스페이스X 연구
페이팔 마피아 회장으로도 불리고 우주선(스타쉽), 인공지능( 테네시주 Colossus AI 센터), 인공위성(스타링크), AI로봇(옵티머스), 전기차(테슬라) 등의 분야에서 세상을 선도하는 사람, 또는 영화의 모델이기도 하다. 또한 세계에서 제일 부유한 사람으로도 불린다. 테슬라 이사회에서 1조달러의 성과급을 지급하기로 하였다는 인터넷기사를 관심있는 사람이라면 알고 있을것이다. 2040년에는 우주경제가 폭팔적으로 성장해서 15조달러(3경원 정도) 이상이라고 예측이 된다. 그중에 통신위성-우주백본망, 우주 AI센터를 포함시키고 휴먼형 로봇시장도 더하면 그 규모는 예측하기 힘들 정도이다.
2002년 일론은 로켓전문가와 함께 러시아를 방문하고, 로켓2기를 5000만달러에 살 수 있다는 것을 알게된다. 너무 비싸다는 생각에 직접 제작하면 1/50 가격이면 가능하다는 것을 알고, 로켓엔진, 연료탱크(=샤시), 나사 퇴사자등 전문가들과 로켓엔진을 만들고 연료탱크(=샤시, 외피)를 설계하며 우주산업의 수직계열화에 힘을 쏫는다. 엔진, 연료탱크(샤시), 인공위성, 시스템설계는 핵심 기술로 나사, 보잉, 로키드마틴, ULA(United Launch Alliance)등의 기존 단체, 회사들과는 완전히 다른 접근법으로 세상을 놀라게한다. 2025년 스타쉽 버전2의 슈퍼해비가 메카질라 캐치암에 부드럽게 안기는 모습은 나와 우리모두를 놀라게하였다. 본인 또한 한동안(2년간) 준우블로그 서버를 가동하지 않다가 다시 가동하게된 계기가 되었다.
우리나라가 먹고 사는데 앞으로 우주산업 분야에서 우주선, 인공위성, 우주연료, 휴머노이드로봇 등을 반도체, 자동차, 항공기처럼 대량생산이 가능한 나라로 가야한다는 것은 자명한 사실이다. 반도체가 지구산업의 쌀이듯 우주선은 우주산업의 쌀이다. 한화와 이노스페이스등의 회사가 있지만 뭔가가 부족하다는 생각이며, 먼저 해야할 일은 스페이스X를 따라하는 것이 제일 좋다는 것이다. 이미 중국에서는 똑깥이 따라서 하는 회사가 있어서 어느정도 성과를 보이고있다.
외계인의 기술을 사용한다고 웃으면서 일론은 랩터3 엔진을 소개하였다. 메탄을 연료로 쓰면 100회 정도 재사용이 가능하다고 하며, 그 모습이 단순한 장난감 처럼 보인다. 그렇다. 로켓 엔진부터 연구하고 시작하고자 한다.
1-1 랩터 엔진
랩터 엔진은 미국의 스페이스X에서 개발 중인 로켓 스타쉽에 사용하기 위해 개발 및 생산하고 있는 전유량 다단 연소 사이클(Full Flow Staged Combustion Cycle, FFSCC) 방식의 재활용 가능한 로켓 엔진이다. 스페이스X의 로켓엔진들이 사용하던 KeroLOx(RP-1 등유와 액체 산소) 대신 MethaLOx(액체 메테인과 액체 산소)를 사용하며 기존의 멀린 1D 엔진보다 2배 이상 강한 추력과 높은 재활용 성능을 가지고 있다. 이론적으로, 수백 번에서 최대 1천 회 이상을 다시 활용할 수 있게끔 설계되었다.
랩터 엔진은 스페이스X의 미래를 책임질 차세대 로켓 엔진으로 전유량 다단 연소 사이클 적용, 300기압의 챔버 압력, 낮은 제작 비용 등 적용된 기술의 수준이나 생산성, 개발 진척도 등 모든 면에서 경쟁 로켓엔진들보다 앞서있다. 스타십의 1단인 슈퍼 헤비 부스터에는 33개의 랩터 엔진이 클러스터링 되었고, 2단인 스타십에는 3개의 해면 랩터 엔진과 3개의 진공 랩터 엔진이 사용되고 있다.
세계 최초로 실제 비행까지 성공한 전유량 다단 연소 사이클 엔진이며, 2025년 기준으로 유일한 성공 사례다. FFSCC엔진은 효율과 내구력, 추력을 크게 높일 수 있지만 개발 난이도가 높아서 개념이 제시된 후 수십년간 이어진 연구에도 불구하고 랩터 엔진 이전에는 비행 성공 사례가 없었다.
1-1. 랩터 1 – Raptor 1
2-1. 랩터 2 – Raptor 2
랩터 2는 2022년 2월 새롭게 발표되었다. 최초 개발 버전인 랩터 V1 대비 더 작고 간단하고 저렴하면서도 출력은 향상되었으며 빠른 생산이 가능하도록 개량되었다. 스페이스X가 화성 거주를 위해 스타십의 대량생산을 목표로 하는 만큼, 스타십 한기당 39개씩 들어갈 랩터 엔진의 생산비용과 신뢰성, 생산성을 개선한 것은 필수적인 개량이라 할 수 있다. 발표 시점에서 아직 스타십 시험기체에 사용되어 발사된 적은 없다. 2021년 12월 18일부터 생산이 시작되어 2022년 2월에는 일주일에 5기를 생산하고 있으며 3월에는 일주일에 7기를 달성할 것이라고 발표했다.
랩터 2는 위의 랩터 1과 비교해봤을때 일단 설계상으로는 추력, 구조, 효율[6], 경제성 면에서 엄청난 개선을 이루어내었다. 랩터 1에 있던 여러 부품들을 삭제 및 통합했으며 이로 인해 무게 절감이 자연스럽게 따라오게 되었다. 스페이스X의 개발 방향성을 보면 랩터 2가 처음으로 상용 목적에 적합한 랩터 엔진이 되겠다. 또한 연소실 내부에 점화기가 별도로 존재하지 않는다.
3-1. 랩터 3 – Raptor 3
기존 랩터 2에서 더욱 더 최초의 비전과 목표로 나아가 개발한 신형 랩터 엔진, 랩터 3의 연소실 350bar 압력 장기 연소 시험을 2023년 5월 13일 성공하였다.[9]
랩터 3 SN1이 2024년 8월 3일 일론 머스크의 X계정에서 처음 공개되었다.# 이후 스페이스X 공식 X계정에서 세부 사양이 공개되었고, 이전 랩터 엔진들과 사양 비교를 하는 글이 업로드됐다.
이전 스페이스X가 올린 사진들 중 랩터3 SN1이 스페이스X 텍사스 맥그리거 시험장에 위치한 랩터 수직 테스트 스탠드에 장착되어 테스트 준비 중인 것을 알 수 있었고, 이후 8월 9일 해당 테스트 스탠드에서 30초의 연소가 이루어졌고, 성공적으로 이루어졌던 것으로 보였다.
연소 시험 후 스페이스X의 COO인 그윈 샷웰이 테스트 사진을 자신의 X계정에 업로드하였고, 이전에 ULA의 CEO인 토리 브루노가 공개된 랩터 3의 사진을 보며 스페이스X가 부분적으로 조립된 엔진을 공개했다는 글을 올렸던 것을 비꼬듯이 “부분적으로 조립된” 엔진이 꽤 잘 작동했다는 코멘트를 같이 올렸다.#
이후 일론 머스크도 랩터 3의 테스트 사진 2개를 공개하였다.#, #
모든 소재를 보다 더 고열에 버틸 수 있는 소재로 변경되어 재진입시 감속을 덜 하거나 아예 할 필요가 없어진다.
- 랩터 진공청소기(RVac)
로켓 엔진은 대기의 유무에 따라 최적의 효율을 가지는 노즐의 팽창비가 달라지기 때문에 로켓 엔진들은 사용 조건에 따라 다른 노즐 팽창비를 가진다.[10] 진공 랩터 엔진은 진공에 최적화된 노즐을 가진 버전으로, 대기권 밖에서 기동할 스타십의 효율성을 위해 필요하다. 진공 최적화 엔진은 이론적으로 노즐이 크면 클수록 효율적이지만 스타십의 경우 동체 중앙부위에 해수면 엔진이 존재하고 동체 안에 3기가 들어가야 하기에 크기의 제한[11]이 있다.