'성공적인 실패'…두번째 스타십 발사, 어떤 점이 개선됐나[코스모스토리]

편집자 주

'넓은 세상'을 바라봅니다. 기술 발전으로 인식과 터전을 넓히는 '인류의 노력'을 바라봅니다. 지구를 넘어 광활한 우주에 대한 이야기, '코스모스토리' 시작합니다.

발사되는 스타십. 스페이스X 영상 캡처

민간 우주개발회사 '스페이스X'의 유인탐사용 대형 우주선 '스타십(Starship)'의 두번째 시험 발사가 첫 발사 대비 상당 부분 보완된 성과를 거두면서 인류의 우주 진출이 한 걸음 더 가까워 졌습니다.

테슬라 CEO 일론 머스크가 이끄는 스페이스X는 미국 텍사스주 보카 치카에 위치한 스타베이스(Starbase) 발사대에서 스타십 우주선(Starship-25)과 전용 1단 추진체인 슈퍼헤비(Super heavy - Booster 9)를 결합한  두번째 시험 발사를 진행했습니다.

엄청난 굉음과 함께 상공으로 떠오르긴 했지만 스타십이 슈퍼헤비와 분리되지 않아 공중폭발로 이어진 첫번째 발사 대비 이번 발사에는 얼마만큼 결함이 보완되고 얼마만큼 비행과정이 진행될지 전세계의 관심과 이목이 집중됐습니다.

수많은 사람들이 지켜보는 가운데 스타십이 발사되고 있다. 스페이스X의 X 캡처

카운트다운이 시작되고 '00:00' 발사시간에 도달하자 슈퍼헤비의 엔진이 불을 내뿜으며 스타십이 상공으로 날아올랐습니다. 슈퍼헤비(70m)와 스타십 우주선(50m)이 합쳐진 총 120m에 달하는 이 초대형 발사체(Super Heavy Lift Launch Vehicle, SHLLV)는 개당 추력이 230t에 달하는 렙터엔진 33개가 탑재돼 있어 총 7590t의 추력을 내며 육중한 동체를 상공으로 힘차게 밀어올렸습니다.

스타십은 발사되고 2분도 되지 않아 동체에 가해지는 압력이 최대치가 되는 맥스Q(Max-Q)단계를 거쳤고 상공 약 70km 부근에서 1단 슈퍼헤비 부스터와 스타십이 분리되는 핫스테이지(Hot stage) 분리를 성공적으로 클리어했습니다.

이어 스타십은 내장된 6개의 엔진(해수면 노즐 랩터 엔진 3개, 진공 노즐 랩터 엔진 3개)가 가동하면서 빠르게 우주로 날아올랐고 분리된 슈퍼헤비는 팔컨9의 1단 추진체의 복귀과정과 동일하게 발사대로 복귀하기 위해 플립 기동을 시도했습니다.

스타십과 분리된 슈퍼헤비가 플립 기동을 하는 모습. 스페이스X

슈퍼헤비는 33개의 엔진중 가운데 3개의 엔진만 50%로 가동시키고 나머지 엔진은 작동을 중지합니다. 이는 분리 단계에서 동체에 가해지는 압력을 줄이기 위해서 입니다. 이후 슈퍼헤비는 궤도 반전 후 가운데 12개의 랩터 엔진을 재점화해 동체를 이동 시키고 지상에 근접해서는 감속 및 착륙 합니다.

하지만 여기서 문제가 발생했습니다. 궤도 반전시 9기의 엔진만 점화되면서 지정된 경로를 벗어나기 시작합니다. 이어 추가적으로 엔진이 다운되고 연료가 새어나옵니다. 이 상태는 매우 위험한 상황입니다. 목표한 위치에서 조금이라도 벗어나면 착륙이 불가능할 뿐 아니라 발사체가 지정 구역외 다른 곳으로 떨어진다면 생각하기도 싫은 재앙이 될 것입니다.

따라서 스페이스X는 발사체가 제대로 작동하지 않으면 상공에서 자폭하도록 하는 비행중단시스템(FTS)을 탑재했습니다. 이 단계에 따라 재점화가 제대로 작동하지 않은 슈퍼헤비는 신호가 끊어지고 몇초만에 상공에서 자폭했습니다.

카르만 라인을 넘어 우주에서 비행하는 스타십 상상도. 스페이스X

이와 다르게 분리에 성공한 스타십은 예정대로 가속을 진행해 인공위성 궤도 속도인 약 27000km까지 가속해야 합니다. 스페이스X의 중계 영상 하단에는 발사체의 상태가 모니터링되는데요. 6기의 엔진이 최대 가속을 진행해 고도 148km를 유지하며 속도를 꾸준히 올리는 모습을 보였습니다. 하지만 연료가 거의 소모될때쯤 갑자기 교신이 끊어집니다. 모니터링된 속도는 24124Km였습니다. 스페이스X 발사 본부에서는 끊어진 스타십의 시그널을 기다렸지만 끝내 수신하지 못했습니다.

미국해양대기청(NOAA)의 레이더에 슈퍼헤비의 잔해물 추정 물체가 걸프만 상공에서 낙하하는 모습이 감지됐다. Jonathan McDowell X 캡처

미국해양대기청(NOAA)의 레이더에 스타십 잔해물 추정 물체가 푸에르토리코 주변 하늘에 낙하하는 모습이 감지됐다. Jonathan McDowell X 캡처

이후 스타십은 슈퍼헤비처럼 FTS가 작동해 공중폭발을 한 것으로 확인됐습니다. 스타십의 비행 궤도 주변에 있는 푸에르토리코의 기상 레이더에는 스타십과 슈퍼헤비의 잔해가 떨어지는 모습이 포착되기도 했습니다.

스타십 2차 발사 계획 안내 애니메이션. 스페이스X

스페이스X에서 발표한 두번째 스타십의 비행 계획은 상공 240km 부근 지구 저궤도에 진입한 뒤 지구를 약 반바퀴를 돌아 발사 1시간 반 만에 하와이 인근 태평양 해수면에 수상 착륙을 진행할 예정이었습니다.

첫번째 발사에서는 발사대인 스타베이스에서 상공으로 날아오르는 것까지 진행됐고, 두번째 발사에서는 슈퍼헤비와 분리해 더 높이 지구 저궤도 근접 고도까지 상승하는데 성공했습니다. 슈퍼헤비의 궤도 재진입 후 발사대 귀환과 스타십의 저궤도 도달 및 대기권 재진입 및 착륙은 다음 기회로 미뤄지게 됐습니다.

1차 발사와 2차 발사의 차이점

이번 스타십의 2차 시험 발사는 1차때 대비 상당부분 완성도 있는 비행을 선보였는데요. 어떤 부분에서 차이점이 있는지 알아보겠습니다.

모두 작동한 33개의 랩터 엔진

33개의 모든 엔진이 점화된 슈퍼헤비. 스페이스X

가장 먼저 발견된 차이점은 발사직후 확인된 33개의 랩터엔진의 가동 여부였습니다. 2차 발사에는 33개의 엔진이 모두 정상 가동하면서 최대 추력으로 상승했습니다. 추가적인 엔진 블로우, 연료 누출, 동체내 화재 발생도 일어나지 않았습니다.

이는 발사당시의 엔진에서 뿜어져 나오는 선명하고 투명한 불꽃에서 알 수 있습니다. 이 차이는 발사 후 1분 지점의 정보를 비교하면 확연하게 알 수 있습니다.

스타십 발사 비교. 발사 1분 21초 기준 확연한 차이를 보여줍니다. 오른쪽이 2차 발사. 스페이스X

1차 발사에는 시작부터 3개의 엔진이 가동되지 않았고 잠시후 1개의 엔진이 다운되면서 1분 시점에는 고도 5km, 속도는 673km/h에 불과했습니다. 하지만 모든엔진이 가동한 2차 발사에서는 고도 9km, 속도는 1156km/h에 달했습니다. 약 2배에 달하는 속도 차이가 있었던 셈이죠. 이어 1분 6초만에 맥스Q에 도달했고 1차 발사때의 최고속도였던 2157km를 1분 34초에 돌파했습니다.

성공적인 핫스테이지 분리

스타십과 슈퍼헤비의 핫스테이지 분리가 진행되는 모습 스페이스X

다음으로는 2차 시험발사의 가장 중요한 부분으로 꼽혔던 핫스테이지 분리 입니다. 핫스테이지 분리는 1단 슈퍼헤비와 2단 분리될때 스타십의 엔진을 가동시켜 마치 도움닫기하며 날아가는 듯한 모습의 시스템으로 1단 부스터와 분리후 엔진을 가동해 가속하는 기존 팔컨9의 콜드스테이지 분리시스템과 차이가 있습니다.

이는 스타십 1차 발사와 가장 큰 차이점이라고 해도 과언이 아닙니다. 첫 발사 당시에는 어떠한 이유에선지 스타십과 슈퍼헤비가 분리되지 않았죠. 이때 스타십에서 무리하게 엔진 가동을 했다면 엔진의 열기가 슈퍼헤비의 상단 연결부에 직격되고 이는 연결부 손상과 열이 고이면서 폭발로 이어졌을 것 입니다.

스타십의 핫스테이지 분리 장면. 기체 주변에 스타십 랩터엔진에서 내뿜는 불꽃이 산란돼 보인다. 스페이스X

스타십과 슈퍼헤비의 연결부 모습. 통풍구처럼 생긴 연결 부분이 두번째 발사에 새롭게 추가된 핫스테이지 분리용 모듈이다. Everyday Astronaut X 캡처

그래서 이번 2차 발사때는 슈퍼헤비와 스타십 연결부에 엔진 열기가 외부로 빠지는 원형 통풍구가 새로 설치됐는데요. 이 장비의 진가는 분리 단계에 알 수 있습니다. 중계 영상을 보면 핫스테이지 분리 당시 스타십 랩터엔진에서 뿜어져 나온 불꽃이 발사체 주변에 퍼지면서 산란되듯이 보입니다. 이 덕분에 동체 내부에 발생한 열과 불꽃을 배출할 수 있었습니다.

스타십에 탑재된 2가지 타입의 랩터 엔진, 오른쪽이 슈퍼헤비에도 탑재된 대기권 및 해수면용 엔진이다. 스페이스X 홈페이지 캡처

슈퍼헤비와 분리된 스타십 랩터엔진이 다시 중앙으로 모이는 모습. 스페이스X

이에 더해 스페이스X는 슈퍼헤비에 미치는 열을 최소화 하기 위한 장치는 더 있습니다. 스타십 하단에는 2가지 타입의 랩터 엔진이 6기 탑재되어 있죠. 가운데에는 슈퍼헤비에 탑재된 것과 같은 대기권 및 해수면용 엔진 3기가 탑재돼 있습니다. 이 엔진은 다양한 상태의 지표면 상황에 대처할 수 있도록 짐벌 기능이 추가됐습니다. 핫스테이지 분리에서는 이 짐벌 기능 덕분에 가운데 3기의 랩터엔진이 삼각형 꼭지점을 향하듯 벌어진 형태에서 가동됐고 슈퍼헤비와 분리된 직후 가속 효율을 높이고자 다시 가운데로 모이는 모습이 포착됐습니다.

제대로 작동한 비행중단시스템

이렇게 분리된 두 기체는 각자의 임무대로 슈퍼헤비는 복귀궤도로, 스타십은 더 높은 고도를 향해 날아갈 예정이었습니다. 하지만 이번 발사에서는 그 모습까지 보진 못했죠. 시작부터 분리까지는 완벽하다 싶을 정도로 잘 됐는데 그 이후에 무슨일이 일어난 것일까요?

스타십과 분리된 슈퍼헤비가 플립기동 후 자폭하는 모습. 스페이스X

우선 슈퍼헤비의 경우를 먼저 살펴보겠습니다. 분리된 슈퍼헤비는 곧바로 복귀궤도로의 움직임을 위해 셧다운했던 엔진의 재점화를 시도합니다. 다만 33개의 엔진을 모두 가동시키지 않고 중앙부의 12개의 엔진을 가동시킬 예정이었습니다. 중계영상을 살펴보면 하나의 엔진을 제외한 나머지가 재점화에 성공했고 기체의 방향을 돌리는 플립 기동으로 복귀하려는 움직이는 모습을 볼 수 있습니다.

그런데 기체의 중심이 변화하는 순간 가운데 엔진 하나가 셧다운 됐습니다. 이어 두개의 엔진이 하나씩 다운되더니 일부 엔진에서 폭발이 일어났고 모든 엔진이 셧다운 되면서 연료가 누출되는 모습이 보입니다. 그리고 몇초 지나지 않아 슈퍼헤비는 자폭을 했습니다.

이는 비행중단시스템(FTS)이 작동한 것 인데요. 슈퍼헤비에 무슨 문제가 있었던 것일까요? 스페이스X에서는 공개를 하고 있지 않지만 플립 기동을 당시 연료가 탱크안에서 한쪽으로 쏠리면서 연소가 불안정해졌을 가능성이 있습니다.

상공 149km에서 스타십이 자폭했다고 추정되는 장면. 스페이스X

다음은 스타십의 경우를 보겠습니다. 핫스테이지 분리후 6개의 엔진이 최대가속을 하면서 고도를 높입니다. 상공 100Km 카르만 라인(Karman Line)을 통과하면서 우주에 도달할 수 있는 기체임을 증명했고 기체는 더욱 가속 상승을 했습니다. 중계 화면에서는 속도가 올라갈수록 희미한 연기가 관찰됐는데요. 이것이 연료누출인지 무엇인지 아직 정확하게 드러나지는 않았습니다. 고도 상승은 149km부근에서 멈췄고 가속은 계속 높아졌습니다.

이는 기체가 더 높은 고도로 천이(Transfer)하기 전에 빠른속도로 머무는 임시 궤도인 주차궤도(Parking Orbit)에 도달 한 것으로도 보입니다. 하지만 24124Km 부근에 이르러서 갑자기 스타십의 신호가 사라집니다.

화면에는 미세한 연기가 퍼지는 모습도 보였지만 당시 스페이스X는 스타십이 비행중이지만 일시적으로 신호가 끊겼다고 판단해 다시 수신되기를 희망하며 기다렸습니다. 어떤일이 일어났는지 정확하게 알 수는 없지만 대다수는 스타십이 예정된 목적지에 신호없이 도착할 수 없었을 것이라는 점, 푸에르토리코 기상레이더에 폭발 잔해로 추정되는 물체들이 길게 늘어진 형태로 대기권에 진입하는 것이 확인된 점, 스타십에서 미세한 연기가 관측된 점들로 FTS가 가동한 것이라고 판단하고 있습니다.

멀쩡한 발사대 컨디션

스타십 첫번째 발사 당시 발사대 주변의 콘크리트 파편이 튀어오르는 모습. 스페이스X 유튜브 영상 캡처

지난 4월 스타십의 첫번째 발사 후 손상된 발사대의 모습. X 캡처

1차 발사당시 스타십은 발사 직후 엔진 하단에서 무언가가 튀어 올라오는 모습이 다수 포착됐는데요. 이는 엔진이 뿜어내는 초고온 압력으로 손상된 콘크리트가 공중으로 튀어 오르는 모습이었습니다. 이 파편들은 주변 지역 수 km까지 날아가면서 미국 정부의 발사대를 보완 하라는 지적을 받기도 했죠.

스타십 발사대의 플레임 디플렉터가 전개되는 모습. 스페이스X

이에 스페이스X는 2차 발사때까지 수개월동안 발사대 보호 장치를 구축했습니다. 바로 엄청난 양의 물로 발사대 표면과 주변 건물들을 보호하는 플레임 디플렉터 시스템(Flame Deflector System)입니다. 엔진이 점화되기 직전에 바닥에서 물이 뿜어져 나와 발사대 바닥을 보호합니다.

이 시스템은 발사당시 막대한 양의 수증기가 발생하는 점, 너무나 많은 물이 사용된다는 점으로 인해 주변 환경에 악영향을 미칠 것이란 우려를 받고 있지만 아직까지 보고된 문제는 없는 것으로 전해지고 있습니다.

스타십 2차 발사 후에도 멀쩡한 발사대 상태. 일론 머스크 X 캡처

멀쩡한 발사대 컨디션 덕분에 스타베이스는 더 자주 스타십을 발사할  수 있는 조건을 갖췄습니다. 일론 머스크는 발사 다음날 멀쩡한 스타십 발사대의 사진을 SNS에 공유하며 "상태가 아주 좋습니다. 다음 발사를 위해 수냉식 철판을 교체할 필요가 없습니다"라고 전했습니다.

궤도 비행을 성공했다면 스타십은 목표지점에 도달할 수 있었을까

아쉽게도 고도 149km에서 사라진 스타십이었지만 우리는 문뜩 이러한 생각을 해볼 수 있습니다. 만약 주차 궤도에 충분한 속도로 안착했다면 목표한 지점에 도달할 수 있었을까요?

발사를 지켜본 사람들은 아마도 대기권 재진입에는 실패했을 것이라고 입을 모읍니다. 착륙하는 단계는 이륙하는 것 만큼이나 매우 까다롭습니다. 활강하고 목표한 지점에 도달하는 것은 차치하더라도 기체는 대기권 진입시 엄청난 마찰열에 직면합니다.

2차 발사 직후의 스타십. 검정색 내열 타일이 충격으로 벗겨져 있다. 스페이스X

동체표면의 온도가 높아지고 불타오르면서 대기권을 뚫고 들어오기때문에 냉각과 방열작업이 매우 중요합니다. 이번에 날아오른 스타십에는 동체 표면에 내열 타일이 붙어 있었는데요. 이륙시 충격으로 다소 벗겨져 있는 모습이 포착됐습니다. 이 상태로 대기권에 진입하면 벗겨진 타일 부분의 열이 상승해 기체 온도 또한 매우 높아졌을 것이고 이로 인해 폭발할 가능성이 높아집니다. 이에 대한 견해는 과거의 사고로 더욱 확고해집니다.

우주왕복선 콜롬비아호. NASA

지난 2003년 2월 1일 우주왕복선 컬럼비아호(STS-107)는 임무를 마치고 지구로 귀환 도중 미국 텍사스주 상공에서 공중분해됐습니다. 이때 우주왕복선의 하단에는 검정색 내열타일이 부착돼있었는데요. 일부 타일이 떨어져 나간 상태에서 대기권 진입을 시도 했습니다. 그리고 고열의 대기가 서서히 벗겨진 부분을 녹였고 기체가 통제불능이 되면서 공중분해됐습니다. 만약 이번에 스타십이 대기권 진입을 시도했다면 컬럼비아호의 경우와 비슷한 상황이 발생했을지도 모르겠습니다.

3차 발사는 벌써 준비중

추가로 생산중인 스타십. 일론 머스크 X 캡처

아직 여러 부분에서 보완해야할 점이 지적된 2차 발사였지만 우리는 더이상 우주 진출 및 화성 유인 탐사가 더이상 먼 이야기가 아닌 조만간 마주할 상황이 될 수 있겠다는 것을 느낄 수 있었습니다.

지난 발사때와 달리 건재한 발사대 덕분에 스페이스X는 세번째 발사 준비를 서두를 방침입니다. 스타십 발사는 미국 연방항공청의 발사 라이센스를 받아야 하는데 과연 허가가 바로 나올지 여부가 발사 타이밍을 결정하는 요소가 될 전망입니다.

스타베이스. 스페이스X

3차 발사에서 우리는 어떠한 장면을 볼 수 있을까요? 스타십의 궤도 진입과 더불어 궤도 비행 및 착륙이 성공해 유인 우주 진출이 실현될 그 순간이 기다려집니다.

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CBS노컷뉴스 최원철 기자 chwch@cbs.co.kr

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