도 화물과 연료의 적재량과 상황에 따라 회항에 더 유리한 곳으로 착륙 장소를 변경할 필요가 있기 때문이다. 결국 로켓 재사용으로 인한 비용절감을 노린다면 착륙 후의 회수 비용, 보수검사 비용과 기간은 물론이고, 화물 적재량의 감소를 보완할 만한 빈번한 로켓발사가 가능한지 등도 모두 고려되어야 한다.
이제까지 회수된 세 대의 로켓에 대해서는 현재 정밀한 진단과 검사가 진행 중이다. 머스크는 지난 4월의 기자회견에서 회수된 로켓을 빠르면 두 달 내에 다시 궤도로 발사하고, 앞으로는 로켓의 회수 후 재발사에 걸리는 시간을 수주일 내로 단축시킬 가능성을 시사했다. 스페이스X의 COO(최고운영책인자)인 그윈 샷웰(Gwynne Shotwell)은 이렇게 1단계 추진부를 회수해서 다시 발사할 경우 30%의 비용절감을 기대할 수 있을 것으로 예측하고 있다. 현재 팰컨 9에 우주화물을 실어 발사하는 가격은 1회당 6,200만 달러로 책정되어 있는데, 이 절감비용을 모두 반영할 경우 가격은 4,340만 달러로 낮아진다. 이는 로켓 발사에 이미 가장 낮은 가격대를 제시하고 있는 스페이스X에게 만만치 않은 경쟁력을 가져다줄 것으로 보인다. 더구나 이들이 희망하는 대로 앞으로 상단 추진부까지 착륙시켜 회수할 수 있다면 가격은 더욱 낮아질 수 있을 것이다. 물론, 화물을 우주의 목적지로 안전하게 운송하는 것이 가장 중요한 목표인 만큼, 각 임무와 상황에 따라 모든 로켓의 회수가 가능하지 않다는 점은 감안할 필요가 있다.
더 나아가 스페이스X는 2016년 첫 발사가 예정된 팰컨 헤비(Falcon Heavy)에서도 로켓의 회수 가능성을 검토 중이다. 팰컨 헤비는 세 대의 팰컨 9을 부스터로 장착한 대형 로켓인데, 두 대의 부스터를 먼저 착륙시킨 후 더 높은 고도에서 분리되는 나머지 한 대도 마저 착륙시킴으로써 로켓 모두를 회수한다는 방침이다. 팰컨 헤비는 팰컨 9보다 더 무거운 화물 운송뿐만 아니라 수익성이 좋은 안보위성의 운송이나 군용 임무는 물론, 다른 행성으로의 운항도 가능할 것으로 보인다.
실제로 스페이스X는 2018년 화성으로 캡슐을 보내는 임무를 계획하고 있다. 또한 이들은 2015년 미 공군으로부터 우주로의 보안위성 운송에 대한 허가를 받고 수주를 따냄으로써, 2006년부터 이 분야를 독점해온 로켓발사업체 ULA(United Launch Alliance)의 새로운 경쟁 상대로 부상했다. 최근의 보도에 따르면, 미 공군은 스페이스X를 채택함으로써 ULA에 비해 40%의 비용절감을 기대할 수 있을 것이라고 한다.

아마존까지 나선 로켓 재활용 전쟁, 우주시대 앞당기나?
한편, 아마존의 CEO 제프 베조스(Jeff Bezos)가 창립한 블루 오리진(Blue Origin, LLC)도 수차례 재발사가 가능한 ‘뉴 셰퍼드(New Shepard)’라는 로켓을 시험 중이다. 뉴 셰퍼드는 팰컨 9보다 앞선 2015년 11월 첫 착륙에 성공한 후, 같은 로켓이 지난 4월까지 두 번 더 발사와 착륙을 반복하는 성과를 올렸다. 뉴 셰퍼드는 로켓 상단에 6인용 유인 캡슐이 실릴 준궤도형 로켓으로, 발사 후에도 수직 상태를 계속 유지하면서 운항하고 착륙하게 되어 있다. 또 통통하고 짧은 형태 덕분에 착륙이 훨씬 용이하다. 유인 캡슐은 해발고도 약 100㎞에서 분리되며, 4분간의 유영 후 따로 낙하산을 타고 지상으로 도착하게 된다. 반면, 훨씬 더 높은 궤도로의 화물운송을 목표로 하는 팰컨 9은 상승 고도와 속도가 뉴 셰퍼드보다 두 배는 더 높다. 또한 운항 중에 지구를 향해 몸체를 틀어 궤적을 변경해야 하고, 기본적으로 길고 얇은 형태 때문에 안정적으로 수직 착륙하기가 상대적으로 어렵다. 그럼에도 불구하고 팰컨 9과 뉴 셰퍼드는 로켓의 착륙은 물론 재사용까지 증명했다는 점에서 주목할 만하다.
스페이스X와 블루오리진의 이러한 성과는 미래의 우주사업에 커다란 영향을 미칠 것으로 보인다. 로켓 회수와 재사용을 통한 비용절감이 현실화된다면 다른 업체들도 같은 원리의 로켓을 제작하지 않을 수 없기 때문이다. 실제로 ULA와 유럽의 항공우주사업체들도 1단계 로켓의 부분적 회수를 검토하기 시작했다는 소식이 들린다. 머스크가 제시한 것처럼 100분의 1 수준까지는 가격을 낮추지 못한다 하더라도, 이러한 시도를 통해 민간기업들이 더 낮은 가격과 더 빈번한 운송 스케줄을 제공할 수 있다면 앞으로 보다 활발한 우주운송의 시대가 열릴 수 있을 것이다.
1960년대부터 불붙었던 미국과 소련의 치열한 경쟁은 우주사업의 빛나는 발전을 이루었다. 이처럼 로켓의 재사용이라는 전략으로 기대되는 민간기업들의 경쟁은 우주산업에 다시 한 번 도약의 발판이 될 것으로 전망된다. 베조스의 말처럼 ‘로켓의 새 황금시대’가 기대되는 바이다.

고병희 미국 현지 객원기자​

조회수 : 1,954기사작성일 : 2016-05-27
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