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[2020 가을호] 2 - 리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술

  • 장준
  • 2020-10-23 16:04:05

2020 FALL 기획특집 2

리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술
Space Exploration


로켓 발사 기술을 확보했다면 다음으로 넘어야 할 산은 비용 문제겠죠?
지구를 떠난 우주선에 필요한 부품을 매번 지구로부터 공급받는 것은 비용이 많이 듭니다.
따라서 우주선 내에서 부품을 만들 수 있는 리퍼브리케이터라는 재사용 3D 프린터가 개발되었습니다.
최근에는 로켓을 회수하여 재사용하기도 하는데요. 로켓을 재사용하면 발사 비용을 크게 절약할 수 있죠.
이렇듯 재사용을 통해 비용 절감에 큰 역할을 하는 리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술에 대해 알아 보도록 할까요?

리퍼브리케이터 (Refabricator)


먼저 리퍼브리케이터 Refabricator가 무엇인지부터 알아 보겠습니다.
리퍼브리케이터는 나사 NASA와 3D 프린터 스타트업인 테더스 Tethers가 공동으로 개발한 재사용 3D 프린터로, 플라스틱으로 물건을 프린팅한 후 이를 다시 녹여 새로운 물건을 프린팅 할 수 있습니다.
겉으로 보기에는 소형 냉장고 크기의 작고 단순한 장비 같지만, 이러한 리퍼브리케이터의 진가는 우주선의 부품에 문제가 생겼을 때 발휘됩니다.
지금까지는 우주선의 부품을 교체하기 위해서 지구에서 로켓을 발사해 부품을 조달해 왔습니다.
하지만 이렇게 매번 로켓으로 부품을 공급하는 데에는 너무나 큰 비용이 들죠.
이때 리퍼브리케이터를 사용해 우주선 내에서 필요한 부품을 직접 만들어 교체할 수 있습니다.

이렇듯 리퍼브리케이터가 우주선의 유지 및 보수 비용을 크게 줄일 방법임은 분명합니다.
그러나 플라스틱을 재사용하여 만든 부품이 우주의 극한 환경을 버틸 수 있는가에 대해서는 의문이 생길 수 있죠.
기존의 여러 재사용 3D 프린터는 플라스틱을 가루로 분쇄한 후 접착제로 붙여 프린팅 하는 접착제 분사식이었습니다.
이 방식으로 만든 결과물의 내구성은 접착제의 접착력에만 의존해야 했기 때문에 우주의 환경을 버티기 어려웠습니다.
하지만 리퍼브리케이터는 플라스틱을 녹여서 재사용하므로 접착제를 이용해 강제로 붙이는 방법보다 결과물의 내구성이 좋습니다.
플라스틱 분자 간의 결합을 해치지 않으면서 플라스틱의 형태를 바꿀 수 있기 때문입니다.


리퍼브리케이터는 현재 재사용된 재료의 결합 특성을 국제 우주 정거장 ISS에서 실험 중이며, 올해 12월에 지구로 돌아올 예정입니다.
나사의 관계자는 실험 중인 리퍼브리케이터의 프로토타입이 임무를 성공적으로 마치면, 앞으로 거의 모든 우주선에 리퍼브리케이터가 탑재될 것이라고 말했습니다.

로켓 회수와 재사용

발사된 로켓을 회수하여 재사용하는 기술은 우주선의 발사 비용을 획기적으로 줄일 방법입니다.
전체 발사 비용의 절반 정도를 차지하는 1단 로켓을 재사용하면, 새롭게 로켓을 제작하는 것보다 약 30%의 비용을 절감할 수 있습니다.
로켓을 재사용하기 위해서는 발사된 로켓을 회수한 후, 세척하고 수리하여 다시 작동이 가능한 상태로 만드는 작업이 필요합니다.
이러한 재사용 로켓의 개념은 40여 년 전 우주왕복선 프로젝트에서 처음 도입되었습니다.
그러나 회수한 로켓을 수리하는 과정에서 예상보다 큰 비용이 발생해 당시에 프로젝트는 중단되었습니다.
그러던 와중, 2011년에 민간 우주 기업 스페이스X에서 팰컨 9을 이용한 로켓 회수 기술을 실험하기 시작했고, 이후 수직 이착륙 로켓 회수와 재사용을 성공적으로 수행했습니다.

활주로에 착륙하는 우주왕복선 엔터프라이즈 호
활주로에 착륙하는 우주왕복선 엔터프라이즈 호

로켓 재사용 기술에서 가장 중요한 부분은 발사된 로켓을 안전하게 회수하는 과정입니다.
그러면 지금부터 로켓을 회수하는 여러 방법에 대해 알아 볼까요?
먼저, 우주 왕복선처럼 큰 날개가 있는 로켓을 활공 비행으로 활주로에 착륙시키는 방법이 있습니다.
활공할 때 충분한 양력을 받기 위해서는 로켓의 크기가 커야 합니다.
크기가 커질수록 우주선의 구조가 복잡해지고 설계하는 데 큰 비용이 들기 때문에 비용 절감의 효과는 떨어집니다.
그래서 로켓 재사용의 장점이 줄어들게 되죠.

다음으로, 낙하산을 이용해 로켓을 회수할 수도 있습니다.
로켓 랩 Rocket Lab의 일렉트론 로켓과 같은 소형 로켓은 낙하산으로 착륙이 가능합니다.
소형 로켓에 작용하는 정도의 중력은 낙하산이 만드는 공기 저항이 충분히 상쇄시킬 수 있기 때문입니다.
하지만 대형 로켓은 낙하산으로 착륙시키기 어렵다는 한계점이 있습니다.

로켓 랩(Rocket Lab)의 일렉트론 로켓 회수
로켓 랩(Rocket Lab)의 일렉트론 로켓 회수

앞서 언급한 두 가지의 로켓 회수 방법은 각각 명확한 한계점을 갖고 있습니다.
그래서 최근에는 여러 기업과 연구소에서 수직 이착륙을 통한 로켓 회수 기술을 활발히 연구 중입니다.
이륙할 때 사용한 엔진을 착륙 시에 재점화하여 지면으로 추진제를 분사하면 낙하 속력을 줄일 수 있습니다.
스페이스X의 팰컨 9은 발사체와 탑재체가 상공에서 분리된 후 남은 추진제를 분사해 낙하 속력을 줄이고 원래 발사했던 장소에 수직으로 착륙합니다.

수직 이착륙 로켓 회수에 필요한 기술

우주에서 자유 낙하하는 로켓을 원하는 곳에 수직으로 착륙시키는 것은 매우 어려운 작업입니다.
그렇다면 수직 이착륙 로켓을 회수하는 데에는 어떤 기술들이 필요할까요?

가장 먼저, 로켓 하부가 매우 높은 온도를 견딜 수 있도록 설계해야 합니다.
로켓이 낙하하면서 발생하는 충격파가 공기를 강하게 압축시키면 공기는 단열 압축하고, 이에 따라 로켓 표면에는 수천 도의 고온이 발생합니다.
따라서 수직 이착륙 로켓이 대기권에 재진입할 때 공기와 맞닿는 로켓 하부에 열차폐막을 설치할 필요가 있습니다.
열차폐막은 우주선 표면의 고온이 내부로 유입되는 것을 막는 부분으로, 내구성과 내열성이 좋은 세라믹을 많이 사용합니다.

또한, 수직 이착륙 로켓은 착륙 시에 낙하 속력을 줄이기 위해 엔진을 재점화합니다.
그래서 연료를 연소시킬 산화제를 기존의 로켓보다 많이 실어야 합니다.
산화제로는 액체 산소가 주로 쓰이는데, 액체 산소의 밀도를 높여야 로켓에 효율적으로 실을 수 있습니다.
액체의 부피는 온도가 높을수록 열팽창에 의해 커지므로, 온도를 낮춰야 액체의 밀도가 높아집니다.
스페이스X의 팰컨 9은 산화제의 온도를 기존보다 더 낮춰 밀도를 높임으로써 탑재할 수 있는 산화제의 양을 늘렸습니다.
마지막으로, 로켓이 원하는 착륙 지점으로 정확하게 이동하고 자세를 유지할 수 있도록 하는 반작용 조정 시스템 RCS, Reaction Control System이 필요합니다.

작용-반작용 법칙에 따라 로켓은 추진제를 분사한 반대 방향으로 힘을 받게 됩니다.
따라서 로켓의 여러 부분에 있는 엔진을 상황에 맞게 점화하여 추진제를 분사하면 로켓의 자세를 원하는 데로 바꿀 수 있습니다.
이를 통해 로켓의 진행 방향을 바꿔 목표 지점에 착륙할 수 있게 되는 것입니다.


지금까지 ‘재사용’을 통해 우주선의 발사 비용을 줄이는 방법들을 알아 보았습니다.
이러한 비용 절감은 민간 우주 산업의 발전에 큰 영향을 주는데요.
국가 기관보다 예산 규모가 작은 민간 우주 기업이 우주 산업에 뛰어들기 위해서는 비용 절감이 필요하기 때문이죠.
그래서 스페이스X나 블루 오리진 등의 민간 우주 기업은 재사용 기술의 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다.
이러한 노력을 바탕으로 성장한 민간 우주 기업은 최근 화성 탐사 분야에 적극적으로 투자하고 있는데요.
그렇다면 지금부터 화성 탐사에 대해 알아 볼까요?


기획특집 ③ - 화성 탐사 편으로 이어집니다.

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ALIMI 25기 전자전기공학과 장준

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