Space X 스타십(Starship), 달 착륙선으로 변신?![EP.04]

목차 아르테미스 계획의 유인 착륙선(HLS) 사업 Space X 스타십(Starship)이 선정된 이유는? 세계 최고 부자들의 가슴이 웅장해지는 우주 대결 스타십 HLS(Human Landing System)의 구성

아르테미스 계획의 유인 착륙선(HLS) 사업

 다수 기업의 참여,  선정 과정은?

아르테미스 계획의 달착륙선을 위해 NASA는 다양한 기업으로부터 입찰을 받았습니다. 2019년 11월까지 NASA는 5개 회사로부터 제안을 받았으며 이 중 SpaceX, 내셔널 팀(블루 오리진, 록히드 마틴, 노스롭 그루먼, 드레이퍼 컨소시엄), 그리고 다이네틱스가 1차 경쟁자로 선정되었습니다. 그동안 NASA와 협업해 SLS, 상업 승무원 수송 프로그램(CCP) 등 많은 프로젝트들을 진행한 보잉은 입찰에서 탈락했습니다.

 

HLS 초기 설계 단계는 최대 2개의 계약자를 선정하여 2021년 2월까지 진행되는 10개월 프로그램으로 계획되었지만, NASA는 선정 프로세스와 발표를 2개월 연기했습니다. 두 회사는 HLS의 설계, 개발, 제작, 테스트 및 평가와 두 번의 달 착륙(하나는 무인, 다른 하나는 유인)을 제공하는 고정 가격 계약에 입찰했습니다. NASA는 기술적 장점, 관리 능력, 가격 세 가지 평가 요소를 기준으로 입찰을 평가하여 SpaceX가 더 나은 것으로 판정했습니다. NASA는 SpaceX의 Starship HLS를 선정한 주요 이유로 스타십의 재사용 가능성, 검증된 랩터 엔진, 그리고 넓은 승무원 구획을 강조했습니다. 이들 요소는 착륙선의 성능과 비용 효율성 측면에서 큰 장점으로 인식되었습니다.

 

2021년 4월 16일, NASA는 착륙선으로 Starship HLS만을 선택하여 전체 개발 계약을 진행하기로 결정했습니다. 이를 위해 SpaceX와 약 28억 9천만 달러 규모의 계약을 체결했습니다. NASA는 Starship HLS를 개발하고, 2025년까지 무인 시연 임무 1개와 유인 달 착륙 1개를 포함한 2개의 달 탐사 임무를 제공할 계획입니다.

 

NASA는 원래 두 개의 착륙선을 선호했지만 의회에서 두 번째 계약을 체결하기에는 충분한 자금이 없다고 밝혔습니다. 따라서 NASA는 가능한 결과로써 단 하나의 계약을 성사시킨 것으로 알려졌습니다.

 

Space X 스타십(Starship)이 선정된 이유는?

 경쟁기업의 발사체들을 압도하는 가성비

NASA는 Space X 스타십(Starship)을 스타십의 주요 선정 이유로 다음을 강조했습니다.

• 재사용 가능성 (HLS 파생형은 대기권 재진입을 하지 않지만 루나 게이트웨이에서 지속적으로 사용할 것입니다)
• 검증된 랩터 엔진 (세계 최초로 실제 비행에 성공한 전유량 다단연소 사이클(FFSC) 엔진)
• 넓은 승무원 구획(80 ~ 120명)

	Space X	Blue Origin	Dynestic
기술적 측면	만족스러움	만족스러움	미미함(marginal)
관리 측면	아주 뛰어남	매우 좋음	매우 좋음
입찰 가격 미국 달러(10억)	2.94	5.99	9.08

랩터 엔진은 미국의 스페이스 X에서 개발 중인 로켓 스타십에 사용하기 위해 개발되고 있는 전유량 다단연소 방식의 로켓 엔진입니다. 이 엔진은 기존의 Kerolox(RP-1 등유와 액체 산소) 대신 극저온 메테인과 액체 산소를 사용하며, 기존의 멀린 1D 엔진보다 2배 이상 강한 추력을 가지고 있습니다. 멀린 1D는 팰컨 9과 팰컨 헤비에서 운용하는 엔진입니다.

 

랩터 엔진은 스페이스X의 미래를 책임질 차세대 로켓 엔진으로 전유량 다단 연소 사이클(Full flow staged combustion cycle, FFSC) 적용, 300기압의 챔버 압력, 낮은 제작 비용 등 다양한 기술이 적용되어 있으며, 모든 면에서 경쟁 로켓엔진들보다 앞서고 있는 것으로 알려져 있습니다.

 

랩터 엔진은 세계 최초로 실제 비행에 성공한 전유량 다단연소 사이클 엔진으로, 2023년 기준으로 유일한 성공 사례입니다. 스타십의 1단인 슈퍼 헤비 부스터에는 33개의 랩터 엔진이 클러스터링되며, 2단인 스타십에는 3개의 해면 랩터 엔진과 3개의 진공 랩터 엔진이 사용될 예정입니다. (FFSC엔진은 효율과 추력을 크게 높일 수 있지만 개발 난도가 높아서 개념이 제시된 후 수십 년간 이어진 연구에도 불구하고 랩터 엔진 이전에는 비행 성공 사례가 없었습니다.)

 

세계 최고 부자들의 가슴이 웅장해지는 대결

 'Blue Origin'의 제프 베조스 VS 'Space X'의 일론 머스크 ··· 승자는?

2021년 4월 30일, 제프 베조스가 창립한 블루 오리진(Blue Origin)과 다이네틱스(Dynetics)는 NASA가 제안 평가를 부적절하게 진행했다고 주장하며 미 회계 감사원에 항의를 제기했습니다. 이로 인해 NASA는 Starship HLS 계약과 자금 조달을 중단하기로 결정했습니다. 이후 Blue Origin의 상원 의원 Cantwell이 수정안을 도입하여 HLS 경쟁을 재개하고 두 번째 착륙선을 선택하고 추가 자금 100억 달러를 승인하도록 지시하는 법안이 상원에서 통과되었습니다.

 

하지만 2021년 7월 30일에 GAO(미 회계 감사원)는 NASA의 계약 수여 과정에서 조달법을 위반하지 않았다고 결정하여 NASA의 결정을 지지했습니다. 그럼에도 불구하고 블루 오리진은 여전히 결정을 비판하며 공세를 이어갔습니다. 이에 따라 NASA는 SpaceX에 초기 지급을 시작하고, 8월 13일에 블루 오리진은 불법적이고 부적절한 제안 평가를 이유로 미국 연방 청구 법원에 NASA를 상대로 소송을 제기했습니다. 그러나 판사는 2021년 11월 4일 소송을 기각하고 NASA는 SpaceX와의 작업을 재개할 수 있었습니다.

 

2022년 3월, NASA는 보다 많은 화물과 인력을 수송할 수 있는 착륙선을 개발하기 위해 Space X를 배제하고 다른 기업들과의 협업을 주선할 것이라고 밝혔습니다. 이 결정은 스페이스 X의 HLS뿐만 아니라 한 개 혹은 다수의 유인 착륙선이 더 개발될 수도 있다는 의미이며, 블루오리진이 속한 내셔널 팀은 이 결정을 가장 반가워했습니다.

Space X는 NASA의 지원금을 추가로 받아 2027년까지 총 42억 달러 규모의 자금을 수령할 예정입니다.

 

2023년 5월 19일, 블루 오리진이 이끄는 팀이 다이네틱스를 제치고 2기 HLS에 선정되었습니다. 이로서 35억 달러 규모의 계약을 획득했습니다. 블루 오리진의 블루 문 달착륙선은 아르테미스 5호 미션에 사용될 예정입니다.

 

전체적으로 요약하면, 1차 경합에서 Space X가 선정되고 2차 경합에서 다이네스틱을 제치고 블루 오리진이 선정되면서

세계 부자 순위 2위와 3위가 우주 경쟁을 벌였고 그 결과 일론 머스크가 승리하는 것처럼 보였으나 블루 오리진도 사업에 다시 참여하게 되면서 사업 따내기 대결은 무승부로 끝났습니다. 하지만 여기서 끝이 아닙니다. 앞으로 아르테미스 계획을 진행하면서 어떠한 일들이 일어날지는 아무도 모르니까요.

 

더 나아가서 계획의 종착지인 화성 탐사는 아직 초기 단계로써, 추후에 아르테미스 계획에서의 성과로 인해 화성 유인 탐사선에 대한 두 기업의 입지가 어떠한 변동이 생길지 모르기 때문에 둘 중 누가 승리자가 될 것이라고는 단언할 수 없습니다.

다만, 블루 오리진의 '블루 문' HLS는 달 탐사만을 염두에 두고 설계한 반면에 Space X의 스타십은 화성 탐사까지 염두해 설계 제작한 발사체이기 때문에 현재로서는 Space X의 스타십이 더 좋은 대안으로 여겨집니다.

 

스타십 HLS(Human Landing System)의 구성

 기존의 스타십을 개선... 단점은 없는 것인가?

스타십(Starship) HLS는 SpaceX의 Starship 우주선을 변형하여 달과 주변에서 작동하도록 최적화된 구성입니다. 스타십 HLS는 대기권에 재진입하지 않으므로 주요 Starship 설계인 열 차폐(Heat Sheild) 및 비행 제어 표면은 스타십 HLS에 포함되지 않으며, 우주선 전체가 달에 착륙한 뒤 다시 달에서 발사됩니다. 필요한 경우 마지막 수십 미터 동안 중간 몸체에 위치한 고 추력 RCS 추진기를 사용하여 달 표면에 정밀 착륙을 수행합니다. 일론 머스크(Elon Musk)는 Starship HLS가 달 표면에 최대 200톤의 화물을 전달할 수 있다고 말했습니다.

 

Starship HLS는 SpaceX Super Heavy 부스터를 사용하여 지구 궤도로 발사되며, 일련의 탱커 우주선을 이용하여 달 통과 및 달 착륙 작업을 위해 연료를 보급합니다. 또한 Starship HLS는 Orion과의 만남을 위해 달 궤도에 도달하여 승무원을 착륙선으로 운송하는 역할을 합니다. 차량 둘레에 태양광 패널을 통해 전력을 공급받으며, 지구에서 달 궤도로 이동하기 전에 추진제 저장소와 재급유를 통해 지구 궤도에서 이미 적재된 추진제를 이용합니다.

 

경쟁 기업들보다 압도적으로 경제적인 스타십에도 몇 가지 단점들이 존재합니다.

 

NASA는 SpaceX의 제안에서 Starship의 추진 시스템(FFCS 엔진을 뜻합니다)이 복잡하다고 강조하며, 개발 일정에 대한 잠재적 위협으로 지난 프로그램과 발사체 개발의 지연을 언급하였습니다. 하지만 이것은 2023년 실제 시험비행에 성공하면서 더 이상은 단점으로 작용하지 못합니다. 

 

스타십 HLS는 매우 크고 높아 우주비행사들이 50미터 높이를 간이 엘리베이터를 타고 오르내려야 합니다. 최악의 상황을 가정한다면 엘리베이터가 고장 나 승무원들의 임무에 큰 지장이 생길 수도 있습니다. 하지만 달은 지구보다 중력이 6배 작기 때문에 전혀 수용 불가능한 단점도 아니라는 의견도 있습니다. 

 

고르게 평평하지 못한 달 표면에 착지할 때의 안전성 등에 우려의 목소리도 높습니다. 스타십으로 달에 착륙할 거면 애초에 지구에서 스타십을 타고 출발해 그대로 달에 착륙하면 될 텐데 왜 굳이 복잡하고 추가 비용을 지출하면서 오리온 우주선을 타고 가서 달에서 갈아탈 필요가 있느냐는 비판의 목소리도 높습니다(블루 오리진에서 인포그래피를 제작해 이에 대한 위험성을 지적하면서 비난했습니다).

1차 사업에서 탈락한 블루 오리진이 스타십을 비판하는 인포그래픽

자세한 내용은 해당 링크를 눌러 확인하고 싶으시다면 다음 링크를 클릭하세요!

Why Amazon founder Jeff Bezos’ space company thinks NASA is taking a big risk with Elon Musk’s SpaceX - Times of India

 

하지만 착륙용 다리는 개선되었고 스타십 HLS는 SLS의 비싼 운용비를 감안하면 훨씬 경제적이기도 합니다. 다만, NASA의 입장에서도 어마무시한 예산과 시간을 투입해 만든 SLS을 아예 쓰지 않을 수도 없을 것입니다. 238억 달러를 투자한 SLS뿐만 아니라 매우 다양한 프로젝트들에 의해 예산이 빠듯해진 NASA가 선택한 대안은 우주 산업의 민간 기업을 계획에 참여시키는 것이었고, 이러한 선택으로 NASA에서 단독으로 진행했을 때보다 그나마 SLS를 계획에 투입할 수 있는(?) 상황을 만들어 주었을 겁니다. 그런데 238억 달러나 투자한 SLS를 사용하지 않게 된다면, NASA는 아르테미스 계획에 민간 기업들을 끌어들인 이유를 망각하고 잘못된 선택을 반복하는 꼴이 됩니다.

 

요약하자면 여러 관점에서 비교해 봤을 때 단점이 있지만 그것들을 상회하는 장점들을 더 많이 가진 스타십 HLS를 선택하는 것이 NASA에서는 가장 합리적 선택을 한 것이라고 봐야겠습니다.

 

SLS(Space Launch System), 아르테미스 계획의 발사체[EP.03]

 

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