스페이스 클럽 ATMOS Space Cargo가 재진입 캡슐을 통해 유럽의 우주 비행의 미래를 형성하는 방법

[발사총책임자]

우주 기반 연구 및 제조가 증가함에 따라 저렴하고 안정적으로 페이로드를 지구로 반환하기 위한 시장이 부상하고 있습니다. 유럽의 스타트업 ATMOS Space Cargo는 팽창식 열 차폐막을 중심으로 제작된 차세대 재진입 차량으로 이러한 요구를 충족하고 있습니다.

이미 비행 테스트를 거친 이 새로운 시스템은 유럽을 궤도 물류 분야에서 강력한 경쟁자로 자리매김했습니다. NSF는 ATMOS Space Cargo의 창립자이자 CEO인 Sebastian Klaus와 재진입에서 살아남는 것에 대해 이야기하고, 유럽의 다음 큰 우주 돌파구가 왜 올라가는 것이 아니라 내려가는 길에 있을 수 있는지에 대해 이야기했습니다.

이 기술은 2022년 11월 기술을 성공적으로 시연한 NASA의 팽창식 감속기(LOFID)의 저궤도 비행 테스트를 기반으로 합니다. 이 임무는 넓은 표면적을 활용하여 항력을 발생시켜 대기권 진입 시 우주선의 속도를 늦추도록 설계된 새로운 유형의 에어로쉘을 테스트하는 것을 목표로 했습니다. LOFID는 2009년부터 일련의 준궤도 테스트를 비행한 기관의 극초음속 팽창식 공기역학 감속기(HIAD) 프로젝트의 일부였습니다.

https://youtu.be/sFls6q_sDPU

이 프로젝트는 저비용 지구 귀환 임무의 보다 즉각적인 이점 외에도 달 화물 귀환 또는 화성에 무거운 페이로드를 착륙시키는 데 사용할 수 있는 더 가볍고 컴팩트한 팽창식 열 차폐를 개발하고자 했습니다. 이 팽창식 방패가 전개되고 모양을 유지할 수 있음을 입증한 이 테스트는 극초음속 재진입 중 구조적 무결성을 검증하고 이 개념이 실제 대기 가열 및 감속을 견딜 수 있음을 입증하기 위해 계속되었습니다.

"우리는 NASA가 이륙한 곳을 기반으로 차량을 설계했으며, 인플레이션 기술에 몇 가지 특별한 세부 사항을 추가했습니다"라고 Klaus는 설명합니다. "수십 년에 걸친 대기 재진입 연구를 기반으로 하지만 현재 존재하는 가장 진보된 기술입니다."

이 개념은 자동차의 방열판과 그 앞에 형성된 주변 충격층 사이의 경계층에서 고에너지 공기를 추출하는 것을 포함합니다. 이 포집된 흐름은 그런 다음 차량에 압력을 가하고 팽창시키는 데 사용됩니다. 이는 새롭고 다소 직관적이지 않은 접근 방식으로, 구조를 고온 플라즈마에 노출시키고 고온 경계층 공기를 기능적 자산으로 제어하고 용도 변경합니다.

LOFTID 시범기는 회수선의 갑판에서 회수되었습니다. (제공: NASA)

피닉스 1

이 회사의 데뷔작인 피닉스 1호는 최근 4월 21일 스페이스X의 밴드왜건-3 승차 공유 임무(500km 저궤도(LEO)에 대한 중간 경사 임무로 비행했다. Phoenix 1은 초기 비행 데이터를 수집하기 위해 제한된 예산으로 MVP(Minimum Viable Product)로 빠르게 구축되었습니다.

캡슐은 다른 페이로드가 배치되는 동안 Falcon 9의 상단 스테이지에 부착된 상태로 유지되었습니다. 피닉스 1호는 마침내 로스앤젤레스 상공에서 임무를 시작한 지 약 90분 만에 상부의 궤도 이탈 기동에 따라 분리되었다.

클라우스는 "스페이스X는 우리에게 대기권으로 들어갈 수 있는 약간의 킥을 제공함으로써 우리에게 큰 호의를 베풀었다"며 "이는 우리가 자체 추진력을 가져올 필요가 없다는 것을 의미했다"고 강조한다. 이를 통해 캡슐의 초기 설계가 단순화되고 탑재 추진력에 문제가 발생할 위험도 제거되어 캡슐이 궤도에 남을 수도 있습니다.

Bandwagon-3 임무 중 배치된 Phoenix 1의 온보드 모습. (제공: SpaceX)

약 30분 후, 피닉스 1호는 재진입을 시작했고 결국 남대서양에 착륙했습니다. 원래 계획은 피닉스가 인도양의 마다가스카르 동쪽으로 재진입하는 것이었고, ATMOS는 선박을 사용하여 캡슐을 회수하는 데 6개월을 보냈습니다.

이 변경으로 인해 수개월에 걸친 복구 준비를 폐기할 수 있을 만큼 스플래쉬다운 위치가 변경되었고 새로운 계획을 세울 시간이 거의 남지 않았습니다. 이 소식은 금요일에 전해졌고, ATMOS는 즉시 GNC(guidance, navigation, and control) 팀을 분주히 움직여 주말 내내 일했습니다. 일요일 저녁이 되자 그들은 피닉스 1호가 하강하는 동안 사용할 수 있는 다양한 지상국을 식별하는 것을 포함한 해결책을 찾았습니다.

"우주로 따지면 5주는 아무것도 아니기 때문에 말 그대로 브라질의 정글에 안테나를 설치하고, 에콰도르의 지상국에서 일했으며, 커뮤니티의 많은 아마추어들이 우리를 지원했습니다." 이 아마추어 지상국은 많은 UHF 데이터를 수집하여 ATMOS가 트랙을 따라 135,000개 이상의 텔레메트리 포인트를 수집하는 데 도움이 되었습니다.

궤도에 있는 피닉스 1호의 렌더링. (제공: ATMOS Space Cargo)

브라질 해안에서 약 2,000km 떨어진 새로운 착륙 지점은 피닉스가 하강을 완료하는 동안 이미지와 데이터를 캡처하기를 희망했던 전세 항공기의 범위를 벗어났습니다. Klaus는 "재진입의 마지막 단계는 정전되었습니다"라고 말하며, "지상국의 범위를 벗어났기 때문에 스플래시다운까지 데이터를 확보할 수 없었습니다. 우리는 조종석 앞 유리 아래에 Starlink 터미널이 있는 작은 단일 엔진 프로펠러 비행기를 임대했습니다. 우리는 이곳 유럽에 있는 임무 관제 센터와 실시간으로 연결되었습니다. 정말 거칠었어요. 우리는 약간 즉흥적으로 해야 했습니다!"

이 시연에서는 독일 항공우주센터(DLR)의 방사선 모니터와 영국의 프론티어 스페이스(Frontier Space)와 일본의 IDDK를 위한 페이로드 등 4개의 페이로드도 데이터를 반환했습니다.

재사용성을 위한 설계

기존의 재진입 캡슐은 일반적으로 추진 장치, 태양 전지판 및 탱크가 포함된 서비스 모듈과 분리되는 반면, Phoenix는 완전히 재사용할 수 있도록 설계되었습니다. 클라우스는 "우리의 목표는 모든 것을 되찾는 것"이라며 피닉스 2호가 자체 추진 시스템, 태양 전지판, 항공 전자 공학 및 통신 기능을 갖춘 상태로 내년 여름에 비행할 것이라고 언급했다. 이것은 지속 가능한 결정만큼이나 경제적인 결정이며, ATMOS는 현실적인 기대를 가지고 이에 접근하고 있습니다. 그는 "우리 모두는 SpaceX를 통해 궤도 속도에서 무언가를 되돌려 재사용하는 것이 얼마나 어려운지 반복해서 보았지만, 그것이 우리가 목표로 하는 것"이라고 덧붙였다.

팽창식 방열판이 있는 Phoenix 1의 렌더링. (제공: ATMOS Space Cargo)

ATMOS는 대기를 통해 페이로드를 지구로 되돌려 보내는 데 주로 초점을 맞추고 있습니다. 이 회사는 2023년 여름 이후 시드 펀딩을 받은 후 빠르게 성장했습니다. NASA의 국제우주정거장(ISS) 활용 통계 문서를 연구한 결과, 생물의학 연구가 ISS에서 수행되는 주된 연구 유형이며 유망한 다운매스 시장이 될 것이라는 사실이 분명해졌습니다. 예를 들어 단백질 결정화, 인체 조직의 3D 프린팅, 암 및 노화 과정에 대한 연구 등이 있습니다.

이 팀은 ISS에서 사용되는 "미드 데크 로커"로 알려진 표준 크기의 페이로드를 중심으로 설계된 차량을 제작하기 시작했습니다. Klaus는 "우리는 ISS와 동일한 조건, 즉 가압 대기, 전력 및 데이터 제공 측면에서 차량을 제작하고 완전히 자동화되거나 원격으로 제어되는 방식으로 차량을 만들 수 있다면 아마도 고객을 찾을 수 있을 것이라고 말했습니다"라고 설명했습니다. 이 설계는 100kg의 가반하중과 100와트의 전력을 제공하는 3개의 사물함을 수용할 수 있도록 설정되었습니다.

원칙이 확립된 후 팀은 첫 번째 프로토타입을 제작하기 시작했습니다. "우리는 항상 이것이 팽창식 열 차폐막이 될 것이라고 말했습니다"라고 Klaus는 말합니다. "2년도 채 안 되는 기간에 끝내야 할 프로젝트였어요! 유럽의 이 지역에서 독특한 점 중 하나는 예를 들어 미국의 모든 지역에 반드시 있을 필요는 없는 파트너와 공급업체가 많다는 것입니다." 독일의 강력한 자동차 산업이 이미 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트에 익숙했기 때문에 ATMOS는 현지 리소스를 활용하여 예산에 맞게 프로젝트를 개발할 수 있었습니다.

재진입 중 피닉스의 렌더링. (제공: ATMOS Space Cargo)

Phoenix 1의 완성 된 디자인은 총 질량이 250kg이고 직경이 1.5m, 길이가 1.2m로 SpaceX의 Transporter 및 Bandwagon 승차 공유 임무의 XL 슬롯에 맞도록 특별히 설계되었습니다.

피닉스 2

다음으로 발사될 Phoenix는 유럽 스타트업 ISP Tech의 추진기를 사용하는 자체 추진 시스템을 탑재할 것입니다."이것의 좋은 점은 친환경 추진 장치라는 것입니다. 에탄과 아산화질소"라고 클라우스는 지적했다. 그는 추진기에 사용되는 히드라진의 표준 선택은 독성이 있다고 지적하며, 추진기에 잔류물이 남을 위험이 있기 때문에 보잉의 X-37B와 같은 착륙 차량으로 연료를 공급하거나 복귀할 때 지원 승무원이 보호복을 착용해야 한다고 지적합니다. 그는 "특히 회수한 다음 다시 출시하려는 재사용 가능한 차량이라면 차량에 그런 것을 장착하고 싶지 않을 것"이라고 말했습니다.

참고 항목

• 유럽의 미래 우주 포럼
• Bandwagon-3 미션 포럼
• NSF 스토어
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이 작은 추진기는 290초의 인상적인 특정 충격을 제공합니다. 이 중 6대는 피치 및 요 제어에 사용되며, 더 작은 추진기는 롤 제어를 제공하여 Phoenix가 궤도 이탈 시 재진입 궤적을 제어하고 필요한 스테이션 유지를 수행할 수 있도록 합니다.

다음 비행은 2주에서 4주 동안 궤도에 머물다가 약 150m/s로 감속한 후 재진입할 것입니다. "다음 비행 계획은 산타 마리아로 날아가는 것입니다. 대서양에 포르투갈에 속한 섬이 있기 때문에 유럽 영토로의 첫 번째 재진입이 될 것입니다!" 클라우스가 말했다. 캡슐은 100kg의 페이로드로 용량까지 채워집니다. 아직 스플래시다운까지 데이터를 받지 못했기 때문에 약간의 위험이 남아 있습니다. 그러나 ATMOS는 대부분의 데이터가 실제로 생성될 임무의 궤도 단계에 대해 전적으로 확신하고 있습니다.

이 회사는 캡슐 착륙의 정확도에 대해서도 마찬가지로 확신하고 있으며, 시뮬레이션에서 목표물에서 100m 미만의 정밀도를 달성했습니다. "예를 들어 드래곤으로는 지금 당장 달성할 수 없는 것인데, 이 클래식 차량은 몇 킬로미터 고도에서 낙하산을 터뜨리고 거기에서 바람과 함께 떠내려가기 때문입니다. 물에 닿을 때까지 끝까지 조종할 수 있기 때문에 매우 정확하게 착륙할 수 있습니다."

Phoenix 제어 표면의 렌더링(제공: ATMOS Space Cargo)

차량의 도넛 디자인은 의도적으로 비대칭이며 차량의 질량 중심이 한쪽으로 오프셋됩니다. "이렇게 하면 차량이 양력 벡터를 생성하는 받음각으로 비행하게 됩니다"라고 Klaus는 설명합니다. 뱅크 각도 기동으로 알려진 이 리프트의 방향을 조정하면 차량이 대기권에 재진입할 때 왼쪽, 오른쪽, 위 또는 아래로 구부러질 수 있습니다. 두 개의 공기역학적 표면이 캡슐 뒤쪽에 위치한 작은 롤 제어 추진기와 함께 이를 제어합니다. "우리 기술의 멋진 점은 궤도에서 대기를 처음 느끼는 진입 인터페이스 지점을 거쳐 바다에 내려앉을 때까지 모든 방법을 사용할 수 있다는 것입니다."

Tmos는 경쟁자가 거의 없으며, 그 중 Varda Space와 Inversion Space는 모두 귀환 캡슐의 최종 하강을 위해 낙하산을 적용합니다. Phoenix는 표면적이 크고 질량이 낮기 때문에 낙하산이 필요하지 않아 모양이 본질적으로 낙하산 역할을 할 수 있습니다. 이른바 탄도 계수는 NASA의 LOFTID 시범기보다 낮습니다. "아주 느리게 날고 있잖아요." 클라우스가 설명한다. "스플래쉬다운에서는 종단 속도가 초당 15미터 미만이며, 이는 5미터 또는 10미터 계단에서 수영장으로 뛰어내리는 것과 같습니다. 이것이 시스템을 매우 단순하게 유지하는 이유이며, 우주 비행에서는 단순함이 가장 중요합니다. 시스템이 적을수록 실패할 가능성이 줄어듭니다."

이를 염두에 두고 ATMOS는 육지보다 충격의 충격이 훨씬 적은 바다 상륙에 편안함을 느낍니다. 해수 부식은 시스템과 재사용성에 영향을 미칠 수 있는 문제로 남아 있지만 SpaceX는 Dragon 캡슐로 이 문제를 해결할 수 있음을 입증했습니다.

궤도에 배치된 피닉스의 렌더링. (제공: ATMOS Space Cargo)

Tmos는 내년 여름에 향상된 Phoenix 2 차량을 출시할 계획이며, 같은 해 말이나 2027년 초에 또 다른 캡슐을 출시할 계획입니다. 그런 다음 연간 3회 또는 4회까지 운항을 시작하여 월간 항공편으로 늘릴 것입니다.

"우리의 목표는 궁극적으로 우주에서 지구까지 승차 공유 서비스를 가능하게 하는 것입니다"라고 Klaus는 말합니다. "Transporter 또는 Bandwagon으로 올라갈 때 얻을 수 있는 것은 내려가는 길에도 사용할 수 있기를 원합니다. 중간 갑판 사물함이나 큐브샛 크기의 페이로드, 어쩌면 대학 페이로드가 있는 경우, 우리는 정기적으로 우주로 보내고 다시 돌아올 수 있기를 원합니다. 저는 이것이 특히 연구 커뮤니티에 큰 차이를 만들 것이라고 생각합니다."

이 차량은 발사대에 구애받지 않도록 설계되었으며 기본 위성과 함께 보조 페이로드를 운반하고 배치하는 데 사용되는 구조적 어댑터인 표준 24인치 ESPA 분리 링과 호환됩니다. 이를 통해 Phoenix는 New Glenn, Ariane 6 및 Vega에서 발사하거나 Electron 및 Spectrum과 같은 더 작은 로켓으로 발사할 수 있습니다. 그는 "현재로서는 SpaceX가 가장 신뢰할 수 있는 발사대이자 가장 비용 효율적인 발사대이기 때문에 다음 임무에서 SpaceX와 함께 비행할 가능성이 높다고 생각한다"고 말했다.

향후 사용 사례

이 임무를 위해 애트모스는 포르투갈 우주국과 협력하여 두 번째 임무에 맞춰 필요한 재진입 허가를 획득하고 있습니다. "우리는 그 차량을 유럽 땅으로 다시 가져올 수 있기를 매우 고대하고 있습니다"라고 Klaus는 덧붙입니다. ATMOS는 미래를 내다보며 ISS를 대체할 다양한 상업용 우주 정거장의 진행 상황을 면밀히 모니터링하고 있으며, 필연적으로 지구로 귀환할 페이로드를 가진 더 많은 연구 고객을 호스팅하고 있습니다.

낙하 테스트를 준비하는 Phoenix 프로토타입. (제공: ATMOS Space Cargo)

Phoenix 3는 이미 설계 단계에 있으며, 이를 통해 탑재 중량을 약 1,000kg으로 늘릴 수 있습니다. Klaus는 약 25,000kg의 계산된 한계에 도달할 때까지 이를 훨씬 더 확장할 수 있다고 지적합니다. 이 시점에서 제곱 입방 규칙은 가스와 인플레이션 시스템의 결합 질량이 열 차폐에 비해 엄청나게 무거워질 것임을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고 그는 "25톤은 이 기술로 우주에서 다시 가져올 수 있는 완전히 채워진 선적 컨테이너를 의미하므로 많은 가능성을 열어줍니다"라고 말합니다.

이 회사는 현재 ARX Robotics와의 파트너십을 통해 군대를 위한 신속한 대응 및 지점 간 응용 프로그램을 모색하고 있습니다. 이 기술은 향후 더 작은 로켓 상부 스테이지를 반환하는 데에도 적용될 수 있으며, 이후 유럽연합 집행위원회(European Commission)와 ICARUS(Inflatable Concept Aeroshell for the Reuse of Upper Stages) 프로젝트를 계약했습니다. 클라우스는 스페이스X의 스타십이 증명했듯이 상위 단계로 돌아가는 것이 특히 어렵다고 강조한다.

"우리가 살펴보고 있는 사용 사례 중 하나는 Vega 상단 스테이지입니다. 이는 확장 가능한 기술이므로 Ariane 6 상단 스테이지와 같은 것을 다시 가져오는 데 사용하는 것이 좋으며, 이것이 바로 팽창식 열 차폐막이 실제로 설계된 이유입니다.

ICARUS 프로젝트는 약 2년 안에 준궤도 시연을 목표로 하고 있으며, 그 후에는 궤도 테스트로 넘어갈 수 있기를 희망합니다. Klaus는 서비스 및 재사용을 위해 위성을 반환하는 기술에서도 이 기술의 유사한 잠재력을 볼 수 있습니다.

"아스트로스케일(Astroscale)과 클리어스페이스(Clearspace)와 같은 훌륭한 회사들은 이미 우주에서 위성을 붙잡아 대기권으로 끌어올릴 수 있는 능력을 연구하고 있습니다. 이제 그 기술을 우리의 기술과 결합하면 우주 왕복선 시절 이후로 우리가 갖지 못한 정말 멋진 기능이 될 것입니다!"

(리드 이미지: 지구 대기권에 재진입하는 피닉스 우주선의 렌더링. 사진 제공: Atmos Space Cargo)

스페이스 클럽(Space Club)