지난 4월에 1차 시험발사가 아쉬운 결과를 낳았지만, 좀 더 발전된 스타쉽으로 가기 위한 교두보가 되었습니다. 기존의 로켓 개발 과정과 비교될 정도로 상당히 다른 형태로 진행되고 있으며 그에 걸맞게 한 번의 발사에서 제법 업그레이드가 되었습니다. 오늘은 제가 인터넷과 자료에서 확인된 내용으로 그간 바뀌 점을 정리하였습니다.
1. Hot staging
제가 느끼기엔 가장 큰 변화입니다. 일단 이 방법을 적용함으로써 전체 길이가 변경되었습니다.
우리나라에서 발사하는 나로호, 누리호에서는 1/2단 혹은 2/3단 분리를 위해서는 하단의 엔진을 정지를 가장 먼저 합니다. 이럴 경우 "F=ma" 공식과 마찬가지로 힘이 없어지기 때문에 발사체의 가속도는 0이 됩니다.
이로 인해 상단의 탱크는 거의 무중력에 가까운 상태가 되어 연료가 탱크 내부에 둥둥 떠다니게 됩니다. 이러면 상단 엔진 점화에 필요한 연료를 공급하는데 어려움을 겪게 됩니다.
그래서, 누리호는 상단의 미세한 가속도를 제공하기 위해 2단에 가속 모터를 장착합니다. 1/2단 분리 시 2단 가속모터 작동, 1단 연소 종료, 1단 감속모터 작동, 분리장치 작동, 2단 점화 순으로 진행이 됩니다.
하지만 스타쉽은 가속, 감속모터가 없기 때문에 상단의 가속도를 제공하기도 어렵고, 1/2단의 분리를 안전하게 하기도 어렵습니다. 같은 회사의 Falcon9도 가속, 감속모터가 없지만 단 분리할 때 1단이 2단을 밀어주는 유압 분리장치가 있어서 2단의 가속도를 만들어 줍니다. 위와 같은 방법은 연료 공급의 어려움이 발생하고 이를 위해 시스템이 복잡해지며 추력이 비행 중간에 없어지면서 전체적인 발사체 효율이 낮아진다는 단점이 있습니다.
스타쉽은 효율(즉, 페이로드 탑재량)을 높이기 위해 Hot staging 방법을 선택하였습니다. 엘런 머스크의 말에 따르면 단 분리 방식의 변화로 인하여 페이로드가 10% 상승할 것이라고 합니다.
Hot staging은 말 그대로 단 분리하기 전에 상단의 엔진을 작동시키는 것입니다. 분리 전에 상단의 엔진을 점화하기 때문에발사체의 가속도를 유지한 상태에서 상단의 가속도를 더할 수 있습니다.
하지만, 단 분리전에 엔진을 점화하고 더욱이 스타쉽은 재상용이기 때문에 1단 로켓의 보호를 위해 엔진 열기가 빠져나가기 위한 동체의 구멍들이 필요하고, 상단 엔진이 점화되는 동안 하단의 상부를 보호하기 위한 차폐막이 필요하게 됩니다. 최근 사진에서 스킨의 대부분이 뚫려있는 것이 확인되며, 상단 탱크 돔형상에 맞추어 제작된 차폐막도 확인됩니다.
아마도 아래 그림처럼 스타쉽 중간에 불꽃이 나오면서 단분리를 할 것입니다.
2. 추력 조절 장치 구동방식 변화
스타쉽의 1단 로켓의 추력 조절을 위해 일부 엔진은 추력 조절 장치로 추력 방향을 조절합니다. 스타쉽 1차 비행에서는 엔진 노즐을 움직이게 하기 위해 유압장치를 사용하였습니다. 여러 엔진을 조절하기 위해 다량의 유압장치가 사용되는데, 이때 공통적으로 사용하는 배관의 영향으로 옆 엔진의 영향을 받게 된다는 결론에 도달하였고 이를 개선하고자 2차 비행에서는 전기 방식을 사용한다고 합니다.
Falcon 9과 동일하게 모든 엔진은 독립적으로 운용되고 고장 시에도 주변 엔진에 영향을 주지 않게 설계하였다고 합니다.
스타쉽 1차 발사에서도 33개의 엔진 중 일부 엔진이 작동하지 않았음에도 비행했던 이유는 엔진 간의 구조적 간섭이 없었기 때문이라고 합니다. 이륙 당시 3개의 엔진이 작동하지 않았고 이는 추력의 9%에 해당하지만 최소 이륙추력이 넘어섰기 때문에 발사를 진행할 수 있었습니다. 하지만 추력조절 장치가 장착된 엔진은 일부 배관을 공유하기 때문에 엔진은 정상적으로 작동하더라도 추력조절장치가 작동하지 않을 수 있습니다.
이 때문에 엔진 간의 구조적 분리뿐만 아니라 기능적 분리도 구현하기 위해 유압식 추력조절 장치를 전기식으로 변경하였습니다.
3. 발사대를 보호하라.
1차 비행에서는 기존의 발사체 발사와는 다르게 상당히 오랜 시간 발사대 근처에 머물렀습니다. 그 결과 발사대는 아래 사진처럼 아작이 나고 그를 위한 홍수시스템이라 불리는 발사대 보호장치를 개선하기에 이르렀습니다. 더불어 비행 프로파일을 변경하여 이륙 직후의 추력을 높여 발사대를 빨리 벗어나도록 할 예정입니다.
4. FTS(Flight Terminate System) 개선
1차 발사 때 비행종료장치를 작동하였지만, 스타쉽이 완전 파손될 때까지는 40초라는 적지 않은 시간이 소요되었습니다. 일반적인 발사체가 FTS 작동 즉시 발사체를 폭파한다는 것에 비교하면 상당한 지연시간이 있는 것으로 이 점은 안전에 엄청난 영향을 줄 수 있습니다. 안전에 영향이 있다면 FAA 비행승인 측면에서 악형향을 줄 수 있고, 제가 보기에도 개선이 필요해 보입니다.
역시나, 머스크의 트윗에서도 이점을 다음 비행에는 개선한다고 하였습니다.
오늘은 1차비행을 통해 알게 된 개선점을 어떻게 차기 스타쉽에 반영하였는지를 알아보았습니다. 많은 사람들이 여전히 발사성공 가능성을 50%로 예상하고 있습니다. 저도 전대미문의 형식과 개발방식으로 인하여 스타쉽에 많은 관심을 가지고 있고 계속 팔로업을 할 생각입니다.