본 논문에서는 재사용 발사체와 발사체의 회수과정에서 사용된 기술에 대해 소개하고 분석한다. 이를 위하여 세계 각국의 재사용 발사체를 조사하였으며 발사체 회수 부분에 따라 기술을 분류하였다. 특히, 실제 비행에 성공한 Space X의 Falcon 9과 Blue Origin의 New Shepard의 회수과정을 중심으로 조사하였으며 비행 조건에 따라 적용된 기술들을 분석하여 특징들을 나열하였다. 이를 통하여 추후 한국형 발사체가 발사 비용을 절감하기 위해 사용할 수 있는 재사용 기술들에 대해 소개하고자 한다.
본 논문에서는 재사용 발사체와 발사체의 회수과정에서 사용된 기술에 대해 소개하고 분석한다. 이를 위하여 세계 각국의 재사용 발사체를 조사하였으며 발사체 회수 부분에 따라 기술을 분류하였다. 특히, 실제 비행에 성공한 Space X의 Falcon 9과 Blue Origin의 New Shepard의 회수과정을 중심으로 조사하였으며 비행 조건에 따라 적용된 기술들을 분석하여 특징들을 나열하였다. 이를 통하여 추후 한국형 발사체가 발사 비용을 절감하기 위해 사용할 수 있는 재사용 기술들에 대해 소개하고자 한다.
In this study, development information and technologies for reusable launch vehicles were surveyed. We investigated the reusable launch vehicles developed in various countries and analyzed their recovery technologies. In particular, we focus on the technologies of the Falcon 9 of SpaceX and the New ...
In this study, development information and technologies for reusable launch vehicles were surveyed. We investigated the reusable launch vehicles developed in various countries and analyzed their recovery technologies. In particular, we focus on the technologies of the Falcon 9 of SpaceX and the New Shepard of Blue Origin, which have succeeded in several flight experiments. Moreover, we explain the control algorithms for each flight condition. Finally, we discuss the reusable technologies that can be applied to the Korean Space Launch Vehicle to reduce the launch cost.
In this study, development information and technologies for reusable launch vehicles were surveyed. We investigated the reusable launch vehicles developed in various countries and analyzed their recovery technologies. In particular, we focus on the technologies of the Falcon 9 of SpaceX and the New Shepard of Blue Origin, which have succeeded in several flight experiments. Moreover, we explain the control algorithms for each flight condition. Finally, we discuss the reusable technologies that can be applied to the Korean Space Launch Vehicle to reduce the launch cost.
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문제 정의
화성에 착륙 후 18개월 간 화성에서 연료를 직접 채집한 후 다시 지구로 귀환한다. Tanker는 LEO에서의 급유선으로 5번 급유를 하고 귀환하는 비행을 100번 재사용할 수 있게 하는 것이 목표이다. 비행체는 2019년까지 완성할 계획이며, 실제 비행은 2022~24년에 시행될 예정이다[21].
본 논문에서는 재사용 우주발사체 회수 기술에 대하여 조사하였으며 비행에 성공한 New Shepard와 Falcon 9을 중심으로 발사체 형태에 따라 발사체에 적용되는 방법들과 함께 특징을 분석하였다.
본 논문에서는 현재 세계 각국의 재사용 발사체에 대한 기술 발전 현황과 방향에 대한 소개 및 분석을 통하여 한국형 발사체가 사용할 수 있는 재사용 기술의 연구 방향에 대해서 기술하고자 한다.
제안 방법
Falcon 9의 착륙시도는 2016년 8월까지 총 11회 하였으며 그 중 6회를 성공하였다. 초기에는 착륙비행을 바다에 시도하여 비행 기술을 실험하였으며, 그 후 바지선과 지상에 착륙을 시도하였다.
발사체 회수 기술은 매우 다양하나 본 논문에서는 발사체 회수 부분에 따라 궤도선 회수, 부스터 재사용 회수, 그리고 복합사이클 추진기관기술로 분류하여 정리하였다.
부스터 재사용 회수 기술은 비행에 성공한 Space X의 Falcon 9과 Blue Origin의 New Shepard의 기술을 중점적으로 분석하였다.
부스터를 재사용하는 기술은 단 분리 후 Fin,RCS, 추력 편향을 이용해서 부스터의 자세와 속도를 제어하여 착륙시킨 후 정비하여 재사용한다. 이 기술은 Space X의 Falcon 9 이외에는 선행된 연구가 적어 난이도가 있지만 새로운 발사체의 개발의 필요없이 기존에 개발된 발사체를 활용할 수 있다는 점에서 경제적이다.
재사용 발사체 기술을 재사용 부분에 따라 궤도선 재사용, 부스터 재사용 그리고 복합사이클추진기관 사용기술로 분류하여 정리하였다.
Falcon 9의 착륙시도는 2016년 8월까지 총 11회 하였으며 그 중 6회를 성공하였다. 초기에는 착륙비행을 바다에 시도하여 비행 기술을 실험하였으며, 그 후 바지선과 지상에 착륙을 시도하였다. 이에 대한 자세한 미션은 Table 3에 정리하였다[20].
이론/모형
Skylon은 영국의 REL이 개발 중인 Single Stage To Orbit(SSTO) 우주비행체이다. Skylon에는 200번 이상 재사용 가능한 RBCC 방식의 SABRE가 사용된다. Skylon에는 단 분리단계가 없기 때문에 획기적인 비용절감이 가능하다[24,25].
후속연구
현재에는 1단 부스터만 회수하여 재사용하고 있으나 2단 부스터도 회수하여 재사용하는 연구를 진행하고 있다[45]. 1단 부스터보다 멀리 비행하여 1단 부스터 재활용에 비해 경제성이 높지는 않지만 2단 부스터 역시 재활용하면 비용을 절감하는 효과를 얻을 것으로 기대한다. 또한, 부스터 재회수 과정에서 사용하는 Grid Fin 기술은 미사일에서 공력 조종면을 이용한 비행 방향 제어 용도로 이미 연구되었던 기술로 재회수를 위해 연구를 수행하면서 미사일 분야에도 동반으로 기술발전 및 활용가능하다는 장점이 있다[46,47].
Falcon 9의 경우 부스터 재사용 기술로 3~50%의 발사비용을 절감하였으며, 한국형 발사체 또한 재사용 기술이 적용된다면 Falcon 9과 같은 구조의 엔진을 사용하기 때문에 이와 비슷한 비용절감 효과를 얻을 것이라 예상된다[19]. 또한, 앞으로의 수요를 위해 발사 비용을 획기적으로 절감할 것이라 기대되는SSTO 우주비행체 개발이 필요하며 여기에 사용되는 복합 사이클 추진기관 연구와 초음속 비행체 관련 연구가 활발히 진행되어야 할 것으로 판단된다.
이후 미래에는 점차 우주개발과 함께 우주관광의 수요가 증가하여 보다 많은 승객이 탑승 가능한 형태로 발사체의 개발이 필요하게 되어 현재의 로켓 형태보다는 항공기의 형태로 발사체의 개발이 진행될 것이다[50]. 발사체의 형태의 변화와 함께 항공기 엔진과 로켓엔진의 특성을 가진 복합사이클 추진기관의 수요가 증가하면서 복합사이클 추진기관의 발사체 재사용에 대한 연구도 활발히 진행될 것으로 예상된다. 복합사이클 추진기관 중 RBCC 엔진은 로켓엔진의 특성을 포함하고 있어 SSTO 우주 발사체를 개발하는 방향으로 나아갈 것이며 TBCC 엔진은 대기가 필요하여 우주선의 부스터 기능으로 사용되어 대기권과 우주의 경계 부근에서 우주선을 분리시킨 후 비행하여 복귀, 그리고 다시 발사하는 우주선의 수송용으로 재사용하는 방향으로 개발될 것이다[48].
발사체의 형태의 변화와 함께 항공기 엔진과 로켓엔진의 특성을 가진 복합사이클 추진기관의 수요가 증가하면서 복합사이클 추진기관의 발사체 재사용에 대한 연구도 활발히 진행될 것으로 예상된다. 복합사이클 추진기관 중 RBCC 엔진은 로켓엔진의 특성을 포함하고 있어 SSTO 우주 발사체를 개발하는 방향으로 나아갈 것이며 TBCC 엔진은 대기가 필요하여 우주선의 부스터 기능으로 사용되어 대기권과 우주의 경계 부근에서 우주선을 분리시킨 후 비행하여 복귀, 그리고 다시 발사하는 우주선의 수송용으로 재사용하는 방향으로 개발될 것이다[48].
현재 기술력으로는 지구를 벗어나기 위해 높은 추력이 필요하므로 자체적으로 높은 추력이 가능한 부스터 재사용 기술의 연구가 진행 될 것으로 예상된다. 특히, Falcon 9과 New Shepard의 성공적인 비행으로 데이터를 축적했고 재사용 기술 또한 검증되었으며 새로운 발사체의 개발이 필요 없이 기존에 개발된 발사체에 쉽게 적용이 가능하여 부스터 재사용 기술의 연구가 우선적으로 진행될 것으로 판단된다. 이후 미래에는 점차 우주개발과 함께 우주관광의 수요가 증가하여 보다 많은 승객이 탑승 가능한 형태로 발사체의 개발이 필요하게 되어 현재의 로켓 형태보다는 항공기의 형태로 발사체의 개발이 진행될 것이다[50].
이는 오히려 경제성에 악영향을 미칠 수 있다. 하지만, 궤도선 재사용 기술은 현재 사용 중인 캡슐형 우주선에 비해 유인비행에서 강점이 두드러지기 때문에 유인비행체로 연구가 계속 진행될 것으로 예상된다. 최근에는 드림체이서(dream chaser)가 우주왕복선 이후 최초의 유인 궤도선으로 개발 중이며 가까운 시일 내에 궤도 비행 테스트를 진행할 예정이다[44].
이에 따라 운용비 절감과 기존보다 다양한 임무 수행이 가능하다[40,49]. 하지만, 연구개발이 아직 초기단계이기 때문에 우주왕복선과 Falcon 9의 성공으로 완성단계에 접어든 궤도선 재사용 기술과 부스터 재사용 기술과는 달리 실용화까지 추가적인 연구와 시간이 필요하다.
현재 기술력으로는 지구를 벗어나기 위해 높은 추력이 필요하므로 자체적으로 높은 추력이 가능한 부스터 재사용 기술의 연구가 진행 될 것으로 예상된다. 특히, Falcon 9과 New Shepard의 성공적인 비행으로 데이터를 축적했고 재사용 기술 또한 검증되었으며 새로운 발사체의 개발이 필요 없이 기존에 개발된 발사체에 쉽게 적용이 가능하여 부스터 재사용 기술의 연구가 우선적으로 진행될 것으로 판단된다.
국내에서는 현재 한국형 발사체 (Korea Space Launch Vehicle 2, KSLV-2)의 개발에 모든 역량을 다하고 있어 재사용 기술은 고려하지 못하고 있다. 현재 기술로는 민간 우주 로켓보다 가격경쟁력을 가지기 힘들 것이며, 앞으로는 발사비용을 절감하기 위해 재사용 기술을 사용해야한다고 판단된다. 이를 위해 한국항공우주연구원의 비전 2040에서는 복합 사이클 추진기관인 로켓 기반 통합 사이클(Rocket Based Combined Cycle, RBCC) 또는 터빈 기반 통합 사이클(Turbine Based Combined Cycle, TBCC) 엔진을 장착한 재사용 발사체를 개발하겠다는 목표를 제시하고 있다[1].
현재에는 우주궤도선과 부스터 회수 기술을 이용한 우주발사체 재사용 기술이 완성단계에 접어들었으나 기존에 개발되어있는 발사체에 적용이 쉬운 부스터 회수 기술 중심으로 개발될 것으로 예상되나 점차 우주관광 등의 수요가 증가하면서 탑승인원을 우선으로 발사체의 형태가 개발되어 복합사이클 추진기관을 활용한 발사체 위주로 개발될 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Grid Fin이란?
Grid Fin은 격자를 의미하는 단어 grid와 미사일 등의 날개를 의미하는 fin의 합성어로 격자무늬의 내부 구조를 갖는 날개를 뜻한다. Falcon 9에서 Grid Fin은 부스터의 상단부에 장착되어 초기에는 접혀진 상태로 발사된다.
궤도선 재사용 기술은 경제성에 악영향을 미칠 수 있는데도 왜 연구가 계속 진행될 것으로 예상되나?
이는 오히려 경제성에 악영향을 미칠 수 있다. 하지만, 궤도선 재사용 기술은 현재 사용 중인 캡슐형 우주선에 비해 유인비행에서 강점이 두드러지기 때문에 유인비행체로 연구가 계속 진행될 것으로 예상된다. 최근에는 드림체이서(dream chaser)가 우주왕복선 이후 최초의 유인 궤도선으로 개발 중이며 가까운 시일 내에 궤도 비행 테스트를 진행할 예정이다[44].
TBCC 엔진의 장점은?
복합사이클 추진기관은 서로 다른 엔진을 결합한 하이브리드 엔진이다. TBCC 엔진의 경우 대기권에서만 운용이 가능하여 독자적으로 우주 비행을 할 수 없기에 Fig. 16과 같이 궤도선을 우주로 보내기 위한 수송선(carrier)으로 이용할 수 있으며 대기권과 우주의 경계부근까지 궤도선을 수송하여 우주발사체가 대기권 통과할 때까지 사용하는 연료를 절약할 수 있으며 수송선 역시 대기권 내에서만 운용하므로 따로 산화제 탱크를 장착할 필요가 없어 우주발사체 운용비용이 절감될 수 있다[40].
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