ESA의 테미스 프로젝트(재사용발사체 1단 개발 프로젝트)

재사용 발사체 기술은 우주 접근성을 높이고 발사 비용을 크게 절감할 수 있는 혁신적인 방안으로, 전 세계 주요 우주 강국들이 경쟁적으로 개발에 나서고 있습니다.
미국의 SpaceX는 Falcon 9과 Falcon Heavy를 통해 재사용 발사체 기술을 상용화하는데 성공했습니다. 특히 Falcon 9은 1단 부스터의 수직 착륙 및 재사용을 통해 발사 비용을 크게 낮추었습니다1. Blue Origin 역시 New Glenn이라는 대형 재사용 발사체를 개발 중이며, 1단 로켓을 최대 25회 재사용하는 것을 목표로 하고 있습니다.
러시아는 2020년 10월 최초의 재사용 메탄 발사체 Amur 개발 계약을 체결했으며, 이는 Falcon 9과 유사한 방식으로 1단 로켓을 해상 플랫폼에 수직 착륙시키는 기술을 적용할 예정입니다.
중국도 재사용 발사체 개발에 적극 나서고 있습니다. 2020년 첫 시험 발사에 성공한 중국의 재사용 우주비행체는 2022년 8월에 276일간의 궤도 비행을 마치고 지상으로 귀환했습니다. 이는 미국의 X-37B와 유사한 형태로 추정되며, 군사적 용도로 활용될 것으로 예상됩니다.
유럽우주국(ESA)은 Themis(테미스) 프로젝트를 통해 재사용 가능한 로켓 부스터 기술을 개발하고 있습니다. Prometheus 엔진을 탑재한 이 시연용 로켓은 2025년 첫 저고도 비행 시험이 예정되어 있습니다.
인도 역시 재사용 발사체 기술 개발에 참여하고 있습니다. 인도우주연구기구(ISRO)는 기존의 수소 상단 엔진을 대체하는 10톤급 메탄엔진과 3톤급 전기펌프 메탄엔진에 대해 연구 중입니다.

이 중에 유럽우주국에서 진행 중인 테미스 프로젝트에 대해 알아 보겠습니다.

1. Themis Project(테미스 프로젝트)

테미스(Themis) 프로젝트는 유럽우주국(ESA)의 미래 우주 운송 시스템 개발을 위한 핵심 이니셔티브입니다. 이 프로젝트의 주요 목표는 저비용 로켓 회수 및 재사용 기술을 실증하는 것입니다.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Themis

Themis

 

테미스의 개발은 단계적으로 진행되고 있습니다:

1. 지상 시험: 프랑스 베르농에 위치한 전체 규모의 테미스 기능 '테스트 벤치'에서 프로메테우스 엔진과 테미스 단의 성능을 평가하고 있습니다. 이 시설에서는 정기적으로 열 시험을 수행하여 프로메테우스 엔진의 동작을 분석하고 데이터를 수집합니다.
2. 조립 및 통합: 프랑스 레 뮈로의 아리안그룹 통합 건물에서 테미스의 첫 비행 모델인 T1H(Themis-1 engine-Hop tests)의 조립이 진행 중입니다. 엔지니어들은 다양한 시스템을 검증하고 모든 요소들이 잘 작동하는지 확인하고 있습니다.
3. 호핑 테스트: 테미스의 첫 비행은 스웨덴 북부 우주센터에서 이루어질 예정입니다. 이 '호핑' 테스트에서는 엔진이 지속적으로 작동하면서 다양한 추력 수준을 보여줄 것입니다. 이는 유럽 최초로 극저온 추진 시스템을 사용한 수직 이착륙 로켓 요소를 시연하는 중요한 이정표가 될 것입니다.
4. 고고도 비행: 2025년에는 프랑스령 기아나의 유럽 우주센터에서 고고도 비행, 재진입, 착륙, 정비 및 재사용을 시연할 예정입니다. 이때는 3개의 프로메테우스 엔진과 단 회수에 필요한 모든 서브시스템을 갖춘 통합 테미스 시연기가 사용될 것입니다.

테미스 프로젝트는 단순히 기술 시연에 그치지 않고, 유럽의 우주 운송 생태계 전반에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. ESA는 이를 통해 재사용성의 경제적 가치를 평가하고, 미래의 발사체 함대에 활용할 수 있는 새로운 기술에 투자하고 있습니다. 또한 이 프로젝트는 ESA의 미래 발사체 준비 프로그램(FLPP)의 일환으로, 유럽의 제도적, 상업적 요구를 충족시키고 우주 분야에서 유럽의 선도적 위치를 확보하는 데 기여할 것입니다.

시험 차례

 

2. 테미스 프로젝트에 적용되는 재사용 발사체 기술

테미스 프로젝트는 유럽우주국(ESA)의 미래 발사체 준비 프로그램(FFLP)의 일환으로, 재사용 가능한 발사체 기술 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 이 프로젝트에 적용되는 주요 재사용 발사체 기술은 다음과 같습니다:

• 액체 메탄 엔진: Themis는 친환경적이고 저비용, 재사용이 가능한 액체 메탄 엔진을 사용합니다. 이는 저장성이 뛰어나고 외부 행성에서도 추진제 확보가 가능하다는 장점이 있습니다.
• 적층제작 기술: Themis에 사용되는 1톤급 연소기는 적층제작 기술을 기반으로 제작됩니다. 이 기술은 복잡한 형상의 부품을 빠르고 경제적으로 생산할 수 있어 재사용 발사체 개발에 큰 도움이 됩니다.
• 수직 이착륙 기술: Themis는 유럽 최초로 극저온 추진 시스템을 사용한 수직 이착륙 로켓 기술을 시연할 예정입니다. 이 기술은 발사체의 1단을 안전하게 회수하고 재사용하는 데 필수적입니다.
• 재진입 및 착륙 기술: 고고도 비행 시험에서는 재진입, 착륙, 정비 및 재사용 기술이 시연될 예정입니다. 이는 발사체의 안전한 회수와 빠른 재사용을 가능하게 하는 핵심 기술입니다.
• 극저온 추진제 관리: 액체 메탄과 액체 산소를 사용하는 Themis는 극저온 추진제를 효율적으로 관리하고 재사용하는 기술을 개발하고 있습니다. 이는 발사체의 성능과 재사용성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
• 첨단 센서 및 제어 시스템: Themis는 정밀한 착륙과 재사용을 위해 고도의 센서 기술과 제어 시스템을 적용하고 있습니다. 이는 발사체의 안전한 회수와 신속한 재사용을 가능하게 합니다.

이러한 기술들은 Themis 프로젝트를 통해 검증되고 개선되어, 향후 유럽의 재사용 가능한 상업용 발사체 개발에 적용될 것으로 기대됩니다. 이를 통해 유럽은 우주 발사 시장에서의 경쟁력을 강화하고, 지속 가능한 우주 탐사를 위한 기반을 마련할 수 있을 것입니다.

 

3. Prometheus 엔진

Prometheus 엔진은 유럽의 차세대 로켓 추진 기술을 대표하는 혁신적인 시스템으로, Themis 프로젝트의 핵심 요소입니다. 이 엔진은 기존 엔진 대비 현저히 낮은 비용과 높은 성능을 목표로 개발되고 있습니다.

Prometheus engine

Prometheus 엔진의 주요 혁신 사항은 다음과 같습니다:

• 메탄 연료 사용: Prometheus는 액체 메탄과 액체 산소를 연료로 사용합니다. 이는 환경 친화적이며 재사용성을 높이는 데 기여합니다.
• 고성능: 엔진의 목표 성능은 추력 100 tf, 비추력 326 s로 설정되어 있어 높은 효율성을 자랑합니다.
• 비용 절감: 혁신적인 제작 기술과 설계를 통해 기존 엔진 대비 제작 비용을 10분의 1로 낮추는 것을 목표로 하고 있습니다.
• 3D 프린팅 기술: 엔진 부품 제작에 적층 제조 기술을 활용하여 생산 시간과 비용을 크게 줄였습니다.
• 디지털 엔진 제어: 첨단 디지털 기술을 활용한 제어 시스템을 도입하여 엔진의 정밀한 조절과 모니터링이 가능합니다.
• 재사용성: Prometheus 엔진은 최소 5회 이상의 재사용을 목표로 설계되어 있어, 발사 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

이러한 혁신을 통해 Prometheus 엔진은 유럽 우주 산업의 경쟁력을 크게 향상하고, 우주 접근성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 

 

4. 아리안 6 적용 전망 

Themis 프로젝트의 개발이 완료된 후 아리안 6 발사체에 적용될 가능성은 상당히 높습니다. 유럽우주국(ESA)은 Themis를 통해 개발된 기술을 아리안 6의 후속 버전이나 차세대 발사체에 적용하려는 계획을 가지고 있습니다. 주요 적용 가능성은 다음과 같습니다:

• 재사용 기술: Themis의 핵심인 재사용 가능한 1단 부스터 기술은 아리안 6의 비용 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 SpaceX의 팰컨 9과 유사한 방식으로, 발사 후 1단을 회수하여 재사용함으로써 발사 비용을 대폭 절감할 수 있습니다.
• Prometheus 엔진: Themis에 사용되는 Prometheus 엔진은 아리안 6의 후속 버전에 탑재될 가능성이 높습니다. 이 엔진은 기존 엔진에 비해 제작 비용이 10분의 1 수준으로 낮고, 최소 5회 이상 재사용이 가능하여 아리안 6의 경쟁력을 크게 높일 수 있습니다.
• 메탄 연료 사용: Prometheus 엔진이 사용하는 액체 메탄과 액체 산소의 조합은 환경 친화적이며 재사용성이 높습니다. 이는 아리안 6의 환경 영향을 줄이고 운영 효율성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.
• 적층 제조 기술: Themis 프로젝트에서 활용되는 3D 프린팅 기술은 아리안 6의 부품 제작에도 적용될 수 있어, 생산 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
• 아리안 6 Evo: ESA는 Themis에서 얻은 기술과 경험을 바탕으로 아리안 6의 진화 버전인 '아리안 6 Evo'를 개발할 계획입니다. 이는 재사용 기술과 새로운 엔진을 통합하여 아리안 6의 성능과 경제성을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다.
• 아리안 넥스트: 더 장기적으로는 Themis의 기술이 '아리안 넥스트'라는 완전히 새로운 발사체 개발에 활용될 수 있습니다. 아리안 넥스트는 아리안 6의 상업적 임무 수행 비용을 절반으로 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

이러한 적용을 통해 유럽은 급변하는 글로벌 우주 발사 시장에서 경쟁력을 유지하고, 우주에 대한 자율적 접근성을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그러나 아리안 6호의 발사 비용이 여전히 SpaceX의 팰컨 9에 비해 높다는 점은 향후 해결해야 할 과제로 남아있습니다