금년 11월, 스페이스X의 새로운 초중량 발사체인 팔콘 헤비(Falcon Heavy)가 시험 발사될 예정입니다. 당초 작년(2015년)에 예정되었다가 금년 상반기로 미뤄졌으나, 다시 연기되어 2016년 11월에 발사하게 되었습니다. 물론 사정상 다시 연기될 수도 있겠지만 미 공군, 기타 업체들과의 계약 등으로 인해서 더 미루긴 어려울 듯합니다.

인류 역사상 가장 위대한(?) 로켓을 꼽자면 아폴로 우주선을 달까지 보낸 새턴-V(발사 중량 3,000톤), 재활용 우주선의 선두주자인 스페이스셔틀(발사 중량 2,000톤)이 있겠죠. 하지만 모두 퇴역하였고 초중량 발사체의 시대는 지났습니다. 현재 가장 큰 발사체라면 미국의 델타-IV 헤비(발사 중량 733톤)가 있습니다.

스페이스X의 팔콘 헤비는 발사 중량이 무려 1,400톤을 넘는 초대형 로켓입니다. 새턴-V가 지구저궤도(LEO)에 130톤, 우주왕복선이 100톤가량을 운반할 수 있었지만, 현재 인류는 최대 20~28톤가량의 페이로드를 우주로 보낼 수 있는 발사체만 사용하고 있습니다. 팔콘 헤비는 지구저궤도까지 최대 54톤의 페이로드를 운반할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 새턴-V나 우주 왕복선이 매우 고가의 발사체였던 것에 반해, 팔콘 헤비는 경제성 면에서도 기존의 초중량 발사체를 능가하게 됩니다.

팔콘 헤비의 의미에 대해선 여러 가지 각도로 볼 수가 있겠지만, 제 견해로는 기존 발사체들의 패러다임을 완전히 뒤집는 혁신적인 로켓이라고 볼 수 있습니다. 겉보기엔 화려하지 않지만, 실제로는 인류가 우주로 나아가는 데 있어서 우주왕복선보다 더 기여할 수 있는 진정한 우주 화물트럭이 될 수 있습니다.

아래 시뮬레이션은 펠컨 헤비의 최대 운송능력인 54톤의 페이로드가 아닌, 1단과 부스터들을 재활용하여 최대 35톤의 페이로드를 운반하는 결과치입니다. 실제로 가능할지 여부는 불확실하지만, 그간의 여러 차례 재활용 실험과 팔콘9 로켓의 성능을 감안하여 계산한 것이므로 근사치에 가까울 것입니다.

이해가 쉽도록 각 그림에 따른 상황을 풀어서 설명하겠습니다.

[아래 그림 이미지는 스페이스X의 공개 영상에서 발췌하였으며, 수치 자료는 Zach Lynn의 시뮬레이션 프로그램 결과치를 재해석한 것입니다. 시뮬 프로그램은 MIT 소스인 듯]

스페이스X는 케이프커너배럴의 LC-39A 발사장을 임대해서 사용하고 있습니다. LC-39A는 역사적인 우주왕복선의 발사대로 이용되던 곳입니다. 주로 국제우주정거장에 화물우주선을 보내거나, 적도궤도 인공위성을 쏘아 올리는데 유리한 발사장이죠. 극궤도 인공위성의 경우는 미 공군 소유의 반덴버그 공군기지에서 발사하곤 합니다.

팔콘 헤비는 페이로드를 제외한 순수한 로켓의 발사 중량이 1,405톤입니다. 35톤 페이로드를 탑재 시 1,440톤의 발사 중량이 됩니다. 1단과 부스터(x2)는 모두 스페이스X의 주력 발사체인 팔콘9 v1.1을 베이스로 개발됩니다. 각 로켓은 9개씩의 멀린 엔진을 탑재했으므로 이륙 시 총 27개의 엔진이 점화되는 매우 복잡한 엔진 클러스터링 기술이 적용됩니다.

발사 직후 27개의 엔진은 해수면 기준으로 최대 20,418KN (약 2,083톤) 추력을 내게 됩니다. 이륙 시 추력대중량비(TWR)은 1.44가 넘어서므로 비교적 빠른 상승이 가능합니다.

발사 후 10여 초가 지나면 킥턴을 빠르게 실시합니다. 고도 400m 즈음에서 이미 기수가 서서히 목표 방향으로 기울어지게 되죠. 아다시피 로켓 엔진은 대기압이 높은 해수면 고도에서 효율이 낮고, 진공에 가까울수록 효율이 높아집니다. 팔콘 헤비는 상승하면서 빠르게 감소하는 무게(연료 소모)와, 대기압 감소로 서서히 증가하는 엔진 추력 덕분에 가속도가 계속 빨라지게 됩니다.

발사 후 30초경과, 고도 2.3km에 도달하면 대기압이 해수면의 80%에 불과해서 전체 추력이 20,748KN까지 증가합니다. 가속도는 1.64G에 이르게 되며 속도는 166m/sec로 마하 0.5 입니다. 발사 후 40초가 되면 가속도가 더 빨라지지만 로켓에 최대 공압이 가해지는 Max-Q에 도달하므로 추력을 87%까지 낮추게 됩니다. 이후 팔콘 헤비는 부스터 분리 직전까지 최대추력의 87% 추력을 유지합니다.

발사 후 57초, 팔콘 헤비는 음속을 돌파합니다. 고도는 8.6km이며 잔여 무게는 1,037톤, 추력은 18,836KN 입니다.

발사 후 1분 45초 즈음에는 대기압이 거의 진공에 가까운 고도 30km에 도달하며 엔진의 효율은 최대치가 됩니다. 속도는 860m/sec로 2.6G의 가속도를 받게 되며, 잔여 무게는 733톤, 추력은 19,286KN 입니다.

발사 후 2분 11초, 고도 51.7km에서 최대 가속도인 3.5G에 이르게 됩니다.

발사 후 2분 28초, 부스터 분리를 위해서 추력을 54%까지 낮추게 됩니다. 고도는 70km, 속도는 1,981m/sec으로 부스터 분리 후 1단과 상단의 잔여 무게는 320톤입니다.

부스터 분리 시 부스터의 엔진은 연소 중단된 상태이며, 1단은 60%(4,450KN)의 추력으로 연소 중입니다. 분리 후 7초가 지나면 다시 1단의 엔진 추력을 최대치인 7,426KN까지 높이게 됩니다.

팔콘 헤비에서 분리된 부스터들은 분리 10초 후부터 약 1분간에 걸쳐서 자세전환을 합니다. 진공 상태에서는 위 그림과 같이 측추력 자세제어장치를 사용해서 자세를 전환하죠. 

위 궤적이 본체에서 분리된 부스터들의 낙하 궤도입니다. 부스터 분리 시 고도가 73km였지만 계속 관성으로 상승하여 최고점이 139km에 이를 예정입니다.

부스터 분리 후 1분 18초(발사 후 3분 47초)에 역방향으로 자세를 전환한 부스터들은 역추진을 하게 됩니다. 각 부스터의 분리 후 잔여 무게는 67톤이지만 1분간 역추진하면서 무게가 30.8톤까지 줄어들게 됩니다. 역추진 시에는 부스터에 장착된 9개의 엔진 중에서 3개만 가동하며 100% 추력인 2,475KN으로 최대 5.4G의 가속도를 받게 됩니다.

역추진 중간 즈음에 부스터의 예상 궤적이 처음과 크게 달라진 것을 볼 수 있습니다. 쉽게 말해서 동쪽으로 포탄을 쐈는데 중간에 역추진해서 발사지점으로 되돌아가는 것입니다. 그러기 위해서 엄청난 양의 연료를 사용합니다.

작년 말에 스페이스X는 팔콘9 FT를 통해서 1단 발사체가 발사 지점인 케이프커너배럴 인근의 착륙장으로 되돌아오는 실험에 성공했습니다. 이를 위해서 로켓에 꽤 많은 연료를 남겨야 하기에 전체 운반 중량의 감소는 어쩔 수 없습니다. 얼마 전에 해상 바지선에 재착륙하는 것은 이 경우보다는 연료가 적게 필요해서 운반 중량 감소가 덜합니다만, 해상착륙이 기술적으론 더 힘든 것으로 보여집니다.

1분간 엔진 3개를 100% 추력으로 가동해서 부스터의 낙하 궤도를 완전히 역전시켰습니다. 이제 착륙 예정지점은 대서양 한복판이 아닌, 케이프케너배럴 발사대 인근의 육상 착륙지입니다. 부스터의 최고점은 176km까지 다소 높아진 상태입니다.

발사 후 5분 22초, 관성으로 최대 고도인 176.7km에 도달한 부스터들은 다시금 자세변환을 실시합니다. 이제 자유낙하를 하면서 하단부가 추락(?)하는 방향을 향하도록 합니다. 최고점 도달 시 부스터의 속도는 고작 298m/sec에 불과합니다. 사실상 멈춰있는 셈이죠.

이제 부스터들은 지구의 중력에 끌려서 진공상태에서 아무런 감속도 없이 낙하하면서 가속됩니다. 발사 후 7분 37초, 드디어 우주권의 경계선인 100km 고도 이하로 진입하게 됩니다. 이때 속도는 무려 1,427m/sec입니다. (마하 4 이상)

발사 후 8분 1초, 고도 68km까지 추락(?)한 부스터들은 속도가 1,611m/sec (마하 5)입니다. 아직 진공 상태에 가까워서 대기마찰이 크진 않지만, 곧 대기밀도가 급격히 증가하여 동체에 큰 압력을 주게 되므로 1차적으로 역추진 감속을 하게 됩니다.

고도 68km부터 엔진 3개를 65% 추력으로 점화하여 역추진을 시작한 후 12초간 연소하여 속도를 1,048m/sec까지 줄입니다. 연소종료 후 잔여 중량은 30.8톤에서 24.6톤으로 줄어듭니다. 역추진이 종료된 시점의 고도는 54.2km 입니다.

1차 감속으로 속도를 어느 정도 줄인 상태에서 곧바로 대기가 풍부한 성층권에 도달합니다. 발사 후 8분 38초, 고도 29.2km에 이를 무렵에 속도는 1,200m/sec까지 조금 증가합니다. 하지만 이후 공기저항으로 인해서 급속히 속도가 줄어듭니다.

발사 후 8분 45초, 고도 21.5km 통과 시 속도는 1,126m/sec, 가속도는 3G.

발사 후 8분 55초, 고도 12.9km 통과 시 속도는 730m/sec, 가속도는 7G에 육박합니다.

발사 후 9분, 고도 10km 통과 시 속도는 447m/sec, 가속도는 4.6G.

발사 후 9분 6초, 고도 8km 통과 시 속도는 음속 이하로 접어들게 됩니다. (이 무렵 지상으로 큰 충격파가 전해진다고 합니다)

개인적으로 궁금한 점은, 로켓의 하단부는 엔진 노즐이 있어서 공기저항을 크게 받기 때문에 감속에 유리하긴 하지만 압력 때문에 동체가 파손되진 않을까 하는 것입니다. 세차 례 회수에 성공한 스페이스X가 과연 엔진들을 어느 정도 재활용할 수 있는지도 궁금합니다.

발사 후 9분 39초, 이제 지상에서 830m 높이에 도달한 부스터는 최종 역추진을 시작합니다. 이때 속도는 고작 170m/sec로 대기 덕분에 크게 감속된 상태입니다. 부스터들은 엔진 1개만 작동시켜서 530KN의 추력으로 10초가량 역추진을 합니다.

지표면에 착지 시 최종 낙하속도는 6~7m/sec 정도로 낙하산보다 더 사뿐하게 내려옵니다.

발사 후 9분 50초, 지상을 떠났던 팔콘 헤비의 부스터들이 발사대 인근의 착륙지점에 다시 내려섭니다. 최종 착륙 중량은 22.5톤에 불과합니다. 길쭉한 형상 때문에 흔들리지 않을까 걱정되겠지만, 무게중심이 매우 낮은 하단에 위치하므로 안정적입니다. 윗쪽은 텅 빈 가벼운 연료통이고, 엔진과 같이 무게가 나가는 부품들은 하단에 집중되어 있습니다.

부스터들이 열심히 재착륙을 시도하는 와중에 여전히 팔콘 헤비 본체는 날아가고 있습니다. 발사 후 2분 29초에 부스터를 분리하고 약 1분간 더 날아갑니다. 부스터 분리 시 잔여 무게가 320톤에서 188톤까지 줄어듭니다.

1단과 2단의 분리 직전에 1단 엔진의 추력은 20%까지 감소하게 됩니다. 감속 직전에 3.89G에 이르렀던 가속도는 크게 줄어들어서 안정적인 분리가 가능합니다.

발사 후 3분 26초, 1단 엔진의 연소가 중단되고 단 분리가 됩니다. 분리된 2단과 페이로드는 144톤 중량이며 분리 후 10초 뒤에 2단 엔진이 점화됩니다. 이때 고도는 158km, 속도는 3,293m/sec입니다. 2단 엔진은 935KN의 추력으로 6분 25초가량 연소합니다.

2단과 분리된 1단, 잔여 중량은 약 44톤입니다. 부스터들과 마찬가지로 역추진 방향으로 자세전환을 하게 됩니다.

1단 분리 시점의 궤적입니다. 2단은 계속 연소하여 차츰 인공위성궤도에 가까워지고, 1단은 자유낙하하여 대서양에 떨어지게 됩니다. 아까 분리했던 부스터들은 이미 역추진을 완료해서 발사장 인근으로 되돌아가는 궤적을 그렸습니다.

발사 후 3분 30초부터 4분 41초까지 자세전환을 마친 1단은 관성으로 계속 상승하여 고도 270km에 이를 예정입니다. 하지만 역추진을 실시하면서 궤도가 조금 바뀌게 됩니다.

발사 후 4분 51초, 237km 고도에서 엔진 3개를 70%로 재가동하여 1,733KN의 추력으로 역추진을 합니다. 15초간의 연소를 통해서 속도가 2,408m/sec로 줄어든 1단 로켓은 잔여 중량이 35.8톤입니다.

역추진을 통해서도 궤도가 크게 바뀌진 않았습니다. 아까 부스터들은 궤도가 완전히 역전되었지만, 1단의 경우는 페이로드 중량 때문에 연료를 많이 남길 수가 없어서 약간의 궤도수정으로 대서양에 위치한 바지선 착륙을 시도하게 됩니다.

부스터들은 역추진을 위해서 전체 무게의 절반에 가까운 연료를 연소시켰지만, 1단은 전체 무게의 20%에 해당하는 연료만 썼습니다.

발사 후 5분 58초, 1단은 최고점인 268km 고도에 도달합니다. 이때 속도는 2,345m/sec로 부스터들이 최고점 176km, 속도가 298m/sec였던 것에 비하면 훨씬 높은 고도에서 속도마저 빠르죠. 이대로 낙하하면 당연히 대기권 재돌입 시 속도가 너무 빨라서 위험할 수 있습니다.

1단이 역추진하는 사이에 2단 로켓은 페어링을 분리하고 위성궤도를 향해서 열심히 날아갑니다.

발사 후 9분 45초, 부스터들이 거의 지상에 착륙할 시점에 1단이 100km 고도로 내려옵니다. 이때 속도는 무려 2,877m/sec로 마하 8~9에 이르는 빠른 속도입니다. 중거리 탄도미사일이 대기권 재돌입하는 속도에 맞먹습니다.

발사 후 10분 3초, 부스터보다 훨씬 빠르게 하강해서 역추진 감속을 시작할 71km 고도에 도달합니다. 이때 로켓엔진 3개를 65% 출력으로 재점화해서 1,609KN의 추력으로 감속합니다.

20초간 역추진을 실시한 뒤, 고도 38.4km에 이르러선 속도가 1,881m/sec가 됩니다. 여전히 빠른 속도입니다.

역추진 시 무게는 35.2톤에서 24.1톤으로 감소합니다.

발사 후 10분 28초, 1단은 고도 32.0km, 속도 1,859m/sec, 가속도 1.74G가 됩니다.

발사 후 10분 47초, 고도 13.2km, 속도 805m/sec, 가속도는 9.27G에 이르게 됩니다. (부스터가 받았던 7G보다 더 높죠)

발사 후 10분 56초, 고도 10km에 도달하면서 속도는 333m/sec가 됩니다.

발사 후 11분 38초, 고도 1.5km, 속도는 155m/sec로 크게 감속되죠.

부스터의 대기권 감속패턴에 비교하면 다소 격하게 감속하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 큰 대기저항에 따른 감속과 압력이 동체에 어떤 영향을 줄지는 다소 걱정이 됩니다. 팔콘 헤비의 실험 발사에서 시뮬레이션과 같은 패턴으로 부스터, 1단의 재활용을 추진한다면 아마도 1단의 경우 대기권 재진입 낙하 시 파괴, 파손될 우려도 클지 모르겠네요.

스페이스X가 배포한 애니메이션에서는 1단 로켓이 부스터들과 같은 육상 착륙지에 내려서는 것으로 나옵니다. 하지만 그러기 위해선 1단의 운반 능력을 크게 상실하기 때문에 실제로는 해상에 착륙할 것으로 예상됩니다. 속도가 낮았던 부스터들조차도 발사대 인근으로 돌아오는데 연료가 엄청나게 필요했는데, 속도가 더 빠른 1단을 U턴 시키려면 대책이 없죠.

아무튼 발사 후 11분 44초, 560m 고도에서 역추진을 실시합니다. 엔진 1개만 점화하며 568KN의 추력으로 9초간 연소해서 착륙합니다.

펠컨 헤비의 1단은 발사 후 11분 53초에 귀환지점으로 돌아오게 됩니다. 귀환 중량은 22.44톤이 예상됩니다.

아마도 위와 같은 모습으로 1단 재착륙을 시도할 것입니다. 그러나 성공 가능성은 부스터에 비하면 매우 낮다고 예상됩니다. 난이도에 있어서 해상착륙이라는 점과, 더 빠른 속도와 높은 고도에서의 낙하라는 변수가 있기 때문이죠.

이 와중에 여전히 위성궤도를 향해 비행했던 2단 로켓은 발사 후 9분 52초에 정지하게 됩니다. 이때 잔여 무게는 40.4톤이며 고도 328.5km, 속도는 7,661m/sec 입니다.

2단 로켓은 최저점 152km ~ 최고점 328km의 궤도를 돌고 있는 셈이죠. 그대로 있으면 차츰 미세대기마찰로 감속해서 추락하게 됩니다.

궤도를 계속 돌다가 적당한 위치에 도달하면 무게 35톤짜리 초대형 인공위성을 방출합니다. 인공위성은 자체 추진력을 이용해서 목표로 하는 궤도로 이행하게 되죠. 남은 2단 로켓은 곧 대기권에 재돌입하면서 타버리게 됩니다.

현재 인류가 우주에 보낸 구조물 중에서 국제우주정거장을 제외하곤 30톤을 넘는 중량물이 없습니다. 팔콘 헤비는 재활용을 하지 않을 시 최대 54톤의 페이로드를 우주로 한꺼번에 보낼 수 있고, 부스터와 1단의 재활용을 통해서 30톤 이상의 페이로드를 경제적으로 운반할 것으로 예상되므로 앞으로 우주 발사체 시장에 혁신을 가져올 수 있습니다.

물론 회수한 로켓의 실제 재활용 비율과 비용은 아직까지는 미지수이지만, 이러한 기술적 시도와 함께 차츰 재활용 비율과 경제성도 높아지게 될 것이 기대되기 때문입니다.

- 위 인용 수치들은 예상치이므로 반드시 실제와 동일하진 않습니다. -

엘랑

편집: 딴지일보 cocoa