1. 서 론
2. 소유즈 개발 전략
2.1 보스토크-K 발사체
2.2 보스호트(Voskhod) 발사체
2.3 1세대 소유즈 발사체(11A511)
2.4 소유즈-U 발사체(11A511U)
2.5 소유즈-FG 발사체(11A511U-FG)
2.6 소유즈-2 발사체(14A14)
3. Falcon 9 유인 개발 전략
3.1 SpaceX CRS 미션
3.2 SpaceX Crew Dragon 미션
4. 유인 발사체의 엔진 특징 및 비교
4.1 러시아 및 구소련의 유인 발사체 엔진 특징
4.2 미국 유인 발사체 엔진 특징
4.3 중국 유인 발사체 엔진 특징
5. 한국형 유인 우주발사체 개발 전략
5.1 누리호 기본형 유인 우주발사체
5.2 누리호 성능개선형 유인 우주발사체
5.3 유인 우주발사체에 필요한 누리호 발사 전략
6. 결 론
Nomenclature
ASDS : automatous spaceport dronship
CRS : commercial resupply services
COTS : commercial orbital transportation services
FRSC : fuel rich staged combustion
GG : gas generator
ISS : international space station
LEO : low earth orbit
LV : launch vehicle
ORSC : oxidizer rich staged combustion
RP-1 : rocket propellant-1
SSO : sun synchronous orbit
1. 서 론
SpaceX가 2023년 Falcon 9과 Falcon Heavy를 총 96회 발사하였고[1], Starship 시험발사도 2023년 4월과 11월, 2024년 3월에 진행되면서[2,3], 어느 때보다 우주 개발에 대한 관심이 뜨거워 지고 있다(Fig. 1). SpaceX가 리드하고 있는 우주 개발은 인류를 화성으로 보내는데 초점을 맞춘 것으로서, SpaceX는 그 어떤 것보다도 유인 우주발사체를 완성시키는데 최우선순위를 두어 왔다. Falcon 9은 2020년 5월에 2명의 우주 비행사를 처음으로 국제 우주 정거장에 보낸 이후에 12번의 유인 우주 미션을 성공적으로 수행했다[4]. Engine-out 기능으로 발사체의 신뢰도를 높이고 재사용 기술을 통해 비용을 낮춘 SpaceX는 2024년 4월 13일까지 Falcon 9 성공률 99.4%를 달성하여, 소유즈의 성공률 95.1%를 훨씬 뛰어 넘었다[1]. 1950년대 구소련 시절부터 현재까지 70년 가까운 세월을 운용하였던 R-7 계열의 우주발사체 소유즈는 1900회 이상이라는 R-7의 엄청난 발사 이력을 기반으로 하여 유인 우주발사체를 운영하였으며[5], 오랜 세월동안 치명적인 인명 사고가 일어나지 않아 유인 우주발사체로 지속해서 사용되었다.
중국은 정부가 우주굴기에 목표를 두면서 2020년 이후 발사 횟수가 급속도로 늘어나기 시작하였고, 2021년 이후에는 선저우 우주선을 태운 장정 2F(Long March 2F) 발사체를 연간 2회 이상 발사하고 있다[6]. 인도는 2007년부터 가간얀(Gaganyaan)이라는 우주선을 개발하였고, LVM3(Launch Vehicle Mark-3)라는 발사체를 통해 2025년 첫 유인 발사를 계획하고 있다[7].
대한민국은 2022년 누리호 발사 성공을 통해 자력 발사 능력을 입증하였고, 2022년 12월 4차 우주개발 진흥계획에서 2045년까지 유인수송 발사체를 개발하기로 목표를 세웠다. SpaceX는 Falcon 9을 2010년에 첫 발사하고 10년 후에야 유인 우주선을 비로소 발사할 수 있었고, 인도의 경우 가간얀 유인 우주선을 계획 후 18년 후에 발사 예정인 것들을 고려하였을 때, 대한민국 유인 우주선 계획도 2025년에는 초기 계획을 세워야 할 것으로 판단된다. 누리호는 현재 유인 우주발사체로 가장 많이 사용되고 있는 러시아의 소유즈, 미국의 Falcon 9과 동일한 케로신 가스발생기 엔진 시스템을 발사체 1단, 2단, 3단 모두에 적용하고 있으므로 유인 우주발사체로 사용하기 적합한 시스템이라는 장점이 있다.
본 논문에서는 러시아 및 구소련의 소유즈 유인 발사체 개발전략과 SpaceX의 Falcon 9 유인 발사체 개발전략을 비교하였고, 유인 발사체에 적용되었던 엔진을 분석하여 향후 대한민국에서 필요할 것으로 예상되는 유인 우주발사체 개발 전략을 제시하였다.
2. 소유즈 개발 전략
2.1 보스토크-K 발사체
소유즈는 구소련 시절에 개발하였던 세계 최초의 궤도발사체인 R-7에서 파생되었다. 당시 R-7은 소련의 무거운 핵탄두 설계를 기반으로 했기 때문에 4톤 이상의 탑재체 중량을 실을 수 있게 설계하였고, 그 결과 스푸트니크 이후에 보스토크, 소유즈에 이르러서도 지상추력의 큰 변화가 없이 우주인을 지구 저궤도에 올려놓을 수 있는 충분한 용량을 갖출 수 있게 되었다. 안정적인 발사와 여러 쓰임새로 인하여, R-7은 세계의 다른 어떤 계열의 로켓보다 더 많이 발사되었으며, 2023년까지 R-7 계열 로켓의 발사된 횟수는 무려 1900회 이상으로 조사되었다[5].
1957년 10월 4일 소련 최초의 위성인 스푸트니크 1호를 발사하는데 성공한 후, 4년도 지나지 않은 1961년 4월 12일에 세계 최초의 우주비행사 유리 가가린을 태운 보스토크 1호가 발사되었다[5]. 보스토크 1호는 보스토크-K 발사체였는데, 보스토크-K 발사체가 발사되기 전까지 4년 이내에 R-7 Semyorka, Sputnik-PS, Sputnik, Luna, R-7A Semyorka, Vostok-L, Molniya라는 7종류의 발사체를 발사하였다(Table 1). Fig. 2에는 R-7 Semyorka와 이후에 만들어진 개량형인 스푸트니크, 보스토크, 보스호트, 소유즈에 대해서 크기 비교가 되어 있다. 보스토크-K 이전에 개발되었던 발사체 7종의 발사 시도는 총 91회로서 이 중 보스토크 1호가 발사한 1961년 4월 12일까지 직전까지의 발사 횟수는 R-7A 12회, Molniya 4회로 총 60회에 이른다. 보스토크-K 발사체에서 3개의 발사체를 시험발사하고 유리 가가린을 궤도에 올렸기 때문에, 실제로 우주비행사를 승선하는 데까지 소련에서는 총 63회의 발사를 하였다. 63회의 발사 중 R-7 Semyorka는 9회의 발사실패, Sputnik는 1회, Luna는 7회, R-7A는 1회, Vostok-L은 1회, Molniya는 3회, Vostok-K는 1회의 발사실패가 있었기 때문에, R-7 계열에서는 총 23회의 발사실패가 있었고, 당시까지 성공률 63.5%라는 매우 낮은 성공확률을 가지고 있었다는 것을 알 수 있다. 즉, 첫 우주비행사였던 유리 가가린은 사실상 목숨을 걸고 우주비행을 시도한 것을 알 수 있다. 심지어 유리 가가린의 미션이 성공한 이후 이틀 뒤인 4월 14일에 일어난 R-7A 발사체의 발사가 실패했던 것들을 보았을 때 이 당시의 유인 우주발사는 상당히 위험한 미션이었음을 알 수 있다.
Table 1
Initial variants of R-7 rocket family[5].
보스토크-K 발사체는 99톤급(970.86 kN) RD-107 엔진을 사이드 부스터로 4개 장착하여 총 388톤의 추력을 냈으며, 중앙 1단에 93톤급(912 kN) RD-108 엔진을 1개 장착하였으며, 2단에 5.6톤급(54.5 kN)의 RD-0109 엔진을 장착하였다[8]. 보스토크-K는 1960년 12월부터 1964년 7월까지 약 4년이 안되는 기간동안 13번의 발사를 하였으며, 첫 번째 발사(Korabl-Sputnik)와 6번째 발사(Kosmos)는 실패를 기록했으나 유인용으로 사용된 것은 아니었다(Table 2). 큰 위험 속에 유인 발사를 하였던 보스토크 1호에서 6호까지는 다행스럽게도 모두 성공을 하였으며, 보스토크 2호는 1일 이상 체류, 보스토크 3호와 4호는 동시에 2개의 발사체를 발사하는 것, 보스토크 5호는 한 명의 우주인으로 가장 장시간 체류하였던(거의 5일) 기록, 보스토크 6호는 최초의 여성 우주인 배출 등의 기록을 가지고 있다(Table 2).
Table 2
2.2 보스호트(Voskhod) 발사체
보스호트 발사체는 보스토크 이후의 R-7 확장형 유인 우주발사체로 설계되었지만, 나중에 Zenit 정찰위성 발사로 주로 사용되었다[10]. 1963년 11월부터 1976년 6월까지 300회 발사되어 277회 성공하였고, 23회 실패하여 성공률 92.3%를 기록하고 있다[5].
보스호트 발사체는 보스토크-K보다 엔진 성능을 약간 향상시켰다. 부스터로 사용하였던 RD-107을 101.5톤급(995.4 kN)으로 약 2.5%를 향상시켜서 총 406톤급의 추력으로 더 많은 탑재체를 실을 수 있게 하였다. 중앙의 1단 RD-108도 추력을 96톤급(941 kN)으로 역시 3.2% 정도 추력을 향상 시켰다. 2단에는 30톤급(294 kN)의 RD-0107 엔진을 사용하여 궤도에 도달할 수 있도록 하여 기존의 보스토크에 사용하였던 RD-0109 엔진의 4.4배의 추력을 사용하였다[10]. 이로인해 4.7톤급의 탑재체를 올릴 수 있었던 보스토크-K에 비해 5.9톤급 탑재체를 LEO에 올릴 수 있게 되어 2명 이상의 우주비행사를 태울 수 있게 되었다.
소련의 7번째 유인 우주비행은 보스호트 1호로 발사되게 되는데, 1964년 10월 12일 발사된 보스호트 1호(Fig. 3)에는 3명의 유인 우주비행사들이 탑승하였고, 이는 한 명 이상의 승무원을 궤도에 진입시킨 최초의 인간 유인 우주비행이었다. 그러나 보스호트는 너무 좁은 공간에 우주인이 3명이나 들어가야 해서 자신들을 보호할 수 있는 여압 우주복을 입을 수도 없었고, 그래도 공간이 부족하여 우주인들이 다이어트를 해야 했다. 또한 좌석에는 발사 및 착륙시 충격을 흡수하는 시스템도 없었고, 유사시 캡슐을 탈출할 수 있는 방출 좌석도 없었다. 즉, 승무원 캡슐에 공기 압력이 떨어지거나 문제가 생기면 우주비행사들이 모두 사망할 수 밖에 없는 매우 위험한 구조였다. 다행히 보스호트 1호는 모두 무사히 임무를 마치고 귀환하였다.
5개월 후엔 1965년 3월 18일에 발사된 보스호트 2호는 최초의 유인 우주 유영을 한 미션이었다. 좁은 승무원 캡슐에 우주복을 입고 들어가야 했으므로 3인승을 다시 2인승으로 줄였으며, 약 90분의 임무시간 중에서 조종사인 알렉세이 레오노프가 12분을 우주 유영을 하여 우주 개발사에 한 획을 긋게 되었다[10].
2.3 1세대 소유즈 발사체(11A511)
소유즈 발사체 시리즈는 보스호트 유인 발사체의 뒤를 이어 개발된 유인 발사체로서 1960년대부터 현재까지 다양한 버전으로 140회 이상의 유인 비행을 수행하였다[12]. 소유즈는 발사체(launch vehicle)의 이름과 우주선(spacecraft)의 이름이 같기 때문에, 코드로 명확히 구별하지 않으면 구별이 매우 어렵다[13]. 보통 소유즈 발사체는 Soyuz-U, Soyuz-FG, Soyuz-2와 같이 ‘-’를 붙이며, 소유즈 우주선은 Soyuz 7K-OK, Soyuz 7K-T, Soyuz MS와 같이 소유즈 이름 바로 뒤에 ‘-’를 붙이지 않음으로 구별하는 경향이 있다.
1세대 소유즈 발사체(GRAU index 11A511)는 1966년 11월에 무인 발사로 시작하여, 8번의 무인 임무를 수행한 후에 19번의 유인 발사를 시작하였다[14]. 당시에 개발되었던 초기 소유즈 우주선(spacecraft)은 Korolev 설계국(현재의 Energia)이 소련 우주 프로그램을 위해 설계했는데, 원래는 소련의 유인 달 탐사 프로그램의 일부로 개발했었다[12]. 1967년 4월 23일에 발사된 소유즈 1호의 최초 유인 임무에서 1세대 소유즈 로켓에 소유즈 7K-OK 우주선이 탑재하여 성공적으로 발사되었다. 그러나 궤도상에서 여러 가지 어려움을 겪다가 귀환 중 낙하산이 펴지지 않은 결함으로 인해 지상 충돌로 우주 비행사 블라디미르 코마로프가 사망하였다[12]. 소유즈 7K-OK의 결함을 수정한 이후에 소유즈 2호와 3호는 궤도상에서 도킹을 시도했지만 미션은 이루어내지 못하고 귀환하였다[15]. 이후 1969년 1월에 소유즈 4호와 5호는 궤도상 유인 도킹을 세계최초로 성공하였고(Fig. 4), 우주 유영으로 우주선을 옮기는 시도를 보여주었다[16]. 아폴로 9호는 동일한 궤도상 유인 도킹을 2개월 후에 수행했다.
Fig. 4
Modeling Soyuz 4 and Soyuz 5, the world's first docking of two manned spacecraft on January 16, 1969[16].
1969년 아폴로 11호의 달착륙이 성공하고 소련이 달착륙 우주경쟁(space race)에서 패배한 이후 소련은 소유즈로 모듈의 도킹을 통한 우주정거장을 만드는 것에 집중하게 되었다. 그러나 이후에 업그레이드 된 소유즈 7K-OKS 우주선을 탑재한 소유즈 11호에서 재진입 직전 내부 객실의 압력이 낮아지면서 우주비행사 3명이 모두 사망한 사고가 발생하였다[17]. 이 사고는 지금까지 우주공간에서 사망자가 발생했던 유일한 사고였으며, 이 사고 이후 우주선 캡슐 내에서 우주비행사들은 우주복을 입고 탑승하게 하여 비슷한 사고를 예방하게 되었다. 이 두 사고를 제외하면 소유즈 모든 버전의 유인 발사체에서는 사망에 이를 정도의 치명적인 사고가 발생하지 않았기 때문에, 거의 60년에 가까운 세월동안 지속적으로 사용되었다[12].
소유즈 11호의 비극적 사고 이후에 소유즈 7K-OKS는 소유즈 7K-T 우주선으로 변경되었고, 이 우주선은 소유즈 12호(1973년)부터 40호(1981년)까지 사용되었다. 이 중 1세대 소유즈 발사체(11A511)에는 소유즈 18호(1975년)까지 실려서 발사되었고, 소유즈 16호와 소유즈 19호 이후부터는 다음 세대 발사체인 소유즈-U 발사체(11A511U)에 실렸다[14].
1세대 소유즈 발사체는 R-7 발사체들의 기본틀은 변하지 않은채 성능만 약간 향상된 것으로 나타났다. 사이드 부스터로 사용되었던 RD-107 엔진은 101.4톤급(994.3 kN)으로 거의 차이가 없으나, 중앙의 1단 RD-108은 추력을 100톤급(977.7 kN)으로 3.9% 정도 추력을 향상시켰다. 2단에는 보스호트의 RD-0107과 동일한 추력을 가졌지만 보다 고성능의 개량형 엔진인 30톤급(294 kN)의 RD-0110 엔진을 사용하였다[14]. 이로 인해 5.9톤급 탑재체를 올릴 수 있었던 보스호트에 비해 6.4톤급의 탑재체를 LEO에 올릴 수 있게 되어 3명의 우주비행사를 안정적으로 태울 수 있는 우주선 구조가 가능하게 되었다.
2.4 소유즈-U 발사체(11A511U)
소유즈-U는 1세대 소유즈가 퇴역한 이후에 사용되었던 유인 겸용 우주발사체로서 거의 44년 동안 786회라는 발사 기록을 가지고 있으며, 세계에서 가장 오랫동안 사용되었던 발사체이다[18]. 소유즈-U가 나오기 전에 달착륙선 테스트용이었던 소유즈-L과 유인 우주선용으로 개발되었으나 결국 정찰위성발사에 사용되었던 소유즈-M이 있지만, 각각 3회, 8회 발사에 그치면서 일찍 퇴역하였다[13]. 소유즈-U는 미국의 아폴로 프로그램이 끝나가던 1973년 5월에 첫 발사를 하였으며, 2017년 2월 국제우주정거장에 프로그레스 MS-05 화물선을 실어 나르고 퇴역하였다. 소유즈-U는 1970년대 말에서 1980년 초반까지 일년에 55-60대를 생산하면서 생산량이 정점을 찍었으며, 1979년 47회의 발사 기록은 그로부터 43년 후인 2022년 SpaceX Falcon 9의 60회 발사에 의해 기록이 깨질 때까지 오랜 세월동안 단일 기종 최대 연간 발사 기록으로 남아 있었다[18]. Fig. 5는 소유즈-U의 발사 사진이다.
소유즈-U 발사체의 최초 유인 미션은 1974년 소유즈 16호였고, 아폴로–소유즈 테스트 프로젝트(ASTP)를 위해 개발되었던 소유즈 7K-TM 우주선을 사용하였다. 1975년 소유즈 19호는 아폴로 프로젝트를 위해 개발했던 Saturn-V 발사체의 서비스 모듈과 도킹하였다. 1981년까지 소유즈-U 발사체에는 기존에 소유즈 12호 때부터 사용하였던 소유즈 7K-T가 유인 우주선으로 사용되었고, 1980년부터는 3세대 우주선인 소유즈-T가, 1986년 5월부터는 4세대 우주선 소유즈-TM이 사용되었다[12]. 소유즈-U의 마지막 유인 미션은 2002년 11월에 국제우주정거장에 도킹하였던 소유즈 TM-34 미션이었다[18]. 당시 미국의 스페이스 셔틀에서 발생하였던 챌린저호 폭발이 1986년 1월이었고, 콜롬비아호의 재진입후 분해사고가 2003년 2월이었기 때문에 이 사고들은 당시 4세대 우주선 소유즈-TM이 운용된 기간의 바로 전후에 발생한 재앙이었다.
소유즈-U 발사체는 이전 R-7 계열 발사체 구조에서 크게 변하지 않았으며, 단지 엔진의 효율을 증가시켜서 전체 발사체를 최적화하기 위해 노력했다. 사이드 부스터로 사용되었던 RD-117 엔진은 104.2톤급(1,021.3 kN)으로 역시 2.7% 정도 상승하였고, 중앙의 1단 RD-118은 추력을 101톤급(990.2 kN)으로 1.2% 정도 추력을 향상시켰다. 소유즈-U는 지상용 엔진들의 추력보다 진공 비추력(vacuum specific impulse)을 높이는데 주력하여 발사체의 효율화에 집중한 것으로 보인다. 2단에는 기존보다 약간 개량된 30톤급(297.9 kN)의 RD-0110 엔진을 사용하였다[18]. 이로 인해 6.4톤급 탑재체를 올릴 수 있었던 1세대 소유즈에 비해 6.9톤급의 탑재체를 LEO에 올릴 수 있게 되었다.
소유즈-U가 생산되고 발사되고 있던 기간 중인 1982년부터 1995년에 소유즈-U에 신틴(syntin) 추진제를 사용하여 소유즈에 사용되었던 RP-1 추진제를 대체하면 탑재체를 7.05톤까지 올릴 수 있어서 개량이 진행되었던 소유즈-U2 발사체가 있었다[20]. 그러나 신틴을 사용하여 얻은 성능 이점이 추가 생산 비용에 비해 높지 않았기 때문에 소유즈-U에 비해 가성비가 부족하여 빨리 퇴역하였다. 소유즈-U2는 총 72회 발사에 한 번도 실패가 없었던 안정적인 발사체였으며, 유인 우주비행도 일부 진행하여 우주정거장 Salyut 7 및 Mir에 우주인을 실어 날랐다[18].
2.5 소유즈-FG 발사체(11A511U-FG)
소유즈-FG는 소유즈-U의 유인미션을 넘겨받은 발사체로 2001년 5월에 프로그레스 화물선을 국제 우주정거장으로 운반하면서 첫 비행을 하였다. 소유즈-FG는 2019년 9월까지 총 70회 발사에 1회 실패하였다. 발사 실패는 2018년 10월에 발생하였는데, 당시 소유즈 MS-10 우주선에 탑승하였던 2명의 우주비행사들은 비상탈출에 성공하여 안전하게 착륙하였다[21].
소유즈-FG의 최초 유인 미션은 2002년 10월 소유즈 TMA-1 미션으로 이 때 사용되었던 소유즈 4세대 개량형 우주선인 소유즈 TMA, 그리고 컴퓨터 업그레이드한 TMA-M은 2016년까지 운용되었다. 2008년 한국 최초 우주인 이소연 박사는 이 TMA 계열 소유즈 TMA-12 우주선에 탑승하여 우주로 올라갔고(Fig. 6), TMA-11 우주선으로 지상에 착륙했다[21,22]. 2011년 미국 스페이스 셔틀의 퇴역과 2020년 SpaceX Crew Dragon의 Demo 비행 사이에 소유즈는 국제 우주정거장을 오가는 유일한 유인 발사체였다[12]. 2016년부터 소유즈 TMA-M은 소유즈 MS 우주선으로 교체되었고, 2019년 9월 소유즈 MS-15 미션을 끝으로 퇴역하였다.
Fig. 6
On April 10, 2008, Soyuz TMA-12 with Dr. Yi So-Yeon aboard approached the International Space Station for docking[22].
소유즈-FG 발사체의 구조는 역시 기존의 R-7과 거의 유사하며, 사이드 부스터 엔진인 RD-107A는 104.2톤급(1,021.3 kN)으로 기존 RD-117과 추력은 같으나 비추력이 기존보다 약간 상승하였고, 중앙의 1단 RD-108A도 추력이 101톤급(990.2 kN)으로 기존 RD-118과 동일하고 비추력이 약간 상승한 것으로 파악된다[21]. 이 경우 탑재체가 소유즈-U에 비해 더 올릴 수 있을 것이라 계산되지만 자료가 명확하지 않다.
2.6 소유즈-2 발사체(14A14)
소유즈-2 발사체는 기존 소유즈 발사체를 현대화한 제품이다. 기존 소유즈-FG까지는 아날로그 방식의 제어 시스템을 가졌기 때문에 기능이 크게 제한되었다[21]. 소유즈-2는 디지털 비행 제어 및 텔레메트리 시스템으로 업그레이드 되었고, 엔진들의 분사 시스템도 개선이 되었다. 소유즈-2는 2004년에 처음 준궤도 시험발사를 시작으로 2006년 10월에 기상위성 MetOp-A를 처음으로 궤도에 투입하였다. 그리고, 구형 R-7 시리즈인 Molniya-M을 2010년에, 소유즈-U를 2017년에, 소유즈-FG를 2019년에 대체하기 시작하였다. 소유즈-2가 2006년부터 운영되었음에도 불구하고 2019년까지 기존의 소유즈-FG의 유인 발사를 대체하지 못하였는데, 엔진의 변화와 디지털화 등으로 인하여 지속적인 임무 실패가 일어나고 있었기 때문이었다. 2009년 소유즈-2의 5번째 미션에서 상단 RD-0110 연소기 챔버의 벌징 현상으로 연료 리크가 생겨 5초 일찍 연소가 종료되는 사고가 있었고, 2011년 소유즈-2의 16번째 미션에서는 상단 ORSC 엔진 RD-0124가 비정상 거동 후 폭발이 일어났다. 2015년 국제 우주정거장으로 화물을 이송했던 46번째 미션에서는 발사 동안의 진동으로 인해 우주선(spacecraft)이 분리 직후 통신 및 자세제어가 중단되는 사고가 발생했다. 2017년에는 보스토치늬에서 발사한 소유즈-2의 상단에 20년전의 바이코누르의 좌표로 잘못 코딩한 황당한 실수로 인하여 상단이 그대로 대기권으로 재진입하기도 하였다. 이러한 우여곡절을 거쳐서 2019년에 이전 아날로그 세대의 소유즈 시리즈가 다 퇴역하면서 소유즈-2 시리즈만 남게 되었는데, 이때 이후의 발사는 현재까지 성공적으로 진행되었다[23].
소유즈-2는 엔진 구성과 발사장소에 따라 다양한 시리즈로 분화되었다. 소유즈-2.1a는 기존의 소유즈 시리즈와 같이 가스발생기 타입 엔진 RD-0110을 장착하면서 소유즈-FG가 가지고 있었던 유인 발사체 지위를 넘겨 받았고, 소유즈-2.1b는 고성능 ORSC 엔진인 RD-0124를 장착하여 탑재체 용량을 2.1a의 7.02톤에서 8.2톤까지 증가시켰다. 그리고 2.1a와 2.1b는 남미의 기이나 발사장에서 SSO와 GTO로 상업 발사하는 용도로도 쓰게 되었는데, 남미의 덥고 습한 기후를 견디기 위해 약간 개선된 모델인 소유즈 ST-A, 소유즈 ST-B 라는 이름으로 프랑스-러시아 합작업체인 Starsem사와 계약하여 제공하였다[23]. 그러나 최근의 우크라이나 전쟁 이후 소유즈 ST 시리즈도 중단되었다.
소유즈-2.1v는 사이드 부스터가 없고 1단에 구소련시절 개발된 다단엔진인 NK-33을 달아 R-7 시리즈의 개념에서 완전히 벗어나 있는 모델이다. 따라서 50여년간 이어진 소유즈 시리즈 내에 포함시키는 것이 맞지 않다고 보고 있는데, 1단 탱크와 2단은 소유즈-2.1b를 그대로 사용하였기 때문에[24], 러시아 TsSKB사는 소유즈의 이름을 붙여서 서비스하고 있다. 소유즈-2.1v는 LEO 200km에 2.8톤급을 투입할 수 있는 경량급 모델로 누리호의 탑재성능과 비슷하다고 할 수 있다.
2019년 9월 소유즈-FG 발사체로 소유즈 MS-15 우주선이 마지막 미션을 진행하기 전인 8월에 MS-14 우주선이 소유즈-2 발사체로 무인 상태로 국제 우주정거장에 도킹하는 것을 테스트하였다. 이후 2020년 4월부터 소유즈-2를 이용한 소유즈 MS-16 우주선이 성공적으로 우주비행사를 국제 우주정거장으로 보냈다[23]. Fig. 7은 2020년 7월 발사된 MS-17 우주선과 소유즈-2.1a의 모습이다. 비슷한 시기인 2020년 1월부터 SpaceX의 Crew Dragon이 비행중단 시험 비행을 시작하고, 5월부터 Crew Dragon Demo-2가 성공적으로 우주비행사를 국제 우주정거장에 나르기 시작하면서[26], 소유즈-2.1a와 Falcon 9이 현재까지 국제 우주 정거장으로 유인 궤도 비행이 가능한 발사체들로 남게 되었다. 2024년 현재 각각의 발사체에 탑재되는 우주선은 소유즈 MS와 Crew Dragon 모듈이다.
3. Falcon 9 유인 개발 전략
3.1 SpaceX CRS 미션
올드 스페이스(old space)를 대표하는 발사체가 소유즈와 Saturn V, 스페이스 셔틀이라고 한다면, 뉴 스페이스(new space)를 대표하는 발사체는 Falcon 9이라고 할 수 있다. 2002년 6월에 El Segundo에서 Space Exploration Technologies를 창업한 Elon Musk는 1년도 지나지 않은 2003년 2월 스페이스 셔틀 콜롬비아의 승무원들이 모두 사망하였을 때, 이후의 유인 우주비행이 자신의 로켓으로 가능해질 것이라고 예상하지는 못하였을 것 같다. 치명적이었던 챌린저호와 컬럼비아호의 참사로 인해 스페이스 셔틀의 임무 위험도를 재평가한 결과, 발사체와 승무원의 치명적인 손실(loss) 가능성이 1/9에 달하는 것으로 나타났다[27]. 2004년 1월 스페이스 셔틀의 퇴역이 결정되었고, 2011년 7월 스페이스 셔틀 아틀란티스의 STS-135를 끝으로 모든 스페이스 셔틀이 퇴역하였다.
스페이스 셔틀을 퇴역시키면서 ISS로 승무원은 못 보내더라도 화물이라도 배송을 해야 할 필요가 있었던 NASA는 Commercial Resupply Services(CRS)라는 미션으로 미국 내에서 개발된, 혹은 개발 중인 상용 발사체를 사용하여 ISS로 물자를 배송하기로 결정하였다. 2008년 파산에 몰렸던 SpaceX에 16억 달러의 계약을 맺어서 오늘날의 SpaceX가 있도록 했던 그 유명한 계약이 바로 CRS이다[28].
SpaceX는 Falcon 9을 개발하기 전 2003년에 Falcon 5를 구상했지만, 정부의 요청에 의하여 9개의 엔진을 1단에 배치한 Falcon 9으로 변경하였고, 2006년 NASA와 Commercial Orbital Transportation Services(COTS) 계약에 따라 2010년 6월에 Falcon 9 v1.0의 최초 발사 시도를 하였다. 이 때 사용되었던 Dragon simulator는 제어에 실패하였지만, 12월에 이루어진 두 번째 발사에서 Dragon은 국제 우주 정거장(ISS)에 진입하는 것을 성공하였고, COTS의 마지막 계약이었던 Falcon 9 세 번째 발사도 성공하였다[29].
이후 2012년 10월에 Falcon 9의 네 번째 발사에서 최초의 CRS 미션을 수행하게 되었는데, Merlin 1C 엔진이 이상발생으로 꺼졌으나 Falcon 9의 engine-out 기능으로 ISS에 화물을 보내는 데까지는 성공하였고, 추가 미션이었던 Orbcomm 위성 미션은 실패하였다[29]. Falcon 9 시리즈 중에서도 가장 낮은 탑재체 용량을 가지고 있는 Falcon 9 v1.0도 LEO에 9톤급 탑재체를 실어나를 수 있었기 때문에, 이미 Falcon 9의 기본 성능은 소유즈의 성능을 뛰어넘고 있었다.
2014년 4월 CRS-3 미션은 엔진을 Merlin 1D로 업그레이드한 Falcon 9 v1.1에서 이루어지는데, 2015년 6월 CRS-7 미션까지 이 모델을 사용해서 ISS에 화물을 전송하였다[29]. 특히 2015년 6월의 CRS-7은 발사 2분 19초 만에 분해 후 폭발하였고, 이후 사고조사에서 헬륨 압력용기를 받치는 받침대(strut)가 파손되었기 때문으로 나타났다. 당시 SpaceX가 항공우주등급의 스테인리스강 재질의 아이볼트를 사용하는 대신, 적절한 검사 및 테스트 없이 산업용 등급 재료를 사용한 것이 문제의 원인으로 밝혀졌다[28]. 하지만, 비용을 낮추기 위한 SpaceX의 다양한 시도는 Falcon 9 v1.1을 진행하면서 많은 부분에서 성공적이었다고 할 수 있다. 재사용을 위한 플라이백(fly-back) 시험, 엔진 재점화를 통한 바다에 안착시키는 시험, 그리드 핀(grid fin) 장착으로 하여 착륙 컨트롤 능력 시험, 착륙용 다리 부착으로 인한 바지선 착륙 시험 등의 재사용을 위한 다양한 시험의 결과로 인해 Falcon 9 v1.2에서 보여준 성공적인 부스터 착륙의 기초를 단단히 놓았다[29]. Fig. 8은 2016년에 CRS-7 다음 미션인 CRS-8 미션이 성공했던 사진을 보여주고 있다.
SpaceX의 점진적인 엔진 개량에 이어, 과냉각 추진제를 사용하여 탱크에 더 많은 추진제를 실을 수 있었던 Falcon 9 v1.2는 재사용 착륙에 처음 성공하면서 SpaceX의 재사용 시대를 열어가게 되었다. 그리고 2024년 4월 중순까지 부스터 착륙을 308번 시도에 297번 성공함으로 성공률 96.4%를 거두어 Falcon 9의 부스터 착륙 성공률이 소유즈 발사체의 발사 성공률을 뛰어넘어 버렸다[1].
2015년 12월에 첫 지상착륙을 이루어낸 Falcon 9 v1.2 Block 3는 2016년 CRS-8 미션부터 수행하기 시작하였으며, CRS-12부터는 Block 4로 변경되었다. 2018년 5월에 엔진 추력을 한계까지 올리고 추진제를 최대한 실어서 현재까지 운영되고 있는 최종 버전 Block 5는 CRS-15 미션부터 운영되기 시작하여 2024년 3월 CRS-30 미션까지 Cargo Dragon을 통해서 운영되었다[28].
3.2 SpaceX Crew Dragon 미션
NASA에서는 ISS 화물 운송의 2단계 계약인 CRS 2단계 사업을 통해 2016년초에 Orbital ATK, Sierra Nevada, SpaceX와 계약을 체결하였다. 기존에 CRS 미션을 담당했던 Dragon 1은 CRS 2단계를 시작하면서 2020년 12월 Dragon 2가 본격적으로 미션을 수행하게 되었다[4]. Dragon 2는 화물을 운반하는 Cargo Dragon과 승무원을 수송할 수 있는 Crew Dragon 두 종류로 개발되었으나 기본적으로 Crew Dragon에 초점을 맞추어 개발되었고, 발사 시험도 2019년에 먼저 수행된 것들을 보면 Cargo Dragon은 Crew 모델에 기반한 변형 모델이라고 할 수 있다. Dragon 2는 총 12.5톤의 규모로서 소유즈 MS(7.08톤)의 1.77배 정도의 중량을 ISS에 실어 나를 수 있다[12]. 스페이스 셔틀은 ISS에 16톤 정도 실어나를 수 있었기 때문에[27] Crew Dragon은 셔틀의 70% 정도 규모이다. Dragon 2는 Falcon 9 v1.2 Block 5가 2018년부터 안정화된 상태에서 운영되고 있었기 때문에, ASDS(Autonomous spaceport drone ship)로 부스터가 재사용이 가능하도록 중량을 최대한 맞추어 설계한 것으로 보인다.
SpaceX는 처음부터 유인 우주비행에 초점을 맞추었기 때문에 2012년부터 이미 발사 및 재진입시 착용할 우주복 개발을 논의했었다. 2014년 5월에 그들은 우주선의 디자인을 처음으로 공개했다. 그리고 2014년 9월에 NASA는 Commercial Crew Program을 통하여 ISS에 미국 우주비행사를 실어 나를 공급자 중 하나로 SpaceX를 선정했다. 미소 우주경쟁(space race)시절 검증되지 않았던 우주선에 우주비행사를 태워 목숨을 걸면서 경쟁적으로 우주 개발했던 시절과 달리 유인 우주를 향한 수년간의 매우 신중한 테스트들이 진행되었다.
SpaceX에서는 Crew Dragon에 대해 4가지 비행 테스트를 계획했고, 그것은 패드 중단 테스트, ISS로의 무인 궤도 비행, 비행 중 중단 테스트, 마지막으로 ISS로의 14일간의 비행사 시범 임무었다[4].
패드 중단(pad abort) 테스트는 2015년 5월에 Falcon 9 발사체가 없는 상태로 케이프 케너버럴 SLC-40 발사대에서 트러스 구조물에 Dragon 2와 트렁크 결합체를 놓고 수행되었다(Fig. 9). Falcon 9이 폭발했을 때를 가정하여 SuperDraco 엔진을 점화시켰고, 엔진 점화 99초 후에 발사대 동쪽 바다에 무사히 착륙하였다[4]. 여기에 쓰였던 SuperDraco는 8개의 연소기로 이루어진 4개의 엔진 시스템으로 구성되어 있으며, 이 연소기는 SpaceX에서 3D 프린팅으로 제작한 대표적인 초기 제품이다[30]. 2015년 11월에는 동일한 캡슐을 사용하여 텍사스주 McGregor에 있는 SpaceX 시험시설에서 호버링 테스트를 하였고, SuperDraco 엔진 추력을 조절하여 균형을 맞추는 시험을 수행하였다.
2015년에 SpaceX 및 Boeing과 함께 일할 베테랑 우주비행사 4명을 임명한 NASA는 2018년 8월에 SpaceX의 Demo-2 임무에 탑승할 우주비행사 Bob Behnken과 Doug Hurley를 발표하였다. 그들은 스페이스 셔틀 임무에서 조종사 및 임무 전문가로 비행했던 베테랑들이었다. 2019년 3월 무인으로 발사한 Demo-1 미션이 진행되었는데, 최초 Crew Dragon의 궤도 비행이었다. 미션에 투입된 Crew Dragon C204는 ISS에 성공적으로 자동 도킹하는데 성공하였고, 6일 뒤에 탈착하여 재진입 후, 성공적으로 바다에 착륙하여 회수하였다[4].
2019년 4월 Demo-1 임무에서 사용된 Crew Dragon 캡슐 C204가 Landing Zone 1에서 정적 연소시험을 수행하면서 폭발로 파괴가 되는 사고가 생겼다. 당시 SuperDraco의 임무 중단 시스템 중에 변칙적인 현상이 일어나 100ms 전 시스템의 가압으로 인해 체크 밸브가 손상되어 폭발이 발생했다. 이로 인해 후속 승무원 궤도 테스트들의 일정이 지연되었다. 실패했던 시험은 수정사항을 적용한 이후 2019년 11월에 Crew Dargon C205에서 성공하였고, 2020년 1월에 Falcon 9 비행중 중단(In-flight abort) 시험을 비로소 진행할 수 있었다(Fig. 10).
Crew Dragon의 비행중 중단 시험은 Falcon 9이 발사대 LC-39A에서 준궤도 비행으로 발사하고 Max Q를 통과한 이후에, 대류권에서 SuperDraco를 사용하여 Dragon을 분리하고 Falcon 9에서 멀어진 후, Falcon 9을 의도적으로 파괴시키고, 작은 추력기인 Draco 엔진을 조절하여 캡슐의 방향을 조절하여 플로리다의 바다로 안전하게 착륙하는 시험이었다. Falcon 9의 1단은 완전한 상태로 발사하고, 2단 탱크에는 추진제를 채우지만 2단 엔진은 비용절감을 위해 Merlin 1DV를 대체할 수 있는 질량 시뮬레이터로 대체하여 시험을 수행하였다[4].
2020년 5월 20일, 미국 땅에서 스페이스 셔틀 이후 최초로 우주비행사를 궤도로 올리는 Demo-2 비행 시험이 진행되었다(Fig. 11). 나중에 Endeavour로 명명되는 Crew Dragon C206은 두 명의 우주비행사들을 태우고 발사되어 ISS에 성공적으로 도킹하였고, 8월에 도킹 해제 후 착륙하였다.
2020년 8월 Demo-2 이후 본격적으로 4명의 국제 우주비행사들을 ISS에 나르는 NASA의 Crew 미션이 2024년 3월까지 총 8회 진행되었고, SpaceX 최초의 상업 우주여행 Inspiration 4, Axiom Space의 계약으로 ISS에 개인 우주비행사들을 나르는 Axiom 미션을 3회 진행하여, Demo-2 이후에 2024년 3월까지 총 12번의 유인 우주비행이 진행되었다. 여기에 사용되었던 Crew Dragon Capsule은 C206(Endeavour), C207(Resilience), C210(Endurance), C212(Freedom)이 계속 재사용 되면서 운행중이다[4].
신뢰성을 살펴볼 때, 2024년 4월 13일까지 Falcon 9은 323회의 임무 중 321회를 성공하여 성공률 99.4%를 달성하였다[1]. 2020년 5월 최초의 유인 미션인 Demo-2가 진행되기 전까지는 84회의 임무 중 82회를 달성하였기 때문에 97.6% 였었다[26]. Falcon 9의 높은 신뢰성은 다른 발사체들과도 비교되는데, 소유즈 시리즈는 1880번 발사에 95.1% 였고, 이 중 소유즈-2는 94%로 오히려 신뢰성이 더 낮아진 것들을 알 수 있다. 러시아의 Proton 시리즈는 425번 발사에 88.7% 였고, Ariane 5는 117번 발사에 95.7%, 중국의 Long March 3B는 85번 발사에 95.3%의 성공률을 보였다[1]. Falcon 9의 높은 신뢰성은 engine-out 기능이 있어 9개 엔진 중 1~2개가 꺼져도 미션은 성공할 수 있는데, 다만, 비행 궤적(trajectory)이 달라져서 재사용을 위한 바지선 착륙에는 실패한 미션들이 있다. 하지만, 이 미션들도 재사용을 위한 착륙을 못한 것이며, 이는 다른 발사체들은 시도도 하지 못하기 때문에 이 미션들은 성공으로 간주한다[26].
4. 유인 발사체의 엔진 특징 및 비교
4.1 러시아 및 구소련의 유인 발사체 엔진 특징
러시아 및 구소련에서는 그동안 많은 발사체들이 있었지만, R-7 계열의 발사체들만이 유인 발사체로 성공했었다. 미국의 아폴로 프로그램에 대항하기 위해 R-7 이외에 다른 발사체들을 유인 발사체로 만들려는 일부 시도들이 있었으나 성공적이지 못했다.
Table 3은 R-7 계열의 유인 발사 시스템과 그 엔진들을 보여주고 있다. 대부분 부스터는 RD-107 엔진과 그 파생형 엔진을 사용하였고, 1단은 RD-108 엔진과 그 파생형을(Fig. 12), 2단에는 30톤급의 RD-0110 엔진을 사용하였다. 여기에 사용된 모든 엔진은 케로신 가스발생기형 엔진이다. 러시아는 케로신 산화제 과잉 다단연소사이클(ORSC) 엔진을 오랫동안 개발해 왔고, RD-170, RD-180과 같은 신뢰성 높은 고성능의 다단연소사이클 엔진도 보유하고 있지만, 유인 우주발사체에는 이러한 엔진을 사용하지 않았으며, 계획도 없는 것들을 볼 수 있다. 심지어 소유즈-2.1b는 상단에 RD-0110 엔진 대신 고성능의 RD-0124 엔진을 부착하여 성능을 높였지만, 여전히 무인 발사체용으로만 사용한다.
Table 3
Characteristics of the R-7 series manned space launch vehicles and engines(B: booster).
Fig. 12
Four RD-107A engines mounted on the side boosters of the Soyuz-FG, with the RD-108A engine in the center[14].
Table 4는 R-7 발사체 이후에 미국의 아폴로 계획에 대항해서 개발되었던 N1 발사체[33]와 스페이스 셔틀 프로그램을 대항해서 개발되었던 Energia 발사체[34]의 엔진을 나타내고 있다. N-1 발사체(Fig. 13) 및 Energia 발사체는 고성능의 케로신 ORSC 엔진을 주로 사용하였으며, Energia는 중앙단(core stage)에 스페이스 셔틀에서 사용하였던 RS-25와 거의 비슷한 형태의 수소 FRSC 엔진 RD-0120을 개발하여 탑재하였다. 그러나 ORSC 엔진을 탑재하였던 소련의 발사체들은 성공적이지 못했고, 여러 번의 폭발과 실패 끝에 유인용으로는 시작도 하지 못하고 프로그램이 종료되고 말았다.
이후의 연구[35]에서, 러시아에서는 발사체 엔진 사이클에 따라 터빈 전단에서 위험 온도를 감지한 이후에 가스 배관에 화재로 인한 누설이 발생하는 시간을 계산하였는데, 연료 과잉 다단연소 사이클(FRSC) 엔진의 경우는 0.1~0.5초 정도였고, 산화제 과잉 다단연소 사이클(ORSC) 엔진의 경우는 0.02~0.06초 정도라는 결과가 나왔다. 따라서 산화제 과잉 프리버너를 사용하는 ORSC 엔진에서는 0.1초 미만의 사고 발생 시간으로 인해 사고 방지시스템이 사고를 방지하는 것이 불가능한 것으로 나타났다. 사고 방지시스템은 이상상황 감지 이후 밸브를 빠르게 닫음으로 engine-out을 시켜 더 큰 사고를 미연에 방지해야 하는데, 밸브를 닫는 속도에 한계가 있기 때문에 ORSC에서는 폭발 등 대형 사고가 발생할 수 있다. ORSC는 고온, 고압의 산화제 과잉 가스가 누설이 발생할 확률이 매우 높은데, 이 높은 반응성을 가진 기체가 주변의 금속과 발화를 일으키면서 폭발할 수 있는 가능성 또한 매우 높다. 따라서 N1에 사용된 엔진들을 비롯한 초기 케로신 ORSC 엔진을 제어하거 매우 어려웠고, 이러한 결과는 후에 잘 개발된 ORSC 엔진이라도 유인용 발사체 엔진으로 사용하지 않게 되는 결과를 낳았다. 케로신 가스발생기 엔진은 FRSC 엔진에 비해 터빈에 들어가는 연료 과잉 가스의 온도와 압력이 더 낮기 때문에, 케로신을 사용한 엔진 중에서는 가장 안전한 사이클의 엔진이라고 할 수 있으며, 그래서 유인 발사체에는 가스발생기 엔진만을 사용하는 것으로 보인다.
Table 4
Characteristics of the former Soviet Union’s failed manned space launch vehicles and engines(B: booster, C: core).
4.2 미국 유인 발사체 엔진 특징
미국의 유인 발사체는 미국의 머큐리 프로젝트로부터 시작하였고, Alan Shepard가 Redstone으로 미국 최초의 준궤도 비행을 수행한 이후, John Glenn이 Atlas LV-3B를 통해 최초의 궤도 비행을 수행하였다[36]. 이후 제미니 프로젝트를 통해 Titan II GLV(Gemini Launch Vehicle)를 발사하였고, 머큐리 프로젝트에서는 1명의 우주인을 궤도에 보냈지만, 제미니에서는 2명의 우주인을 궤도에 보내고 여러 실험을 진행할 수 있었다[37]. 이후 아폴로 계획을 시작하면서 Saturn IB로 아폴로 7과 아폴로-소유즈 테스트 프로젝트(ASTP) 유인 모듈을 발사하였고[38], Saturn V는 달 착륙을 주도하였다[39]. 아폴로 프로젝트가 끝난 이후 스페이스 셔틀 프로젝트가 주력 유인 발사체 프로그램으로 진행되었고, 최근 Falcon 9이 끊어진 미국의 유인 발사체 프로그램을 성공적으로 부활시켰다.
Table 5는 미국에서 유인 프로그램에 사용하였던 발사체의 엔진을 보여주고 있다. 여기에서도 쉽게 알 수 있는 내용은 스페이스 셔틀에 사용되었던 수소 과잉 다단연소 사이클 엔진을 제외하고는 모든 엔진이 가스발생기 사이클 엔진이라는 것이다. 머큐리 프로젝트에서 사용된 Atlas 발사체는 케로신 가스발생기 사이클 엔진이 사용되었고, 제미니 프로젝트에서 사용된 Titan II 발사체에는 독성 추진제인 Aerozine 50을 사용한 가스발생기 사이클 엔진이 채택되었다. 아폴로 프로그램에서 사용되었던 Saturn IB와 Saturn V에서는 1단에 케로신 가스발생기 엔진(Fig. 14), 2단 이상에 J-2 수소 가스발생기 엔진을 사용하였다. 현재 미국이 유인발사체로 유일하고 운영하고 있는 Falcon 9이 사용하고 있는 Merlin 1D++ 엔진과 Merlin 1DV+ 엔진 모두 케로신 가스발생기 엔진이다.
미국에서 성공적으로 사용되었던 유인 우주발사체 역시 대부분 가스발생기 사이클 엔진이었다는 것은 주목할 만하다. 그리고 가스발생기를 사용하지 않고 고체 부스터와 수소 FRSC 엔진을 사용하였던 스페이스 셔틀도 1986년 챌린저호 참사와 2003년 콜롬비아호 참사로 모두 14명의 우주비행사들이 목숨을 잃어 좋은 엔진 구성이었다고 보기 어려운 면들이 있는 것이 사실이다.
Table 5
Characteristics of the USA’s manned space launch vehicles and engines(B: booster, C: core).
4.3 중국 유인 발사체 엔진 특징
중국의 유인 발사체의 역사는 1999년부터 시작하여 미국과 러시아에 비해서 짧지만, 2020년 이후 급속도로 발사 횟수가 늘어나면서 우주굴기를 실현하려고 하고 있다. 중국의 유인 우주선 선저우를 궤도에 투입하기 위해 발사되고 있는 장정 2F(Long March 2F) 발사체는 LEO까지 약 8.4톤을 나를 수 있어 소유즈와 비슷한 용량을 가지고 있는 것을 알 수 있다[6]. 장정 2F는 부스터가 달려있지 않은 장정 2C의 1단에 추가 액체 부스터를 4개 달아서 1단과 부스터에 달린 총 8개의 YF-20B 엔진이 지상추력을 담당하게 된다(Fig. 15). YF-20B 엔진은 독성 추진제인 UDMH와 사산화질소를 사용한 가스발생기형 액체 엔진으로서 독성 추진제를 역시 사용했던 미국 제미니 계획의 Titan II GLV와 닮은 형태라고 할 수 있다.
Table 6에서는 장정 2F에서 사용하였던 엔진과 그 엔진 특징을 보여주고 있다. 1단과 부스터에는 83톤급(816 kN) YF-20B를 사용하였고, 상단에는 거의 비슷한 추력의 YF-24B를 사용하였는데, YF-24B는 YF-20B 엔진의 상단형 엔진 모델인 YF-22B 엔진에 버니어 엔진인 YF-23B를 붙인 Merlin Vacuum 엔진과는 약간 다른, 구소련에서 많이 사용했던 추력벡터조절을 버니어 엔진으로 하는 형태의 엔진이라고 할 수 있다[40]. 구소련과 미국의 유인 발사체와 마찬가지로 가스발생기 엔진을 사용하는 것은 엔진의 신뢰성 때문이라고 할 수 있다.
5. 한국형 유인 우주발사체 개발 전략
5.1 누리호 기본형 유인 우주발사체
소유즈와 Falcon 9의 예와 같이 케로신 가스발생기 사이클 엔진은 유인 발사체로 전환하기에 가장 좋은 엔진으로 평가된다. 누리호는 1단, 2단, 3단 모두 케로신 가스발생기 사이클 엔진을 사용하여, 1단과 2단에 산화제 과잉 다단 연소 사이클 엔진으로 계획되어 개발되고 있는 차세대 발사체보다 유인용으로 전환하기 적합하다. 현재 SpaceX를 비롯한 뉴스페이스 업체들이 새롭게 열어가고 있는 새로운 유인 우주 개발 시대를 대비하기 위해 지금부터 누리호 기반의 유인 우주발사체 개발이 필요하다. 현재 누리호의 기본 궤도 투입 능력은 700 km SSO에 1.5톤급의 탑재체를 올릴 수 있고, 250 km LEO에 2.6톤급의 탑재체를 올릴 수 있다. 또한, 소규모 수정을 통한 구조 최적화 등을 통해 LEO에 3톤 이상의 탑재체도 투입가능한 것으로 파악되고 있다. 이는 미국 제미니 계획에 투입되었던 Titan II GLV와 소련의 보스토크-K 발사체의 초기 모델과 비슷한 성능으로 누리호 기본형에 Crew Dragon과 같은 우주선을 탑재하였을 때, 1~2인승의 유인 우주발사체로 개발 가능할 것으로 보인다.
5.2 누리호 성능개선형 유인 우주발사체
유인 우주발사체의 개발에는 시간이 많이 소요되고 그 기간동안 발사체의 성능이 점차 개선된다. 소유즈는 발사체 형상이 네 개의 부스터가 탱크에 밀착되어있는 특이한 형태였기 때문에 엔진의 추력을 늘리면서 각 단(stage)의 탱크 사이즈를 늘리는데 한계가 있었던 반면에, Falcon 9(Fig. 16)은 엔진의 연소압을 늘리면서 탱크의 길이를 길게하는 방향으로 지속적으로 업그레이드하여[41], 발사체의 탑재중량을 초기 Falcon 9 v1.0에 비해 Falcon 9 v1.2 Block 5는 LEO 기준으로 2배가 약간 넘게 늘릴 수 있었다[30].
누리호의 75톤급 엔진도 SpaceX의 Merlin 1C 엔진과 비슷한 구조를 가지고 있으며(Fig. 17), SpaceX의 Merlin 1D와 같이 엔진 연소압을 높이고, 구조를 단순화하는 방향으로 개량할 수 있다. 또한, Falcon 9 v1.2에 사용되었던 추진제 냉각으로 인한 17%의 밀도 증가를 적용하면 구조비를 개선시킬 수 있어서 성능을 끌어올릴 수 있게 된다[1]. Falcon 9 v1.0에 사용되었던 Merlin 1C 엔진(Fig. 17)은 6.77 MPa 연소압에 진공추력 483 kN을 가지고 있으며, 최신 버전인 Falcon 9 v1.2 Block 5에 사용되었던 Merlin 1D++엔진은 약 12 MPa로 추정되는 연소압에 914 kN의 진공추력을 가지고 있다(Table 7). 같은 방식으로 한국형발사체 75톤급 가스발생기 엔진의 연소압을 6 MPa에서 단계적으로 올려서 12 MPa에까지 이르도록 개량하면, 약 150톤급 추력을 가진 엔진으로 업그레이드가 가능하다. 그리고 3단에 사용된 7톤급 가스발생기 엔진 대신 RD-0110과 같은 30톤급~40톤급 케로신 가스발생기 엔진 또는 비추력이 더 높은 30톤급~40톤급 메탄 가스발생기 엔진을 사용한다면 소유즈나 장정 2F 발사체와 같이 8톤급 이상의 탑재체 투입이 가능하여, 3인승 유인우주선을 구성할 수 있게 된다. 현재 Falcon 9 방식의 35톤급 메탄 엔진을 이용한 재사용 발사체 및 정지궤도 발사체에 대한 연구가 진행되고 있으며[42,43,44], 이 엔진을 가스발생기 용으로 전환하는 등의 방식을 통해 유인용 발사체 상단 엔진으로 활용 가능하다.
Table 7
Comparison of specifications for each of SpaceX’s Merlin engines[41].
5.3 유인 우주발사체에 필요한 누리호 발사 전략
누리호를 유인 우주발사체로 전환하기 위해 필요한 최소 발사 성공률은 95% 정도 수준이라는 것들을 알 수 있다. Falcon 9은 특유의 Engine-out 기능으로 유인 미션 Demo-2 전까지 84회 발사에 97.6%의 성공률을 기록하였고[26], 소유즈 시리즈는 1880번 발사에 95.1%(소유즈-2는 94%)[1], 장정 2 시리즈는 총 190번 발사에 96.8%를 기록하고 있다[45]. 누리호 첫 발사가 실패하였기 때문에, 95% 성공률을 위해서는 적어도 20회 발사까지는 전혀 실패하지 말아야 하는데, 그렇게 되기는 매우 어렵기 때문에 1번의 실패는 더 있을 수 있다고 보고, 최소 40회 발사는 진행되어야 누리호에 우주비행사들을 태울 수 있을 것으로 보인다. 구소련에서 보스토크에 가가린을 태울 때까지 R-7을 총 63회 발사하였으나 그 때까지 R-7 성공률 63.5%라는 매우 낮은 성공확률이었기 때문에 이 경우를 참고하기는 어렵다고 보인다. Falcon 9의 경우는 유인발사한 Demo-2까지 총 84회 발사하였고[1], 중국 장정 2 시리즈 발사체는 37번째 발사부터 선저우 우주선에 우주비행사들을 태웠기 때문에[45], 누리호 및 개량형의 40회 발사, 95% 성공률 기록 후 유인 발사를 본격적으로 시작할 수 있을 것으로 보인다.
현재 한국형발사체 고도화 사업을 통해서 누리호 반복 발사가 2027년까지 총 3회 추가 발사하는 것으로 예정되어 있는데, 우주개발진흥계획[46]의 유인발사계획을 고려하였을 때 2045년 전까지 총 40회의 발사를 이루기 위해서는 적어도 매년 3회의 발사가 필요하다. 현재 급변하는 우주 시대에서 대한민국의 우주 역량을 더 높이고 유인 발사에 이르는 기간을 단축하기 위해서는 매년 4~5회의 발사가 필요하며, 이 중 3~4회는 일반 위성 발사에 배치하고 1회는 장기적으로 유인 우주 비행을 위한 도킹 시험, 재진입 시험, 동물 시험 등을 계획할 때, 2040년~2045년에 유인 우주 비행을 국내 발사체를 사용하여 수행할 수 있는 역량이 갖추어질 수 있다. 또한 유인 우주 비행을 위한 우주복 개발, 우주선 개발, 우주인 훈련센터 구축 등 다양한 추가 전략이 필요하다. 이를 위해 보다 종합적이며 정밀한 우주 계획과 예산 지원이 이루어져야 한다.
6. 결 론
본 연구에서는 유인 발사체로 많이 사용되고 있는 소유즈와 Falcon 9의 개발 전략을 분석하였으며, 이를 통해 한국형 유인 우주발사체 개발을 위해 필요한 주요 전략을 도출하였다.
(1)소유즈, Falcon 9 뿐만 아니라 중국의 장정 2F까지 현재 운영되고 있는 유인 우주발사체의 엔진은 모두 가스발생기 사이클을 사용하고 있었다. 따라서 한국의 유인 우주발사체는 누리호와 누리호 개량형을 사용해야 한다. 다단연소사이클을 적용한 차세대 발사체는 유인 우주발사체로 사용하기 어려울 것으로 예상된다.
(2)누리호 기본형으로는 1~2인승의 유인 우주발사체를 구성할 수 있을 것으로 보이며, SpaceX의 전략을 따라 75톤급 엔진을 단계적으로 150톤급까지 개량하고, 3단 엔진을 30~40톤급 엔진으로 개량할 때 소유즈나 장정 2F와 같이 3인승 유인 우주발사체로 업그레이드 가능하다.
(3)유인 우주발사체로 전환하기 위해 필요한 최소 발사 성공률은 95% 정도 수준인 것으로 여겨지며, 이를 위해 장정 2 발사체와 같이 약 40회의 발사를 통해 발사체 신뢰성을 끌어올려야 한다. 이를 위해 매년 4~5회의 발사가 필요하며, 3~4회는 일반 위성 발사체 배치하고 1회는 유인 우주 비행을 위한 시험에 배치해야 한다.
