스페이스X 랩터엔진 전격 분석 정리

지금바롱 2024. 10. 14.

랩터엔진 설명에 들어가며..

최근 스페이스X는 메카질라로 슈퍼 헤비 부스터를 성공적으로 회수하면서 로켓 재사용의 새로운 이정표를 세웠습니다. 이번 비행에서는 출력 조절이 고도로 정밀하게 작동한 랩터엔진이 핵심적인 역할을 했습니다. 슈퍼 헤비 부스터에 장착된 수십 개의 랩터엔진은 강력한 추진력을 제공했고, 비행 후에는 완벽한 회수를 통해 다시 사용할 수 있는 엔진임을 증명했습니다.

이 랩터엔진은 스페이스X의 과거 엔진들과 비교해 기술적 진보를 보여주며, 기존의 멀린엔진을 넘어서는 최신 기종입니다. 멀린엔진은 스페이스X의 Falcon 9 로켓에 사용되어 수많은 성공적인 발사를 이루었지만, 랩터엔진은 그보다 더 강력한 추력과 효율성을 자랑하는 차세대 엔진입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 랩터는 빠르고 강력한 맹금류를 떠올리게 하며, 이는 엔진이 가진 성능을 상징합니다.

랩터엔진은 왜 메탄을 사용할까?

로켓 연료 중에서 액체 수소(LH₂)는 비추력(Specific Impulse, ISP)이 가장 높은 연료로 알려져 있습니다. 액체 수소는 연소 시 매우 많은 에너지를 방출하며, 비추력이 매우 뛰어납니다. 하지만 그렌데도 불구하고 스페이스X는 랩터엔진에서 메탄(CH₄)을 연료로 선택했습니다. 그 이유는 액체 수소의 저장과 취급이 매우 까다롭기 때문입니다.

액체 수소는 극저온에서만 액체 상태를 유지하며, 그 온도는 약 -253°C로 유지되어야 합니다. 이러한 온도에서 연료를 저장하고 관리하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 또한, 수소 분자는 매우 작아 저장 탱크에서 누출될 위험이 높고, 취급 시 폭발 위험도 큽니다.

반면, 메탄은 -162°C에서 액체 상태를 유지할 수 있으며, 수소 대비하여 상대적으로 안전하고 취급이 쉬운 연료입니다.

따라서, 메탄은 저장과 취급의 복잡성을 줄이고, 장거리 우주 비행을 염두에 둔 안정적이고 효율적인 연료로 선택되었습니다.

*비추력 : 연료 질량 대비 얻을 수 있는 추진력

그럼 일반 화석연료 중에선 왜 메탄일까?

일반적인 지금까지 로켓 연료는 그 사용량이 매우 많아 RP-1(등유 기반 연료) 정제가 복잡하지 않게 많은 양을 뽑아낼 수 있는 등유를 사용했습니다. RP-1의 경우 복잡한 탄소 사슬로 구성되어 있습니다. 하지만, 메탄(CH₄)은 단 하나의 탄소 원자와 네 개의 수소 원자로 이루어져 있어 탄소 찌꺼기가 적게 발생합니다. 이는 카본 축적물이 덜 생기므로, 랩터엔진을 반복적으로 사용할 수 있는 중요한 이유입니다.

또한, 메탄은 일반 화석연료 중에선 비추력(Specific Impulse, ISP)이 높습니다. 메탄 사용을 통해 로켓의 연소 효율을 극대화하는 데 유리하며, 연소 과정에서 화학적 안정성도 높습니다.

더 나아가 메탄은 화성에서 직접 채굴할 수 있는 자원으로, ISRU(In-Situ Resource Utilization) 기술을 통해 화성에서 연료를 직접 생산할 수 있는 장점도 있습니다.

5년 뒤 전공 시험에 나올 거 같은 "풀 플로우 연소 시스템"

랩터엔진은 메탄(CH₄)과 액체 산소(LOX)를 연료와 산화제로 사용합니다.

랩터엔진의 혁신적인 특징 중 하나는 풀 플로우 연소 사이클(Full Flow Staged Combustion Cycle)입니다. 이 시스템의 구동 방식은 아래와 같습니다.

연료와 산화제 탱크를 따로 두고서 개별 예비연소기(Preburner)에서 부분적으로 연소시킵니다.
해당 연소 과정에서 생기는 팽창력을 사용해 터빈을 돌립니다. (저압, 저온)
터빈의 축은 터보펌프와 연결되어 있어 터보펌프도 같이 구동됩니다. (고압, 고온)
연소하 이전에 상당한 고압 고열의 상태로 변한 연료와 산소가 노즐을 통해 주연소실로 들어가면 완전 연소를 하며 커다란 추진력을 냅니다.

이 과정은 매우 복잡하며, 모든 시스템이 정밀하게 조정되어야 합니다.

연료와 산화제를 따로 나누는 이유는 뭘까?

터보펌프의 효율 극대화: 각각의 연료 풍부(Fuel-Rich) 예비 연소기와 산화제 풍부(Oxidizer-Rich) 예비 연소기는 터보펌프를 구동하는 데 사용됩니다. 연료와 산화제를 완전히 연소시키지 않고, 부분 연소한 고온 가스를 터보펌프에 사용함으로써, 최대의 압력과 에너지를 생성할 수 있습니다.
터빈과 펌프의 냉각 및 안정성: 예비 연소기를 통해 부분적으로 연소 연료와 산화제가 터보펌프의 터빈을 구동하는 동안, 각 연소기의 연료 또는 산화제가 불완전 연소 상태에 있기 때문에 온도가 상대적으로 낮아 터빈과 펌프의 냉각을 돕습니다. 이렇게 나누어 연소함으로써 열 관리가 가능하고, 시스템의 안정성을 높일 수 있습니다.

연소 단계별 추정 온도와 압력

예비 연소기	1,000°C ~ 2,000°C	300 Bar 이상
주 연소실	3,300°C ~ 3,600°C	300 Bar 이상

재생 냉각 시스템: 열을 관리하는 스마트한 방법

랩터터엔진은 **재생 냉각 시스템(Regenerative Cooling)**을 사용하여 연소 과정에서 발생하는 극한의 열을 관리합니다. 이 시스템은 차가운 메탄 연료를 엔진의 연소실 벽을 따라 흐르게 하여, 뜨거운 연소실과 맞닿는 방식으로 열교환을 이루어 냅니다. 연료는 연소실 벽의 열을 흡수한 후 주 연소실로 들어가 연소하며, 이로써 연소실이 과열되지 않도록 보호합니다.

랩터엔진에 사용되는 금속 재질

랩터엔진은 극한의 온도와 압력을 견디기 위해 여러 고성능 합금을 사용합니다. 특히, 인코넬(Inconel)과 같은 니켈 기반 초합금은 주 연소실과 터빈 부품에서 사용되며, 고온에서 우수한 내구성을 제공합니다. 또한, 구리 합금은 주 연소실 라이너에 사용되어 열을 효과적으로 분산시키는 역할을 하고, 탄소-탄소 복합재(Carbon-Carbon Composites)는 노즐 끝부분과 같은 고온 부위에서 사용됩니다.

금속 재질 특성과 사용 부위

인코넬 (Inconel)	니켈-크롬 기반 초합금으로 고온 환경에서 우수한 내구성과 내식성 제공.	주 연소실, 터빈 부품
구리 합금 (Copper Alloy)	높은 열전도율로 열을 효과적으로 분산하여 엔진의 과열을 방지.	주 연소실 라이너
탄소-탄소 복합재 (Carbon-Carbon Composites)	매우 높은 내열성으로 2,000°C 이상의 온도에서도 구조적 안정성 유지.	노즐 끝부분 등 초고온 부위
스테인리스강 (Stainless Steel)	강도와 내구성 높고 부식에 강함.	주 엔진 구조체 및 외부 부품

앞으로의 과제와 친환경적 발전

랩터엔진은 우수한 성능을 자랑하지만, 아직 해결해야 할 몇 가지 도전 과제가 남아 있습니다. 장기적인 내구성은 아직 여러 번의 재사용을 통해 검증되어야 합니다. 극한의 온도와 압력을 반복적으로 견뎌야 하므로, 장기적인 사용에서 부품의 마모나 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 지속적인 테스트와 개선이 필요합니다.

또한, 연소 불안정성(Combustion Instability) 문제는 해결해야 할 중요한 과제 중 하나입니다. 고압에서의 연소는 진동과 압력 변화를 초래할 수 있으며, 이는 엔진의 효율과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

마지막으로, 친환경성 부분에서도 랩터엔진은 진보를 이루고 있습니다. 메탄을 사용함으로써 기존의 탄화수소 연료보다 탄소 배출량을 줄일 수 있으며, 화성에서 채굴할 수 있는 자원을 사용하는 방식으로 우주 탐사에서 지속 가능한 연료 활용을 모색하고 있습니다. 그러나 랩터엔진은 여전히 화석 연료를 기반으로 작동하기 때문에, 장기적으로 더 친환경적인 에너지원으로 전환하기 위한 노력이 필요합니다. 미래에는 탄소 배출을 최소화하고 지속 가능성을 강화하기 위해 대체 에너지나 연료 기술이 도입될 수 있습니다.