1. 서 론

SpaceX는 창업 4년 만에 소형발사체 Falcon 1을 발사 시도하면서, 뉴스페이스 시대의 서막을 알렸다. 2008년 SpaceX는 Falcon 1의 3번째 발사까지 실패하면서 파산 위기에까지 몰렸으나 4번째 시도 만에 발사에 성공하였고, NASA의 CRS(Commercial Resupply Service)를 통해 자금을 수혈받으면서 극적으로 회생하게 되었다[1]. 이후 재사용 발사체 Falcon 9 개발에 몰두하던 SpaceX는 2015년 12월 최초의 지상 착륙에 성공하고 2016년 4월 최초의 해상 착륙(Fig. 1)에 성공한 이후, 재사용 발사체를 통하여 발사 비용을 줄이는 데 성공하여 현재 세계 발사시장을 주도하고 있다[3]. 2023년 91회의 Falcon 9 발사와 5회의 Falcon Heavy 발사의 성공으로 총 96회의 Falcon 시리즈 로켓을 발사하였던 SpaceX는 2024년 10월까지 103회의 Falcon 9 발사와 2회의 Falcon Heavy 발사로 세계 최초로 연간 100회 이상의 발사를 진행하는 놀라운 기록을 세웠다[4].

Fig. 1.

A successful landing of the first stage of a Falcon 9 v1.2 on SpaceX’s drone ship[2].

인류를 화성으로 보내는 것이 목적이었던 SpaceX는 Falcon 9의 높은 신뢰성을 바탕으로 2020년 5월에 유인 우주 미션을 시행한 이후 2024년 10월까지 총 15회의 유인 우주 미션을 성공적으로 해 냈다[5]. 그러나 화성 유인 탐사에 더 큰 발사체 규모와 저비용 발사체가 필요했던 SpaceX는 1단과 2단이 모두 재사용이 가능한 완전 재사용 발사체 Starship을 계획하였고, 2023년에 2회, 2024년 10월까지 3회의 시험 발사를 진행하였다[6]. 2024년 10월에 성공적으로 수행된 5차 발사에서는 젓가락(chopstick)이라고 불리는 팔을 가지고 있는 메카질라(Mechazilla)가 Starship Super Heavy 부스터인 B12를 성공적으로 공중에서 잡아냄으로(Fig. 2) 놀라운 재사용 기술력을 입증하였고, 새로운 재사용 발사체 시대를 열게 되었다.

Fig. 2.

Starship’s Super Heavy Booster B12 was grappled at the Mechazilla launch pad[7].

SpaceX가 민간 자금으로 투자를 시작하여 발사체를 개발하는 뉴스페이스라는 흐름은 Rocket Lab, Firefly Aerospace, Relativity Space 등의 새로운 소형발사체 개발 업체들을 시장으로 이끌었고, 자체적으로 벤처 캐피탈에서 투자자금을 끌어와서 서로 경쟁하는 구도를 만들게 되었다. 후발 주자들 중 가장 먼저 발사에 성공한 Rocket Lab은 2017년 발사 실패 이후, 2018년 Electron 발사체를 궤도에 투입하는데 성공하였고[8], 현재는 메탄 다단연소 사이클 엔진인 Archimedes를 개발하여 1단 부분 재사용으로 13톤급 탑재체를 200 km급 LEO에 투입할 수 있는 재사용 발사체 Neutron을 개발하고 있다[9]. Firefly Aerospace에서도 소형발사체 Firefly Alpha 개발 이후 LEO에 소모성 기준 16톤급 탑재체를 발사할 수 있는 재사용 발사체 MLV(Medium Launch Vehicle)을 개발하고 있다[10]. Relativity Space는 자신들의 3D 프린팅 소형발사체 Terran 1을 2023년에 1회 시험 발사한 이후 LEO에 소모성 기준 33톤급 탑재체를, 부분 재사용 기준 23톤급 탑재체를 궤도에 투입할 수 있는 대형 재사용 발사체 Terran R을 2026년에 발사하기 위해 개발하고 있다[11].

이렇게 뉴스페이스 업체들에게서 발견되는 공통점은 소형발사체 개발 후 10톤 이상급 대형 재사용 발사체를 개발하는 전략을 사용한다는 것이다. 이미 멀리 앞서나가고 있는 SpaceX에 비해, 다른 업체들은 차근차근 쫓아가고 있지만, 개발 진입 문턱이 매우 높은 만큼 쉽지 않은 모습을 보이고 있다. 또한 소형발사체로는 현재 Falcon 9의 라이드쉐어(rideshare) 정책인 Transporter 미션에 비해 경제성을 확보하기 쉽지 않기 때문에 소형발사체로 수익을 내기도 매우 어려운 구조로 되어 있다.

이러한 발사체 개발 정책은 중국의 민간 기업들에게도 비슷하게 나타나고 있다. 중국의 랜드스페이스(藍箭航天空間科技公司)는 2023년 7월 메탄 발사체 ‘주췌(朱雀) 2호’를 궤도에 투입하는데 성공하였다. 2024년 수직 이착륙 시험도 성공한 랜드스페이스는 2025년 LEO에 소모성 기준 21톤급 탑재체를 투입할 수 있는 중국 최초의 재사용 로켓 주췌 3호 발사를 목표로 하고 있다[12]. 스페이스파이오니어(天兵科技, Space Pioneer)는 부분 재사용시 LEO에 17톤의 탑재체를 투입할 수 있는 재사용 발사체 ‘Tianlong-3’을 개발하고 있으며, 아이스페이스도 소모성 기준 LEO에 13톤급 탑재체를 투입 가능한 재사용 발사체 “Hyperbola-3”를, 갤럭틱에너지(星河动力航天)도 부분 재사용시 LEO에 5톤의 탑재체를 투입할 수 있는 재사용 발사체 ‘팔라스(Pallas)-1’을, Deep Blue Aerospace는 부분 재사용시 LEO에 2톤급 탑재체를 투입 가능한 재사용 케로신 발사체 Nebula-1을 개발하고 있다[13].

대한민국에서는 동쪽에 위치한 일본 열도와 남쪽의 오키나와로 인한 발사 낙하점 제약으로 재사용 발사체의 낙하와 착륙에 제약이 많아 미국의 발사장에 비해 추가적인 추진제가 필요하게 된다. 이러한 낙하점 제약을 고려하여 35톤급 메탄 다단 연소사이클 엔진을 사용한 재사용 발사체가 연구되었으며[14,15,16], 재사용 모드를 사용했을 때 2톤~2.6톤 정도의 탑재체를 투입할 수 있는 것으로 계산되었다[17].

본 연구에서는 미국 뉴스페이스 업체의 소형발사체 구조를 분석하고, 낙하점 제약이 많은 대한민국에서 소형발사체를 Falcon 9 방식으로 1단을 부분 재사용하였을 때 구조와 경제성을 분석하여, Falcon 9 방식의 소형 재사용 발사체가 개발 경쟁력이 있는지에 대해서 분석하였다.

2. 뉴스페이스 소형발사체 구조 및 경제성 분석

2.1 SpaceX Falcon 1

SpaceX의 Falcon 1은 SpaceX에서 개발한 최초의 발사체이자 소형발사체이다(Fig. 3). 총 5회 발사 중 처음 3회의 발사에 모두 실패하면서 Elon Musk를 파산 직전까지 몰고 갔던 발사체이자, 뉴스페이스라고 불리는 현재의 민간투자 우주개발시대를 열었던 최초의 발사체라고 할 수 있다. Falcon 1이 개발되기 이전에 민간자금으로 개발되었던 다른 궤도발사체는 1982년에 발사된 Conestoga와 1990년에 발사된 대형항공기를 사용한 공중발사체 Pegasus 뿐이었다[18].

Fig. 3.

Lift-off of Falcon 1’s fourth flight[18].

Falcon 1의 개발비용은 9천만 달러에서 1억 달러 수준으로 알려져 있으며, 처음 두 번의 발사는 DARPA에서 사용하기에 적합한 새로운 미국 발사체를 평가하기 위한 프로그램의 일환으로 미국 국방부에서 구매하였다[18]. 2005년의 Falcon 1의 서비스 비용은 590만 달러(2015년의 인플레이션으로 조정하면 730만 달러), 2006년에서 2007년까지 광고했던 비용은 670만 달러였다. SpaceX는 원래 Falcon 1을 600만 달러에 600 kg(LEO 200 km 기준)을 궤도에 투입할 수 있는 발사체로 개발하여 kg당 만 달러라는 발사비용을 만족시키려고 하였으나, 실질적으로 Merlin 1Ci 엔진[1,19]을 사용하여 서비스를 운용했던 Falcon 1의 3번째부터 5번째 발사체에서는 420 kg으로 탑재체 무게가 감소하였고, 가격은 9백만 달러로 오르면서 kg당 약 2만 달러를 약간 상회하게 되었다[18].

Falcon 1은 노즐 삭마형 엔진 Merlin 1A를 1단에 사용했던 초기 2개의 버전과 초기 재생냉각형 엔진 Merlin 1Ci를 사용했던 후기 3개의 버전으로 나뉜다. 그리고 계획은 되었으나 경제성 측면에서 Falcon 9에게 밀려 실현되지 못했던 Falcon 1e가 존재한다[18]. 실제로 상업적으로 사용했던 발사체는 Merlin 1Ci 엔진을 사용했던 Falcon 1(Fig. 3)이었으므로 이 제품의 엔진 추력과 비추력(Isp), 연소 시간 등을 Falcon 1에 대한 논문[20]과 User’s Guide[21] 등을 통하여 얻을 수 있었고, 이를 통해 임무 설계에 대한 대략적인 내용들을 분석할 수 있었다. 2007년에 발표된 논문보다 2008년에 정리된 User’s Guide가 더 최신 정보였기 때문에, 정보가 일치하지 않는 내용은 User’s Guide를 중심으로 자료를 정리하였다. 발사체의 재원을 기반으로 LEO에 투입할 수 있는 임무 설계는 Eq. 1과 같이 속도 증분을 통해 계산할 수 있다.

여기에서, s는 각 단을 의미하며, Mi는 점화 전 각 단의 초기 중량, Mf는 연소가 종료되었을 때 각 단의 최종 중량, Δvreq는 궤도투입에 필요한 요구 속도 증분을 의미 한다. 정리된 자료에 의한 Falcon 1의 임무 역설계 결과는 Eq. 1을 기반으로 Table 1과 같이 계산된다.

Table 1에서 PLF는 페이로드 페어링(payload fairing)을 뜻한다. 역설계로 추적한 Falcon 1의 1단 동체의 구조비는 5.5%로 예상되어 소형발사체의 구조비로는 매우 낮은 수준의 구조비를 이루어 낸 것들을 볼 수 있었다. SpaceX에서는 1단을 마찰교반용접된 알루미늄 2219 합금으로 제작되었고, 공통 격벽(common bulkhead)를 사용하여 중량을 낮추었다고 하고 있다[18].

2.2 Rocket Lab Electron

Rocket Lab의 Electron은 다섯 번 쏘고 시장에서 철수한 Falcon 1과 달리 현재에도 상업적으로 지속해서 운용되고 있는 대표적인 소형발사체이다(Fig. 4). 현재 미국에서 Falcon 9을 제외하면 연간 가장 많은 발사 횟수를 가지고 있는 발사체이다. 2017년 5월에 첫 발사를 하였고, 2024년 9월까지 총 53회의 발사에 4회 실패하였다. Electron은 Falcon 1과 동일하게 케로신 연료인 RP-1을 사용하였으나 기존에 많이 사용하던 가스발생기형 엔진이 아닌 세계 최초의 전기펌프형 엔진을 사용하여 발사에 성공하였다. 약 1억 달러의 개발 비용으로 개발된 것으로 알려져 있으며, 발사당 비용은 약 750만 달러로 알려져 있다[8].

Fig. 4.

Lift-off of Electron in 2023[8].

Electron은 직경 1.2 m로서 직경 1.7 m인 Falcon 1에 비해서 경량급 발사체라고 할 수 있다. 다만, 전기 펌프를 사용하여 가스발생기 사이클인 Falcon 1보다 비추력을 높게 가져갈 수 있었기 때문에 추진제 효율은 더 좋은 편이다. 또한 탄소 복합재를 사용하여 탱크의 무게를 줄였기 때문에 배터리 무게로 인한 무게 증가가 있었음에도 불구하고 상당히 경량화된 구조를 실현할 수 있었다. 따라서 발사체의 이륙 중량이 약 30톤인 Falcon 1에 비해서 이륙 중량이 절반 이하인 13톤에 불과하지만, LEO 200 km에 420 kg을 탑재할 수 있었던 Falcon 1에 비해 Electron은 315 kg 정도의 탑재체를 투입할 수 있어[22] 매우 효율적인 발사체라고 할 수 있다.

Rocket Lab은 Electron의 성능을 끌어올리기 위해서 상단에 킥스테이지(kick-stage)라고 일컫는 선택적으로 추가할 수 있는 3단을 구성하여, 보다 높은 궤도에 탑재체가 도달할 수 있도록 하고 있다. Curie라고 알려진 120 N급 추력기를 여러 번 점화하는 것을 통해 적은 추진제를 사용하여 목표 궤도에 투입할 수 있다[8].

Electron은 건조 중량(dry mass)이 공개되어 있는 Falcon 1에 비해 많은 정보가 비공개되어 있기 때문에, 임무 설계를 역추적하는 것은 쉽지 않았다. 다만 Electron Payload User’s Guide[22]에는 몇몇 정보들이 공개되어 있다. 13톤의 이륙 중량, 2톤 정도의 2단 추진제 중량, 44 kg의 페이로드 페어링, 1단 Rutherford 엔진의 비추력 311 sec, 2단 Rutherford 엔진의 비추력 343 sec 이다. 킥스테이지에 사용되는 추력기 Curie의 비추력은 알려져 있지 않지만, 최근 출시된 킥스테이지 HyperCurie의 비추력이 310 sec로 알려져 있기 때문에, 이 값을 동일하게 사용하는 것으로 하였다. 킥스테이지의 건조 중량은 40 kg으로 공개되어 있어서 이 값을 사용하였다. Reddit[23]에는 각 단의 건조중량 추정치가 계산되어 있는 자료가 있는데, 미션 설계에 무리가 없어서 건조 중량 데이터는 이 자료들을 사용하였다. 그리고 Payload User’s Guide[22]에는 이륙 후 338초 후에 2단 배터리 3개 중 2개가 분리되는 것으로 나타나 있는데, 배터리 한 개의 무게가 15 kg이라는 인터넷 자료[24]를 바탕으로 배터리 분리 후의 미션 설계도 구성할 수 있었다. LEO 200 km에 투입할 수 있는 탑재체 중량 315 kg을 킥스테이지를 써서 SSO에 200 kg 급을 투입할 수 있다는 것들을 바탕으로 킥스테이지의 중량과 Delta V를 계산할 수 있었다. 분석된 데이터를 바탕으로 구성한 Electron의 임무를 역설계한 결과는 Table 2와 같다. 분석한 결과에서 Electron의 1단 구조비는 약 8.9%로 나타났고, 2단의 구조비는 약 11.9%로 예상되었다. 연소 시간은 User’s Guide에 있는 임무 시간보다 짧은 것으로 나타나 1단과 2단의 임무 시간 동안 엔진을 추력제어(throttling)하여 추력을 공칭(nominal) 추력보다 낮추는 것으로 예상되었다. Table 2에서 Dry Mass로 표기된 부분은 실질적으로 각 단의 건조 중량과 잔류 추진제를 포함한 중량이다.

2.3 Firefly Alpha

Firefly Alpha는 Rocket Lab Electron이나 SpaceX의 Falcon 1보다는 큰 발사체이지만, 개발 기간에 비해 시장 진입이 비교적 늦었다고 평가된다. LEO 300 km에 1,030 kg의 탑재체를, SSO 500 km에 630 kg의 탑재체를 투입할 수 있는 Firefly Alpha는 누리호 첫 발사와 비슷한 시기인 2021년 9월에 첫 발사하여 폭발하였고(Fig. 5), 2022년 10월에 탑재체를 궤도 투입까지 거의 성공했으나 최종 궤도(300 km 원궤도)보다 약간 낮은 궤도(219 km × 279 km 타원궤도)에 투입하여 최종적으로 실패로 끝났다. 1년 후인 2023년 9월 3차 발사에는 성공했으나, 3개월 후인 12월 4차 발사에서 2단의 재점화에 실패함으로 궤도까지 이르는 데 또 실패하였고, 안정성에서 다른 업체에 비해 떨어지는 모습을 보였다. 2024년 7월 5차 발사인 NASA의 VCLS(Venture Class Launch Service) Demo- FB 미션을 성공하였으며, 현재에 이르고 있다[25].

Fig. 5.

First lift-off of Firefly Alpha in 2021[25].

Alpha는 직경 1.82 m로 1.7 m의 Falcon 1보다 중량급 발사체이며, 1단 추력 등을 기준으로 할 때 Falcon 1의 2배 정도인 소형발사체이다. Rocket Lab의 Electron과 같이 복합재 동체를 사용하여 무게를 가볍게 가져가기 위해 노력하였으며, 세계 최초의 케로신 탭오프(Tap-off) 사이클을 사용하여 엔진 구조를 비교적 간단하게 만든 것이 특징이라고 할 수 있다. 발사당 비용은 1500 ~ 1760만 달러로 Electron의 두 배 정도이다[25].

Alpha는 Payload User’s Guide V3.1[26]에 건조 중량(dry mass)이 1단 2,895 kg, 2단 909 kg으로 공개되어 있으나 이후 버전에서는 건조 중량이 생략되어 있다[27]. 페이로드 페어링 중량이 공개되어 있는 Electron과 Falcon 1과는 달리 페어링 중량이 공개되어 있지 않아 이 자료는 Electron의 자료로부터 역추적하여 계산하였다. Electron의 복합재 페어링은 2.5 m의 길이에 1.2 m의 직경을 가지고 있었으며, Alpha의 경우 5 m의 길이에 2.2 m의 직경을 가지고 있었기 때문에 길이와 직경이 거의 2배에 가까운 것을 알 수 있다. 페어링의 무게는 표면적에 비례하기 때문에, 2배의 직경과 길이가 늘어나면 4배의 표면적이 증가하며, 무게는 표면적과 동일하게 증가한다고 할 수 있다. 따라서 Alpha에서는 Electron 페어링의 4배인 176 kg의 중량을 가진 복합재 페어링을 사용하는 것으로 가정하였다.

Alpha는 이륙 중량이 54,120 kg으로 공개되어 있고[27], 엔진의 추력과 비추력, 연소시간 등이 공개되어 있기 때문에, 이 데이터들을 바탕으로 임무 역설계가 가능하였다. 분석된 데이터를 바탕으로 구성한 Alpha의 임무 역설계 결과는 Table 3과 같다. 분석한 결과에서 Alpha의 1단 구조비는 약 6.4%로 나타났고, 2단의 구조비는 약 10.2%로 예상되었다.

2.4 Relativity Space Terran 1

Relativity Space의 Terran 1은 3D 프린팅으로 발사체 엔진 뿐 아니라 추진제 탱크까지 제작하는 것으로 유명한 발사체이다[28]. Stargate라는 대형 Wire Arc Additive Manufacturing(WAAM) 기술을 사용하여 전체 건조 중량의 85% 이상을 적층 제조로 제작하였으며, 9개의 메탄 가스발생기형 3D 프린팅 엔진인 Aeon 1을 1단에, 복사 냉각형 노즐을 부착한 Aeon 1을 2단에 배치하여 Falcon 9과 Electron 발사체와 유사한 엔진 배치를 하고 있다. Aeon 1 엔진은 초기에 Rocket Lab의 Rutherford 엔진과 같이 니켈 기반 초합금을 사용한 챔버로 개발되었으나 니켈 합금의 재생냉각 기술에 실패하였는지 2022년 구리 챔버로 변경하는 우여곡절을 거친 끝에 2023년 3월 발사된 모델 Terran 1 GLHF(Good Luck, Have Fun)에 조립되었다[28]. 그런데 Terran 1 GLHF의 공개된 총조립 사진(Fig. 6)을 보면, 엔진 연소기가 구리합금 3D 프린팅으로만 제작되어 있어 매우 무거워 보였고, 초음속 확대 노즐부(supersonic divergent nozzle)가 확대비가 매우 작은 곳에서 끊어져 있어서 비추력(specific impulse)이 매우 낮게 설계된 형상이라 지상형 Aeon 1 엔진의 경우 매우 비효율적인 엔진으로 관찰되었다.

Fig. 6.

Engine assemblies of Terran 1 GLHF[29].

이러한 엔진의 낮은 비추력이 공개되는 것이 매우 부담스러운 탓인지, Relativity Space는 다른 발사체 회사들과는 달리 그 어떤 자료에서도 메탄 가스발생기 엔진인 Aeon 1 엔진의 비추력을 공개하지 않고 있다. 실제로 GLHF 임무에 대해서 역설계한 결과(Table 4)도 메탄 엔진임에도 불구하고 Falcon 1에서 사용하였던 Merlin 1C 케로신 가스발생기의 비추력(300 s)과 Firefly Alpha에서 사용한 탭오프(tap-off) 사이클 Reaver 엔진의 비추력(296 s)보다 낮은 값(281.5 s)이 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 9개 엔진 무게가 무거웠던 탓인지 1단의 구조비가 매우 낮아져서 GLHF 시험 발사에서는 페어링 분리를 하지 않은 상태에서 겨우 1.5 kg의 3D 프린팅 링만 탑재하는 초라한 모습을 보였다[30].

Relativity Space의 공식 홈페이지에서[31]는 Terran 1의 재원이 33.5 m의 높이에, 직경 2.28 m, 건조 중량은 9,280 kg으로 나타나 있고, 지상 추력 100 kN 급, 진공 추력 113 kN 급의 Aeon 1 엔진 사양이 나타나 있다. Payload User’s Guide[32]와 GLHF 인포그래픽[33]에는 Aeon 1 고공 엔진의 진공 추력 126 kN과 발사체의 이륙 중량이 거의 80톤이라는 것이 나타나 있다. 또한, Terran 1 GLHF의 발사 타임라인에서 1단 엔진 가동시간 160초, 2단 엔진 가동시간 292초로 연소 시간을 알 수 있다. 이와 같은 사실을 바탕으로 Terran 1 발사체 전체를 역설계하였으며, 길이 6.8 m 직경 3 m의 페어링은 약 400 kg으로 가정하였으나, GLHF 임무에서는 2단과 분리되지 않았기 때문에 2단 중량과 합쳐져서 실질적인 계산에 큰 영향을 미치지 못하였다. 분석 결과 1단의 구조비가 매우 높은 11.2%로 계산되었으며, 2단의 경우 11.0%로 나타났다(Table 4).

1단의 구조비가 매우 높았던 것은 Aeon 1 엔진의 무게를 줄이지 못한 상태에서 무려 9개가 1단에 장착되어 있었기 때문에 발사체 전체 구조에 악영향을 미친 것으로 평가되었다. 이런 이유로 Terran 1은 경쟁력을 상실하여 한 번만 발사하고 바로 Terran R 기술개발에 집중한 것이라고 추정된다. 2023년에 발사하였던 GLHF 임무를 바탕으로 하였을 때, 그들이 2020년에 Payload User’s Guide에서 예상했던 것처럼 SSO 500 km에 898 kg의 탑재체를 투입할 수 있는 것이 아니라 실제로 약 400 kg 중량 탑재체만을 투입할 수 있는 것으로 계산되었으며, 같은 궤도에 더 적은 연료와 중량으로 630 kg을 투입할 수 있는 Firefly Alpha보다 경쟁력이 훨씬 떨어지는 것으로 나타났다.

3. Falcon 9 형 재사용 발사체 구조 분석

3.1 SpaceX Falcon 9의 구조 분석

Falcon 9의 검증된 재사용 경제성에 힘입어서 많은 스타트업들이 재사용 발사체를 개발하기 시작하였는데, 대부분의 재사용 발사체 모델들이 Falcon 9이 제시하였던 그리드 핀(grid fin)과 착륙용 다리(landing leg)를 부착한 모델과 비슷한 특징을 가지고 있다. 재사용 발사체의 경제성은 발사체의 구조비와 엔진의 비추력, 낙하점의 복잡한 함수이기 때문에[14,15,16,17], 재사용 발사체의 대표주자인 Falcon 9의 구조를 분석하는 것은 경제성을 분석하기 전에 반드시 필요한 일이라고 할 수 있다.

Falcon 9은 지구 저궤도에 소모성으로 22.8톤, 이륙 중량은 547,903 kg(1,207,920 lb)로, 1단 지상추력은 7,686 kN, 진공추력은 8,227 kN, 2단의 진공추력은 981 kN, 1단 진공비추력 311 sec, 2단 진공비추력 348 sec 등으로 알려져 있다[34,35]. Falcon 9의 공개된 여러 구조 정보와 궤적 분석을 통하여 Roh 등은 Table 5와 같이 Falcon 9의 각 단에 대한 중량을 분석하였다. Table 5에서의 Dry Mass는 실제 건조 중량과 잔류 추진제량을 더한 값이다.

이후에 Lee 등[37]은 Falcon 9의 추진제 탱크는 알루미늄-리튬 합금으로 균일한 두께 4.76 mm를 갖는 공통 격벽 추진제 탱크로 되어 있다는 것을 분석하여, 각 추진제량을 체적으로 환산한 후 탱크의 크기를 계산하였고, 1단 추진제 탱크 중량을 6,219 kg, 2단 추진제 탱크 중량을 1,944 kg으로 분석하였다. 그리드핀 및 착륙용 다리 등 재사용을 위한 추가적인 구조물의 무게는 2,880 kg으로 분석되었고, 이는 1단 건조 중량의 16% 정도에 해당하였다. 재사용을 위한 구조물에서 착륙용 다리는 2,000 kg으로 많은 연구자들에게 알려져 있으며[38], 그리드핀(Fig. 7)은 140 kg으로 알려져 있다[39]. 그리고 SpaceX에 대해서 분석한 다른 전문가들의 계산도 착륙과 재사용 제어에 필요한 추가 부품의 총 무게가 2,500에서 3,000 kg 정도로 추론되어[40] Lee 등이 예상했던 2,880 kg과 거의 일치하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 7.

Grid fin has been removed from the Falcon 9[41].

3.2 소형 재사용 발사체의 구조 분석

소형 재사용 발사체의 구조를 분석하기 위해 뉴스페이스 업체들에서 개발했던 소형발사체와 재사용 발사체 Falcon 9의 구조비를 각각 비교하였다. 소형발사체에 Falcon 9과 같이 그리드핀(Fig. 7)과 착륙용 다리, 재사용 제어에 필요한 추가 부품들을 장착하였을 때의 중량을 추가해야 소형 재사용 발사체를 구성할 수 있기 때문에, 각 재사용 부품들의 중량이 건조 중량(dry mass)에 비례한다고 가정하고 무게를 계산하였다. Table 6은 재사용을 위한 추가 부품을 장착한 소형발사체 1단의 무게 배분을 나타내고 있다. Falcon 9의 단 중량에 비해서 소형발사체들의 단 중량은 약 1/10 정도의 수준이다.

1단의 중량은 각 업체의 기술 수준이나 단 주요 소재의 차이, 엔진 구조 및 엔진 사이클의 차이 등으로 격차가 서로 매우 많이 난다. Table 6에서 구성되는 소형 재사용 발사체의 1단과 이로 인해 계산되는 1단의 구조비는 각 재사용 1단의 중량에 따라서 각기 다른 값을 갖게 되고, 이는 Fig. 8과 같이 그래프로 나타낼 수 있다. 각 발사체 업체별로 기술 수준과 소재의 차이(예를 들면, 탄소 복합재 탱크를 사용한 Rocket Lab과 Firefly Aerospace와 알루미늄 탱크를 사용한 SpaceX와 Relativity Space), 연료의 차이(Terran 1만 메탄 연료를 사용하고 나머지는 케로신 연료 사용), 제품 제작 방식의 차이(Relativity Space의 경우는 WAAM을 사용한 탱크 제작), 엔진 구성의 차이(예를 들어 Falcon 9과 Terran 1, Electron은 1단 엔진 9개, Falcon 1은 1단 엔진 1개, Firefly Alpha는 1단 엔진 4개) 등으로 서로 매우 다른 기술이기 때문에, 추세선에서 흩어짐의 정도가 매우 큰 것을 알 수 있다. 하지만, 전반적으로 Falcon 9과 Electron 사이를 잇는 추세선에 가까운 것을 볼 수 있고, 기술력이 좋지 않았던 Relativity Space의 Terran 1은 추세선보다 구조비가 매우 높아 전반적으로 많이 무거운 것을 그래프를 통해 알 수 있다. 추세선에서 재사용 1단의 구조비(MRs1)는 재사용 1단 중량(ms1)과 아래 Eq. 2의 관계를 갖는다.

Fig. 8.

Predicted reusable 1st stage mass ratios with various new space LVs’ 1st stage mass.

또한 2단에 대해서 1단과 동일한 방법으로 2단의 중량과 2단의 구조비에 대해서 정리하면 Fig. 9와 같이 나타난다. Fig. 8의 1단에 비하면 비교적 흩어짐이 심하지 않다는 것을 알 수 있으며, 역시 Relativity Space의 Terran 1은 전체 추세선보다 많이 무겁다는 것들을 알 수 있다. 흩어짐이 1단에 비해 심하지 않은 이유로는 2단에는 모든 발사체가 동일하게 1개의 엔진으로만 구성되어 있어 비슷한 수준에서 제품이 제작된 것으로 사료되며, Electron의 경우에 있어서는 Kick Stage의 중량이 2단에 빠져 있기 때문에 다른 발사체의 2단 중량에 비해서 약간 가볍게 나타난 것으로 추정된다. 추세선으로 추정되는 뉴스페이스 발사체의 2단 구조비는 Eq. 3과 같이 예측된다고 할 수 있다.

Fig. 9.

Predicted 2nd stage mass ratios with various new space LVs’ 2nd stage mass.

4. 한국형 소형 재사용 발사체의 임무 설계

4.1 35톤급 메탄 엔진을 이용한 재사용 발사체

Lee 등[14,15,16,17]은 35톤급 메탄 다단연소 사이클 엔진을 이용한 Falcon 9 형태의 재사용 발사체(Fig. 10)에 대해서 연구를 수행하였으며, 1단과 2단에 노즐 확대비(nozzle expansion ratio)만 다른 동일한 엔진을 개념설계 하였다[17]. 본 연구에서 설계된 1단 엔진은 노즐 확대비 24.5에 진공추력 35 tonf, 진공비추력 340 sec이며, 2단 엔진은 노즐 확대비 141.2에 진공비추력 37.37 tonf, 고공비추력 363 sec이었다. 국내에서 이륙하는 발사체는 지구 자전을 활용할 수 있는 동쪽 방향으로 일본 열도가 가로막고 있기 때문에, 여러 가지로 불리한 환경이 많으며, 남쪽으로 발사하려고 해도 오키나와의 많은 섬들에 피해를 주지 않는 방향으로 낙하점을 배치해야 하기 때문에(Fig. 11), 1단이 Falcon 9과 같은 미국 발사체보다 1 km/s 정도의 속도 증분을 더 주어야 한다. 또한 1단과 페어링 등이 오키나와와 필리핀의 공해 상의 안전지역에 낙하해야 하기 때문에 SSO(Sun Synchronous Orbit)로 발사하려고 해도 미국의 반덴버그에서 발사할 때보다 추가적인 속도 증분이 필요한 상황이다. 따라서 대한민국에서 발사하는 발사체는 미국에서 발사하는 발사체에 비해서 구조상 비효율적인 발사체가 되고 특히 2단형 발사체의 경우 2단이 많이 짧아지게 되는데, 탱크의 부피가 줄어드는 대비 면적이 줄어드는 비율이 적어져서 2단의 구조비가 미국 발사체들보다 상승하게 된다. 따라서 기존에 설계된 35톤급 엔진을 사용한 발사체의 결과[14,15,16,17]를 활용하여 한국형 재사용 발사체의 2단 구조비는 Eq. 4와 같이 변경하였다.

Fig. 10.

Geometry design of a reusable launch vehicle with a 35-ton methane engine.

Fig. 11.

DRL point for the reusable launch vehicle with 35-ton methane engines.

기존의 연구[17]에서 개념설계 하였던 결과(Fig. 10)는 35톤급 엔진을 사용한 발사체의 경우에 2단의 구조비를 최대 9% 정도 수준까지 개발이 가능할 것으로 판단되었다. 이 결과를 기반으로 할 때, 𝛼=1.14로 가정할 수 있으며, 이는 한국에서 발사하는 발사체의 2단은 미국 발사체 2단의 평균보다 14% 정도 구조비가 상승한다는 것들을 의미한다. Eq. 2와 Eq. 4를 35톤급 메탄 다단 엔진을 사용한 발사체에 적용하여 구성한 재사용 발사체의 임무 설계 결과는 Table 7과 같다. 본 설계의 결과는 기존의 ASTOS 결과[17]와 유사하며, 500 km SSO에 소모성 모드시 5,180 kg을 투입할 수 있으며, RTLS(Return to Launch Site)로 운영시 2,068 kg을, DRL(Down Range Landing)로 운영시 2,560 kg을 투입 가능한 것으로 나타나 DRL 기준 탑재체 중량이 소모성 투입 탑재체의 49.4% 정도인 것으로 나타났다.

4.2 소형 메탄 엔진을 이용한 소형 재사용 발사체

4.1절에서 계산하였던 35톤급 메탄 다단엔진을 사용한 Falcon 9형 재사용 발사체의 임무 설계 결과를 이용하여 더 작은 소형 엔진을 사용한 재사용 발사체를 설계할 수 있다. 엔진 추력이 작아질수록 발사체 무게는 감소하게 되고, Eq. 2와 Eq. 4를 따라 발사체의 구조비는 증가하게 된다. 소형 재사용 발사체의 경제성을 파악하기 위해서는 소형 재사용 발사체의 구조를 설계하는 것이 필요하고, 이에 따라 소형 메탄 엔진을 이용한 소형 재사용 발사체를 설계하였다. 각 발사체에 사용한 메탄 엔진은 모두 메탄 다단 연소 사이클 엔진으로서 비추력이 35톤급 엔진과 동일하다고 가정하였으며, 25톤급, 20톤급, 15톤급, 10톤급 엔진을 사용하여 1단에 9개, 2단에 1개를 사용한 Falcon 9형 발사체로 설계하였다.

Table 8과 Table 9에는 각각 25톤급 메탄 엔진으로 구성한 재사용 발사체와 10톤급 메탄 엔진으로 구성한 재사용 발사체의 임무 설계 결과가 나타나 있다. 25톤급 메탄 엔진을 9개 사용하여 1단을 구성한 발사체의 1단 구조비는 7.3%, 2단 구조비는 9.8%로 계산되었으며, 10톤급 메탄 엔진을 9개 사용하여 1단을 구성한 발사체의 1단 구조비는 8.2%, 2단 구조비는 11.8%로 예상되었다. 10톤급 엔진을 1단에 9개, 2단에 1개 사용한 발사체는 Relativity Space의 Terran 1과 유사한 발사체이나 Eq. 2를 사용하였을 때 설계되는 신규 발사체의 1단 구조비가 8.2%로서 Terran 1의 11.2%보다 더 우수하며, 엔진의 비추력도 340 sec로 가스발생기형 엔진 Aeon 1의 281.5 sec보다 우수한 발사체라고 할 수 있다.

각각의 메탄 다단 엔진으로 구성한 발사체의 소모성 모드와 DRL 재사용 모드에서 500 km SSO에 투입 가능한 탑재체의 중량을 종합한 결과를 Table 10에 정리하였다. Table 10에 나타난 것과 같이 엔진의 추력 수준이 낮아질수록 구조비가 커지기 때문에 투입할 수 있는 탑재체 중량이 크게 낮아지며, DRL을 사용하여 1단을 재사용할 때 투입할 수 있는 탑재체 중량은 소모성 모드보다 더 큰 비율로 낮아지는 것을 알 수 있다.

5. 한국형 소형 재사용 발사체의 경제성

재사용 발사체의 경제성은 기본적으로 그 발사체를 소모성으로 발사했을 때의 탑재체 중량 당 소모성 발사체 비용 대비, 재사용으로 발사했을 때 탑재체 중량당 재사용 발사체 비용이 더 적게 드느냐에 따라 결정되게 된다. 재사용을 염두에 두고 발사했을 때 원하는 지점에 착륙하기 위하여 추가적으로 추진제를 사용해야 하며, 이 때문에 탑재체 중량이 줄어들게 되는데, 이 줄어든 탑재체 중량 대비 재사용 비용이 얼마나 효율적이냐를 놓고 비교하게 된다. 예를 들어 Falcon 9에 대해 2020년에 Roscosmos의 Dmitry Rogozin 사장과 Elon Musk의 논쟁에 의해 추정된 Falcon 9의 소모성 발사시 비용 8,000만 달러와 SpaceX의 Christopher Couluris의 발언으로 인해 밝혀진 Falcon 9 재사용 비용 2,800만 달러에 의해 재사용에 필요한 비용은 소모성의 약 35% 수준이라고 추정되고 있다[16,17]. 또한 최근에 밝혀진 내용[42]에 따르면, 2023년 1분기에 Starlink가 “손익분기점 현금 흐름”을 달성하여, SpaceX가 수익을 냈다고 발표하였고, 이를 위해서는 발사시 탑재되는 Starlink 위성과 Falcon 9의 발사 비용의 합계가 5,000만 달러 이하여야 한다는 것이 현실적으로 유일한 가정이라고 하였다. 이 때 Starlink 위성 가치를 Elon Musk가 이야기한 내용을 그대로 받아들인다면, Falcon 9의 발사 비용은 2,800만 달러를 넘을 수 없다고 계산되어, 기존에 추정된 재사용 비용 비율이 약 35%라는 내용을 더 지지하는 근거가 되었다.

또한 Elon Musk가 Falcon 9을 재사용한다고 해도 버려지는 2단의 비용 20%와 발사 운용비용 10%, 그리고 부스터 리퍼비시 비용 6% 이하의 내용으로도 35% 재사용 비용 비율은 검증되며, 2번 비행 및 착륙을 하면 소모성과 재사용의 비용이 비슷해진다는 Elon Musk의 주장도 역시 35% 비율을 지지하고 있다[17]. Falcon 9은 초기 발사시 비용을 100%(8000만 달러)라고 하면 두 번째 발사에는 합계 135%(1억 800만 달러)의 비용으로 발사하게 되고, 탑재체 중량을 최초 발사시 소모성 Falcon 9 탑재체 기준으로 65%를 발사할 수 있으면 두 번째 발사시에는 합계 130%를 발사할 수 있어 135%의 비용으로 130%를 발사하여 소모성 Falcon 9의 가격대 성능비(200%/200%)가 재사용 Falcon 9의 가격대 성능비(130%/135%)와 비슷해진다. 그래서 Elon의 말과 같이 3회 발사부터는 Table 11과 같이 170%의 비용으로 195%를 발사하게 되어 재사용이 소모성 발사에 비해 이익이 나게 된다[17].

비슷한 방식으로 35톤급 메탄 다단엔진을 사용한 재사용 발사체는 DRL을 사용하여 재사용시 49.4%로 탑재체 중량이 줄어들게 된다. Falcon 9에 비해서 구조비가 크고, 오키나와를 피하기 위해서 DRL을 하더라도 부스터의 역추진이 필요하기 때문에 재사용을 위한 추진제 소모량이 Falcon 9보다 많게 된다. 이 경우 5번을 재사용을 해야 총 240%의 비용으로 총 247%의 탑재체를 궤도에 투입할 수 있어, 이 때부터 재사용 발사체가 소모성 발사체에 비해서 이익이 발생하게 된다(Table 12).

이러한 방식으로 25톤급 메탄 엔진을 사용한 재사용 발사체부터 10톤급 메탄 엔진을 사용한 재사용 발사체까지 각각의 발사체의 재사용 경제성을 추론할 수 있다. 메탄 엔진을 사용한 여러 소형 재사용 발사체 모델들의 소모성 모드시의 탑재체 중량대비, 재사용시 탑재체 중량을 비교한 Table 10으로부터 탑재체 중량비를 계산할 수 있고, 이로 인해 소모성에 비해 이익이 발생하는 재사용 횟수를 Table 12와 동일한 방식으로 계산하여 Table 13에 정리하였다.

25톤급 메탄 엔진을 이용한 재사용 발사체는 소모성 대비 재사용 탑재체 비율이 44.5%이고 7회 재사용해야 이익이 발생한다. 20톤급 메탄 엔진을 이용한 재사용 발사체는 재사용 탑재체 비율이 41%이고 11회 재사용해야 이익이 발생한다. 15톤급 엔진을 사용한 재사용 발사체는 재사용시 634 kg의 탑재체를 궤도에 투입할 수 있는 발사체이지만 무려 51회를 발사해야 재사용이 이익이 되기 때문에, 재사용 발사체로서의 효용가치가 없는 발사체라는 것을 알 수 있다. 10톤급 엔진을 사용한 재사용 발사체는 재사용시 탑재되는 탑재체 중량이 소모성에 비해 28.3% 밖에 되지 않아 재사용 비용인 35%에 미치지 못해 재사용 발사체가 오히려 경제적이지 못하다는 것을 보여주고 있다. 즉, Falcon 9 방식의 1단 재사용 발사체는 소형발사체로 사용할 수 있는 구간인 500 ~ 1,000 kg 탑재체 구간에서 소모성 발사체에 비해 경제적이지 못하다는 결론을 얻을 수 있다.

6. 결 론

본 연구에서는 뉴스페이스 소형발사체 구조 분석을 기초로 Falcon 9 형태의 소형 메탄 재사용 발사체의 임무 설계를 진행하였으며, 이를 통해 소형 재사용 발사체의 경제성에 대해서 분석하였다.

(1) SpaceX의 Falcon 1, Rocket Lab의 Electron, Firefly Aerospace의 Alpha, 그리고 Relativity Space의 Terran 1 발사체들의 구조를 분석하였으며, 소형발사체의 단별 중량과 구조비를 파악하여 비교 하였다. 분석 결과, Terran 1은 다른 소형발사체에 비해 무거운 구조로 되어 있는 것으로 나타났다.

(2) Falcon 9의 구조 분석을 통하여 1단 재사용을 위한 그리드핀, 착륙용 다리 등 추가적인 중량을 파악할 수 있었으며, 다른 소형발사체를 재사용화 하였을 때의 추가되는 중량을 계산하였다.

(3) 기존에 분석된 35톤급 메탄 다단 연소 사이클 엔진을 사용한 재사용 발사체를 바탕으로 한국형 소형 재사용 발사체들의 임무에 대해 분석하였으며, 엔진의 추력 수준이 낮아질수록 구조비가 커지기 때문에 투입할 수 있는 탑재체 중량이 낮아지며, DRL을 사용하여 1단을 재사용할 때 투입할 수 있는 탑재체 중량은 더 낮아지는 것을 알 수 있었다.

(4) Falcon 9 방식의 한국형 재사용 발사체는 소형발사체로 사용할 수 있는 구간인 500 ~ 1,000 kg 탑재체 구간에서 재사용 탑재체 비율이 매우 낮아 소모성 발사체에 비해 경제적이지 못하다는 결론을 얻을 수 있었다.