팰컨 9

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버젼	v1.1 Full Thrust	V1.1	V1.0
운용 여부	운용중	퇴역	퇴역
높이	70m	68.4m	54.9m
무게	541,300kg	505,846kg	333,400kg
총 스테이지 수	2단
연료/산화제	케로신/액체산소
페이로드(LEO)	22,800kg	13,150kg	10,450kg
페이로드(GTO)	8,300 kg	4,850kg	4,540kg
운용 횟수	8회	15회(1회 실패)	5회
착륙 시도(성공/시도)	6/8	0/3	0/0

1 개요

미국의 민간기업 스페이스X에서 개발한 2단 우주발사체. 천조국에서는 민간기업이 웬만한 국가의 우주개발기관보다 낫습니다! 기존의 발사체에 비해 거의 절반 가까이 저렴한 발사비용과 로켓 사이즈에 비례해서 높은 효율성으로 일대 파란을 몰고 온 발사체이다. 민간기업도 우주개발에 주도적으로 참여할 수 있다는것을 확실히 각인시켜주는 부수적인 업적(?)도 있다. 현재 LEO까지 22,800kg의 화물을 발사하는 v1.1 Full Thrust 고객으로 부터 받는 1회 발사비용은 6200만 달러 정도이니 kg 당 약 2,700 달러라는 심각하게 싼 가격이고 재사용 로켓을 사용하는 경우에는 이것에서 30% 할인해 준다고 한다. 그러니 재사용이 본격화 되면 곧 발사비용이 kg 당 2천달라 선을 달성할 것이고 이는 아리안 로켓 등 경쟁업체들의 발사가격의 1/5 선에 불과하다. 한국형발사체로는 꿈도 꾸지도 못할 값싼 발사가격이다.

참고로 팰컨 9호가 아니라 그냥 팰컨 9이다. 9라는 숫자는 1단에 사용되는 엔진 개수를 뜻하는것.

2 개발

스페이스X사에서는 이전의 팰컨 1 로켓을 개발할때는 직접 자금을 충당했지만, 팰컨 9를 개발할때는 NASA라는 든든한 지원군이 있었다. NASA에서는 ISS에 화물을 실어나르는 비용에 부담을 느껴 이를 민간기업에 이양하려는 계획이 있었고, 이러한 COTS(Commercial Orbital Transportation Services) 계획에 화물수송에 사용할 수 있는 민간 발사체와 우주선 개발을 지원하기로 한것. 여기에 스페이스X사가 선정되면서 NASA의 자금과 기술 지원을 받으면서 개발을 할 수 있게 되었다. 이에 따라 개발된 발사체와 우주선이 팰컨 9와 드래곤이다.

1.0 버전은 2006년부터 개발을 시작하여 불과 4년만인 2010년에 첫 시험발사를 수행해 성공하였고, 2012년에는 최초로 상업적인 발사를 하였다. 엔진이 개량되고 배치가 약간 변경되는 등의 변화를 거친 1.1버전은 2010년에 개발을 시작해서 2013년에 첫 발사를 성공하였다.

3 특징

3.1 엔진

팰컨 9에 사용되는 멀린 1 엔진은 추력이 동급의 다른 엔진과 비교하면 굉장히 약한 편이다. 대신 스페이스X에서는 이 엔진을 9개 묶어서 1단에 사용하는 방식으로 추력의 한계를 극복하였다. 굳이 고추력의 엔진 1~2개 대신에 낮은 추력의 엔진을 여러개 묶은 이유는, 추력이 그다지 높지 않아 기술적으로 보다 간단하며, 여러개의 엔진을 만들어야 되므로 대량생산을 통해 제작비용을 절감할 수 있기 때문이다. 또한 한개의 엔진이 고장나더라도 다른 엔진을 이용해서 임무를 계속 수행할 수 있다는 장점도 있다. 실제로 첫번째 ISS 화물수송 임무 도중에 1단에서 한개의 엔진이 고장났지만 무사히 임무를 수행할 수 있었다. 전자제어 기술 수준이 너무 빈약했던 60년대에는 이런 클러스터 엔진 기술은 엔진 갯수가 많을수록 고장확률도 올라가는 위험부담이 큰 방식이었지만 최신 역학제어 시스템의 등장과 강화된 정밀생산능력으로 인해 오히려 경제적인 방식으로 변하게 된 것이다.

팰컨 9에서는 단순히 1단 엔진을 여러개 묶어서 쓰는것에서 더 나아가, 2단 엔진까지 멀린 엔진과 거의 같은 계열의 멀린 배큠(Merlin Vacuum) 엔진을 사용한다. 한 로켓 안에 들어가는 엔진이 전부 다 1종류밖에 없는 셈. 이러한 무서울 정도의 범용성으로 가격 절감과 신뢰성을 동시에 잡을 수 있었다.

3.2 재사용

스페이스X의 변태적인 야심을 엿볼 수 있는 부분. 위성을 우주로 쏘아올리기 위해 다 쓴 발사체를 그대로 버리는 현재의 방식에서 벗어나, 쓰고난 발사체가 스스로 날아서 다시 땅에 수직 착륙하는 새로운 방식의 발사체이다. 이러한 재사용 발사체에 대한 연구 자체는 70년대쯤부터 시작되었고 우주왕복선 역시 중앙의 연료탱크를 제외한 나머지 부분이 재사용 가능한 발사체였지만, 스페이스X에서는 한걸음 더 나아가 발사체의 모든 부분이 완전히 재사용 가능한 발사체를 구상중이다.

최종 목표는 위 동영상에서 보다시피 드래곤 우주선 뿐만 아니라 1단과 2단마저 지상으로 귀환시키는 것이다.

현재 2단 로켓 재사용 기술개발은 정지 또는 보류 중이다. 2단 로켓부터는 말이 좋아 재사용이지 그 기술의 수준을 생각하면 사실상 우주선 재돌입 후 재활용이기 때문이다(...) 기술을 개발해도 2단 로켓의 무게가 많이 늘어나다보니 도저히 수지가 맞질 않는다. 이런 짓을 무식하게 큰 유인 우주비행기로 30년간 자행하다 예산이 너덜너덜해진 전례도 있으니...

기본적인 원리는 이렇다. 로켓의 1단을 분리할 때 아직 연료와 산화제가 조금 남아있는 상황에서 분리를 한다. 그 뒤 RCS로 진입각을 잡고 그대로 낙하하다 상단부의 스티어링 핀을 펼쳐 약간의 감속효과와 각도 조정을 한다. 지면과의 거리가 좁혀지면 엔진을 재점화하여 감속, 착륙기어를 펼쳐 착륙한다. 2단은 조금 더 복잡한데, 대기권 바깥까지 나갔다가 다시 재진입하여 착륙해야 하기 때문이다. 이를 위해 2단의 윗부분은 열차폐 재질로 되어었어 이 부분을 대기와 마찰하여 대기권에 돌입한 뒤, 180도 돌아 엔진을 재점화, 감속하고 랜딩기어를 펼쳐 착륙한다.

물론 아직 개발중인 기술이며, 이를 위해 만든 시험용 1단 로켓이 바로 그래스호퍼와 F9R Dev. 1단짜리 몽당연필로켓이 발사대에서 하늘로 날아올랐다가 다시 제자리에 착륙하는 동영상을 봤다면 바로 이 로켓들의 시험 동영상을 봤을것이다. 자세한건 아래 팰컨 9-R 문단 참조.

일단은 2014년 2월에 첫 1단 재사용이 가능한 팰컨 9 로켓을 발사할 예정이라고 보도되었으나#, 2014년 중에 재사용 가능한 Falcon이 발사되지는 않았고 계속 개발과 시험 발사만을 반복했다. 일부 시험 발사는 계획대로 성공했지만# 공중에서 폭발한 경우도 있다.# 마침내 2015년 1월 10일, CRS-5 발사때에 드디어 재사용 가능한 Falcon 9이 발사되었는데, 바지선에 안전히 착륙하지 못하고 격돌, 바지선과 1단 모두 파괴/손상되었다. CRS-6는 착륙 실패, CRS-7은 발사 실패로 아직 갈 길이 멀어 보였으나...

2015년 12월 22일 드디어 1단 육상 착륙 실험이 성공했다!(착륙 장면은 32분 10초 부분부터 시작된다.) 11개의 저궤도 위성을 쏘아올리는 OBRCOMM-2 미션에서 1단의 착륙이 성공하였다 착륙 성공 이후 materials & process engineer인 MICHAEL HAMMERSLEY의 울 것같은 표정이 백미

그리고 2016년 4월8일(미국 동부표준시 기준) 드디어 바지선에서 1단추진체의 해상 착륙이 성공하였다!!! 바지선 착륙 시도로는 다섯 번 만에, 4전5기로 성공한 셈.

안정적인 육지기지에 착륙하지 않고 굳이 바다 위의 무인 바지선에 착륙하려는 이유는 1차로켓의 연소가 끝나면 바다 위인 경우가 대부분이라 육지기지로 돌아오려면 그만큼 연료가 필요하므로 연료를 많이 남겨야 하고 로켓에 실을 수 있는 화물도 줄어들게 되기 때문이다. 바다에서 회수하면 회수에 연료가 적게 들어 경제적으로 유리하다. 또 발사 궤도에 따라 회수 지점도 달라지는데 바다위의 바지선은 육상기지보다 훨씬 자유롭게 착륙 위치를 선정할 수 있다. 앞으로도 화물과 발사궤도에 따라 바지선과 육상 기지를 선택한다.

재미있는 점은 지금 실험용으로 쓰고 있는 착륙용 무인 바지선들의 이름이다. 하나는 "Just Read the Instructions (일단 설명서를 읽어봐)"이고, 두번째 선박은 "Of Course I Still Love You(당연히 당신을 사랑하지)"이다. 이언 뱅크스의 SF소설시리즈 '컬처'에서 나온 우주선들의 이름을 따온 것.

그 동안 착륙 테스트 영상(배경음악 주의)

4 버전

4.1 팰컨 9 v1.0

최초로 만들어진 팰컨 9. 2005년부터 2010년까지 개발되었다. 팰컨 1에서도 사용되었던 멀린 1C 엔진을 사용하며 1단 엔진 배열이 3x3의 정사각형 모양으로 배열된 것이 특징이다.

팰컨 9 v1.0의 엔진 배치

2013년 팰컨 9 v1.1이 개발되면서 이제 v1.0은 더이상 사용되지 않는다.

4.2 팰컨 9 v1.1

2010년부터 2013년까지 개발되었다. 멀린 1C 엔진을 개량한 멀린 1D 엔진을 사용하며, 연료탱크가 길어졌다.
또한, 1단 엔진 배열이 원형으로 배열되어있다.

팰컨 9 v1.1의 엔진 배치

400px
Falcon 9 1단 아래에 위치한 접이식 랜딩기어. 저 구조물이 펼쳐지며 착륙한다.

crs-7 미션 이륙중 폭발로 팰컨 9 v1.1 Full Thrust가 개발된 후 마지막 남은 재고를 2016년 1월 17일 Jason-3 위성 발사에 사용되었다.

2016년 1월 17일 Jason-3 위성 발사후 바지선에 착륙시켜 성공할 뻔했지만 발사 당시의 추운 날씨와 짙은 안개로 착륙지지대에 엉겨붙은 서리때문에 완전히 고정되지 않아 착륙 후 중심을 잃고 넘어지며 폭발했다. 엘론 머스크 인스타그램 착륙영상

이 미션 후 공식적으로 퇴역함.

4.3 팰컨 9 v1.1 Full Thrust

2015년 ISS 보급을 위한 CRS-7 미션에서 기존 팰컨 9 v1.1 엔진이 이륙중 폭발하여 진상조사를 거친 뒤 개발된 개량형이다

기존 팰컨 9 v1.1보다 더 길고(연료 탑재량 증가) 33%의 더 많은 추력을 낼 수 있다.
또한 연료와 산화제를 기존보다 더 낮은 온도로 탑재하여, 더 많은 연료를 실을 수 있다.

2015년 12월 22일(KMT) 팰컨9 발사체의 20번째 발사가 성공하였으며, Orbcomm-OG2 위성을 궤도에 안착시키고, 케이프커내버럴에 있는 제 1 SpaceX 착륙지점에 무사히 착지하는 쾌거를 달성했다. 실제로 화물을 우주로 보낸 후 무사히 로켓을 회수한 최초 사례다.

풀영상이며, 급하면 32분부터 보도록 하자.

편집된 3분 37초 영상. Space X의 발표에 따르면 무사히 착륙한 1단 로켓에 손상이 없어, 다시 사용할 수 있다고 한다. 기사

2016년 4월 8일 CRS-8 미션에서 드래곤 ISS용 무인보급선을 발사하고 돌아온 1단 로켓을 바지선(Drone ship) Of Course I Still Love You (물론 당신을 여전히 사랑해) 에 착륙시키는데 성공했다.

이 미션에서 수거한 팰콘9 엔진은 2016년 말에 다시 사용될 예정이다.

26분 40초부터 해설을 한다음에 드론으로 찍은 착륙영상이 나온다.

더 높은 화질의 영상

바로 전의 SES-9미션에서 착륙은 했으나 착륙지지대가 잠기지 않아 터졌던 만큼 이번엔 한번에 성공했고, 이로서 스페이스 X는 지상, 해상 가리지 않고 로켓을 수거할수 있게 되었으며 최초의 해상 착륙으로 볼 수 있다. 사람들의 환호성때문에 잘 들리지 않을 정도였다.

38분부터 보자. 29분 30초 부터 보자. 낚였다... 38분은 위성 궤도만 보인다.
이번 JCSAT-14 미션에서는 화물을 GTO까지 올리는지라 저번에도 실패했었기에 처음부터 착륙이 실패할거라 여겼으나, 한번에 성공했다! 영상이 잠시 멈췄다가 다시 나온다.

위성을 정지 궤도까지 보내기 위해선 1단 로켓을 보통 저궤도 위성을 올리는 것보다 높은 속도로 많은 양의 연료를 소모하며 발사해야한다. 이 때문에 Falcon 9은 이 미션에서 지구에 다시 돌아올때 높은 속도로 진입하면서도 역추진에 필요한 연료가 조금밖에 없어서 안정적인 착륙이 힘들어진다. JCAST-14미션에서 사용된 팰콘9 엔진 검사 결과 착륙한 다른 엔진보다 비교적 많은 프레임 데미지를 받았다고 한다.

풀영상이며, 21분 20초부터 보자.
2016년 5월 27일 Thaicom-8 미션에서 무사히 착륙하였다. JCAST-14미션과 같이 GTO미션이였다.

풀영상이다. 급하면 17분 40초부터 보자.
2016년 6월 15일 Eutelsat/ABS 미션. 이 미션도 위의 미션과 같이 GTO미션이었다.

평소보다 더욱 많은 연기를 내뿜으며 불이 붙은 상태로 착륙하였다. 엘론 머스크의 트윗에 따르면 착륙하기 바로 직전 액체산소가 고갈되어 엔진이 멈췄으며, 그 상태로 바지선과 충돌하여 RUD(rapid unscheduled disassembly: 계획되지 않은 급속 해체(?!))되었다고 한다.

멀리서 찍었던 착륙 당시 영상이다. 착륙하기 약 0.5초 전쯤에 공중에서 엔진이 멈추고, 몇 초 후 로켓이 기울어지는 것을 볼 수 있다.

16:36부터 이륙, 24:38 착륙이다.
2016년 7월 18일 CRS-9 미션으로, ISS에 화물을 공급하는 LEO 미션이다.
1단 로켓은 Landing zone 1에 무사히 착륙하였다. 작년 12월 22일 미션에 이어 두번째로 팔콘9가 육지에 착륙한 미션이 되었다.

1단이 분리된 후 몇 초 후에 boostback burn이 시작되어 화면 왼쪽에 밝은 작은 점이 보인다.
자세히 보면 분리된 후 RCS로 로켓을 약 180도 돌리는 것을 확인할 수 있다. 그 후 로켓은 엔진을 점화하여 발사된 지점 근처의 착륙 지점으로 향하게 된다.

회수된 로켓을 지상위에서 추진하는 실험 중에 있다.

2016년 8월 13일 JCSAT-16 발사 영상이다. JCSAT-14 때처럼, GTO 미션이다.
17:00 부터 이륙, 25:28 부터 착륙이다.

2016년 9월 1일, AMOS-6 위성이 발사 이틀 전 발사대에서 테스트를 진행하던중 폭발하는 초유의 사태가 벌어졌다. 다행히 인명피해는 없었지만 로켓과 위성이 화재로 소실되었다. AMOS-6 위성은 페이스북이 아프리카 사하라사막 지역 등 인터넷 사각지대에 무료 인터넷 보급을 5년간 9500만달러(약 1066억원)에 임대했던 위성이다.

5 팰컨 9-R

R은 Reusable의 약자이며, 말 그대로 재사용 가능한 팰컨 9이다.
이전에는 '재사용 가능한 버전의 팰컨 9' 라고 서술되어 있었으나, Falcon 9-R은 기존 Falcon 9에 랜딩기어를 장착하여 재사용이 가능하게 만드는 계획이며, 이 계획의 이름이 적용된 실험용 로켓과은 있으나 위에서 서술된 통상적인 Falcon 로켓을 의미하는 버젼명은 아니다.
즉, CRS-6에 사용된 발사체는 분리 후 낙하. 대기 진입중 역추진하여 ASDS에 착륙하려다 실패했는데, 이는 Falcon 9-R 계획이 적용된 Falcon v1.1에 CRS-6이 실려 발사된 것으로 정리할수 있다.

시작 시기는 Falcon v1.0과 Falcon v1.1 사이이며, 초기에는 Grasshopper 로켓을 이용해 실험하였으며, 그 이후에는 F9R Dev1, 2를 이용해 시험비행을 하였다.

Grasshopper는 Falcon 9 v1.0의 연료탱크에 멀린-1D엔진을 조합에 접이식이 아닌 착륙지지대를 부착한 형태이다.

744m까지 상승후 제자리에 착륙하는 시험을 헥사콥터로 촬영한 영상.

F9R Dev는 Falcon v1.1 1단부에 연료탱크를 키우고 엔진을 하나만 장착한 형태이며, 지지대는 CRS-6의 발사에 쓰인 Falcon 9 처럼 접이식이지만 펼친상태로 발사된다.