[논현광장] 美 ‘스타십 로켓’ 여정이 주는 시사점

장영근 한국국가전략연구원 미사일센터장/前 한국항공대 교수

‘재사용’이 핵심…아직 절반의 성공
방열·재급유 고난도 기술 넘어서야
中과 유인 달탐사경쟁 험난한 파고

스페이스X의 거대한 스타십 로켓은 두 개 요소로 구성되어 있다. 슈퍼 헤비로 불리는 거대한 부스터와 스타십이라고 불리는 상단 우주선이다. 두 단계 모두 완전하고 신속하게 재사용이 가능하도록 설계되었다. 버전2로 알려진 현재의 스타십은 높이가 121m이고 총 39개의 랩터 엔진이 장착된다. 슈퍼 헤비에 33개, 상단 우주선에 6개의 엔진이 탑재되어 있다.

스타십 초대형 로켓은 2023년 4월 첫 발사 이후 11차례나 발사되었다. 그 과정에서 예정에 없던 급격한 폭발도 여러 번 있었다. 하지만 5차, 7차 및 8차 시험발사에서 세계 최초로 텍사스 남부 스타베이스 발사장의 메카질라 타워 기계 팔에 71m 높이의 1단 슈퍼 헤비 부스터를 안착시키는 환상적인 기동을 선보였다.

5~6차 시험비행을 통해 재사용 핵심기술을 가시화하였다. 버전2 체계의 첫 비행인 7~8차 발사에서 1단 부스터는 성공적으로 분리 및 귀환했지만, 상단 우주선은 추진계의 누설, 열 및 구조 스트레스 등에 의한 다중 고장으로 폭발하였다. 9차 발사에서는 첫 재사용 부스터를 사용하였으나 귀환을 위한 해상 착수 중 폭발하였다. 상단 우주선은 상승 중 계획된 속도 달성 후 추진제 누설 및 동체 자세제어 상실로 대기권 진입 중 폭발하였다. 결국 스페이스X는 올해 1월부터 5월까지 7~9차 발사에서 상단 우주선의 실패로 인한 기술적 한계를 맛보았다.

최근에 이루어진 10~11차 발사에서는 상단 우주선으로부터 스타링크 모의 위성의 전개 및 부스터와 우주선의 해상 착수를 성공적으로 수행했다. 10월 13일 11차 발사는 버전2 스타십의 마지막 비행이었다. 스페이스X는 내년부터 버전3의 스타십 발사체를 시험발사할 계획이다.

버전3는 높이가 124.4m인 더 큰 발사체이며 아직 검증되지 않은 업그레이드된 모델이다. 이 버전 3가 순조로운 성공을 거두어야 스타십 유인착륙시스템(HLS) 개발이 가능할 것이다. 예측하기 쉽지 않은 일이다.

지금까지 스타십은 여러 차례 준궤도 비행을 달성했다. 하지만 지구궤도를 선회하는 완전한 궤도진입은 아직까지 시도한 바도 없다. 달이나 화성 같은 목적지로의 임무에는 궤도진입 및 유지가 필수적이다. 궤도비행 후에 상단 우주선은 6개의 랩터 엔진을 사용하여 복잡한 궤도진입을 수행해야 한다. 스페이스X는 2026년에 상단 우주선의 궤도비행을 시도하고 스타베이스의 서비스 타워에 착륙할 계획이다. 이 기능은 2027년으로 예정된 아르테미스 3호의 유인 달 착륙 및 귀환 임무에도 필수적으로 요구된다. 아르테미스 3호의 경우, 우주비행사들은 미 항공우주국( NASA)의 우주발사시스템(SLS) 로켓과 오리온 우주선을 타고 달 궤도로 이동한 후 스타십 우주선으로 옮겨 타고 착륙해야 한다. 이는 결코 쉬운 일이 아니며 최고 수준의 첨단기술이 필요하다. 하지만 얼마나 걸릴지는 확실하지 않다.

스타십 로켓의 가장 큰 난관 중 하나는 우주선의 방열판 기술이다. 방열판은 지구 및 다른 행성의 대기권을 통과하는 동안 우주선을 보호하는 역할을 한다. 완전하고 신속한 재사용을 위해서 반드시 필요한 핵심기술이다.

또 다른 과제는 스타십 우주선이 달로 향하기 전에 저궤도에서 극저온 추진제를 급유하는 것이다. 이는 달과 화성으로 향하는 심우주 임무에 필요한 고난도 기술이다. 이 임무는 두 대의 스타십 우주선이 지구궤도에서 도킹한 후, 한 우주선이 다른 우주선에 연료와 산화제를 공급하는 과정을 포함한다. 극저온 추진제 이송이 궤도에서 우주선 도킹보다 더 어려울 것이다. 지금까지 지구궤도에서 우주선 사이에 재급유를 시연해 본 사례는 없었다.

스타십 우주선은 추진제 적재를 최소화하여 우주인을 포함한 탑재량을 극대화하기 위해 임무에서 지구궤도 재급유 절차가 필요하다. 스페이스X는 내년에 최초의 우주선 간 추진제 전송 시연을 목표로 하고 있지만 굉장히 어려운 일정으로 보인다. 그나마 이 모든 고난도 기술의 시연은 버전3 스타십 및 랩터 엔진의 개량이 성공적으로 완료되어야 한다는 전제가 필요하다.

결국 아르테미스 3호 유인 달 착륙을 위해 스페이스X의 스타십 로켓과 NASA의 SLS를 함께 사용하는 현재의 접근 방식은 과거 아폴로 프로그램보다 일정 및 기술 측면에서 리스크가 훨씬 더 크다. 중국과 유인 달탐사 경쟁을 하는 상황에서 새로운 접근법이 필요해 보인다.