발간 현황

현재 우주 개발의 혁신을 주도하고 뉴스페이스(New Space) 시대를 선도하는 벤처 기업인 SpaceX는 그들의 Falcon 9를 통해 6,200만 달러로, Falcon Heavy를 통해 9,000만 달러로 발사 서비스를 하고 있다[1]. Falcon 9는 현재 1단 부스터의 안정적인 착륙과 재사용을 통하여 많은 고객을 유치하고 있다. 현재 운용 중인 Falcon 9 v1.2 Block 5 모델의 1단 부스터는 2019년 5월 기준으로 최대 3회 재사용되었다[2].

Falcon 9는 1단에 9개의 Merlin 1D 엔진을 탑재하고 있으며, 2단에 하나의 Merlin 1DV 엔진을 탑재하여 거의 비슷한 10 개의 엔진을 발사체에 사용함으로 대량 생산에 의한 경제성을 확보하였다. 또한 동일한 규격의 부스터 코어를 탑재한 Falcon Heavy를 개발하여, 1단의 3개의 부스터를 재사용함으로써 초대형 발사체의 발사 비용을 절감 할 수 있다는 것을 보여주었다[1].

한국형발사체와 같은 케로신 가스 발생기(kerosene gas-generator) 엔진을 주력으로 사용하는 SpaceX의 움직임은 한국형발사체 이후의 발사체 개발에 중요한 시사점을 준다. 본 연구에서는 SpaceX의 발사체 개발 전략에 대해서 분석하였으며, 한국형발사체 개발 이후 새로운 발사체 개발 방향에 대해서 간략히 제시하였다.

SpaceX의 창업자 Elon Musk는 2002년 6월 El Segundo의 한 창고에서 SpaceX를 설립하였고, 그들의 최초 로켓인 Falcon 1을 개발하기 위해 사재 100만 달러 이상을 투입하였다. 600 kg급 탑재체를 쏘아 올릴 수 있었던 높이 21.3 m, 직경 1.7 m의 2단형 발사체인 Falcon 1은 가능한 최저 가격을 달성하기 위해 FASTRAC 엔진을 기반으로 한 Merlin 1A 엔진을 사용하였다. 이 엔진을 구동하기 위한 파워팩에는 Barber Nichols가 개발한 터보펌프를 사용하였다. Falcon 1의 상단에는 Kestrel 엔진을 사용하였으며, 높은 확대비(area ratio)를 만들기 위해 복사냉각형 노즐인 니오븀(Niobium)기반의 확대 노즐부가 사용되었고, 노즐목(nozzle throat)에는 삭마냉각형(ablative cooled) 소재가 사용되었다. 탱크는 모노코크(monocoque) 알루미늄을 사용한 공통 격벽(common bulkhead)을 사용하여 중량 및 비용을 절감하였고, 탱크 가압을 위하여 헬륨을 사용하였다. 2단의 롤 제어를 위하여 헬륨 냉가스 추력기를 사용하였으며, 1단과 2단 사이의 연결부(interstage)에는 탄소 복합 재료를 사용하였다[3].

2003년 3월, 38톤급 진공 추력을 가진 Merlin 1A 부스터 엔진과 3.17톤의 Kestrel 상단 엔진이 처음으로 텍사스의 McGregor 시험장에서 시험되었다. 2004년 개발과 시험이 진행 되면서, Merlin 1A 엔진에 여러 문제점이 발생하였다. 초기의 연소기 헤드부 매니폴드에 사용된 재료는 알루미늄이었으며 주조를 사용하여 제작하였다. 그러나 지속적으로 균열이 발생하여 미국의 기존 엔진들에서 사용하였던 인코넬(Inconel) 계열의 매니폴드로 교체하였다. 초기에 개발되었던 Merlin 1A의 특성속도(Isp)가 낮았기 때문에 계속 개량을 거듭하면서 목표 성능을 만족하도록 노력하였다.

2005년 1월, SpaceX는 38톤급의 Merlin 1A 엔진 인증 시험을 완료하였고, 3월에 1단 탱크 구조 시험을 완료하였다. 4월에 엔진을 1단에 최종적으로 조립한 이후, 5월에 반덴버그 공군 기지(Vandenberg AFB)에서 Falcon 1의 1단 점화 시험을 5 초간 실시하였다(Fig. 1). SpaceX는 반덴버그 공군 기지에서 발사하기 원했으나 발사장 인근에서 발사 시점을 기다리고 있던 Titan 4의 발사 연기로 Falcon 1의 발사가 계속 연기가 되는 상황이 지속되었다. 이에 SpaceX는 하와이의 Omelek 섬에 있는 Kwajalein 환초에서 자체적으로 발사장을 꾸미고 발사를 시도하였다.

Fig. 1 
The installation of a Falcon 1 rocket in Vandenberg Air Force Base [3].

2006년 3월, Falcon 1은 마이크로 위성인 Falconsat 2를 탑재하고 발사되었으나 발사 25초 만에 화재가 발생하였고, 34초 후 엔진이 종료되고 위성이 섬에 위치한 건물의 지붕으로 추락하는 사고가 발생하였다. 사고 조사 이후 SpaceX는 Falcon 1에서 연료(kerosene) 누설이 발생하였는데, 이것의 원인으로는 직원의 연결부 너트 조임(fitting) 실수 또는 터보펌프 입구에 있는 알루미늄 너트의 응력 부식 균열 중 하나인 것으로 추정된다고 발표하였다.

2007년 3월, SpaceX는 Falcon 1의 2차 발사를 시도하였다. Merlin 1A를 탑재한 1단은 정상적으로 점화되었으며, 단 분리에도 성공하였지만, 단 분리 후 2단에서 이상 신호가 발생하였다. 곧 2단이 롤(roll) 제어가 되지 않아 2단의 무게중심을 기준으로 동체가 회전하여 팽이가 도는 것 같은 콘 형상으로 날아가게 되었고, 마지막에는 진동이 증가하면서 원격 측정 신호(telemetry)가 차단되었다. 며칠 후, Elon Musk는 2단 탱크 내에 있던 산화제에 슬로싱(sloshing)이 발생하여 진동을 일으켰으며, 그 진동이 TVC 시스템과 커플링(coupling)되면서 비행 제어가 불가능할 정도로 커졌다고 발표하였다[3].

2008년 8월에, SpaceX는 세 번째 Falcon 1을 출시하였고, 이 발사체에는 Merlin 1A 엔진 대신 SpaceX가 개발한 최초의 재생 냉각형 엔진 인 40톤급의 Merlin 1Ci 엔진을 탑재하였다. 1단은 정상적으로 점화되었지만, 1단 분리 후 1단 엔진의 잔류 추력에 의해 1단이 2단에 충돌하면서 결국 실패하게 되었다. SpaceX는 3회 연속 발사 실패로 인해 파산 위기까지 몰렸지만, NASA의 재정 지원에 힘입어 9월에 4번째 Falcon 1을 발사에 성공시키고 극적으로 회생하게 되었다. 2009년 7월에 발사되었던 5번째 Falcon 1은 말레이시아의 위성 RazakSAT를 탑재하여 세계 최초의 상업발사에 성공하였다. Falcon 1의 발사가 종료되면서, Merlin 1Ci 엔진은 총 3번 비행하였다.

Merlin 1A 엔진 개발이 어려움에 직면했을 때인 2003년에 SpaceX는 5개의 Merlin 1A 엔진을 1단에 탑재한 Falcon 5의 개념을 처음으로 발표하였다. 이것은 아폴로 계획에서 사용되었던 Saturn V의 1단 개념과 비슷하다고 할 수 있다. 2003년 Falcon 5는 4.2톤의 탑재체(payload)를 LEO로 보낼 수 있도록 설계되었으며, 가격은 1200만 달러로 책정되었다. 다음해에는 Merlin 1B 엔진의 개발 계획이 발표되었고, 상단에 수소 엔진 RL10을 탑재한 업그레이드된 Falcon 5를 발표하였다. 이후 2005년에 정부의 요구에 따라 9톤의 탑재체를 LEO에 보낼 수 있도록 1단에 9개의 Merlin 1B 엔진을 탑재한 Falcon 9를 처음으로 발표하였다[3].

Falcon 1의 발사가 계속 지연되고 실패가 계속되면서, Falcon 9의 Merlin 1B 엔진은 지상추력 43톤급 재생냉각 엔진인 Merlin 1C로 교체되었으며, 이 기간 동안 NASA는 COTS (Commercial Orbital Transportation Services)로 Falcon 9를 선정하였다. 이로 인해 2006년 SpaceX는 2억 7,800만 달러의 자금을 수혈을 받게 되었다.

2007년 두 번째 Falcon 1 발사에 실패했을 때, Falcon 9의 배틀십(battleship)형 1단이 처음으로 제작되었다. 텍사스의 맥그리거(McGregor) 시험장에서 2007년 11월부터 2008년 11월까지 1단 부스터의 9개 엔진이 하나씩 테스트 되었다. 2009년 초, 시험장에서 옮긴 Falcon 9의 1단을 발사대에 조립하여 발사대를 검증하는 시험을 거쳤다. 2009년 말부터 2010년 초까지 첫 번째 FM(Flight Model)형 Falcon 9가 조립장에서 조립되었으며, WRT(wet rehearsal test)를 거쳐 6월 최초 발사를 시도 하였다.

케이프 커내버럴(Cape Canaveral)에서 발사된 최초의 Falcon 9의 1단은 정상적으로 작동했지만 2단이 호주 상공을 지나는 동안 3축 롤 제어에 문제가 생기면서 결국 최초의 발사 시도는 실패로 끝났다. 당시 Falcon 9에 탑재되어 있던 드래곤 시뮬레이터(Dragon simulator)는 궤도에 안착할 수 있는 속도가 부족했기 때문에, 20일 후에 대기권에 재진입하였다[5].

Falcon 9의 두 번째 발사는 2010년 12월에 이루어졌으며(Fig. 2), 발사 직전에 상단 엔진인 Merlin 1CV 니오븀 복사냉각 노즐에서 두 개의 균열이 발견되었다. Merlin 1CV의 복사 냉각 노즐의 길이는 2.7 m 였는데, SpaceX는 미션에 문제가 없음을 확인하고, 복사 냉각 노즐을 1.2 m 잘라내고 그대로 발사했다. Falcon 9의 2차 발사는 성공적으로 진행되었으며, 드래곤은 ISS에 진입하였다. 당시 드래곤은 추력기로 Super Draco를 사용하였는데, 18개의 Draco 추력기 중 하나가 점화하지 못했지만, 중복 설계 덕분으로 미션은 최종적으로 성공하였다.

Fig. 2 
The second launch of Falcon 9 [4].

Merlin 1C 엔진으로 구동되는 Falcon 9는 그 이후로 2006년에 NASA와 체결하였던 COTS 미션으로 ISS에 한 번 발사하였고, 2008년 12월에 체결하였던 CRS (Commercial Resupply Service) 미션으로 ISS에 두 번 발사하였다. Falcon 9의 네 번째 미션에서는 처음으로 동시에 두 가지 미션이 수행되었다. 한 가지는 ISS로 화물을 보내는 CRS 미션과 350 × 750 km × 51.65 deg 궤도에 165 kg Orbcomm 프로토타입 위성을 투입하는 미션이었다. 당시 이륙은 성공적으로 진행되었으나 발사 79 초 후에 1단의 Merlin 1C 엔진에서 오류가 발생하여 9개의 엔진 중 하나를 중단시켰다. 당시 Falcon 9는 고장 안전 설계(fail safe design)인 엔진 아웃(engine out) 설계가 되어 있었기 때문에 나머지 엔진들을 원래 계획보다 더 긴 시간 연소시키는 것을 통해 추력 손실을 보정하였다. 이를 통해 첫 번째 미션인 CRS 미션은 문제없이 진행되었으나, 두 번째 미션인 Orbcomm 위성을 궤도에 투입할 때는 추진제 양이 부족해져서, 위성이 궤도 진입에 실패하였다. Falcon 9의 다섯 번째 미션에서도 문제가 발생하였는데, 드래곤이 궤도에 도달한 후, 4개의 추력기 포드(truster pod) 중 3 개가 작동하지 않는 것이었다. 결국 여러 가지 방법을 시도하여 결국 제어에 성공하기는 했지만 이로 인해 ISS와 드래곤의 랑데부(rendezvous)는 하루 지연되었다[4].

SpaceX는 Falcon 9의 초기 모델인 v1.0을 다섯 번 발사하여 ISS에 도킹하는 실험을 진행하였다. 다섯 번의 발사 중 아무 문제없이 성공적으로 발사된 것은 세 번째 발사 때였으며, 2번(1차, 4차)은 임무 실패로 기록되었고, 나머지 2번(2차, 5차)은 문제가 발생하기는 하였으나 성공으로 기록되었다.

SpaceX는 Merlin 1C를 사용한 초기 Falcon 9 모델 이후에 63톤급의 진공 추력을 가진 Merlin 1C+ 엔진을 개발하였으며, 이 엔진을 기반으로 하여 2008년 4월에 Falcon 9의 Block 2 버전을 발표하였다. 당시 시점이 Falcon 1이 두 번 밖에 발사되지 못한 것을 고려할 때, SpaceX의 다음단계 엔진 개발과 발사체 개발은 매우 빠르게 진행되는 것이라고 할 수 있다. Block 2 버전은 LEO에 10.5톤의 탑재체를, GTO에 4.54톤의 탑재체를 보낼 수 있도록 계획되었지만 후속 Merlin 1D 엔진이 개발되면서 Block 2 버전은 최종적으로 발사되지 못하였다[4].

Merlin 1D를 사용한 Falcon 9 Block 3 모델은 나중에 Falcon 9 v1.1로 이름이 바뀌었으며, 이로 인해 Merlin 1C를 사용했던 초기 버전의 Falcon 9는 v1.0으로 이름이 변경되었다. 2011년 4월 Falcon 9 v1.1을 공식화 한 Elon Musk는 Merlin 1D가 이미 연소 시험을 하고 있으며 2012년 중반 Falcon 9 발사에 사용될 것이라고 발표했지만 실제로는 2013년 중반 6번째 발사에 사용되었다[5].

2012년 Merlin 1C+의 연소시험을 완료한 SpaceX는 재사용 발사체를 위해 Grasshopper를 제작하였다. Grasshopper는 Falcon 9의 1단 동체가 착륙할 때 자세 제어 및 속도 제어가 어느 정도 가능한지 평가하기 위한 목적으로 제작되었다. 9월 텍사스 맥그리거 시험장 근처에서 Grasshopper를 2.5 m 높이까지 상승시킨 SpaceX는 11월에는 5.4 m, 12월에는 40 m로 상승고도를 증가시켰다. 2013년 3월 80 m, 4월 250 m를 상승시킨 후, 6월에 1분 이상 비행하여 300 m까지 상승시켰다(Fig. 3). 8월에는 300 m 상승 후 수평으로 100 m를 이동하는 시험까지 수행하였다. 성공적인 비행과 착륙 후 Merlin 1C+를 이용한 Grasshopper 테스트는 완료되었다.

Fig. 3 
The grasshopper ascends near McGregor[5].

SpaceX는 Falcon 9 v1.0을 발사한 이후에 바로 Falcon 9 v1.1을 발사할 수 있도록 하기 위해서 기존에 임대하고 있던 케이프 커내버럴에 있던 발사대 외에 반덴버그 공군기지(Vandenberg AFB)에 있는 Space Launch Complex 4 East 발사대를 임대하였다. 케이프 커내버럴은 플로리다 주에 있는 동부해안의 발사대이며, 반덴버그 공군기지는 캘리포니아 주에 있는 서부해안의 발사대로서 두 발사대의 발사 환경은 매우 다르다. 2011년 7월부터 기존에 있던 반덴버그의 발사대를 해체하고 새로운 발사대를 건설하는 작업을 시작하였다. 2013년 초에 반덴버그 공군기지의 신규 발사대 건설을 완료한 SpaceX는 2013년 3월 텍사스 맥그리거에서 Merlin 1D 인증 시험을 종료하였다. 2013년 3월 Falcon 9 v1.0의 5회 발사이후 그해 4월부터 기존 케이프 커내버럴 SLC 40 발사대는 Falcon 9 v1.1로 확장을 시작하였다.

2013년 3월, Elon Musk는 Falcon 9 v1.1의 재사용을 위해 플라이 백(fly-back) 테스트를 수행 할 것이라고 발표하였다. 4월에는 Falcon 9 v1.1의 엔진 배열인 8각 배열(Octaweb)이 트위터로 처음 공개되었다. 8각 배열은 기존의 Falcon 9 v1.0에서 사용되었던 9개의 엔진의 바둑판식으로 배치하지 않고, 중앙에 한 개의 엔진을 사용하고 그 주위로 8개의 엔진이 배치되는 형태이다(Fig. 4). 중앙 엔진은 착륙 시점에 사용되는 엔진이다. 4월 이후 맥그리거의 시험장에서 단 시험이 본격적으로 진행되었고, 8월에는 반덴버그 공군기지의 발사대에 입고된 이후 9월에 Falcon 9 v1.1의 최초 발사가 이루어졌다.

Fig. 4 
The engine array of Falcon 9 v1.0 (left) and octaweb array of Falcon 9 v1.1 (right) [7].

Merlin 1D 엔진을 사용한 Falcon 9 v1.1은 100 kg급의 큐브셋 Cassiope를 5기 탑재하고 발사되었으며, 1단 재사용을 위한 실험도 동시에 진행하였다. 2단이 분리된 이후에 1단에 장착된 9개의 엔진 중 3개의 엔진을 재점화하여 진행 속도를 감소시킨 이후에 중앙 엔진을 점화하여 재진입 속도를 떨어뜨리고 낙하 후 태평양 해수면에 들어오기 직전에 다시 중앙 엔진을 재점화 하여 안정적으로 착륙할 수 있는지에 대한 시험이었다. Falcon 9 v1.1의 1단 속도 감소 시험과 재진입을 위한 중앙엔진 재점화에는 성공하였으나, 롤(roll) 제어에 실패하였고, 1단은 그대로 바다로 추락하였다. 2단은 1단과 분리 후 위성을 궤도에 올리기 위해 재점화하려고 시도했지만 점화에 실패하였고, 결국 Falcon 9의 여섯 번째 발사이자 Falcon 9 v1.1의 최초의 발사는 이렇게 실패하였다. SpaceX는 2단의 재점화 문제의 원인을 분석하였으며, 재점화 전에 점화제인 TEA-TEB가 동결되었고 이로 인해 점화를 시키지 못한 것으로 결론지었다. 이로 인해 Falcon 9 상단에 배치된 Merlin 1DV 엔진의 점화기 부위에 단열재가 긴급하게 추가되었으며, 추가 후 7번째 발사가 진행되었다[5].

Falcon 9의 7번째 발사는 산화제 탱크의 이상압력 문제, 가스발생기 문제 등으로 지연되었으나, 2013년 12월 룩셈부르크의 SES 8 통신 위성을 탑재하고 295 × 80,000 km × 20.75 deg 궤도에 성공적으로 안착하였다(Fig. 5). 이 미션은 Falcon 9의 거의 모든 추진제를 사용해야했기 때문에 재진입 시험을 시도하지 않았다. 이 때 발사 장소는 발사대 수정을 마친 케이프 커내버럴 SLC 40이었다.

Fig. 5 
The octaweb firing a Falcon 9 v1.1 rocket [5].

2014년 1월 케이프 커내버럴에서 태국의 Thaicom 6 통신 위성을 싣고 Falcon 9의 8번째 발사가 성공적으로 진행되었다. 9번째 Falcon 9는 착륙 다리를 가진 최초의 모델로, 4월에 발사 되었다. 6번째 Falcon 9 이후 처음으로 속도 제어 및 착륙 테스트를 다시 수행하였으며 1단 부스터의 3개 엔진을 재점화하여 수평 속도를 낮추었고 착륙 직전에 하나의 엔진을 재점화 하여 해수면에 다다랐을 때 속도를 0으로 만들 수 있는지 테스트되었다. Falcon 9의 9번째 모델에서, 부스터는 해수면에 착륙한 것처럼 속도를 0으로 제어할 수 있다는 것이 실험을 통해 확인되었다.

2014년 4월, SpaceX는 1단의 성공적인 회수를 위해 Falcon 9의 1단과 똑같이 9개의 Merlin 1D 엔진을 사용하는 Falcon 9R Dev 1 모델을 수직으로 비행시켰다가 착륙하는 시험을 진행하였다. Merlin 1C+ 엔진을 한 개만 장착하였던 Grasshopper와 달리 대형 탱크를 탑재하고 Merlin 1D 엔진을 9개 장착하였기 때문에, Grasshopper보다 높은 고도인 1000m까지 상승하였고 성공적으로 착륙하였다. 6월에는 Falcon 9R Dev 1의 세 번째 테스트를 진행하면서 착륙시 제어력을 높이기 위해 조종이 가능한 그리드 핀(grid fin)이 장착되었다. 8월, Falcon 9R Dev 1에 대한 5차 테스트가 진행되었는데, Merlin 1D 엔진을 3개 점화하여 수백 미터 높이로 상승하는 동안 엔진의 내장(onboard) 센서 중 한 개가 고장을 일으켜서 제어 기능이 상실되었고, 자동 파괴 시퀀스가 ​작동하여 동체가 지상으로 추락하기 전에 파괴되었다. 이 사고에 대한 검토 후에, Falcon 9 v1.1은 내장 센서를 중복 설계하는 것을 통하여 이러한 문제가 발생하였을 때 위험을 피할 수 있도록 하였다[5].

2014년 5월에 발사 예정이었던 10번째 Falcon 9는 지상 장비 문제, 헬륨 누출, 상단 압력 감소 및 TVC 액추에이터 문제로 인해 몇 차례 취소되었다. 몇 번의 발사 연기 이후, 7월에야 6개의 Orbcomm 데이터 중계 위성을 탑재하고 성공적으로 발사되었다. 1단은 그동안의 축적된 데이터를 바탕으로 다시 착륙 시도를 하였으며, 해수면에서의 1단의 착륙 시도는 상대적으로 성공했지만 가라앉은 1단을 회수하지는 못했다. SpaceX는 11번째와 12번째 발사에서는 소모 모드(expendable mode)를 사용하여 1단 회수를 하지 않았고, 13번째 발사 중에 재진입 및 착륙 점화를 더 테스트한 후, 14번째 발사에서 1단 바지선 착륙을 처음으로 시도하였다.

Falcon 9의 14번째 발사는 2015년 1월에 이루어 졌고, 이 때 4개의 그리드 핀을 사용하여 동체를 제어하였다. 그러나 착륙 직전에 그리드 핀에 대한 유압 공급이 소진되면서 제어력이 떨어지게 되었고 결국 바지선에 충돌하면서 바지선이 파손되었다. 1개월 후인 2015년 2월 15번째 발사가 진행되었고, 바지선에 착륙하려는 두 번째 시도를 진행하였다. 그러나 바지선 주위의 높은 파도 때문에 착륙이 어려울 것으로 판단되었고, 도중에 계획이 취소되면서 1단은 바지선을 보호하기 위해 바다에 충돌하였다.

16번째 발사에서는 2개의 미션을 동시에 수행하기 위해서 착륙을 시도하지 않았다. 17번째 발사(Serial No. 018)에 다시 착륙을 시도했지만 1단이 바지선과 강한 충격을 일으키며 파괴되었다. 18번째 발사(Serial No. 017) 때는 GTO로 4.5톤급 위성을 발사하여 착륙을 시도하지 않았다.

2015년 6월, 19번째 발사(Serial No. 020) 때 이륙 2분 19초 후에 Falcon 9가 폭발하는 사고가 발생하였고, SpaceX는 제품 신뢰성에 큰 타격을 입었다(Fig. 6). SpaceX는 7월에 고장 원인에 대한 조사를 발표하였는데, 2단의 산화제 탱크 안에 있는 복합재 헬륨 고압 탱크 문제라고 밝혔다. 헬륨탱크를 지지하는 스트럿(strut) 중 하나가 3.2G 가속도를 초과하는 시점에 파손되었는데, 이로 인해 탱크 안에 있던 헬륨이 산화제 탱크로 유출이 되면서 2단 산화제 탱크에 과도한 압력을 가하여 폭발한 것으로 나타났다. 따라서 20번째 발사 예정이었던 Falcon 9(Serial No. 019)는 이 문제를 해결하기 위해 제품을 수리하였고, 이후 단 시험을 재수행 하였다. 이 문제를 해결하는 기간이었던 2015년 12월에 Merlin 1D+ 엔진을 사용하는 Falcon 9 v1.2(Serial No. 021)가 2015년 12월에 동부해안인 케이프 커내버럴에서 먼저 발사되었고, 최초로 지상착륙에 성공하였다.

Fig. 6 
The explosion of the Falcon 9-020 rocket [5].

2016년 1월 서부해안인 반덴버그 공군기지에서 발사된 Falcon 9-019는 샌디에고 서쪽 바지선에 안전하게 착륙하는데 성공했다. 그러나 착륙직후에 착륙용 다리(landing leg) 중 하나가 완전히 고정되지 않으면서 단 전체가 쓰려져서 폭발하였다. Falcon 9-019의 마지막 착륙시도가 실 패하면서 Falcon 9 v1.1의 모든 착륙시도는 실패로 끝났다.

케이프 커내버럴(Cape Canaveral) SLC 40 발사대와 반덴버그 공군기지(Vandenberg AFB) SCE 4E 발사대를 임대해오고 있던 SpaceX는 2014년 4월 케네디 우주센터(Kennedy Space Center) Launch Complex 39A 발사대를 대형 로켓인 Falcon Heavy를 위해서 20년 장기 임대하기로 NASA와 계약을 맺었다. 이 발사대는 아폴로 계획 때의 Saturn V 발사대이자 Space Shuttle의 최초 비행이 이루어졌던 발사대로 역사적인 의미가 컸기 때문에 많은 민간 우주업체들이 임대하고 싶어 했다. SpaceX는 Falcon Heavy 뿐 아니라 Falcon 9의 추력을 더 높인 Falcon 9 v1.2를 발사하는 주요 발사대로 개조하기 시작하였다. 2014년 5월 기존 Saturn V의 유서 깊은 구조물들을 철거하기 시작한 SpaceX는 Falcon Heavy의 추가 부스터를 위해서 새로운 철도 선로(rail track)를 만들었고 발사 패드 공사에 돌입하였다[2].

SpaceX는 2015년 1월 Falcon 9-014의 발사가 진행되고 최초의 바지선 착륙 시도가 이루어지던 시기에 Merlin 1D의 추력을 20% 증가시킨 엔진을 사용한 Falcon 9 v1.2를 개발 중에 있음을 공식 발표하였다. 이 시기는 100번째 Merlin 1D 엔진이 2014년 10월에 생산되었다고 발표한 이후였으며, 그 당시에는 주당 4대의 Merlin 1D 엔진이 양산되던 시점이었기 때문에 Falcon 9 v1.2의 발표 시기 때는 약 140개의 Merlin 1D 엔진이 생산되었다고 추정할 수 있다. Falcon 9 v1.1은 총 15회 발사되었으며 Falcon 9R Dev 1을 포함하였을 때 총 144개의 Merlin 1D와 15 개의 Merlin 1DV가 비행에 사용되었음을 알 수 있다. 따라서 2015년 1월은 Merlin 1D의 양산이 종료되는 시점이었음을 알 수 있다[5].

2015년 3월, Musk는 Falcon 9 v1.2에서는 기존과 달리 GTO 임무를 하더라도 1단 착륙이 가능하게 될 것이라고 발표했다. 이를 위해서 산화제의 탑재 온도를 더 낮출 계획을 가지고 있다고 발표하였으며, 이를 통해 15%의 추력을 증가시킬 것이라고 하였다. Musk는 Falcon 9 v1.2를 ‘Falcon 9 full thrust’라고도 표현하였으며, 업그레이드 된 1단은 Falcon Heavy의 사이드 부스터로 사용될 수 있다고 발표하였다.

업그레이드된 Merlin 1D 엔진(Merlin 1D+)은 2015년 7월에 시험 완료되었고, 8월에 최초의 Falcon 9 v1.2 비행용 1단 제품에 조립되었다. 맥그리거의 테스트 스탠드에서 15초 연소시험과 전 작동시간(full-duration) 연소시험을 마친 Falcon 9-021은 11개의 Orbcomm 위성을 탑재하고 케이프 커내버럴 발사장에서 2015년 12월에 발사되었다. 발사된 1단 부스터(Serial No. B1019)는 최초로 발사장 남쪽에 있는 Landing Zone-1 (LZ-1)에 착륙하는데 성공했다. 회수된 1단 부스터를 케이프 커내버럴 SLC 40으로 다시 이동시킨 SpaceX는 2-3초 동안 정적 연소 테스트를 통해 제품을 확인하였다. SpaceX는 최초로 회수에 성공한 B1019 부스터를 캘리포니아 호손(Hawthorne)에 있는 SpaceX 공장에 2019년 현재까지 계속 전시하고 있다.

Falcon 9-022는 2016년 3월 케이프 커내버럴에서 SES-9 통신 위성과 Boeing BSS-702HP 위성을 성공적으로 발사하였고, 해상 회수를 시도하였으나 연료 부족으로 인해 고속으로 추락하여 바지선에 구멍을 뚫었다. Falcon 9-023은 4월에 드래곤 10을 탑재하고 발사되어 임무에 성공하였으며, 해상 착륙 5번째 시도 만에 1단 부스터 B1021을 발사대 북동쪽으로 약 300km 떨어진 바지선 “Of Course Still I Love You”에 착륙 시켰다. 해상 착륙에 처음으로 성공한 SpaceX는 이후 대부분의 착륙 시도에 성공하였다(Fig. 7). 착륙한 B1021은 4일 동안 바다에서 커​​내버럴 항구(Port Canaveral)로 운송되었으며, 그 후 착륙용 다리를 제거하고 재사용을 위해 캘리포니아 호손 공장으로 이송되었다. 재사용을 하기 위해 수리된 B1021은 11개월 후인 2017년 3월 Falcon 9-033에서 최초의 1단 재사용 발사체로 발사되었다.

Fig. 7 
The first stage of a Falcon 9 v1.2 rocket descends to a landing on SpaceX’s drone ship [6].

2016년 4월 첫 해상 착륙에 성공한 이후 후속 발사체도 계속해서 착륙에 성공하던 SpaceX는 2016년 9월 케이프 커내버럴 SLC 40에서 Falcon 9-029의 정적 연소 시험을 진행하는 동안 폭발사고를 겪게 되었다(Fig. 8). 2단 산화제 탱크 내에 있던 복합재 헬륨 탱크에 초과 가압이 일어나 갑자기 폭발한 것으로 분석되었으며, 이로 인해 2단과 함께 탑재되어 있던 2억 달러짜리 AMOS 6 위성이 함께 파괴되어 버렸다. 2015년 6월 당시의 사고와 마찬가지로 2단 헬륨 탱크 부위의 문제였으며, 멕그리거 시험장에서 고장모드를 확인을 위한 극저온 부하시험이 진행되는 동안 모든 후속 발사가 중지되었다. 또한 이 사고로 케이프 커내버럴 발사대가 큰 손상을 입었기 때문에, 동부 해안에서의 발사 캠페인을 케네디 우주센터(Kennedy Space Center, KSC)의 SLC 39A 발사대로 이동하여 진행하기로 하였다.

Fig. 8 
The explosion of a Falcon 9-029 in Cape Canaveral SLC 40 [2].

2017년 1월 Falcon 9-029의 고장 분석이 끝난 이후, 서부 해안의 반덴버그 공군기지 SLC 4E에서 Falcon 9-030이 발사되었다. 탑재체로 10개의 IridiumNEXT 위성이 발사되었고, 발사 후 1단 부스터(Serial No. B1029)가 서부 해안에 있던 “Just Read the Instruction” 바지선에 착륙하였다. 이것은 SpaceX 최초의 서부 해안 착륙이었다. 2017년 2월, KSC SLC 39A 발사대에서 처음으로 Falcon 9-032가 발사되었으며, 지상 착륙장인 LZ-1에 성공적으로 착륙하였다[2].

2016년 4월 최초의 해상 착륙 이후 SpaceX는 Falcon 9 v1.2의 성능을 개선한 Block 5 모델을 발표하였다. Block 5 모델에 사용된 Merlin 1D++ 엔진은 Merlin 1D의 추력을 86.183톤으로 증가시킨 엔진이었으며, 1단 회수 조건의 발사 서비스 비용으로 6,200만 달러를 제시 하였다. 최초의 Block 5 모델은 2018년 5월에 발사하였던 Falcon 9-055였다. Bangabandu 1 위성과 Thales Alenia Space Spacebus 400B02 위성을 실은 Falcon 9-055는 성공적으로 KSC에서 발사되었고, 1단 부스터(Serial No. B1046)는 해상 착륙에 상공하였다. 당시에 회수되었던 B1046 부스터는 일부 점검 이후에 2018년 8월에 Falcon 9-061의 1단에 탑재되어 케이프 커내버럴에서 발사되었고, 2차 회수된 이후 12월에 Falcon 9-065의 1단에 탑재되어 반덴버그 공군기지에서 발사되어 최초 3회 발사한 부스터이자 SpaceX의 3개 발사장을 모두 거친 최초의 부스터로 기록에 남게 되었다. 세 번째 발사에는 한국의 KAIST 차세대 소형 위성이 여러 다른 소형 위성들과 함께 탑재되어 있었다[2]. 2018년 5월 Block 5 모델의 발사 성공 이후에 재사용성을 증가시켰다고 판단한 SpaceX는 Falcon 9의 표준 가격을 5,000만 달러로 하향 조정하겠다고 발표하였지만[8], 실제 공식 홈페이지에서는 계속 6,200만 달러로 표기하고 있다[1].

Falcon Heavy의 개념은 SpaceX의 초창기 때부터 존재해 왔지만, 그것이 실현되기 까지는 오랜 시간이 걸렸다. Falcon 9에 2개의 Falcon 5 부스터를 사이드 부스터로 사용한 Falcon 9S5의 개념과 Falcon 9에 2개의 Falcon 9 사이드 부스터를 사용한 Falcon 9S9의 개념은 Falcon 1의 첫 번째 모델을 발사하기 전이었던 2005년 9월에 발표되었다. 2007년 SpaceX는 Payload User’s Guide에서 Falcon 5를 삭제시킴으로 Falcon 9S9의 개념을 Falcon Heavy로 명명하였고, Merlin 1C엔진을 사용한 Falcon Heavy 개발 계획을 발표하였지만 실현되지 않았다. 이후 2011년 4월에 SpaceX는 Merlin 1D를 27개 사용하여 LEO에 53톤의 탑재체를 올릴 수 있는 Falcon Heavy 개발 계획을 발표하였고, 2013 반덴버그 공군기지에서 첫 번째 발사 계획을 내 놓았지만, Falcon 9 v1.2의 성능이 업그레이드되면서 역시 실현되지 못했다.

Fig. 9 
Lift of Falcon Heavy Flight 2 taken by Pauline Acalin [10].

Fig. 10 
Landing of both Falcon Heavy side boosters [10].

2015년 SpaceX는 Merlin 1D+와 함께 Falcon 9 v1.2를 발표했으며, 이 엔진을 이용한 Falcon Heavy는 GTO 임무에 6톤 이상의 페이로드를 올릴 수 있다고 예측했다. Merlin 1D+를 사용하는 Falcon Heavy는 부스터 한 코어 당 추력이 694톤급이었고, 총 2082톤급 이륙 추력을 가지고 있었다[2].

SpaceX는 최초의 Falcon Heavy Demo 발사를 위해서 재사용 부스터를 적극 활용하였다. Falcon Heavy Demo의 사이드 부스터로 사용되었던 B1023 부스터와 B1025 부스터는 각각 2016년 5월에 발사된 Falcon 9-025와 7월에 발사된 Falcon 9-027에서 회수된 부스터였다. B1023 부스터는 회수 후 2017년 4월 맥그리거 시험장에서 재시험되었으며, 5월에는 Falcon Heavy의 중앙 부스터인 B1033의 연소 테스트가 수행되었다[9].

2017년 12월, Falcon Heavy Demo는 KSC의 SLC 39A 발사 패드로 옮겨졌으며, 2018년 1월에 추진제 주입 및 정적 연소 시험을 수행하였고, 최종적으로 2월에 발사하였다. 27대의 멀린 1D+ 엔진을 탑재하고 총 추력 2128톤으로 이륙한 Falcon Heavy는 시험용 탑재체로 1250 kg의 테슬라 로드스터를 태우고 화성으로 발사되었다. 사이드 부스터는 2분 29초 후에 엔진이 정지되었고 2분 33초 후에 분리되었다. 중앙 부스터는 대부분의 연소 시간 동안 더 낮은 추력으로 비행하다가 측면 부스터가 분리된 후 25초를 더 연소하고 2단과 분리되었다. 2단은 세 번의 재 점화를 실시하면서 화성으로 날아갔다. 사이드 부스터들은 각각 케이프 커내버럴 LZ1과 LZ2에 착륙했지만 중앙 코어 부스터는 착륙 시점에 재점화에 실패하면서 대서양으로 추락하였다. Elon Musk는 Falcon Heavy Demo 버전에 사용된 돈은 5억 달러라고 발표하였다[9].

SpaceX는 2019년 4월에 6,465 kg의 Arabsat 6A를 싣고 GTO로 두 번째 Falcon Heavy를 발사하였다. 이 때 사용된 부스터는 Merlin 1D++ 엔진을 사용한 Block 5 모델이었다. B1055 부스터는 코어 부스터로, B1052 부스터 및 B1053 부스터는 사이드 부스터로 각각 사용되었다. B1052와 B1053은 각각 LZ-1과 LZ-2에 착륙했으며, B1055는 Of Course Still I Love You 바지선에 착륙함으로 SpaceX는 최초로 3개의 부스터를 착륙시키는데 성공하였다. 그러나 B1055는 바지선을 케이프 커내버럴까지 이송시키는 동안 대서양의 높은 파도에 의해 유실되어 재사용되지는 못했다[9].

본 연구에서는 SpaceX의 발사체 개발 과정에 대해서 정리하였으며, SpaceX의 개발을 참고할 때, 한국의 후속 발사체 개발에 고려해야 할 점을 정리하면 다음과 같다.

• (1) SpaceX는 초기에 CRS와 같이 ISS용 화물을 발사하는 미션을 통해 경험을 많이 쌓았고, 이로 인해서 상업 위성 발사 시장에 진출할 수 있었다. 후속 발사체 개발에 있어서도 고가의 위성 발사 외의 다양한 미션을 발굴하여 정책적으로 뒷받침 할 때 신뢰성 높은 발사체 개발이 가능하다.
• (2) SpaceX는 현재 발사체 시장을 재편하였고, 저가로 급속히 인공위성 수요를 끌어들이고 있기 때문에, 후속 발사체의 개발은 발사 서비스 시장을 고려해야 하며, 현재 Falcon 9보다는 낮은 가격으로 개발해야 경쟁력을 가질 것으로 보인다.
• (3) 1단을 재사용 하는 것을 통해 발사비용을 많이 낮추는데 성공한 SpaceX와 같이 후속 발사체는 재사용 발사체를 고려하여 비용을 낮출 필요가 있다.
• (4) 한국의 대형 발사체를 개발하고자 할 때, SpaceX의 Falcon Heavy 모델을 적극 참고할 필요가 있으며, 동일 부스터를 병렬로 묶어서 발사하는 것을 통해 개발 비용을 절감할 수 있다.
• (5) 현재 한국이 개발한 가스발생기 사이클 엔진을 개량하여 고압형 가스발생기 사이클 부스터 엔진을 개발하는 것을 통해 엔진의 무게 당 추력비를 늘리고 경쟁력을 늘리는 방향을 검토할 필요가 있다.
• (6) 현재 활발히 연구되고 있는 적층 제조 기술을 개발하여 발사체 부품의 제작비용을 절감하고 제작 시간을 단축하여 경쟁력 있는 후속 발사체를 개발해야 한다.