발간 현황

지난 50년간 위성발사체의 발사비용에 대한 논란은 지금까지 계속되어 왔다. 그 논란의 핵심은 위성발사체를 재사용함으로써 발사비용을 줄일 수 있다는 의견과 재사용으로 인한 발사비용 저감 효과는 거의 없으며 오히려 발사비용이 높아진다는 의견이다.

재사용을 통하여 발사비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 야심찬 계획으로 시작된 대표적인 프로그램이 Space Shuttle이다. 일주일에 한번 발사, 최대 재사용 100번, 10년 수명으로, 발사비용을 118$/lb(1972년 달러)로 낮추겠다는 계획서를 미의회에 제출하여 승인받음으로써 1972년부터 시작된 Space Shuttle 개발은 1981년 첫 발사를 성공하였으나 발사비용이 계획한 것에 비하여 엄청나게 높을 뿐만 아니라 2번의 대형 참사를 겪으면서 결국 2011년에 프로그램이 종료되었다.

2011년 가격으로 비교하면 Space Shuttle 발사비용은 약 450M$로 기존 발사체의 4배 정도로 비쌌다. 1981년부터 2011년까지 총 135회 발사된 Space Shuttle의 개발비, 운용유지비 등을 모두 포함하여 평균 발사비용을 환산하면 발사당 1,500M$, 임무중량당 60,000$/kg에 이를 만큼 비경제적인 발사체였다.[1-3]

Space Shuttle로부터 얻은 교훈을 통하여 재사용발사체가 결코 경제적이지 않다는 의견이 2010년 초반까지는 지배적이었으나, 2000년대 초반부터 민간기업으로서 위성발사시장에 뛰어든 SpaceX의 재사용발사체 성공으로 재사용발사체의 발사비용에 대한 논란이 다시 시작되었다. SpaceX는 재사용발사체 개발을 2011년부터 시작하여 2016년에 상업용 위성발사에서 발사체 1단의 회수에 성공하였으며, 향후 위성발사비용을 현재의 1/10 수준으로 낮출 수 있다고 공언하고 있다.

재사용발사체를 옹호하는 대표적인 전문가로서 SpaceX의 Elon Musk는 “재사용발사체를 지금의 항공기와 같은 개념으로 발전시키면 발사비용은 현재의 1/100 수준으로 낮아질 것이다”라고 주장하고 있고, Amazon의 Jeff Bezos도 “재사용발사체로 발사비용이 줄어들면, 우주시장도 인터넷 시장처럼 빠르게 발전할 것이다”라고 주장하는 반면에, 재사용발사체에 호의적이지 않은 Arianespace의 Stephen Israel은 “재사용발사체의 비용 효용성은 발사횟수에 달려 있는데, 현재 위성발사시장의 예측치로는 재사용발사체가 유리하다고 할 수 없다”라고 말하고 있다[3]. 따라서 이러한 논란은 앞으로도 상당기간 계속될 것이며, 재사용발사체의 기술 발전과 위성발사시장의 성장 여부에 따라 우열이 결정되어 질 것으로 판단된다.

본 연구에서는 현재의 기술 수준에서 재사용발사체와 기존발사체의 발사비용을 발사횟수에 따라 비교 분석하였으며, 발사비용에 영향을 주는 중요한 비용인자에 따라서 발사비용이 어떻게 달라지는가에 대하여 알아보았다. 이러한 연구를 통하여 향후 위성발사체 시장에서 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 어떠한 발사체를 어떻게 개발하여야 하는가에 대한 방향 제시가 될 것이라고 생각한다.

발사비용은 현재 위성발사체 시장에서 공개되어 있는 발사가격과는 달리 정확한 값을 알 수가 없으며 각 회사들이 공개하지도 않기 때문에 추정할 수밖에 없다. Table 1에서 보는 바와 같이 러시아 등의 동구권 발사체의 발사가격이 낮은 이유는 자국의 발사체에 대한 정책적인 지원 때문으로 판단되며, SpaceX를 제외한 대분의 발사체의 경우에도 과거에는 개발비의 전액을 국가가 부담하는 국가 주도형 개발체제하에서 개발된 발사체이기 때문에 개발비용을 제외한 상태에서 발사가격이 결정된 것으로 추정된다.

본 연구에서는 발사에 소요되는 모든 비용을 포함하도록 발사비용을 개발비용, 제작비용, 재사용비용, 운용비용, 고정비용 및 보험비용으로 나누어 총 6가지로 계산한다. 발사비용에서 금융비용은 제외하였기 때문에, 금융비용과 기업의 이윤 등을 더하여 발사가격이 최종적으로 결정된다. 따라서 기업의 사업 전략 등에 따라 발사가격은 발사비용과는 다르게 책정된다. 비용은 ROM(Rough Order of Magnitude)비용이며, 비용을 계산하기 위하여 사용된 비용추정관계식(Cost Estimation Relationship, CER)은 현재 위성발사체의 비용 모델로서 널리 알려진 TRANSCOST, NAFCOM 등에서 사용된 CER을 활용하여 사용하였으며[5,6], 비용모델에 사용된 계수들은 현재의 기술수준 및 인터넷을 통하여 공개된 여러 자료들을 최대한 반영하여 결정하였다[7-11]. 본 연구에서 가격추정관계식으로 계산되는 것은 인/연(Man-Year)이며, 2019년도 미국의 엔지니어링 인/연 임률을 기준으로 비용을 계산하였다.

재사용발사체와 기존발사체의 발사비용 분석을 위한 대상의 선정은 비용계산 결과를 검증하기에 가장 적절한 발사체여야 한다. 따라서 현재 재사용발사체로 성공적인 발사를 수행하고 있는 것은 SpaceX의 Falcon 9 밖에 없기 때문에 임무중량 22톤인 Falcon 9을 비용분석의 기준 발사체로 정하여 여러 논문과 인터넷상에서 공개된 자료를 바탕으로 비용분석에 필요한 계산 추청치들을 결정한다. 또한 발사체가 쏘아 올리는 위성의 궤도는 Falcon 9의 LEO 궤도인 202Km 원궤도를 기준으로 하여 발사비용을 비교 분석한다.

재사용발사체의 최대 재사용횟수도 현재의 기술 능력을 감안하여 결정하며, 발사체의 크기가 동일하여도 재사용발사체의 경우에는 발사체의 회수 등에 필요한 연료와 산화제를 발사에 사용하지 못하기 때문에 임무중량은 30% 정도 줄어드는 것으로 가정하여 계산한다.

이상과 같이 발사비용의 계산에 필요한 여러 계수들의 추정치는 Falcon 9을 비롯하여 20톤급 유사 발사체들의 논문 및 인터넷상 여러 자료들을 참조하여 Table 2 및 Table 3과 같이 정한다[7-11].

임무중량 20톤 발사체로 년간 요구되는 발사횟수에 따라 각 발사체를 사용하여 위성을 쏘아 올리는데 소요되는 발사비용을 계산한 결과는 Fig. 1과 같다. 그림에서 볼 수 있듯이 년간 발사횟수가 적을 경우에는 재사용발사체의 발사비용이 더 비싸진다. 그러나 년간 발사횟수가 많아지면서 재사용발사체의 비용 효용성이 커지는 것을 볼 수가 있다. 현재의 세계 발사시장의 규모 측면에서 가장 현실적인 횟수로 생각되는 년간 20번 발사의 경우를 살펴보면, 재사용발사체의 발사비용이 기존 발사체와 비교하여 64% 정도로 약 23M$가 되며, 년간 200번 발사하는 경우에는 기존발사체 대비 52%로, 발사당 비용이 10M$ 정도로 낮아지는 것을 알 수가 있다.

Fig. 1 
Launch Cost per Flight.

현재 SpaceX의 Falcon 9 발사체가 년간 약 20대 정도 발사되는 것을 감안하여 발사비용을 검토해보면, 여러 공개된 자료 혹은 문헌에서 추정한 값과 유사한 수준으로 판단되므로 발사에 소요되는 ROM 비용을 추정하기 위하여 본 연구에서 제안된 계산방법은 적절한 것으로 결론지을 수 있다.

년간 20번 발사를 기준으로 발사비용을 6가지 항목으로 세분화하여 살펴보면 Fig. 2와 같다. 기존발사체의 발사비용에서는 발사체의 제작비용이 67% 정도로 가장 크게 차지하고 있으며, 생산설비와 발사장의 고정비용이 15% 정도를 차지한다. 반면에 재사용발사체의 경우에는 개발비용 28%, 제작비용 24%, 고정비용 23% 정도로 비슷한 몫을 차지하고 있으며, 재사용비용과 운용비용이 각각 11% 정도를 차지하고 있다.

Fig. 2 
Subsections of Launch Cost.

발사비용을 임무하중의 중량당 비용으로 환산하여 나타낸 결과는 Fig. 3과 같다. 재사용발사체의 임무중량은 기존발사체 보다 30% 정도 줄어들기 때문에 재사용발사체의 비용 효용성은 발사당 비용보다 조금 떨어진다. 즉, 년간 20번 발사하는 경우에는 기존발사체 대비 92% 정도로 1,663 $/kg, 년간 200번 발사하는 경우에는 75% 정도로 756 $/kg이 되는 것을 알 수가 있다.

Fig. 3 
Launch Cost per Payload Weight.

발사비용에 미치는 임무중량의 영향을 알아보기 위하여 임무중량 2톤급의 소형 발사체에 대한 발사비용을 비교 분석하면 Fig. 4와 같다. 이 경우 재사용발사체의 임무중량은 1.4톤이 된다.

Fig. 4 
Launch Cost per Flight (Small Payload).

계산 결과를 보면 년간 발사횟수가 20회보다 적을 경우에는 재사용발사체의 발사비용이 더 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 소형 발사체일수록 재사용 발사체의 비용 효용성이 떨어진다는 것을 알 수가 있다. 이러한 효과는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 임무중량당 비용에서 더욱 뚜렷하게 나타난다.

Fig. 5 
Launch Cost per Payload Weight (Small Payload).

임무중량 2톤급의 소형발사체의 경우에는 재사용 효과가 년간 70회 이상 발사를 하여야 나타나며, 년간 200회 발사의 경우에도 기존 발사체 대비 14% 정도의 비용 감소 효과밖에 없다는 것을 알 수가 있다.

임무중량이 초대형일 경우에 재사용발사체의 비용 효용성에 대하여 알아보기 위하여 임무중량 60톤에 대한 발사비용을 비교 분석한 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6 
Launch Cost per Flight (Large Payload).

계산결과로서 임무중량이 클수록 재사용에 따른 비용 효용성이 커짐을 알 수 있다. 임무중량이 클 경우에는 년간 발사횟수와 상관없이 발사당 비용은 재사용발사체가 기존 발사체에 비하여 항상 낮으며, 년 20회를 기준으로 보면 기존 발사체 발사비용의 57% 정도 수준인 41M$ 까지 낮아진다. 또한 년간 200회로 발사횟수가 증가하면 발사비용은 21M$까지 떨어진다.

임무중량이 60톤일 경우에 임무중량당 발사비용을 비교하면 Fig. 7과 같다. 재사용발사체의 경우에는 임무중량이 70%로 줄어들기 때문에 발사당 비용에 비해서는 기존 발사체와의 차이가 다소 적어지지만 임무중량이 커질수록 재사용에 따른 비용 효용성이 여전히 커진다는 것을 확인할 수가 있다.

Fig. 7 
Launch Cost per Payload Weight (Large Payload).

위성발사체의 발사비용은 공개된 자료가 아니기 때문에 쉽게 알기가 어려우나, 본 연구를 통하여 ROM(Rough Order of Magnitude) 발사비용을 추정하였다. 계산결과로서 알 수 있듯이, 현재 공개되어 있는 여러 자료들을 통하여 간접적으로 비교 검토해 본 바로는 추정한 발사비용이 상당히 적절한 수준임을 알 수 있다. 또한 다양한 크기의 임무중량을 위성궤도에 올리기 위하여 소요되는 발사비용을 비교 분석하기 위한 목적으로 사용하기에는 적합한 연구 결과이다.

재사용발사체와 기존 발사체의 발사비용에 가장 크게 영향을 미치는 것은 년간 발사횟수임을 연구결과를 통하여 알 수 있다. 또한 년간 발사횟수가 늘어나면 재사용발사체의 비용 효용성이 커짐을 알 수가 있다. 한편, 재사용발사체의 비용 효용성은 발사당 비용보다는 임무중량당 비용에서 다소 줄어든다는 것도 알 수 있다.

재사용발사체와 기존 발사체의 비용 효용성에 영향을 주는 또 하나의 중요한 요인으로는 발사체 임무중량의 크기를 생각할 수가 있다. 발사체의 임무중량이 적을 경우에는 즉, 발사체의 크기가 작을 경우에는 재사용발사체의 비용 효용성이 떨어지며, 임무중량이 클수록 재사용에 대한 따른 비용 효용성은 좋아진다. 다시 말해서 소형 발사체의 경우에는 년간 발사횟수가 매우 많지 않으면 재사용발사체보다는 재사용하지 않는 기존발사체의 발사비용이 더 저렴하다. 따라서 소형 발사체의 경우에 재사용의 개념을 적용하는 것은 신중하게 검토할 필요가 있다.

본 연구에서는 비교 검토하지 않았으나 비용 효용성을 결정하는 중요한 인자로서 재사용 가능한 횟수가 있다. 본 연구에서는 현재의 기술 수준을 감안하여 재사용 횟수를 10번으로 가정하여 고정하였으나, 재사용 횟수가 많아짐에 따라 발사비용은 점점 줄어들게 될 것이다. 그리고 재사용비용을 최대한 줄이는 것도 재사용발사체의 비용 효용성을 높이기 위한 중요한 요인이 될 것이다. 즉, 재사용하기 위하여 필요한 수리, 검사 및 시험 비용을 현재의 항공기 운용 수준으로 줄인다면 재사용발사체의 효용성은 매우 높아 질 것이다.

재사용발사체의 비용 효용성에 영향을 주는 다른 인자로서는 개발비용 및 제작비용이 있다. 재사용발사체를 개발하기 위하여 추가적으로 소요되는 비용과 재사용발사체를 제작하기 위하여 추가적으로 소요되는 비용이 너무 커지게 되면 비용 효용성이 급격하게 떨어지게 되고, 오히려 재사용발사체의 발사비용이 더 비싸지게 된다. 2000년대 초반까지만 하더라도 재사용발사체의 개발 및 제작에 대한 추가적인 비용을 너무 크게 예측함으로써 재사용발사체의 비용 효용성이 기존발사체와 비교하여 떨어진다는 연구 결과들을 많이 볼 수가 있다.

이상에서와 같이 발사체의 발사비용을 줄이기 위한 재사용발사체의 개념은 여러 비용 요인을 감안하여 신중하게 결정하여야 비용 효용성의 효과를 볼 수가 있다 것을 본 연구를 통하여 확인할 수 있다.