스타십

스페이스X가 2021년 5월 5일(현지시간) 텍사스 보카치카 발사대에서 '스타십' 시제품 착륙을 성공시켰다. 사진=BBC

프로토타입 스타십 SN16

스타십(Starship)은 미국의 스페이스엑스(SpaceX)가 개발 중인 재활용 가능한 우주 발사체이다. 한때 BFR(Big Falcon Rocket) 또는 ITS(Interplanetary Transport System)라는 이름으로 불리기도 했다. '스페이스엑스 스타십'(SpaceX Starship) 또는 '스타십 발사 시스템'(SLS; Starship Launch System)이라고도 한다. 일론 머스크는 미국 연방항공청의 승인을 받아 2022년 1월~2월 스타십을 출범할 계획이다. 2023년 상용화를 목표로 2022년 최대 12편의 시험 비행을 예정하고 있다.

개요

스타십은 미국의 민간 우주개발회사인 스페이스엑스가 개발 중인 화성 이주용 우주선이다. 4차례 걸친 시험 비행에서 폭발하면서 안전성 논란을 겪었으나 2021년 5월 5일 진행된 5번째 시험 발사에서 지상에 직립으로 착륙하는 데 성공했다. 또 2021년 11월 12일에는 스타십 6개 엔진을 모두 가동한 정지발사 시험에 성공했다.

스타십은 단기적으로는 팰컨 9과 팰컨헤비를 대체하며 달과 화성 탐사, 그리고 장차 먼 미래의 행성간 탐사 계획까지 고려해 설계된 기체다. 재사용이 가능하다. 2019년 본격적으로 개발을 시작한 스타십은 높이 120m, 직경 9m의 로켓으로 사람 100명과 화물 100t을 싣고 달 기지와 화성을 이어주는 역할을 수행하게 된다.

스페이스X는 2023년 스타십에 민간인 10여 명을 탑승시켜 달 궤도를 도는 우주 관광을 계획하고 있으며, 2024년에 첫 유인 화성 탐사선을 발사하고, 2026년 승객 100명을 태운 스타십을 화성에 보내는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 2050년 화성 거주지를 건설하는 것이 최종 목표이다.

역사

스타십은 100톤 이상의 인공위성을 지구궤도에 발사한다. 우주 발사체는 소형(SLV), 중형(MLV), 대형(HLLV), 초대형(SHLLV)이 있다. 2018년 한국이 최초 발사한 누리호 시험 발사체는 소형 발사체이다. 스타십은 50톤 이상의 인공위성을 지구 저궤도에 발사하는 초대형 발사체(SHLLV)이다. 유명한 초대형 발사체로는 아폴로 11호를 달에 보낸 새턴 5호, 오랫동안 미국이 사용했던 우주 왕복선 및 나사의 아르테미스 미션 및 게이트웨이 우주정거장 구축에 사용될 우주 발사 시스템(SLS) 등이 있다.

2022년에 지구 궤도상에서 최초발사할 계획인데, 세계 최초이며, 세계 유일의 재활용 가능한 초대형 발사체(SHLLV)이다.

2단계로 구성된 다단 액체연료 로켓이며, 1단과 2단이 발사된 후에 발사대로 다시 날아와 착륙하여, 다음에도 재발사가 가능하다. 2단은 필요에 따라 유인우주선과 화물선, 공중 연료 보급선으로 전환이 가능하다. 엔진은 진공추력 200톤의 LOX/메테인의 랩터 (로켓 엔진)을 사용한다. 1단 슈퍼 헤비에는 랩터 엔진 28개, 2단 스타쉽에는 해수면 랩터 엔진 3개, 진공 랩터 엔진 3개를 사용한다.

스페이스X는 이 로켓으로 화성에 식민지를 건설할 계획이며, 2020년 4월 나사의 달 유인 착륙 시스템 세가지 중 하나로 선정되어 향후 10개월간의 디자인 기간동안 아르테미스 프로그램의 재정적 지원이 약속되었다.

개발

과거 개발 방향

2012, MCT(Mars Colonial Transporter, 화성 식민지화 운송수단)

2005년, 지구 저궤도상에 최소 100t의 화물을 수송할 것으로 예정되었던 이 발사체계는 2012년 일론 머스크의 전체적인 화성 식민지화 계획과 함께 공개되었다. 2014년 4월, 한 전문매체는 2020년 초반까지 스페이스X가 랩터 엔진을 사용하여 이러한 계획을 실현시킬 수 있을 것이라고 예상했다.

2016, ITS(Interplanetary Transport System, 행성간 이동 시스템)

2016년 9월 중순, 일론 머스크는 본인 트위터 계정을 통해 'MCT라는 명칭이 더 이상 이어지지 않을 것'임을 언급했고 '스타십이 화성 너머로 진출할 수 있기 때문'이라고 설명했다. 이러한 발상에 의해 새롭게 선정된 명칭은 행성간 이동 시스템, ITS였으나 머스크 본인은 이에 만족하지 못하여 '나는 BFR과 BFS라는 명칭이 나쁘지 않다고 생각한다. 개발 코드명은 BFR이 될 것'이라며 레딧에 2016년 10월 23일 글을 남겼다. 이러한 ITS의 개발 방향에 대한 세부 사항은 2016년 9월 27일 열린 제67회 국제 우주 총회에서 공개되었다. ITS부스터(ITS Booster, 현 수퍼헤비)와 행성간 우주선(Interplanetary Spaceship, 현 스타십)에 대한 내용이 발표되었으며 ITS 부스터의 경우 직경 12m에 높이 77.5m, 행성간 우주선의 경우 직경 12m에 높이 49.5m의 규격을 가질 것으로 알려졌다. ITS 부스터와 행성간 우주선은 각각 130MN, 56MN의 추력을 생산할 예정이었다. 같은 시기에 랩터 엔진의 첫 연소 테스트가 진행되었으며 이때 처음 구상되었던 ITS 탱커(공중 급유선)에 대한 아이디어가 지금까지 이어지고 있다.

2017~2018, BFR(Big Falcon Rocket, 대형 팰컨 로켓)

2017년 9월 치러진 제68회 국제 우주 총회에서 ITS의 새로운 디자인이 공개되었고 그 이름은 BFR로 확정되었다. BFR(Big Falcon Rocket)의 직경은 ITS 대비 3m 감소한 9m가 되었으며 전신 탄소 섬유 소재 채용이 예정되었다. 2단계 발사체의 구분이 정리되어 BFS(Big Falcon Ship)으로 불리게 되었고 3가지 용도로 그 명칭을 나누게 되었다. 각각 지구 궤도상, 달, 화성에 화물 운송, 승무원 수송, 연료 보급 등의 용도에 맞추어 BFS Cargo, BFS Crew, BFS Tanker라는 이름으로 불렸다. 공기 역학을 응용한 기체 제어를 위해 델타 윙과 플랩 장비를 탑재할 것으로 알려졌고 BFS의 경우 하단에 해면 추력 엔진 4기와 진공 엔진 2기를 사용할 것임이 공개되며 처음으로 이에 대한 세부 내용이 발표되었다. 텍사스, 루이지애나, 루이지애나, 콜롬비아주에 BFR 개발을 위한 시설 건축이 확정되었다.

2019~현재, SLS(Starship Launch System, 스타십 발사 시스템)

슈퍼 헤비(Super Heavy)

스타십의 1단 발사체가 될 예정인 슈퍼 헤비는 72미터 높이에 9미터 직경을 가질 것으로 예정되어 있으며, 3,600,000 kg의 무게를 가질 것으로 추측된다. 알루미늄 외곽과 내부 연료 탱크, 골조는 탄소 섬유로 제작될 것으로 알려졌다. 극저온에서 발사체에 뒤틀림이 생기는 것을 막기 위함이라고 언급되었다. 31개의 랩터 엔진은 72,000 킬로뉴턴의 추력을 생산할 전망이다.

2019년 10월, 슈퍼 헤비의 디자인 변경이 언급되었으며 6개의 착륙용 다리 및 다리를 감싸는 페어링 구조, 4개의 마름모꼴 그리드핀(상승 비행시 로켓의 비행 안정성을 높혀주는 망 형태의 장치, 다만 스페이스X 계열의 로켓에서는 일반적인 사용과는 달리 로켓의 위에 부착되어 공기저항을 유발하여 로켓의 착륙 절차에 수평을 유지하기 위해 사용된다) 등등 세부적인 디자인 요소가 확정되었다.

2022년과 2023년 사이에 슈퍼헤비 프로토타입의 실질적인 테스트 비행이 진행될 예정이며 SH BN1 프로토타입의 제작이 확인되었다.

착륙(슈퍼 헤비)

2016년 9월, 일론 머스크는 ITS 부스터를 발사대에 착륙시키는 것에 대한 가능성을 제기했고, 2017년 9월에는 BFB(Big Falcon Booster)를 통해 발사대 착륙 과정을 재연했다.[ 일론 머스크는 수퍼 헤비 시제품의 초기 개발 단계에는 VTVL을 위해 착륙용 다리를 사용할 것이라고 밝혔다.

하지만 2021년 1월, 일론머스크는 부스터를 착륙다리를 활용하지 않고 그리드핀을 이용한 착륙방식으로 변경한다고 이야기했다. 결국 2021년 10월 21일, 발사대의 거대한 팔인 Catch arm이 설치되며 이 말은 현실이 되었다. 부스터가 착륙할때 발사대의 Catch arm이 부스터를 공중에서 잡아 다시 발사대에 올려놓는 착륙방식이 실현되기까지 얼마 안남았다는걸 보여준다.

스타십(Starship)

2019년 10월, 스타십 2단 추진체는 50미터 높이에 9미터 직경을 가질 것으로 언급되었으며, 6개의 랩터 엔진 중 3기는 해상 착륙 및 대기권 내 점화를 위한 일반 랩터 엔진, 남은 3기는 외기권에서의 점화 및 추진을 위한 랩터 엔진 진공의 탑재가 예정되었다. 랩터 엔진의 총 추력은 11,500 킬로뉴턴이 될 전망이다. 당시 공개된 디자인 컨셉을 배경으로 SN1부터 SN16까지 16개의 프로토타입의 제작이 지금까지 확인되었다.

2020년 8월과 9월 동안 각각 스타십 SN5와 SN6이 150m 고도에 도달한 후 하강하며 시험 비행을 성공적으로 완수했다.

2020년 내에 스타십의 첫 정식 규격 시제품인 스타십 SN8이 15km 고도에 도달한 후 하강하는 시험 비행을 수행할 예정이다.

2020년에 SN8이 일정고도 도달 후 하강하는 시험비행 중 엔진 내의 부품 손상으로 착륙에 실패하였다.

2021년 2월 SN9이 일정고도 도달 후 하강하는 과정에서 자세 제어가 이뤄지지 않아 착륙에 실패하였다.

스타십의 2단 추진체는 다른 우주 발사체 디자인과는 달리 2단 추진체로서와의 역할과 우주에서의 장기 체류를 위한 목적을 모두 성취하고자 하고 있다. 또한 대기권 진입에서의 열기를 견딜 수 있으며 이를 통해 완전한 재사용이 가능하게끔 계획되고 있다.

스타십은 아래와 같은 목적에 따라 다양한 파생형을 가질 것으로 전망된다.

• 유인 우주선 : 대용량, 장기간 체류가 가능한 우주 발사체로서 승객과 화물을 다른 행성으로, 또는 지구 저궤도로 보내거나 지구 장거리 고속 이동에 사용하기 위한 목적으로 제작될 전망이다.
• 무인 우주선 : 인공위성을 지구 궤도로 발사 및 위치 가능한 우주 발사체로서, 우주 쓰레기의 회수 및 물자의 운송에도 사용될 전망이다.
• 공중 급유선 : 다른 행성으로 이동하기 위해 정차 궤도에 위치하여 있는 스타십에 지구 저궤도 탈출을 위한 연료를 제공하기 위한 화물 목적 단독의 우주 발사체로서, 달을 향한 고중량 발사에도 사용될 전망이다.
• 월면 운송수단(HLS) : 지구 대기 접근을 위한 에어 브레이크와 열 차폐막이 제거된 형태의 우주 발사체로서, 아르테미스 프로그램의 게이트웨이 우주정거장과 도킹하기 위한 도킹 포트와 흰 페인트 도색의 채용이 예정되었다. 2020년 4월 30일, 미국 항공 우주국의 아르테미스 프로그램의 일환으로 유인 달 착륙선으로서 사용이 확정되었다. 달 표면의 손상을 줄이고자 상단부에 착륙 점화 장치를 부착했다.

착륙(스타십)

현재 착륙 방식은 기존 착륙 다리를 이용하여 착륙하는 방식이지만, 일론머스크는 조금 더 미래에는 부스터처럼 스타십도 발사대에 달린 거대한팔(Catch arm)로 공중에서 잡는 착륙방식으로 바뀐다고 말했다.

참고자료

• 〈스타십 (로켓)〉, 《위키백과》
• 〈스타십(스페이스X)〉, 《나무위키》
• 〈스타십〉, 《시사상식사전》
• 곽노필 선임기자, 〈곽노필의 미래창 » (우주) 로켓 일체형 우주선으로 화성 간다〉, 《한겨레》, 2017-09-29
• 정동훈 기자, 〈스페이스X 대형 우주선 '스타십' 첫 우주비행 한걸음 더 전진〉, 《MBC뉴스》, 2021-11-13

같이 보기

• 로켓 일체형 우주선
• 일론 머스크
• 스페이스엑스

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