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[사이언스리뷰] 로켓도 재활용 시대

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입력 : 2016-04-27 21:46:44 수정 : 2016-04-27 21:47:20

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미국 ‘팰컨9’ 1단 로켓 4전5기 회수
비용부담 줄여 우주사업에 활력소
얼마 전 미국의 스페이스 엑스사는 ‘팰컨9’ 발사체를 발사해 수화물을 국제우주정거장에 성공적으로 보냈다. 이때 1단 로켓은 재활용을 위해 해상 바지선에 성공적으로 착륙시켜 회수했다. 1단 로켓의 회수는 네 차례의 실패 끝에 성공한 것으로 우주운송 비즈니스에 새로운 이정표가 될 것이다.

미국 ‘매사추세츠공대 테크놀로지 리뷰’(MIT Technology Review)에서는 재활용 로켓기술을 올해의 10대 혁신기술로 선정했다. 준궤도 우주여행의 상용화를 추진 중인 블루 오리진사도 비용절감을 위해 재활용 로켓기술을 연구 중이다. 유일한 우주운송수단인 발사체는 비행 때마다 새로운 로켓을 제작하는 데 수백억∼ 1000억원 이상을 쓴다. 통상 쓰고 난 로켓은 대기권에 진입하면서 마찰열에 의해 불에 타거나 바다에 떨어져 고철덩어리가 된다. 그야말로 1회용이었다. 이에 착안해 스페이스 엑스사는 로켓의 재활용을 추진하고 있다. 대형 로켓인 팰컨9 발사체를 제작하는 데 600억~700억원이 소요된다. 이 중 9개의 엔진으로 구성된 1단 로켓의 제작비용만 400억~500억원이 소요된다. 로켓을 재활용한다면 제작비용을 현저히 줄일 수 있다. 한번 제작해 발사한 로켓도 여러 차례 회수해 추진제(연료 및 산화제)만 충전하면 재활용이 가능하기 때문이다. 로켓은 열악한 우주환경에서 작동하기에 자동차나 항공기처럼 장기간 동안의 재사용은 불가능하다. 길이가 45.7m나 되는 팰컨9 발사체 1단 로켓은 수평 위치에서 수직으로 전환해 착륙해야 하므로 더욱 어려운 기술이 필요하고 재활용이 어렵다. 로켓의 속도를 줄이고 수직 자세로 착륙하기 위해서는 고난이도의 기술이 필요하다.

장영근 한국항공대 교수·항공우주기계공학
보통 우주발사체는 비행 동안 대기권에서 바람으로부터 집중적인 압력 및 진동뿐 아니라 현저한 온도 변화를 겪는다. 이러한 외부 환경은 로켓 하드웨어에 마모 및 열상 등을 유발한다. 이러한 이유로 재활용 시 수리 및 보수가 필요하다. 경우에 따라 로켓을 수리하는 데 엄청난 비용이 소요될 수 있다. 만일 이러한 수리 및 보수에 장기간이 소요된다면 이 로켓은 자주 재활용하기 어렵다. 2011년까지 30년 동안 우주비행임무를 수행했던 우주왕복선이 대표적인 부분적 재활용 로켓이었다. 우주왕복선의 퇴출 이유 중 하나는 재활용을 위한 보수 및 수리비용이 과다하게 소요됐기 때문이다. 우주왕복선의 초대형 외부탱크는 1회용 소모품이었다. 양쪽에 부착된 고체로켓부스터는 동체만 회수해 재활용했다. 항공기 형상의 궤도선은 우주에서의 임무 후에 지구로 비행기처럼 착륙했다. 초대형 외부탱크를 제외하고는 재활용된 셈이다. 로켓의 재활용 설계는 비용절감을 의미하는데 우주왕복선에는 이러한 상식이 적용되지 않았다. 재활용을 위해 엄청난 보수 및 수리가 요구되는 매우 복잡한 비행체였기 때문이다. 왕복선의 주엔진 터보펌프 등은 비행마다 교체됐다. 대기권 재진입 시 엄청난 열을 받는 세라믹 타일은 비행마다 검사 및 교체가 필요했다.

팰컨9 발사체는 우주왕복선만큼 복잡하지 않아 그만 한 수리가 필요하지는 않을 것이다. 만일 팰컨9 발사체가 발사와 하강 동안 크게 손상받지 않는다면 수리나 보수에 고비용과 장기간이 소요되지 않을 것이다. 스페이스 엑스사에서는 로켓이 회수되고 큰 수리나 보수 없이 재비행할 수 있을 것이라고 자신하고 있다. 현재는 회수된 로켓 1단이 얼마나 손상됐는지 분석 중이다. 수리 및 보수하는 데 소요되는 비용이 완전히 새로운 로켓을 제작하는 비용보다 훨씬 적다면 현저하게 비용절감이 가능할 것이다.

로켓의 재활용은 우주 접근비용을 줄이고 우주활용에 무한한 가능성을 제시한다. 비용을 줄이고 효율을 증진하는 개념은 다양한 우주분야에 영향을 줄 것이다. 이러한 새로운 세대의 혁신과 창의력은 새로운 우주 비즈니스를 창출할 것이다. 뒤늦게 출발한 우리의 우주기술도 혁신과 창의를 기반으로 시행착오를 최소화했으면 한다.

장영근 한국항공대 교수·항공우주기계공학

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