성장의 주체가 바뀌는 우주 산업

초창기 우주 산업은 2차 세계대전 이후 독일의 로켓 기술이 미국과 러시아로 전해지고, 냉전 시대를 겪으며 대륙간 탄도 미사일, 핵 억지력 확보와 같은 안보 이슈와 이데올로기 경쟁 심화에 따른 체제의 우월성 홍보 목적 등을 기반으로 발전하기 시작했습니다. 또한 기술 개발 난이도가 높고 위험부담이 컸던 만큼 막대한 투자가 필요해 국가 주도 산업으로 발전할 수밖에 없었습니다.

하지만 탈 냉전 이후 우주 산업은 효율성을 중시하는 기조 하에 경제적인 부가가치를 창출하기 위한 방법을 찾기 시작했으며, 1984년 로널드 레이건 대통령이 상업 우주발사법(Commercial pace Launch Act, CSLA)을 제정하며 민간의 참여가 확대되기 시작했습니다. CLSA 법안은 우주 산업의 상업화 촉진 정책을 제도화한 최초의 시도라는 점에서 의의를 가집니다. 이후 여러 가지 우주 관련 법 개정을 통해 민간의 참여를 지속적으로 유도했으며, 2004년 기존의 상업 우주발사법 확대 개정을 통해 민간 주도의 우주 비행이 합법화되며 민간 기업 중심의 상업 우주 산업이 본격적으로 개화하기 시작했습니다. 이러한 제도 변화와 맞물려 로켓과 위성의 개발 및 운용 등 우주 프로젝트를 전적으로 책임지던 NASA의 역할도 민간 기업에게 우주 프로젝트의 수행을 맡기고 성과에 따라 개발비 등의 보조금을 지급하는 형태로 변모하였습니다.

NASA는 COTS, CRS, CCDev 등의 프로그램을 통해 민간 기업에게 보조금을 지급했습니다. 대표적인 민간 우주기업인 SpaceX는 무인 화물선과 유인 우주선을 국제우주정거장에 보내는 COTS(Commercial Orbital Transportation Service) 프로그램으로 약 2.8억 달러(11년 1.2억 달러 추가 투자로 총 3.96억 달러 보조금 수령), 우주정거장에 화물 및 보급품을 수송하는 CRS(Commercial Resupply Services)로 16억 달러의 보조금을 수령하는 등 사업 초기에 필요한 개발 자금을 마련할 수 있었습니다.

2014년 NASA의 보고서에 따르면 SpaceX는 COTS 프로그램을 통해 Falcon 9 로켓과 Dragon 우주선을 개발하는 과정에서 기존 NASA의 우주 개발 방식에 비해 획기적으로 비용을 절감하였습니다. NASA의 원가 모델인 NAFCOM(NASA Air Force Cost Model)은 Falcon 9 개발 비용을 최소 4억 4,300만 달러에서 최대 40억 달러로 추정했지만, 실제 Falcon 9의 개발 및 시험에 소모된 비용은 약 4억 달러로 추정치 대비 최대 10배 이상 저렴했습니다. 또 Dragon 우주선의 정확한 개발 비용은 공개되지 않았지만, Falcon 9의 개발비(4억 달러)가 포함된 NASA의 투자금 3.96억 달러와 SpaceX의 자체 자금 4.54억 달러로 충당이 가능했습니다.

게다가 NASA는 민간기업들의 투자로 인하여 단독으로 프로젝트를 수행했을 때에 비해 발생하는 비용을 절반 이상 줄이는 효과도 얻었습니다. 이렇듯 정부는 민간 지원에 따른 비용 절감 효과를 통해 새로운 우주 프로젝트를 진행하고, SpaceX, Blue Origin 등 민간 우주 기업들은 정부 지원을 발판 삼아 재사용 발사와 같은 혁신적인 우주기술을 개발하며 뉴스페이스 시대의 성장을 이끌고 있습니다.

향후 우주 산업은 더욱 민간이 주도하는 형태로 변화할 것으로 예상됩니다. 하지만 1톤 이상의 실용위성급 우주발사체를 발사한 국가가 7개국에 불과할 정도로 우주 산업이 매우 기술집약적인 산업이라는 점에서 핵심 기술력을 보유한 소수의 기업 중심으로 성장이 집중될 것으로 전망합니다. 더불어 우주 산업이 가진 안보적 관점과 높은 개발 난이도 및 리스크, 그리고 대규모 투자의 필요성 측면에서 여전히 국가는 중요한 위치를 차지할 것으로 보입니다.

우주 산업의 특징

국가 주도의 우주 산업은 오래된 역사를 가진 반면, 민간 중심의 상업 우주는 역사가 짧으면서도 발전 속도는 매우 빨라 산업에 대한 표준화가 되어 있지 않다는 문제가 있습니다. 이에 시장 조사 업체마다 우주 산업을 분류하는 기준이 다르며, 산업 내 빠르게 성장하는 부문과 쇠퇴하는 부문의 차이가 명확해 매출액 기준으로 성장률을 보면 성장 산업으로 보이지 않는 착시 현상이 발생합니다. 또한 핵심 기술에 대한 보안 관리가 엄격해 기술력을 보유한 소수의 플레이어 중심으로 시장 성장이 이뤄지고 있어 정보도 제한적입니다.

OECD는 우주 산업의 범위를 업스트림과 다운스트림, 우주 기술을 이용한 기타 산업의 세 단계로 구분하고 있습니다. 업스트림은 우주 인프라를 구축하기 위한 로켓 발사체와 위성, 지상 장비 등과 같은 제조 분야로, 위성 발사를 위한 제어 및 설계 기술 등과 같은 시스템을 포함합니다. 다운스트림은 우주 인프라를 활용한 통신, 항법, 지국관측 등 운영서비스를 통칭하고 있으며, 우주기술을 이용한 기타 산업은 우주 기술이 타 산업으로 이전되어 새로운 산업을 창출하는 것을 의미하기 때문에 그 영향력을 정확하게 파악하기는 어렵습니다.

WEF와 McKinsey는 23년 기준 글로벌 우주 산업은 직접 관련이 있는 우주 분야(3,300억 달러)와 연관된 파생 산업까지 포함하여 총 6,300억 달러의 시장 규모를 가졌다고 추정했습니다. SIA는 글로벌 우주 산업의 규모를 4,000억 달러로 예상했으며 관련 분야를 위성 산업(2,850억 달러)시장을 기준으로 나누고 위성 제조, 발사 서비스, 위성 서비스, 지상 장비 등 영역으로 세분화하고 있습니다.

이렇듯 우주 산업은 높은 시장 관심에 비해 명확하게 분류되어 있지 않아 시장 규모를 파악하기 어렵지만, 23년 기준 글로벌 반도체 산업의 규모가 약 5,330억 달러라는 점에서 우주 산업도 절대적인 규모가 매우 큰 시장임을 알 수 있습니다. 현 시점에서 우주 산업을 주도하고 있는 민간 기업들이 발사체, 위성 등 기술 개발에 주력하고 있다는 점을 고려할 때 SIA에서 사용하는 분류 기준을 중심으로 시장의 규모를 파악하는 것이 가장 합리적이라고 판단합니다.

SIA는 세부적으로 위성 산업을 위성 제조, 발사 서비스, 위성 서비스, 지상 장비 등으로 나누고 있습니다. 이 중 지상 장비 시장(GNSS 장비, 기지국, 게이트웨이 등)이 1,500억 달러 규모로 가장 크며 위성 서비스 시장이 1,100억 달러로 두 번째로 큰 시장입니다. 한편 우리에게 익숙한 위성 제조(172억 달러)와 발사 서비스 시장(72억 달러)의 합산 매출 비중은 위성 산업 내에서 약 8.5%로 상대적으로 작은 시장 규모를 가졌습니다. 하지만 우리는 시장 규모는 작지만 성장 속도가 빠른 발사 서비스와 위성 제조 그리고 위성 서비스 시장(특히 위성 인터넷)의 성장에 주목하고 있습니다.

발사 서비스 시장

발사 서비스와 위성 제조 시장은 아직 매출 규모가 작지만 소수의 민간 기업이 핵심 기술력을 기반으로 시장 성장을 이끌고 있습니다. 또한 우주 산업이 더욱 본격적으로 성장하기 위해서는 산업의 기본이 되는 발사 비용의 개선과 고성능 위성 개발이 필수라는 점에서 규모 대비 우주 산업에서 가장 중요한 분야라고 평가할 수 있습니다.

실제 발사 서비스 시장은 가장 많은 혁신이 이뤄지고 있는 분야입니다. 재사용 발사체 기술과 효율적인 로켓 엔진 개발, 3D 프린터를 활용한 부품의 간소화 등을 통해 로켓의 제작 및 발사 비용은 빠르게 감소하고 있습니다. 이에 매출 기준으로는 P의 가파른 하락으로 성장이 더뎌 보이는 특징이 있으나 가격 하락으로 우주 발사체의 발사 횟수(Q)는 매년 빠르게 증가하고 있습니다. 게다가 이러한 비용 절감 효과로 인해 24년 기준 순수 상업 용도의 발사체 발사 비중이 64%까지 확대되는 등 수익성을 기반으로 한 민간 중심의 우주시대가 가속화되고 있습니다.

좀 더 세부적으로 살펴보면, 재사용 발사체 기술이 고도화된 2020년을 기점으로 미국의 우주 발사체 발사 횟수가 빠르게 증가하고 있으며 24년 기준 미국이 발사 서비스 시장의 절반 이상을 차지하며 독보적인 경쟁력을 확보하고 있습니다.

다만 후발주자로 평가받는 중국이 발사체 시장에서 점유율을 확대하고 있다는 점을 눈여겨 볼 필요가 있습니다. 우크라이나-러시아 전쟁 이후 발사체 시장에서 유럽과 러시아의 비중은 감소했지만 중국은 발사체의 발사 횟수를 늘리며 미국과의 양강 구도를 공고히 했습니다.

물론 아직까지 대부분의 프로젝트가 정부 중심으로 실행되고 재사용 발사체가 아닌 일회용 로켓을 주력으로 활용하고 있으나, 24년 19건의 상업용 로켓이 발사되는 등 중국 내 민간의 참여도 빠르게 증가하고 있습니다. 만약 중국이 재사용 발사체 기술을 확보하게 될 경우 중국의 우주굴기도 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다.

위성 제조 시장

위성 제조 시장도 페이로드 비용의 가파른 하락 영향으로 빠른 성장이 예상됩니다. 위성 제조 시장도 발사 서비스와 유사하게 매출보다는 우주로 발사되는 위성 페이로드, 즉 위성의 숫자(Q)가 얼마나 빠르게 증가하는지를 통해 시장 성장세를 가늠할 필요가 있습니다. 위성 제조 시장의 매출은 고가의 정보위성 발사 유무에 따라 연도별 변화가 큰 반면, 상대적으로 제조비용이 낮은 저궤도 위성 중심으로 산업의 구조가 바뀌고 있기 때문입니다.

위성 제조 시장도 발사 서비스 시장처럼 2020년 이후부터 가파르게 성장하고 있으며, 24년을 기준으로 위성 제조 분야에서 미국이 차지하는 비중은 약 80%까지 증가해 발사 서비스 시장보다 더 독점적 시장을 형성하고 있습니다. 이 같은 변화를 야기한 주요 원인은 위성의 유형별 변화 추이를 살펴보면 알 수 있습니다. 특히 2019년부터 시작된 저궤도 통신 위성의 수요 증가가 큰 영향을 미쳤는데, 2020년대 이후부터 우주로 발사되는 위성의 약 80%가 통신용 위성으로 채워지고 있습니다. 이 중 SpaceX의 Starlink와 OneWeb의 저궤도 통신 위성이 시장의 대부분을 차지하고 있습니다.

다만 발사 서비스와 위성 제조 시장의 경우 발사체를 발사하거나 위성을 궤도에 올리기 위해서는 사전에 ITU와 같은 국제기관의 승인과 FAA, FCC와 같은 국내 규제 기관의 허가가 필요합니다. 이들이 사용하는 주파수와 궤도 자원은 한정적이므로 각국에서 국가의 주요한 자산으로 여기고 있기 때문입니다. 이에 압도적인 기술력을 보유했다고 하더라도 나홀로 성장할 수 없다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 하지만 오히려 한정적인 자원이라는 특징으로 인해 이를 선점하기 위한 국가와 기업의 경쟁이 치열해지고 있어 향후 규제 변화에 따라 성장이 가속화할 가능성이 높습니다.

위성 서비스 시장은 약 1,100억 달러 규모로 위성산업에서 상당히 큰 비중을 차지하고 있으며, 크게 통신 서비스와 원격 센싱으로 나뉩니다. 이 중 특히 통신 서비스 분야에서 가장 빠른 성장이 나타날 것으로 전망하며, 그 중에서도 민간 서비스 시장에 주목할 필요가 있습니다. 위성 서비스 시장도 세부적으로 살펴볼 필요가 있는데, 특히 시장 내 비중이 가장 큰 민간서비스 시장에 포함된 위성 TV 부문의 부진 영향을 고려할 필요가 있습니다. 전통적인 서비스인 위성 TV 부문의 매출은 약 772억 달러로 민간 서비스 시장의 대부분을 차지하고 있으나, 23년 기준 매출이 전년대비 8% 역성장하는 등 꾸준하게 시장이 축소되고 있습니다.

하지만 우리가 주목하는 시장은 광대역 통신을 지원하는 브로드밴드 분야로 위성 인터넷 서비스 시장입니다. 현재 브로드밴드 영역의 매출은 48억 달러 수준으로 아직 절대적인 시장 규모는 작지만, 발사체 및 통신 위성 기술의 발전으로 지상망과 위성망의 인프라 비용 격차가 빠르게 좁혀질 것으로 예상됩니다. 물론 위성망의 대표격으로 볼 수 있는 Starlink의 서비스 비용은 아직 일반적인 지상망 서비스에 비해 훨씬 비쌉니다.

하지만 넓은 영토를 가진 국가들은 증가하는 지상 네트워크 확장 비용으로 인해 소외된 지역에 통신 네트워크를 확장하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 과도한 비용 대비 약한 시장성으로 지연된 한국의 5G 네트워크 투자도 이와 유사한 사례로 볼 수 있습니다. 바이든 행정부는 낙후된 통신 인프라 투자를 촉진하기 위해 B.E.A.D라는 정책을 통해 약 425억 달러의 보조금을 지급하기로 결정하기도 했습니다. 이는 광통신 유선망과 연관된 보조금이지만 향후 위성망 사업 구축에도 유사한 지원이 이어질 수 있을 것으로 보입니다.

정책 지원과 더불어 기술 발전에 따른 고성능 위성 기반의 저궤도 군집 위성망이 더욱 촘촘해질 경우 서비스의 경쟁력 증가에 따른 시장 성장률도 더욱 빨라질 것으로 예상됩니다. 23년 기준 위성인터넷 시장의 매출은 전년 대비 40% 성장했으며 위성 인터넷 가입자도 2019년부터 2023년까지 70% 증가해 약 440만 명을 돌파했습니다.

로켓의 원리와 비용구조

SpaceX의 초대형 발사체 Starship은 직경은 9m, 높이는 약 121m로 연료가 완전히 채워진 무게는 무려 5,000t에 달합니다. 실제 주변환경과 비교한 높이는 롯데월드타워의 1/4 정도이며, 무게는 약 20층 빌딩과 유사합니다. 즉 빌딩 하나가 통째로 하늘을 날아서 우주공간까지 가는 것입니다. 로켓의 원리를 설명하기 전에 간단하게 로켓의 구조를 살펴보겠습니다.

간단하게 알아보는 로켓의 구조

현대 로켓은 기본적으로 다단 구조를 가지며 목적에 따라 2단 또는 3단으로 구성됩니다. 각 단의 로켓들은 로켓 엔진 또는 모터를 통해 작동되며 스테이지별 목적을 달성하면 분리되어 재사용되거나 버려지게 됩니다.

로켓 최상단에 위치한 페어링(Fairing)은 위성을 보호하는 덮개 역할을 하며, 발사 중 공기 저항과 환경적인 영향을 최소화합니다. 대기권을 벗어난 후 페이로드 발사를 위해 분리되어 제거되거나 재사용됩니다. 던 우주선(Dawn Spacecraft)은 로켓이 궤도에 도달하면 분리되어 독립적으로 임무를 수행하는 주 위성 장비로 탐사, 관측, 통신 등의 역할을 수행합니다.

분리 클램프 밴드(Separation Clamp Band)는 위성과 로켓 또는 각 단계를 고정하며, 분리가 필요할 때 해제되어 다음 단계가 작동할 수 있도록 합니다. 회전 테이블(Spin Table)은 위성을 회전시켜 자세를 안정화하고, 궤도 진입에 필요한 회전 운동량을 제공합니다.

연결 장치(Attach Fitting)는 로켓의 상단부와 페이로드(우주선 또는 위성)를 물리적으로 연결하고 발사 중 안정성을 유지하는 역할을 합니다. 유도 전자 장치(Guidance Electronics)는 로켓의 방향과 궤도를 제어하며, GPS, 자이로스코프 등을 사용해 로켓이 정확한 경로를 따라갈 수 있도록 합니다.

2단 미니스커트 및 지지 트러스(Second-stage Miniskirt and Support Truss)는 2단 로켓의 구조적 강성을 제공하며, 엔진과 관련 장비를 보호합니다. 트러스는 발사 중 힘을 분산시키는 역할을 하며, 헬륨 구(Helium Spheres)와 질소 구(Nitrogen Sphere)는 탱크 내부에 연료를 압축하여 연료를 안정적으로 엔진에 공급합니다. 또한 탱크압력 조절, 로켓 내부 시스템의 가압 및 냉각, 그리고 연료 및 산화제 보호에 기여합니다.

고체 부스터 로켓(Thrust Augmentation Solids)은 추가적인 추진력을 제공하여 초기 발사 시 속도를 증가시키는 보조 엔진입니다. 액체 연료 부스터 로켓도 있습니다.

중심부 섹션(Centerbody Section)은 로켓의 구조적 강성을 제공하며, 로켓의 각 단계를 물리적으로 연결하고 안쪽의 고압 연료 탱크(Fuel Tank)와 산화제 탱크(Oxidizer Tank)를 보호하는 역할을 합니다. 마지막으로 단간 배선 통로(Interstage Wiring Tunnel)는 각 로켓 단계 간에 전기적 신호를 전달하며 엔진 점화 및 제어 신호를 제공합니다.

델타 로켓의 구조도를 통해서 로켓의 일반적인 구조와 로켓을 구성하는 주요 부품들에 대해서 알아보았습니다. 이외에도 로켓을 제조하기 위해서는 수많은 부품들이 있으며, 일례로 우리나라가 독자 개발한 누리호에는 약 37만 개의 부품이 사용되었다고 합니다.

로켓의 작동원리 - 작용·반작용 법칙

이렇게 거대한 로켓이 우주로 날아갈 수 있는 원리는 무엇일까요? 로켓의 기본 작동원리는 우리가 익히 배웠던 뉴턴의 작용·반작용 법칙에 따릅니다. 뉴턴의 제3법칙인 작용·반작용 법칙은 '어떤 물체가 다른 물체에 힘을 가하면, 동시에 그 다른 물체도 그 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 가한다'는 것입니다. 작용·반작용 법칙을 로켓에 대입해 설명하자면 추진제(연료·산화제)를 아래로 분사하는 힘을 작용, 로켓이 우주로 향하는 힘을 반작용으로 볼 수 있습니다.

이때 로켓은 가스를 분사하는 힘을 더 강력하게 낼 수 있도록 고온·고압상태로 연소되며 고 에너지 가스가 발생합니다. 이 가스는 노즐을 통해 배출되며 여기에 따른 반작용인 추력이 발생하게 됩니다. 로켓의 성능지표로 활용되는 추력에 대한 내용은 다음 장에서 자세하게 설명할 예정입니다.

로켓의 기본 원리를 수학적으로 설명하는 모델을 치올코프스키 방정식 또는 로켓 방정식이라고 부릅니다. 이 방정식은 로켓이 추진제를 소모하면서 질량이 변할 때의 속도 변화(Δv)와 초기 질량, 연료 질량, 그리고 배기 속도 간의 관계를 설명합니다. 로켓이 발사되며 소모된 연료만큼 앞으로 나아감과 동시에 연료를 소모하며 로켓의 질량이 감소하는 관계를 미분 방정식으로 나타냈습니다.

여기서 발사체를 개발할 때 필요한 주요 기술에 대한 몇 가지 함의를 얻을 수 있는데, 첫 번째가 '로켓의 속도 변화는 배기 속도에 비례한다'는 것으로, 배기 속도가 높을수록 로켓은 더 큰 속도 변화를 얻을 수 있습니다. 이는 추진제의 종류 선정과 로켓 엔진의 제작 과정에 영향을 주게 됩니다.

두 번째는 질량 비율(m₀ / m_f)이 자연로그에 비례한다는 점입니다. 로켓의 최종 질량 대비 초기 질량의 비율이 클수록(추진제의 비율이 높을수록) 더 큰 속도변화를 얻을 수 있습니다. 이는 로켓이 가벼워질수록 더 효율적으로 가속할 수 있다는 뜻이기도 합니다. 다단 로켓이 만들어진 이유 중에 하나입니다. 하지만 여기에 로그함수가 포함되어 있어 m₀ / m_f의 비율이 커질수록 로켓의 속도 변화량의 증가폭은 점점 작아집니다. 비용 및 효율 최적화를 하기 위해 로켓의 임무에 알맞은 최적화된 설계가 얼마나 중요한지 알 수 있습니다.

예를 들어, 달 탐사 목적을 가지고 있는 Saturn V의 질량비는 약 25 정도이며 여러 목적을 가진 Falcon 9 Block5의 질량비도 이와 유사합니다. 하지만 초창기 모델인 Falcon 9 v 1.0은 저궤도에 도달하는 것을 목표로 하고 있었기 때문에 이를 위한 최적의 질량비인 10~12 수준에 맞춰 제작되었습니다.

정리하자면, 치올코프스키 방정식을 통해서 특정 궤도(저궤도, 달 궤도 등)에 진입하거나 궤도를 변경하는 데 필요한 속도 변화를 계산하고, 향후 심(深)우주 탐사 등 행성 간 이동에 필요한 추진제의 양을 예측하는 등 임무에 따라 최적화된 로켓 설계를 결정할 수 있습니다. 물론 치올코프스키 방정식은 공기 저항, 중력 등 현실적인 요소를 반영하지 않아 실제 발사체를 개발하기 위해서는 더 다양한 변수를 고려해야 합니다. 하지만 로켓 공학의 기본 원리로서 로켓 설계나 운영에 필요한 내용을 직관적으로 설명해준다는 점에서 의미가 있습니다.

로켓 제조 및 발사 비용 분석

우주 산업은 높은 개발 난이도와 리스크 그리고 막대한 투자가 필요하다는 점에서 국가가 발전을 주도했던 산업입니다. 그렇기 때문에 민간 기업 중심의 상업 우주로 전환되는 과정에서 원가 절감은 매우 중요한 이슈가 됐습니다. 로켓 제조 및 발사 기업의 비용 리스트를 살펴보면 연구개발비, 제조비, 발사비 등 다양한 비용이 존재합니다. 여기에 기술집약적인 우주 산업의 특성상 평균 연봉 10~20만 달러에 달하는 고스펙 근로자들의 인건비와 규제 대응 비용도 더해야 합니다.

하지만 핵심 기술력에 대한 철저한 보안으로 원가에 대한 정보는 부족합니다. 따라서 언론 보도를 통해 상대적으로 정보가 알려진 제조비용을 중심으로 살펴보려고 합니다. 먼저, 로켓의 외부는 대기권과 우주에 직접 접촉하기 때문에 고온과 저온 환경을 모두 견뎌야 한다는 특징이 있습니다. 예를 들어 산화제를 저장하는 액체 산소 탱크의 경우 -150°C의 극저온 환경에서 고압의 가스를 누출 없이 견뎌야 합니다. 따라서 CFRP(탄소강화섬유), 알루미늄-리튬 합금, 스테인리스강 등 특수 금속을 사용하며, 이들의 가격은 CFRP는 톤당 135,000 달러, 알루미늄-리튬 합금은 톤당 40,000-60,000 달러 수준으로 알려졌습니다. SpaceX의 Starship은 추진제를 제외한 로켓의 무게만 약 300톤에 달한다는 점을 고려하면 소재에 드는 비용이 엄청남을 알 수 있습니다.

또한 전체 로켓 제작 비용의 40~50%를 차지하는 것으로 추정되는 로켓 엔진은 구조를 크게 연소실, 노즐, 터보 펌프, 배관 및 밸브 등으로 나눌 수 있는데, 여기에도 니켈 합금(850~1200kg)과 티타늄 합금(300~500kg) 등 특수 금속이 사용됩니다.

그렇다면 현재 상업 우주 시장이 원하는 로켓 발사체는 어떤 스펙을 가져야 할까요? 우리가 주목하고 있는 상업 우주 시장은 저궤도 위성 통신 서비스 시장입니다. 저궤도 위성 통신 서비스 시장이 활성화되기 위해서는 가장 저렴한 비용으로 다수의 고성능 위성을 저궤도에 올려야 합니다. 그렇기 때문에 현재 로켓 발사체를 제작하는 민간 기업들은 다양한 비용을 획기적으로 낮추면서 더 많은 페이로드를 저궤도에 올리는 능력을 확보하려고 혈안이 되어 있습니다.

이러한 능력을 확보하기 위해서는 멀티 스테이지 기술, 소재 혁신 및 원가 개선, 공기 역학적 설계와 높은 제어 역량 등 다양한 기술이 필요합니다. 하지만 이 중에서도 필수적인 기술은 높은 추력과 비추력을 골고루 갖춘 고효율의 엔진과 재사용 발사체 기술입니다.

로켓의 성능을 좌우하는 엔진

로켓 엔진에서 생성되는 직접적인 힘을 추력(T_total)이라 부르며 이는 로켓의 성능지표로 활용됩니다. 이러한 추력의 크기는 뉴턴(N) 또는 킬로그램힘(kgf) 등으로 표기합니다. 추력이란, 추진제(연료+산화제)를 연소하여 발생한 고온·고압의 가스가 노즐을 통해 분사될 때 발생하는 힘(작용)에 대한 반작용으로 로켓을 우주로 올라가게 만드는 힘의 크기를 의미합니다. 추력 방정식은 아래와 같습니다.

추력 방정식을 살펴보면 직관적으로 로켓 엔진의 성능을 개선하기 위해서 필요한 요소들을 확인할 수 있습니다. 추력 방정식은 가속추력(ṁ × V_e)과 압력추력((P_e - P_a) ×A_e)으로 나눌 수 있으며, 가속추력은 고온·고압 가스의 질량유량(단위 시간당 배출되는 질량)과 배기 속도에 의해 결정됩니다. 쉽게 말하면 일정 시간동안 얼마나 많은 추진제를 얼마나 빠른 속도로 내보내는지가 로켓에 작용하는 힘의 크기를 결정합니다.

압력추력은 노즐 출구의 배기가스 압력과 대기압의 차이, 그리고 노즐 출구의 단면적에 따라 추가로 얻을 수 있는 추력으로 고도가 높아지며 대기압이 낮아질 때 증가합니다. 예를 들어, 진공상태인 우주 공간에서 주로 사용되는 2단 로켓 엔진은 압력추력 성능이 중요합니다.

로켓의 또 다른 성능 지표인 비추력의 개념도 알아둘 필요가 있습니다. 비추력은 단위 중량의 추진제가 연소될 때 발생하는 추력의 지속시간을 의미하는 지표입니다. 쉽게 말해 얼마나 적은 연료로 얼마나 오랫동안 추력을 낼 수 있는지를 나타내는 척도로, 자동차의 연비 개념과 유사합니다.

결과적으로 로켓 성능을 최적화하기 위해서는 각 스테이지별로 엔진 설계를 달리 할 필요가 있습니다. 1단 로켓은 대기권에서 중력을 이겨내야 하므로 '고추력' 위주로 설계하고 2단 로켓과 같은 상단 로켓은 고도가 높거나 진공에 가까운 환경을 고려한 '고효율(높은 비추력)' 위주로 엔진을 설계해야 합니다. 이는 발사 비용과 페이로드에도 영향을 미칠 수 있는 요인이기 때문에 임무에 따른 우주환경을 고려해 추력과 비추력 사이에서 최적의 엔진 설계를 찾는 것이 주요한 과제라고 볼 수 있습니다.

추력과 비추력을 고려한 최적의 엔진 설계를 위해서는 어떤 추진제를 쓸지, 연소 사이클은 어떤 구조는 선택할지, 고도에 최적화된 노즐 디자인은 어떻게 설계할지, 극한의 환경을 견뎌야 하는 엔진의 재질(연소실과 노즐은 3,000℃ 이상의 고온과 고압을 견뎌야 함)은 어떤 소재를 사용할지 등 고려할 요소가 매우 많습니다.

하지만 여기서도 가장 많은 기술력과 개발 비용이 들어가는 것은 엔진의 추력 성능을 좌우하는 연소 사이클의 구조 설계라고 볼 수 있습니다. 연소 사이클 구조에 따라서 엔진의 핵심 부품들이 그 특징에 맞게 제작되며, 그 종류에 따라 엔진의 구조가 크게 변화하기 때문입니다. 엔진을 공통적으로 구성하는 주요 부품으로는 예비 연소기, 터보 펌프(연료, 산화제), 메인 연소실, 노즐, 냉각·배관·밸브 등이 있습니다.

가장 전통적인 로켓 엔진의 연소 사이클 방식인 가스 발생기 사이클에서는 연료와 산화제의 일부가 비교적 낮은 온도와 압력으로 부분 연소하며, 이때 발생한 배기 가스로 터보 펌프를 구동합니다. 그 후 사용된 배기 가스는 배출구를 통해 버려집니다. 가스 발생기 사이클 방식은 터보 펌프의 동력계와 메인 연소실을 분리해서 설계·제어할 수 있어 구조적인 안정성을 가진다는 특징이 있으나, 예비 연소된 가스가 버려져 추진제를 100% 에너지원으로 활용하지 못한다는 단점이 있습니다. 하지만 안정적인 구조라는 장점을 활용해 SpaceX는 Falcon 9의 Merlin 엔진을 가스 발생기 사이클로 개발했으며, 이러한 안정성을 무기로 현재 재사용 발사체 시장을 장악하고 있습니다.

반면 스테이지드 연소 사이클 방식은 Blue Origin의 New Glenn이 개발한 엔진 BE-4가 사용하는 방식으로, 산화제 또는 연료를 부분 연소하고 이를 통해 터보 펌프를 구동하는 것은 가스 발생기 사이클 방식과 유사하지만 발생하는 배기가스를 다시 주 연료실로 주입하여 에너지원으로 사용한다는 점에서 차이가 있습니다. 가스발생기 사이클 방식과 비교하면 추진제의 낭비가 적어 더 높은 효율성을 가지고 있다는 점이 특징입니다. 현재 최신 대형 로켓 발사체 엔진은 대부분 스테이지드 방식을 활용하여 개발되고 있습니다.

풀 플로우 스테이지드 연소 사이클은 SpaceX의 Starship의 Raptor 엔진이 사용하는 방식으로, 연소실로 들어가는 모든 산화제와 연료를 각각 별도의 예비 연소기에서 연소시켜 터보 펌프를 구동하고 연소된(전처리)된 가스를 모두 메인 연소실로 보내는 방식입니다. 이는 이론적으로 가장 높은 에너지 효율성과 최고의 추력을 낼 수 있지만, 예비 연소기 2개와 터보 펌프 2개를 동시에 컨트롤 해야 하는 등 제어하는 난이도가 매우 높으며 부품의 숫자도 증가합니다.

또한 예비 연소를 통해 고압·고온 효과가 더 커져 열부하에 따른 소재 및 냉각 공정에도 더 신경을 써야 합니다. 이러한 이유로 셋 중 가장 복잡한 구조를 가진 엔진 사이클이며, Starship의 Raptor 엔진이 유일하게 풀 플로우 스테이지드 연소 방식을 사용하고 있습니다. 그러나 구조의 복잡성에도 불구하고 추진제를 가장 효율적으로 활용할 수 있어 심우주 탐사나 궤도 변경 등의 다양한 임무를 수행할 수 있으며, 1·2단 로켓 발사체의 완전 재사용을 위해 필수적인 기술이라고 평가받습니다.

추가로 연소 사이클 성능을 좌우하는 핵심 부품은 터보 펌프와 예비 연소기입니다. 터보 펌프는 로켓 엔진에서 추진제(연료 및 산화제)를 메인 연소실로 공급하는 소형 고속 펌프입니다. 메인 연소실에서 효율적인 연소가 일어나려면 연료와 산화제가 고압·고속으로 주입되어야 하는데, 터보 펌프는 추진제를 수백 bar 이상의 압력으로 연소실로 밀어 넣는 역할을 합니다. 이 때 터보 펌프를 구동하기 위한 에너지는 예비 연소기(Preburner)에서 나온 고온·고압 가스나 기화된 연료 및 산화제 가스 등을 활용합니다.

예비 연소기는 터보 펌프 구동용 가스를 만드는 기능 외에도 예비 연소를 통해서 만들어지는 가스의 온도와 압력을 원하는 범위로 설정하여 균일한 연소 환경을 조성함으로써 메인 연소실에서 연소가 안정적으로 일어나도록 돕는 역할을 합니다. 이 밖에 연소실로 들어가기 전 노즐과 연소실 벽면을 지나면서 열을 흡수(재생 냉각)하거나 필요한 부분에 열을 전달하여 엔진의 온도 관리 및 냉각을 보조하기도 합니다. 또, 메인 연소실의 추진제 연소 비율을 변경해 추력과 비추력의 조정을 가능하게 하는 등 효율과 재사용성을 극대화하는 데 도움을 줍니다.

이렇듯 로켓 엔진의 성능은 발사체에서 가장 중요한 역할을 하며, 임무에 따른 우주 환경을 고려해 추력과 비추력 사이에서 최적의 엔진 설계를 찾는 것은 핵심 경쟁력 확보를 위한 주요한 과제입니다. 민간 기업 입장에서는 타겟하고 있는 비즈니스 목적에 알맞은 엔진을 설계하여 최적화된 비용 구조를 가진 우주 발사체를 만드는 것이 매우 중요할 것입니다.

비용 절감에 필수적인 재사용 발사체

재사용 발사체는 로켓의 일부 또는 전체를 재사용할 수 있는 발사체를 뜻합니다. 2018년 일론 머스크는 Falcon 9 Block5 발사를 앞두고 CNBC와의 언론 인터뷰에서 부스터 스테이지(1단 로켓)에서 60%, 상단 스테이지(2단 로켓)에서 20%, 페어링은 10%, 발사와 관련된 기타 부분에서 10%의 비용이 발생한다고 언급했습니다.

또한 SpaceX의 발사 총책임자 Christopher Couluris에 따르면 재사용 Falcon 9을 사용할 시 $28M 정도의 발사 비용이 소모될 것이라고 말했습니다. 한국 연구진 역시 논문에서 공개한 재사용 발사체 연구에서 발사체를 부품 교체 없이 10회 이상 재사용할 경우 소모성으로 운용되는 로켓 발사체에 비해서 비용이 약 1/3까지 줄어들 것이라고 전망했습니다.

일론 머스크의 발언과 연구조사 결과처럼 현재 대부분의 로켓 발사체 업체들은 가장 많은 비용이 발생하는 1단 발사체를 재사용하기 위해 많은 노력을 하고 있습니다. 하지만 이미 1단 발사체 재사용 기술을 확보한 SpaceX는 2단 로켓까지 재사용이 가능한 완전 재사용 로켓 Starship을 개발하고 7차 시험까지 진행하면서 경쟁자들과의 기술격차를 더욱 벌리고 있습니다.

현재 SpaceX의 주력 발사체인 Falcon 9은 안정화된 재사용 발사체 기술을 기반으로 부스터를 20회 이상 재사용하고 페어링 등 주요 부품도 재사용하고 있습니다. 또한 40회 이상 사용할 수 있도록 인증을 받는 절차에 돌입했으며, 내부적으로는 최대 100회까지도 재사용이 가능하도록 계획을 세운 것으로 알려졌습니다.

이렇듯 재사용 발사체의 경제성 및 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 요소는 재사용 횟수입니다. 재사용 횟수가 증가할수록 발사 비용의 절감 효과가 커지기 때문입니다. 실제 개발 중인 재사용 발사체의 개발 현황을 조사해보면 재사용에 필요한 주요 기술에 대한 힌트를 얻을 수 있습니다.

첫 번째 힌트는 대부분의 신형 로켓 발사체가 연료로 메탄(CH4)을 사용한다는 점입니다. 현존하는 가장 고성능 발사체인 Starship Raptor 엔진도 연료로 메탄을 사용합니다. 다수의 재사용 발사체가 메탄을 연료로 사용하는 이유는 생산이 용이하며 가격이 저렴하고, 비추력도 높으며 청정 연소가 가능하다는 장점 때문입니다.

현재 가장 활발하게 활동하고 있는 Falcon 9과 Falcon Heavy, Rocket Lab의 Electron, 중국의 창정 8과 같은 발사체는 등유 계열인 Kerosene을 연료로 사용하고 있습니다. Kerosene은 연료의 밀도가 높아 동일한 질량을 저장하는 탱크의 부피가 작고 상온에서 다루기 쉬워 지상 운송 등 운영이 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만 탄소 함유량이 많아 연소 시 엔진 등 부품에 탄소 찌꺼기가 발생해 재사용 시 엔진을 자주 분해하여 정비해야 한다는 부담이 생깁니다.

일론 머스크는 X를 통해서 Falcon 9의 Merlin 엔진의 청소가 어렵다고 밝혔으며, 메탄을 연료로 사용하는 Raptor 엔진은 휠씬 청소가 쉽고 100회 이상 재사용 할 수 있을 것이라고 언급했습니다.

그리고 아직 조금 먼 미래일수도 있지만 일론 머스크는 화성 식민지를 건설하기 위한 전초 기지에 스타십이 연료를 채우고 지구로 복귀할 수 있도록 메탄을 생산하는 설비를 설치하겠다고 밝혔습니다. 이는 메탄이 상대적으로 생산하기 쉽다는 장점을 가졌기 때문으로 보입니다.

두 번째로 재사용 발사체 기술을 확보하려는 기업들이 주목하고 있는 기술은 수직 이착륙 기술입니다. 수직 이착륙 기술은 발사된 로켓이 엔진의 역추진을 통해 지상 또는 해상 플랫폼에 안전하게 착륙하는 기술로, 원하는 지점에 정확하게 착륙할 수 있어 회수 및 재사용이 용이하며 착륙 시 충격이 적어 발사체의 손상을 최소화할 수 있습니다.

만약 수직 이착륙이 되지 않아 발사체가 바다로 착수하는 경우에는 염분과 습기 등으로 인해 부식이 빠르게 진행됩니다. 이를 방지하기 위해서는 부식 저항 소재를 선택하거나 발사체 표면에 코팅 및 도장을 하거나 염분을 제거하기 위한 세척과 방청 처리를 하는 등 추가 비용이 발생합니다. 또한 수직 이착륙 기술은 원하는 장소에 발사체가 착륙하기 때문에 발사체의 빠른 회수가 가능하고 점검 및 정비시간 등의 운용 비용을 줄여 발사체의 재사용 주기 단축과 기타 비용 절감에 크게 기여할 수 있습니다.

다만 이 같은 기술을 개발하기 위해서는 뛰어난 유도 항법 제어 능력과 미세한 추력 조절 기술, 그리고 역추진을 수행할 수 있도록 재점화하는 기술 등이 필요합니다. 하지만 기술 난이도가 매우 높아 현재 재사용 발사체 기술을 활용하여 저궤도 위성 발사 서비스 등의 실질적인 우주 사업을 영위하고 있는 기업은 SpaceX가 유일합니다.

세 번째는 로켓 제조 단계에서 3D 프린터를 활용하는 방법입니다. 업계에서는 일반적으로 로켓 발사체의 제조 과정 중 주조·금형이나 절삭, 용접 등의 공정이 전체 제조 비용에서 차지하는 비중을 약 5~15% 내외로 추정하고 있습니다. 이 중 로켓의 동체나 연료 탱크, 엔진의 주요 부품 등 정밀 생산이 필요한 부품들은 주로 주조·금형 공정을 사용합니다.

로켓 제조 과정에서 3D 프린터를 활용하는 가장 큰 이유는 로켓 발사체의 제조 비용 절감 이슈가 가장 큽니다. 3D 프린터를 활용해 부품을 만들면 제작 공정이 단순해지고, 설계 유연성이 높아져 빠른 생산이 가능해집니다. 만약 정비나 수리 단계에서 특정 부품을 빠르게 교체한다면 재사용 주기를 더욱 줄일 수 있을 것입니다.

Relativity Space는 개발 중인 신형 로켓 발사체 Terran R을 전부 3D 프린팅으로 제작하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 부품 수를 획기적으로 줄이고(기존 발사체의 1/100 수준), 제작 기간도 60일 이내로 단축하겠다고 밝혔습니다.

실제 Relativity Space는 Terran1 로켓을 자사의 Stargate 3D 프린터로 제작했으며(로켓 질량의 85%), 23년 3월 발사에 성공하며(궤도에 도달하지는 못함) 우주에 도달한 최초의 3D 프린터 제작 로켓이 되었습니다. Rocket Lab의 Electron 1단 로켓 엔진(Rutherford)도 3D 프린팅을 활용하여 주요 부품(엔진 챔버, 인젝터, 펌프, 주 추진체 밸브 등)을 24시간 내에 제작하는 등 기존 생산 방식에 비하여 생산 일정을 대폭 축소했다고 밝혔습니다. 또한 SpaceX의 Raptor 엔진도 일부 부품을 3D 프린터로 제작한다고 언급했습니다.

이렇듯 민간 기업들의 발사체 개발 동향을 참고하여 재사용 발사체 개발에 필요한 핵심 경쟁력에 대해서 알아보았습니다. 새로운 추진제 사용, 수직 이착륙, 3D 프린터 활용 등 다양한 기술을 활용하여 재사용 발사 기간을 단축하여 발사 횟수를 늘리고, 발사체와 각종 부품들을 가능한 오래 쓸 수 있도록 만들어 제조 및 정비 비용 등 종합적인 비용을 낮추는 것이 핵심이라는 것을 확인할 수 있었습니다.