스페이스 클럽 스타십 부스터 캐치로 NASA, SpaceX, 아르테미스 3호 달 착륙에 더 가까워짐

[발사대]

슈퍼 헤비 부스터 12가 불과 7분 전에 출시되었던 패드로 돌아갑니다. 이미지: Adam Bernstein / Spaceflight Now.

인간을 달 표면으로 귀환시키려는 NASA의 계획은 시간에 맞춰 맞추기 위해 몇 가지 퍼즐 조각이 필요한데, 그 중 하나는 달 착륙선 자체입니다. 처음 두 차례의 계획된 유인 착륙은 스페이스X와 스타십 로켓에서 나온다.

스타쉽(Starship) 또는 그냥 쉽(Ship)이라고 불리는 로켓의 상부 스테이지의 변형이 아르테미스 3호 임무에 사용될 예정이다. 이 착륙선은 록히드 마틴이 제작한 오리온 우주선과 도킹하여 두 명의 우주 비행사를 달 표면으로 내려갔다가 다시 올릴 것입니다.

https://youtu.be/VyjYETLJjHs

스타십 프로그램은 2012년에 시작되었지만, NASA는 2021년 SpaceX와 28억 9,000만 달러 규모의 계약을 체결하여 아르테미스 3호 임무의 초석이 될 때까지 공식적으로 프로젝트에 참여하지 않았습니다. 2022년 11억 5,000만 달러 규모의 계약 수정으로 아르테미스 4호의 두 번째 유인 착륙이 추가되었습니다.

NASA의 유인 착륙 시스템(HLS) 프로그램은 스타십 개발과 아르테미스 5호 임무에 사용될 블루 오리진의 달 착륙선 블루문(Blue Moon) 계약을 감독합니다.

10월 스타십 플라이트 5호를 앞두고 스페이스플라이트 나우(Spaceflight Now)와의 인터뷰에서 HLS 부프로그램 매니저인 켄트 초잔키(Kent Chojancki) 박사는 로켓의 반복적인 시험 발사 하나하나가 NASA가 지켜볼 수 있는 빛이었다고 말했다.

"우리는 매우 관심이 있습니다. 우리는 부스터와 스타십의 성능에 관심이 있다"고 말했다. "우리는 그럴 때마다 많은 것을 배웁니다. SpaceX는 데이터, 데이터 검토, 앞으로 어떻게 나아갈지 이해하는 데 매우 적극적이었습니다."

신속한 재사용성

플라이트 5의 헤드라인을 장식한 하이라이트는 SpaceX가 "메카질라"라고 부르는 발사 타워를 사용하여 슈퍼 헤비 부스터를 성공적으로 포착한 것입니다. Chojancki는 HLS 사무실의 관점에서 볼 때 그 이정표에 성공적으로 도달하는 것은 SpaceX의 달 착륙 제안의 성공을 위한 핵심 요소인 신속한 재사용성을 잠금 해제하기 시작한다고 말했습니다.

"우리에게 흥미로운 점은 SpaceX가 제안하고 구현하고 있는 아키텍처의 경우 달에 가기 전에 지구 저궤도에서 추진체를 집계하기 위해 여러 번의 발사를 해야 한다는 것입니다." "부스터를 빠르게 재사용할 수 있다는 것은 이러한 흐름을 보여줍니다."

https://youtu.be/gWMYYu8ijoI

Chojancki는 SpaceX의 계획을 언급하면서 Starship의 유조선 버전을 궤도에 먼저 발사 한 다음 여러 차례의 연속적인 비행을 통해 다른 Starship을 보내 도킹하고 연료를 하역하여 저장소를 구축하려는 계획을 언급했습니다.

결국, 달 착륙 임무를 위해 HLS 버전의 스타십이 유조선에 도킹하고 저장된 연료를 받은 다음 지구 궤도를 떠나 달로 향합니다. 아르테미스 3호에서는 스타십이 오리온 우주선과 직접 도킹하지만 아르테미스 4호에서는 NASA의 게이트웨이 우주 정거장과 도킹합니다.

그러나 이러한 사건이 발생하기 전에 달에 무인 스타십 착륙 시연이 있을 것입니다.

"NASA가 우주비행사를 스타십에 태우기 전에 가지고 있는 요구 사항 중 하나는 그들(SpaceX)이 착륙한 다음 달 표면을 떠날 수 있는 무인 데모를 시연해야 한다는 것입니다. "우리는 완전한 복귀를 요구하지는 않지만, 그들은 표면에서 내려와 엔진을 시동할 수 있다는 것을 보여줄 것입니다."

추진제 이송

스타십 플라이트 5 이후를 내다보며, 초즈나키는 HLS 프로그램 사무소가 내년 추진체 이송 시연을 기대하고 있다고 말했다.

"우리의 첫 번째이자 다음 큰 이정표는 장기간(궤도 비행)과 추진체 이송입니다. 이것은 우리가 의무화하지 않은 첫 번째 테스트이지만, SpaceX가 NASA에 제안한 이정표이자 거기에서 나온 설계 검토인 첫 번째 테스트입니다"라고 Chojnacki는 말했습니다. "그래서, 우리가 그런 종류의 데이터를 실제로 조사하고, 끓는 것을 이해하고, 함선의 장기 지속 능력을 이해하고, 이제 그 테스트 동안 많은 것이 전송되고 있다는 것을 이해할 수 있는 첫 번째 기회입니다."

Ship-to-Ship 추진체 전송이 지구 저궤도에서 어떻게 작동할 것인지에 대한 렌더링. 그래픽: SpaceX

Chojnacki는 SpaceX가 연료 공급 캠페인을 시작하기 위해 2025년 3월을 보고 있으며 "'25년 상반기에 그 작업을 볼 수 있기를 희망한다"고 말했습니다. 그는 그 작업을 수행하기 위해 보카치카 해변 근처의 스타베이스 시설에 있는 두 개의 발사탑이 필요할 것이라고 말했다.

이 작업을 장기적으로 수행하기 위해서는 플로리다에 있는 NASA 케네디 우주 센터의 발사 단지 39A가 구상되어야 합니다. Chojnacki는 출시 속도를 크게 높여야 하며, 잠재적으로 격주 주기로 전환해야 할 것이라고 덧붙였습니다.

Chojnacki는 "각 패드에서 일주일에 한 번 발사하여 각 패드에서 2주의 처리 시간을 갖지만 약 일주일에 한 번 발사하여 올라가서 창고를 채우고 돌아와서 부스터와 탱커를 재사용하여 작업을 수행하는 작업"이라고 말했습니다. "그런 종류의 케이던스가 좋을 것입니다. 우리는 끓는 것이 무엇인지 정말로 모릅니다. 우리가 찾고 있는 초기 비행 실험 중 일부는 그 곡선이 어떻게 생겼는지 이해하기 위한 데이터입니다."

SpaceX의 Starship 로켓이 2024년 3월 14일 목요일에 프로그램 역사상 세 번째로 발사됩니다. 이미지: Adam Bernstein/Spaceflight Now

올해 초 스타십 플라이트 3에서 스페이스X는 2020년 수주한 5,320만 달러 규모의 NASA 티핑 포인트 계약의 일환으로 내부 추진제 이송 시연을 수행했습니다. 발표 당시에는 "10미터톤의 극저온 추진제, 특히 액체 산소를 스타십 차량의 탱크 간에 이송하는 대규모 비행 시연"이 목표였습니다.

Chojnacki는 다음 단계로 넘어가면 선박 대 선박 추진제 이송이 훨씬 더 어려울 것이라고 말했습니다.

"[Flight 3 데모]는 내부적으로 진행되었기 때문에 도킹을 할 필요가 없었습니다. 우리는 유체 커플 링을 얻을 필요가 없었습니다. 그래서 스타쉽에서 스타쉽으로 넘어가면서 복잡성을 높였다고 생각합니다"라고 Chojnacki는 말했습니다. "우리는 약 5%에서 전사 질량을 측정할 수 있었습니다. 이는 우리가 달성하고자 했던 목표를 정확히 달성했습니다."

"그들이 제안했던 것보다 더 많은 것을 전송했고, 우리는 그 데이터를 측정하고 역출할 수 있었습니다. 따라서 우리는 테스트와 해당 측정에 사용된 센서에 매우 만족하고 있으며 해당 지식을 Ship-to-Ship에 외삽할 수 있습니다."

NASA는 Starship을 개선하는 데 도움을 줍니다.

스타십 로켓은 스페이스X가 HLS 프로그램에 참여하기 몇 년 전부터 작업해온 것이지만, NASA 엔지니어들의 전문 지식으로부터 특히 많은 이익을 얻었다. Chojnacki는 SpaceX가 데이터 및 하드웨어 리뷰에서 나온 피드백을 수용했다고 말했습니다.

Chojnacki는 "우리는 일부 구성 요소를 테스트해 달라고 요청했고, 처음에는 '왜 내 크라이오 밸브를 원하는지 모르겠다'고 말했지만, 결국에는 크라이오 밸브를 사내로 가져와 테스트하고 개선을 위한 몇 가지 아이디어를 가지고 피드백을 제공했습니다"라고 말했습니다. "다들 '허허'라고 하더라고요. 일부 협업 팀이 함께 작업하고, 몇 가지 업데이트를 수행하고, 밸브를 다시 사내로 가져와 일부 성능을 실제로 개선했습니다."

"그래서, 우리가 그들을 지시한 것이 아니었습니다. '우리는 이것에 대한 몇 가지 아이디어가 있습니다'라는 것이 결정되었고, 그들은 HLS의 이익을 위해 이를 구현할 수 있었습니다."

2024년 3월 14일 3편(스타십 IFT-3)에서 비행한 스타십 상부 스테이지의 탑재 카메라에는 플라즈마로 둘러싸인 비행체가 대기권에 재진입하는 모습이 담겨 있습니다. 이미지: 스페이스 X

Chojnacki는 또 다른 공동 작업 영역에는 MMOD(micrometoroid and orbital debris) 및 극저온 추진제 열 보호 장치 개발이 포함된다고 말했습니다.

"우리가 SpaceX를 대신하여 몇 가지 사내 테스트를 수행한 곳은 우주용 MMOD 열 타일입니다. 따라서 재진입을 위한 열 차폐막이나 뜨거운 면이 아니라 MMOD 타일과 극저온 냉각을 유지하기 위한 반사 장치를 가질 수 있습니다"라고 Chojnacki는 말했습니다. "우리는 그 타일 몇 개를 가져와서 몇 가지 테스트를 했습니다. SpaceX는 Glenn Research Center와 Marshall의 테스트 기능 모두에서 이 기능에 매우 만족했습니다. 그래서 우리는 그 관계를 확장했고 그들을 위해 몇 가지 테스트를 할 수 있게 되었습니다."

텍사스 주 휴스턴의 존슨 우주 센터에 기반을 둔 우주 비행사 사무소도 HLS 스타십 변형을 개발하는 데 중요한 역할을 했습니다. Chojnacki는 우주 비행사들이 캘리포니아 호손에 있는 SpaceX 본사에서 "오피스 아워"라는 별명을 가진 월간 회의를 갖는다고 말했습니다.

이 세션에서 Chojnacki는 엄격하고 빠른 안전 요구 사항에 반드시 부합하지 않는 설계 요소에 대해 논의한다고 말했습니다.

우주비행사들은 스타십 내부의 승무원실 아래에 위치할 스타십 유인 착륙 시스템의 에어록을 본격적으로 제작하여 임무와 같은 기동을 수행하는 동안 완벽한 장비를 갖추고 있었습니다. 이미지: 스페이스 X

"그들은 그냥 앉아서 이것이 우리가 우려했던 것들 중 일부라고 말합니다. 이것들은 우리가 보고 싶은 것들 중 일부입니다. 그리고 그것은 부드러운 영향입니다. 이것이 왼쪽에 있고 이것이 오른쪽에 있는 것 사이에서 거래하는 경우, 우리는 다양한 이유로 오른쪽을 매우 선호한다고 말할 수 있습니다"라고 Chojnacki는 설명했습니다. "그래서 그들은 그것을 전달할 수 있습니다. 따라서 승무원과 상호 작용하는 시간을 갖는 것이 정말 중요했습니다."

우주 비행사들은 또한 Axiom Space와 협력하여 Starship 데모 내부 또는 엘리베이터 시스템과 함께 달에서 사용될 우주복 모형을 제작하는 것과 같은 통합 테스트 캠페인에도 참여했습니다.

"우리는 이를 위해 Axiom, 승무원 및 SpaceX 모두와 협력할 수 있었습니다. 우리는 또한 승무원 객실, 모형, 시각 자료, 일부 수면 공간, 실험실 및 Boca Chica에서 모형으로 건설되고 있는 모든 것을 살펴보았습니다"라고 Chojnacki는 말했습니다. "다음에 우리가 정말로 전체를 볼 수 있는 기회는 11월에 SpaceX로부터 설계 업데이트를 받아 검토할 것이고, 그 다음에는 내년에 있을 중요한 설계 검토에서 이를 살펴볼 수 있을 것입니다."

다음 단계는 무엇일까요?

SpaceX의 11월 설계 업데이트와 내년 추진제 전송 시연 외에도 SpaceX와 HLS 프로그램에서의 역할 외에도 SpaceX와 HLS 프로그램에서의 역할 외에도 여러 이정표가 남아 있습니다.

미국 항공우주국(NASA)과 스페이스X(SpaceX)는 스타십의 도킹 능력을 우주가 아닌 지구에 착륙시키기 위한 연구를 계속할 예정이다. 두 기관은 이미 올해 초 존슨 우주 센터에서 10일 동안 200개 이상의 도킹 시나리오를 수행했다.

SpaceX는 또한 궤도에서 Raptor 진공 엔진을 재점화하고 궁극적으로 궤도 공간을 벗어난 후 착륙을 시연해야 합니다.

2025년 여름, NASA와 SpaceX는 중요한 설계 검토를 실시할 예정이며, Chojnacki는 이를 통해 "그들의 설계를 살펴보고 우리가 가진 27가지 요구 사항을 어떻게 준수하는지 말할 기회가 될 것"이라고 말했습니다.

"이 27가지 요구 사항은 일부 안전 유형 요구 사항입니다. 남극에 착륙해야 합니다. 그래서 우리는 그들이 이러한 일련의 요구 사항에 대해 어떻게 진행되고 있는지 살펴볼 것입니다"라고 Chojnacki는 말했습니다. "그런 다음 SpaceX는 이러한 요구 사항을 검증하려는 방법을 우리에게 제안했으며 우리는 마지막에 그들의 검증을 승인하거나 승인하지 않을 권한이 있습니다."

"그리고 이 모든 것은 설계 인증 검토로 마무리될 것이며, NASA는 검증에서 얻은 모든 정보를 받고 '27가지 요구 사항 중 이러한 방식으로 모든 요구 사항을 충족했습니다. 우리는 이 디자인이 당신이 말한 것을 수행할 수 있도록 인증되었음을 인정합니다.'"

달에 착륙하는 스타십 시스템에 대한 아티스트의 일러스트레이션. 사진 제공: SpaceX

이 모든 것은 아르테미스 3호의 달 착륙까지 진행되고 있습니다. 2024년 초에 NASA는 해당 임무를 2025년 12월에서 2026년 9월로 연기한다고 발표했습니다. 그리고 또 다른 데이트 슬립이 분명히 가능성의 영역 안에 있지만, Chojnacki는 그가 앉아있는 곳에서 Starship이 보류가 될 것이라고 믿지 않는다고 말했습니다.

"그것이 바로 우리가 목표로 하고 있는 날짜입니다. 알려진 장애물은 없습니다. 우리는 처음으로 시연해야 할 것들이 있고, 우리는 그것들을 시연하러 갈 계획을 가지고 있다"고 말했다. "하지만 내 말은, 처음 접하는 것들이 있고, 가끔은 너를 물어뜯는 것들이 있어. 그래서 우리는 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있지만 이를 달성하는 데 알려진 장애물은 없습니다."

스페이스 클럽(Space Club)