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Overseas Innovation Trend 해외 혁신동향
미국의 우주상업화 정책과 스페이스X의 로켓재사용 전략
미국
미국의 민간우주개발업체 스페이스X가 지난 4월 8일 우주개발사의 이정표에 남을 만한 장면을 연출 했다. 스페이스X는 ‘팔콘’ 로켓으로 지구 상공 400
㎞에 있는 국제우주정거장(ISS)에 보급품을 배달할 화물 우주선 ‘드래곤’을 지구 궤도에 무사히 올려놓 은 뒤, 팔콘의 1단 로켓을 대서양 한 가운데 떠 있는 무인선 위에 안착시켜 온전히 회수하는 데 성공했기 때문이다. 로켓이 발사되는 과정을 거꾸로 재생한
듯한 이 장면에 스페이스X 관제소의 연구진들은 얼 싸안으며 박수와 탄성을 터뜨렸다.
지난해 12월, 로켓이 발사장에서 약 300km 떨어진 망망대해에 떠 있는 축구장 크기의 무인선을 잘 찾아 왔음에도 불구하고, 착륙 마지막 과정에서 균형을 잃고 쓰러지며 폭발했던 것이 4번째 도전이었다. 버락 오바마 미국 대통령은 트위터를 통해 ‘4전 5기’ 스페 이스X의 실험 성공에 대해 축하하며, “스페이스X와
1) President Obama twitter(https://twitter.com/potus/status/718579793919238144)
글 : 안형준 ([email protected]) 과학기술정책연구원 부연구위원
그림 1 : 4월 9일 팔콘9의 1단 로켓의 착륙 전후 모습
자료: 스페이스X
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Science & Technology Policy ◀ 과학기술정책 | 2016년 4월호 (통권213호)
NASA와 같은 혁신가들의 도전 덕분에 미국이 우주 탐험을 계속해 선도해나갈 수 있다”고 밝혔다.1)
우주왕복선의 성공과 실패
오바마 대통령이 언급한 스페이스X의 혁신가는 영화 ‘아이언맨’의 실제 모델이자 전자결제업체 페이 팔과 전기자동차업체 테슬라의 창업자이기도 한 엘 론 머스크다. 머스크가 마치 서커스 같은 도전에 나 선 이유는 로켓을 회수해 재활용하면 발사 비용을 크게 줄일 수 있기 때문이다. 기존 로켓은 연료를 다 태우고 분리되면 보통 바다로 추락하거나 대기 중에 서 타서 소멸된다.
로켓 1기를 제작하는 데 평균 약 6,000만 달러(약 700억원)가 소요되는데, 머스크는 이를 두고 “새로 제작한 보잉 747 비행기를 뉴욕-런던 사이를 한 번 비행한 뒤 버리는 것과 같은 낭비”라고 주장해왔다.
연료를 재주입하는 데는 20-30만 달러(2-3억 원) 밖에 들지 않으므로, 재사용 로켓의 점검이나 정비 에 추가적으로 들어가는 비용을 고려하더라도, 기존 발사 비용을 100분의 1정도로 줄일 수 있다는 것이 머스크의 주장이다.2)
막대한 로켓 발사 비용을 줄이기 위해 로켓을 재 사용한다는 개념은 1981년부터 2011년까지 미국항 공우주국(NASA)의 우주왕복선 프로그램에서 시도 된 바 있다. 비행기 형태의 궤도선과 바다로 추락한 RS-25 고체 부스터 엔진을 수거해 다시 사용해, 1 파운드(약 0.45kg)를 지구 궤도에 올리는 비용을 25
달러로 수준으로 낮추어 일반인의 우주여행 시대를 열겠다는 것이 NASA의 비전이었다. 그러나 30년 동안 5기의 우주왕복선을 총 135번 운행하는 동안, 우주왕복선의 비용은 재사용을 위한 정비 비용이 줄 지 않아 1파운드에 2만 5,000달러 이하로 내려가지 않았다.3) 게다가 1986년과 2003년에 잇따른 폭발사 고로 우주왕복선 2대를 잃었다.
로켓 재사용의 새로운 패러다임
재사용이 가능하지만 결코 저렴하지 않은 우주왕복 선을 대신해 2008년 NASA는 스페이스X와 오비탈 사 이언스(Orbital Sciences)와 계약을 맺고 국제우주정 거장에 화물과 사람을 옮길 상업궤도수송서비스 (Commercial Orbital Transportation Services Program)를 추진했다. 2002년 설립된 뒤 짧은 시간 에 혁신을 거듭한 스페이스X는 팔콘 로켓 시리즈와 화물·유인 우주선 드래곤(Dragon)을 개발했다.
팔콘9 로켓은 크게 두 부분으로 나뉘는데, 약 40m 길이의 1단 로켓이 고도 80km까지 상승하고 분리된 뒤 귀환하고, 약 15m 길이의 2단 로켓은 분 리된 뒤 약 5분간 연소하며 탑제체를 지구 궤도 위 에 올린다. 현재 개발 중인 팔콘9의 1단 로켓 3기를 붙여 만든 팔콘-헤비(Heavy) 로켓은 적재중량이 53톤으로 우주왕복선의 2배 수송능력을 자랑한다.
스페이스X는 2012년 팔콘9 로켓으로 드래곤 무인화 물선을 국제우주정거장에 보내 도킹에 성공해 우주 인들의 생필품과 실험장비 등을 전달한 바 있다.
2) Sarah Fecht(2016. April 10), “Why SpaceX’s Rocket Landing on a Drone Ship is a Big Deal”, Popular Science
3) Eric Berger(2015. December 1), “As NASA discards reusable engines, Blue Origin and SpaceX push new frontiers”, Ars Technica
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2017년부터는 유인캡슐인 드래곤 V2를 이용해 우주인도 실어 나르는 것이 목표다. 팔콘-헤비의 첫 발사시험은 올해 예정이다.4)
현재 팔콘9과 팔콘-헤비의 제작비용은 각각 5,650만 달러와 7,710만 달러 수준으로 우주왕복선 의 제작비용 4억 5,000만 달러와 비교해 보면 이미 제작 비용을 10분의 1정도로 줄였다. 그러나 머스크 는 로켓 회수와 재사용으로 이를 다시 100분의 1인 60만 달러 수준으로 낮춘다는 계획이다. 핵심은 로 켓에 손상을 입히지 않고 회수하는 기술이다. 이를 위해 스페이스X는 재점화가 가능한 엔진, 로켓의 자 세조정 기술, 무인선 위치고정 기술 등을 새로 개발 했다. 이 기술혁신을 바탕으로 스페이스X는 이미 지 난해 12월 팔콘9 로켓을 200km 상공까지 발사해 싣 고 있던 위성 11기를 모두 우주 궤도에 안착시킨 뒤 육상 발사대에서 로켓을 다시 회수하는 데 성공했다.
이번 해양 무인선 착륙 성공은 스페이스 X의 로켓 전략에 큰 의미가 있다. 현재 약 우주발사체의 절반 정도가 지상 안전 문제로 육지에서 바다를 향해 발 사되는데, 이 로켓을 다시 육지로 돌아오게 하려면 연료가 많이 필요하기 때문에 바다 위에서 회수하는 것이 더 경제적이다. Space X는 이번에 회수한 로 켓을 이용해 연소 시험을 10번 정도 한 뒤 문제가 발 견되지 않으면 5월이나 6월에 다시 우주로 쏘아 올 릴 계획이다.
우주탐사의 상업화와 정부의 역할
역사적으로 우주탐사는 정부가 주도했다 로켓을 발사하는 것은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 위험하고
4) SpaceX 홈페이지 (http://www.spacex.com) 그림 2 : 스페이스X의 팔콘9(왼쪽)과 팔콘-헤비(오른쪽) 로켓
자료: 스페이스X의 User’s Guide 참조 및 저자 재구성 스쿨버스가 들어갈 크기의 페이로드
착륙시 안정된 자세 유지를 위한 격자무늬 날개
착륙시 펼쳐지는 4개의 다리
스페이스X가 독자개발한 Merlin 엔진 9개
드래곤 무인화물선. 추후 유인우주선 드래곤V2도 운용 예정
알류미늄-리튬 합금으로 만든 회수 용 로켓 1단부. 이륙과 착륙을 하기 위해 재점화가 가능
팔콘 9 팔콘-헤비
길이/폭 70m/3.7m 70m/12.2m
중량 541톤 1,394톤
페이로드
(저궤도/정지궤도) 4.8톤/13.1톤 5.3톤/21.2톤
발사 횟수 21회
(2016년 4월 현재)
2016년 첫 발사 예정 표 1 : 팔콘 로켓의 재원
자료: 스페이스X
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Science & Technology Policy ◀ 과학기술정책 | 2016년 4월호 (통권213호)
그림 3 : 시대별 정부와 민간의 발사체 개발 비율
자료: Space Launch Report, ARK Investment Management LLC
그림 4 : 시대별 정부와 민간의 우주발사체 발사횟수 변화
자료: Space Launch Report, ARK Investment Management LLC
5) Jennifer Hackett(2015. December 4), “New Law Paves the Way for Asteroid Mining--but Will It Work?”, Scientific American 6) 현대경제연구원 (2015. 8. 3), “주요국 우주산업 경쟁력 현황과 시사점”
수익을 내는 일이 아니었기 때문이다. 하지만 지난 10년 동안 미국 정부의 우주 개발의 주도권을 점차 민간으로 이양하는 우주정책의 변화로 우주공간의 상업화도 급속히 진행되고 있다. 스페이스X 외에도 United Launch Alliance(보잉과 록히ㅡ마틴), Sierra Nevada Corporation, Orbital ATK, Aerojet Rocketdyne, Blue Origin, Virgin Galactic 같은 경쟁력 있는 민간 우주업체의 등장으로 우주탐사 시장은 폭발적으로 커지고 있다. 특히 발사체 시장에서 민간이 차지하 는 비율은 이번 2010년대에 처음으로 정부를 따라 잡을 것으로 보인다.
지난 2015년 11월 25일, 미국 의회는 상업우주발사경 쟁력법안(Commercial Space Launch Competitiveness Act)을 통과시켜, 이제 민간기업이나 개인이 우주에 서 채취하는 어떤 종류의 자원이나 광물들에 대한 소유권을 주장할 수 있게 됐다.5)그보다 앞서 제출된 하원 법안에는 소행성(Asteroid) 채취 자원에 대해 기 업의 소유권을 인정했지만 최종안에서는 ‘우주자원
(Space Resource)’으로 그 범위가 넓어졌는데, 이는 우주 자원 탐사에 대한 민간의 참여를 적극 유도하 는 취지로 여겨진다. 아직 과학소설에나 나올법한 얘기 같지만 의회에서 선제적으로 이에 대응하고 있 음은 주목할 만 하다.
이처럼 세계 우주산업 시장은 미국 같은 우주선진 국의 지속적 투자와 글로벌 기업들 주도로 빠르게 성장하고 있다. 또한 민간경쟁과 혁신을 통한 탐사 비용의 절감으로 과거 비용 때문에 포기했던 여러 가지 우주탐사나 위성발사가 더 활발해질 것이라는 기대감도 크다. 한국의 우주산업은 정부 주도로 육성 되고 있으나, 다른 분야에 비해 투자가 저조하고 정책 환경 변화에 따라 변동성이 크다는 지적이 높다.6) 특히 우주산업이 군사와 안보 영역에서 벗어나 새로 운 성장동력으로 부상하고 있는 만큼 우주산업 생태 계 조성에 대한 다각적인 노력이 요구된다.
