스페이스 클럽 새로운 연구는 Starship의 실제 소음 수준을 밝힙니다. SLS와 Falcon 9의 차이점을 보여줍니다.

[발사총책임자]

스페이스X가 2023년 4월 첫 비행 시험을 위해 스타십과 슈퍼 헤비를 발사했을 때, 이 로켓은 대부분 슈퍼 헤비의 33개의 랩터 엔진 덕분에 지금까지 비행한 것 중 가장 강력한 로켓이 되었습니다. 이처럼 스타십은 매우 시끄럽고, 과학자들과 정부 기관들은 스타십이 1년에 수백 번 발사되는 발사 주기가 환경에 미칠 수 있는 영향에 대해 오랫동안 논의해 왔다.

스타십이 다섯 번째 비행 시험 이후 한 달도 채 지나지 않아 여섯 번째 비행 시험에 가까워지고 있는 가운데, 스페이스X가 2025년에 가능한 한 규칙적이고 신속하게 발사할 계획인 것은 분명하다. 이에 따라 유타주 프로보에 있는 브리검 영 대학교(BYU)의 과학자 팀은 발사 및 부스터 착륙에 대한 음성 데이터를 수집하기 위해 스타십의 다섯 번째 비행 시험을 위해 스타베이스를 방문했다. 팀은 6번 비행을 위해 스타베이스로 돌아와 NSF 사이트에서 데이터를 수집하고 있습니다.

그 결과 일부 건전한 지표는 2024년 FAA의 가장 최근 환경 평가(EA)에 제시된 것과 일치하는 반면 EA의 일부 예측은 틀린 것으로 나타났습니다. 또한 연구팀은 스타십의 이착륙 소음 수준을 NASA의 우주발사시스템(SLS)과 스페이스X의 주력 로켓인 팰컨9 로켓의 소음과 비교했다.

브리검 영 대학교 물리학 및 천문학과의 켄트 지(Kent Gee)가 이끄는 팀은 스타십의 발사와 슈퍼 헤비의 착륙/착륙 당시의 소음 수준이 어땠는지, EA가 예측한 것과 실제 소음 수준이 어떻게 비교되는지, 스타십의 소음이 SLS 및 팰컨 9과 어떻게 비교되는지, 그리고 슈퍼 헤비의 착륙 소닉 붐은 착륙 중 팰컨 9 부스터의 소닉 붐과 어떻게 비교됩니까? 스타십의 다섯 번째 비행 시험은 슈퍼 헤비에 대한 테스트 프로그램의 첫 번째 캐치 시도였으며, Gee 등은 발사 중 소음 수준뿐만 아니라 착륙 중 소음 수준과 부스터 및 핫 스테이지 링의 소닉 붐을 조사할 수 있는 기회를 얻었습니다.

https://youtu.be/6yd_cpPP4fE

스타십은 현재 텍사스주 보카치카에 있는 스페이스X의 스타베이스 생산 및 발사 시설에 있는 궤도 발사대 A(OLP-A)에서 발사되고 있습니다. 이륙 시 슈퍼 헤비의 바닥에 있는 33개의 랩터 2 엔진이 모두 점화되어 총 74.4메가뉴턴의 추력으로 OLP-A에서 슈퍼 헤비와 스타십을 밀어냅니다. 이는 1,670만 파운드의 추력에 해당합니다. 비행 시작 2.5분 후에 주 엔진 차단(MECO)이 발생하고 슈퍼 헤비의 랩터 엔진 3개를 제외한 모든 엔진이 정지됩니다.

MECO에 이어 스타십과 슈퍼 헤비는 분리되었고, 스타십은 궤도를 계속 돌고 슈퍼 헤비는 스타베이스로 돌아와 OLP-A의 발사대에서 두 개의 "젓가락" 팔에 잡혔다. 또한, 스테이지 분리 후에는 스타힙의 점화로부터 슈퍼 헤비를 보호하는 핫 스테이지 링이 분리됩니다. 스타십이 인도양에 착륙한 위치를 감안할 때, Gee 등은 착륙에 대한 사운드 데이터를 수집할 수 없었다.

발사 및 착륙 과정에서 Gee 등은 발사 지점에서 9.7km에서 35.5km에 이르는 OLP-A 주변의 8개 지점에서 음향 및 압력 데이터를 수집했습니다. 많은 사이트는 위치와 주변 환경이 다양했습니다. 한 곳은 호텔 꼭대기에 위치했고, 두 곳은 주변 소음 수준을 낮추기 위해 국립 야생동물 보호구역에 위치했습니다.

Gee et al.의 연구에 사용된 8개의 음향 및 압력 데이터 수집 장소의 위치를 보여주는 주석이 달린 지도 이미지. (출처: Gee et al./Landsat/Copernicus)

OLP-A에서 발사된 스타십과 슈퍼 헤비, 슈퍼 헤비가 발사 타워에 잡히는 5차 비행 시험이 성공하자 Gee 등은 각 현장을 방문하여 데이터를 수집했습니다. 데이터 분석 중에 팀은 데이터를 분할하고 발사 중 생성된 소리와 부스터 착륙 시 생성된 소리/소닉 붐을 분석했습니다(핫 스테이지 링의 진입 및 착륙은 부스터 착륙 데이터에 포함되었습니다).

발사 소음을 분석할 때 팀은 발사 소음 데이터를 EA의 예측 수준과 비교하고 발사 소음을 SLS 및 Falcon 9의 소음과 비교하기 위해 FAA의 EA에서 생성된 단일 발사 메트릭을 계산했습니다. 특히, Gee et al.은 분석에서 A-weighting과 Z-weighting을 사용했습니다. A-가중치 사운드 데이터를 통해 과학자들은 인간의 귀가 감지하는 사운드 레벨을 설명할 수 있는 반면, Z-가중치 사운드 데이터는 과학자들에게 자연스럽고 변경되지 않은 사운드 레벨을 제공합니다. A-weighting과 Z-weighting은 발사 시 Starship이 생성한 소리의 실제 특성을 완벽하게 파악할 수 있도록 Gee et al.에게 제공하기 위해 발사의 최대 소음 수준 데이터에 적용되었습니다. 또한 Gee et al.은 주어진 시간 동안 경험한 총 사운드 에너지의 양을 측정하는 SEL(Sound Exposure Level) 메트릭을 사용했습니다.

부스터 착륙 소음을 분석할 때 Gee 등은 부스터 귀환으로 인한 소닉 붐으로 인한 과압 이벤트를 측정하기 위해 8개 사이트의 압력 데이터를 분석했습니다. 소닉 붐을 더 잘 이해하고 이를 다양한 다른 소닉 붐 생성 이벤트(예: 팰컨 9 부스터 착륙, 비행 중인 콩코드 등)와 비교하기 위해 계산된 인식 수준(PL) 메트릭도 생성되었습니다. 마지막으로, 소닉 붐에 의해 생성된 소음과 발사 중에 생성된 소음을 비교하기 위해 소닉 붐에 대해 A 가중치 SEL을 계산했습니다.

분석을 통해 Gee 등은 발사 및 착륙 시퀀스에서 가장 중요한 4가지 음향 및 압력 이벤트, 즉 발사, Super Heavy의 소닉 붐, 착륙 연소 중 Super Heavy의 엔진에서 발생하는 소음, 멕시코만에 착륙하는 동안 핫 스테이지 링에서 생성된 소닉 붐을 성공적으로 식별할 수 있었습니다. 또한, 연구팀은 슈퍼 헤비의 랩터가 이륙 및 착륙 시 내는 강렬한 딱딱거리는 소리로 인해 쇼크와 같은 파형 특성이 생성되었으며, 이는 스타십의 5차 비행 테스트의 수많은 이미지와 비디오 영상에서 볼 수 있었다고 언급했습니다.

스타십의 다섯 번째 비행 테스트의 압력 대 시간 그래프. 주황색 화살표/그래프는 발사 소음, 파란색 화살표/그래프는 슈퍼 헤비의 소닉 붐, 빨간색 화살표/그래프는 부스터 착륙 발사 소음, 녹색 화살표/그래프는 핫 스테이지 링 소닉 붐을 나타냅니다. (제공: Gee et al.)

흥미롭게도, Gee et al.의 데이터를 EA에 제시된 예측과 비교할 때, Gee et al.의 A-weighted SEL 데이터와 EA의 A-weighted SEL 예측 간에 상당히 큰 불일치가 발견될 수 있습니다. EA는 발사 및 착륙 기간 동안 Starship이 생성하는 총 사운드 에너지를 측정하는 SEL 값을 Laguna Vista 및 Brownsville과 같은 곳에서 약 10-19dBA로 과대 예측했습니다. Z 가중치 데이터를 보면 최대 Z 가중치 발사 소음은 35입니다. 5km는 EA의 소음 예측보다 9데시벨 더 컸습니다. Gee et al.은 논문에서 이러한 불일치가 EA에 사용된 모델의 단점을 강조하며 플로리다 및 그 외 지역의 Starship 발사장을 위해 생산된 미래의 EA에 대해 이러한 모델에 대한 개선을 모색해야 한다고 지적했습니다.

Gee et al.은 놀랍게도 Super Heavy가 착륙하고 잡히는 동안 발생하는 최대 소음이 Super Heavy가 발사 시 33개의 엔진을 모두 점화할 때 발생하는 소음의 양과 동일하다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 슈퍼 헤비의 착륙 소리가 발사 소리만큼 큰 이유에 대한 보다 자세한 조사가 필요하며, 발사 소음과 초음속 파형을 설명하는 데 사용되는 유체 역학 및 공기 음향학의 많은 부분이 매우 복잡하다고 지적했다.

착륙 중 Super Heavy가 생성한 소닉 붐과 관련하여 Gee et al.은 붐이 비대칭이었다고 지적합니다. 발사 현장에서 각각 10.1km와 16.6km 떨어진 두 곳의 데이터 수집 스테이션에서는 차량 경보기가 울렸고, 발사 장소에서 14.5km 떨어진 스테이션에서는 다른 두 곳보다 소닉 붐으로 인한 과압 현상이 더 컸음에도 불구하고 차량 경보가 울리지 않았습니다.

https://youtu.be/hI9HQfCAw64

연구팀이 계산한 PL에 따르면 슈퍼 헤비는 부스터에서 20km 떨어져 있을 때 약 110dB의 소음 수준을 초래하는 소닉 붐을 생성합니다. 초음속 콩코드 항공기가 내는 소닉 붐과 비교해 볼 때, 슈퍼 헤비는 콩코드보다 약 50% 더 큰 소닉 붐을 냅니다. 팰컨 9 부스터의 소닉 붐은 20km에서 약 90dB의 소음을 생성하며, 이는 Starship보다 약 20dB 낮습니다. 일반적으로 슈퍼 헤비의 소닉 붐에 의해 생성되는 과압 이벤트는 EA에서 모델링된 것보다 약 1-4psf(평방 피트당 파운드) 더 큽니다.

그러나 전반적으로 Gee et al.은 데이터에서 가장 중요한 결론 중 하나는 Starship의 발사 소음 수준과 SLS 및 Falcon 9의 발사 소음 수준 간의 차이라고 지적합니다. 연구팀은 스타십이 이륙 시 A-가중(A-weighted) 및 Z-가중(unweighted) 소음 지표 모두에서 SLS와 Falcon 9보다 훨씬 더 많은 소음을 생성한다는 것을 발견했습니다.

팰컨 9과 비교했을 때, 스타십 한 번의 발사로 인해 발생하는 소음은 최소 10번의 팰컨 9 발사와 같습니다. SLS가 이륙 시 Starship의 전체 추력의 절반 이상을 생성함에도 불구하고 Starship은 SLS보다 훨씬 더 큽니다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 스타십 1회 발사는 소음 발생과 관련하여 4-6회의 SLS 발사와 같습니다. 로켓에서 발생하는 소음에 대한 수많은 다른 연구에서 가설을 세웠듯이, 이러한 소음 수준의 중요한 차이는 로켓의 1단계 엔진 구성 때문일 수 있습니다. 예를 들어, 새턴 V는 SLS보다 전체 추력이 적었지만 SLS보다 2데시벨 더 많은 소음을 발생시켰는데, 이는 새턴 V의 첫 번째 단계의 클러스터 엔진 구성 때문일 수 있습니다.

Starship과 SLS/Falcon 9의 발사 수준 소음 차이를 보여주는 표. "L"은 달리기 레벨에서 가장 많은 음향 에너지를 나타냅니다. (제공: Gee et al.)

그들의 연구에서 Gee et al.은 여러 곳에서 추가 데이터 수집 및 분석의 필요성에 주목합니다. SpaceX가 Starship의 발사 주기를 계속 늘리고 발사 간격을 줄임에 따라 점점 더 많은 음향 및 압력 측정 기회가 제공될 것이며, 이를 통해 Gee 등과 같은 과학자들은 연구 결과를 더욱 수정하고 과학자와 엔지니어가 Starship의 사운드 프로필의 범위를 진정으로 파악할 수 있습니다.

결론적으로, Gee et al.의 데이터는 Starship과 관련된 모든 사람들에게 발사와 착륙을 모두 포함하는 완전한 Starship 발사에서 생성되는 실제 소음 수준을 이해할 수 있는 기회를 제공합니다. 앞서 언급했듯이 SpaceX는 궁극적으로 1년에 Starship을 수백 번 발사할 계획이며, Gee 등의 연구 결과는 SpaceX와 정부 기관이 세계에서 가장 강력하고 가장 시끄러운 로켓이 발사장 주변 환경에 소음과 관련하여 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

Gee 등이 Starbase에 있는 동안 NSF는 연구에 사용된 데이터 수집을 지원했습니다.

지 교수의 연구는 11월 15일 JASA Express Letters 저널에 게재되었다.

또한 최근 NSF Flame Trench 쇼에서 Dr Gee가 그들의 목표에 대해 논의하는 것을 들을 수 있습니다.

https://youtu.be/Vuxjvb-8VTc

6편에서 더 많은 데이터가 수집될 예정이며, 브리검 영 대학교 팀은 텍사스 남부로 돌아가 스타베이스에 있는 NSF 기지 여러 곳에 장비를 설치할 예정이다.

스페이스 클럽(Space Club)