SLS(Space Launch System), 아르테미스 계획의 발사체[EP.03]

목차 SLS(Space Launch System)의 기원 우주 발사체도 거거익선? SLS 발사체 개발 계획 SLS 프로그램에 대한 비판적 견해들

 SLS(Space Launch System)의 기원

컨스텔레이션(CONSTELLATION) 계획의 취소, 그리고 대체 계획들

컨스텔레이션 계획은 2010년 취소된 미국의 달 탐사 계획은 미국이 달에 다시 탐사를 하기 위해 기획된 프로젝트입니다.

이 계획은 경제성과 안전성 문제로 인해 퇴역할 우주왕복선을 대체하기 위한 신형 우주선인 오리온 다목적 유인 우주선 개발 계획과 함께 진행되었으며, 아레스 로켓 개발 계획으로도 알려져 있었습니다. 미래에는 국제 월면 기지 건설 계획까지 포함된 거대한 우주 개발 계획으로 제안되었습니다. 하지만 이후 2011년에 오리온 다목적 유인 우주선 개발을 제외한 모든 계획이 취소되었습니다.

 

컨스텔레이션 계획이 취소에 이어서 SLS(Space Launch System)은 '아레스 1'과 '아레스 V'와 마찬가지로 우주왕복선의 설계와 부품을 상당 부분 활용한 왕복선 파생 발사체(SDLV, Shuttle Derived Launch Vechile)입니다.

우주왕복선의 설계와 부품을 재활용하는 이유는, 우주왕복선(Space Shuttle)이 계획보다 조기 퇴역했기 때문입니다. 

 

우주왕복선 퇴역의 원인으로는 여러 가지 이유들과 사고들이 있었습니다.

챌린저호, 콜롬비아호의 승무원 전원이 사망하는 사고가 발생했고 경제적 이유로는 가장 처음 계획 당시에 기대했던 만큼의 경제성을 달성하지 못했으며, 기술의 발전으로 패러다임이 바뀌어서 작고 빠른 인공위성과, 탐사선이 대세로 자리 잡았기 때문에 우주왕복선은 시대에 뒤떨어진 개념이 되어 버렸습니다. 또한 방열 타일 내구성 문제, 승무원의 안전성 문제 등의 위험성 문제와 이러한 위험성을 직간접적으로 야기한 정치적 지원의 변화 등이 복합적으로 작용했습니다.

 

하지만 막대한 예산과 시간을 쏟아부은 우주왕복선 설계 기술과 부품들을 폐기하지 않고 우주왕복선의 고체연료 부스터(SRB) 시스템을 '아레스 1'에 적용했으나 컨스텔레이션 계획이 취소됨에 따라 계획의 일부였던 '아레스 V'도 취소됩니다.

 

버락 오바마 대통령은 컨스텔레이션 계획을 취소하고 2030년대 유인 화성 탐사 계획을 발표했습니다. 

이때 개발이 취소된 '아레스 V'을 대체할 것으로 제시된 것이 SLS(Space Launch System)입니다.

이러한 역사로 인해 NASA에서는 SLS을 왕복선 파생 발사체로 만들 수밖에 없었을 것입니다.

 

이후 'Make America Great Again'라는 구호와 함께 강한 미국을 만들기 위한 움직임으로써 도널드 트럼프 전 대통령은 버락 오바마 전 대통령이 2011년에 취소시킨 컨스텔레이션 유인 달 탐사 계획을 유인 화성 탐사 프로젝트와 연계해

'아르테미스 계획'을 부활시킵니다.

 

우주 발사체도 거거익선(巨巨益善)?

 "하지만 그것은 틀렸습니다"

우주 발사체의 최종 목표는 추력(thrust)과 비추력(Specific impulse: 추력을 얼마나 효율적으로 생산하는지 나타내는 척도)을 증대시켜서 원하는 궤도에 올릴 수 있는 페이로드(Payload) 화물의 중량을 최대한 늘리는 것입니다.

 

쉽게 말하면 엔진 연비가 좋고 목표로 하는 바를 이루기 위해 가장 효율적이게 발사체를 설계해야 합니다.

극단적인 예를 들면 아폴로 계획을 위해 설계한 새턴 V 로켓은 설계 목적이 인간을 달에 착륙시키는 것이었기 때문에

일반적인 지구 저궤도 인공위성을 쏘아 올리는 발사체들과는 스펙의 차이가 확연히 드러납니다.

누리호(KSLV-II)는 대한민국 최초의 저궤도 실용 위성 발상용 로켓과 '새턴 V'와 비교하면 이렇습니다.

발사체명	새턴V	누리호(KSLV-II)
발사체 높이	110.6m	47.2m
발사체 지름	10.1m	3.5m(1단) / 2.6m(2단,3단)
발사체 중량	2822톤(최소) ~ 2965톤(최대)	200톤
단수	3단	3단
LEO(지구저궤도) 페이로드	140톤	3.3톤
TLI(달 전이궤도) 페이로드	43.5톤	-

누리호가 크기도 작고 적재하중도 적으니 새턴 V 로켓보다 성능이 나쁘다고 생각하실 수 있습니다.

하지만 성능과 효율성이 항상 비례하는 것은 아닙니다. 즉 종합적인 가성비를 따져봐야 하죠.

앞서 말했듯이 새턴 V와 누리호를 비교하는 것은 극단적인 예시에 해당합니다. 그 이유는 각 발사체의 목적이 다르기 때문입니다. 만약 새턴 V 로켓을 지구 저궤도에 인공위성을 올리기 위해 사용한다면 효율적일까요? 1970년대 스카이랩 우주정거장을 만드는 계획을 시행하기 위해 새턴 V의 3단을 궤도 작업실로 개조했고 이를 무인 상태로 궤도에 올리기도 했습니다. 이것으로 알 수 있는 것은 새턴 V 로켓 1단과 2단 만으로도 지구 저궤도에 올리기 충분했다는 것이죠. 하지만 스카이랩을 궤도에 올리기 위해 새턴 V를 사용한 것은 아폴로 계획이 본래 20호까지 예정되었으나 축소되어 17호에서 끝남으로써 남은 새턴 로켓들이 스카이랩에 사용한 것이지, 스카이랩을 위해 새턴 V 로켓을 개발한 것은 아닙니다.

 

요약하자면 모든 발사체들을 크게 만들지 않는 것은 그럴 필요가 없기 때문입니다. 물론 필요에 의해 의도적으로 크게 만든 발사체들은 많습니다. 새턴 V 로켓도 거기에 해당하고 최근 23년 4월에 테스트 비행을 진행한 SpaceX 스타쉽이나 구소련의 최대 로켓 에네르기아도 있고 SLS 로켓도 해당합니다.

 

2021년 12월 25일에 발사한 제임스 웹 우주망원경은 발사 중량이 6.5톤에 해당합니다.

더 무거운 화물을 찾아볼까요? 2023년 7월 29일 발사한 'EchoStar 24(Jupitar 3)'는 9.2톤에 해당합니다. 이는 역사상 가장 무거운 인공위성에 해당합니다. 추가적으로 인공위성을 크기에 따라 분류할 때 가장 큰 등급인 대형위성도 1000kg(1톤) 이상부터인 것을 알려드리면 제임스웹 우주망원경과 EchoStar 24가 얼마나 무거운 위성인지 아실 것 같습니다.

 

하지만 역사상 가장 무거운 위성을 쏘아 올리는 데 쓰인 발사체 스페이스 X의 팰컨 헤비(Falcon Heavy)도 LEO 페이로드가 새턴 V의 절반에도 못 미치는 63톤인 것을 보시면 알 수 있듯이, 더 크고 더 무거운 것을 궤도에 올릴 수 있다고 좋은 것이 아닙니다. 일단 140톤에 해당하는 우주 화물도 없을뿐더러 그러한 화물을 싣기 위한 공간도 없으니까요.

 

가장 중요한 것은 역시 경제성입니다. 당시 기준으로 발사당 비용이 12.3억 달러라는 것을 감안했을 때, 자그마한 위성을 지구 저궤도에 올리기 위해서는 너무나도 비효율적일 겁니다. 반면 지구 저궤도까지 64톤 중량을 올릴 수 있는 팰컨 헤비의 경우 재활용이 가능한 상업발사당 비용은 약 9000만 달러에 불과합니다. 새턴 V 로켓과 비교하면 1/13의 비용입니다.

 

따라서 우주발사체의 성능은 합목적성(용도), 경제성(효율성)을 종합적으로 따져봐야 합니다.

기본적으로 같은 용도의 우주발사체라면 경제성이 더  좋은 것이 더 우수한 발사체라고 할 수 있습니다.

 

SLS 발사체 개발 계획

 일부 우주왕복선 기술·부품 재활용

SLS는 총 블록 단계를 나누어 점차적으로 성능을 개량하는 방법을 채택했습니다.

• 블록 1: 우주왕복선에 사용된 고체로켓을 연장시킨 고체부스터를 2개 탑재하고, 우주왕복선의 주황색 연료탱크의 설계를 개량해 탑재하고 왕복선의 주 엔진을 1회용으로 사용하도록 간략화한 엔진 4개를 탑재하는 1단 로켓에 델타 IV의 2단(DCSS를 약간 걔량해서 ICPS라고 명명)을 올려 완성됩니다. 2011년부터 개발이 시작된 이래 11년이 지난 2022년이 되서야 첫 발사를 했습니다.
• 블록 1B: 블록 1의 2단 로켓을 기존 델타 IV에서 신형 로켓인 EUS(Exploration Upper Stage)으로 교체하는 계획으로, EUS는 이전 ICPS와 달리 지구 탈출시에도 1단에 이어 추진을 하다 중지하고, 자세 제어 뒤 재점화하여 달로 향하게 되어 있습니다. 진정한 의미에서의 2단 로켓입니다.
• 블록 2: 기존 고체부스터를 신형으로 교체하는 계획으로, 3가지 후보가 있었는데, 그중 하나인 Pryos 부스터는 새턴 V에 사용되었던 F-1 엔진을 최신 기술로 복각할 예정으로 관심의 대상이 되었습니다. 하지만 탈락하고 노스롭 그루먼의 로켓이 선정되었습니다. 카고 버전(화물용)과 크루 버전(오리온 유인 우주선 탑재)이 나누어 개발될 예정입니다.

SLS 블록1 구성에서 점차적으로 개량하는 과정을 보여줍니다 - SLS 로켓 개발 계획도

2022년 11월 16일, 아르테미스 1호가 오리온 유인 우주선, ESM과 큐브 위성들을 싣고 달전이 궤도투입에 성공했습니다.

SLS 블록 1을 기반으로 발사했기 때문에 페이로드가 넉넉해 여러 큐브 위성들도 함께 올려 보냈습니다.

 

SLS 프로그램에 대한 비판적 견해들

 엄청난 예산과 엄청난 개발기간... 그 결과는?

SLS의 개발은 엄청난 자금과 시간을 투입하며 진행되었습니다. 초기에는 오리온 우주선과 태양계 외곽 탐사선을 주요 페이로드로 계획되었으나, 개발이 지연되고 예산 문제로 일부 미션은 취소되거나 지연되었습니 다.

 

SLS의 개발 속도와 비용 문제로 인해 스페이스 X의 발전과 경쟁적인 환경이 조성되었습니다. 스페이스 X의 엘론 머스크가 발표한 우주 여객선과 로켓의 성능 개선이 SLS의 지위를 위협하는 상황이 발생했습니다.

 

더군다나, 미국 대선에서 도널프 트럼프의 당선되고 이로 인해 NASA는 민간 기업에 비용 효율적인 대안을 모색하는 시도 했으며, 민간 기업 중 하나인 스페이스 X의 성공적인 발전으로 SLS의 미래가 불투명해지고 있었습니다.

 

하지만 오바마 행정부가 취소한 유인 달 탐사 프로젝트를 도널드 트럼프 대통령이 부활시키고, 유인 화성 탐사 프로젝트와 연계하여 2025년까지 달 궤도를 도는 유인 우주정거장 루나 게이트웨이를 건설하고, 유인 화성 탐사선 딥 스페이스 트랜스포트(DST)를 건조하여 2033년에 화성에 미국인을 보내는 계획이 세워졌고. 2019년에 아르테미스 계획이 확정되면서, 이에 SLS 로켓과 오리온 우주선이 사용되기로 하여 SLS 로켓의 미래가 밝아졌습니다.

 

그럼에도 회의적인 의견들은 분분합니다. 비판적 의견들을 간략하게 종합해 보면 다음과 같습니다.

 

1. 비용적 측면

SLS 프로그램은 비용 측면에서 많은 논란과 비판을 받고 있습니다. 초대형 발사체를 한 대 쏘는 대신, 작고 효율적인 발사체 여러 대를 사용하는 접근법이 더 합리적이라는 주장도 있습니다. SLS 프로젝트는 미국의 우주 탐사를 위해 중대한 역할을 수행하려는 시도이기도 하지만, 예산이 많이 소요되고 실효성이 미비하여 비판을 받고 있습니다. 2011년부터 2022년까지 11년 동안, SLS 프로그램은 명목상으로 238억 달러의 자금을 지출했고, 이것은 NASA New Start 인플레이션 지수를 사용하면 275억 달러에 해당합니다.

 

SLS의 개발이 예정보다 오랜 시간이 걸리고 예산이 많이 든 것으로 보이며, 예상 발사 비용도 비싼 편입니다. 2017년에는 최초 발사가 예상되었지만, 지연이 계속되어 2022년까지 미루어졌습니다. 이미 11년간 SLS 로켓을 위해 180억 달러의 예산이 소요되었습니다. 하나의 발사에 드는 예상 비용이 41억 달러로, 이는 니미츠급 항공모함 1척의 건조 비용과 유사하며, 예상 발사 비용인 5백만 달러의 820배에 달합니다.

 

스페이스 X의 스타십과 같은 민간 기업들이 더 저렴하고 효율적인 로켓을 개발하고 있다는 점도 SLS 프로젝트에 대한 비판 요인 중 하나입니다. 민간 기업들이 발사비용을 크게 절감하고 있으며, 이로 인해 SLS의 비용 합리화가 어려워지고 있습니다. 이러한 상황으로 인해 SLS 프로젝트의 지속성과 효용성에 대한 의문이 제기되고 있습니다.

 

2.SLS 프로그램의 대안들

SLS 프로젝트는 초기에는 합리적인 전략으로 제안되었으나, 스페이스 X와 같은 민간 기업의 놀라운 성공과 비교하여 비용적으로 많은 차이를 보이게 되었습니다. 스페이스 X의 팰컨 헤비와 스타십 같은 재사용 가능한 로켓들이 SLS보다 훨씬 저렴한 가격으로 더 많은 페이로드를 올리는 데 성공하였기 때문에, SLS의 경쟁력이 크게 약화되었습니다.

 

스페이스 X의 스타십은 화성을 유인 개척하고 달에 인간을 내리기 위한 우주선으로 개발되고 있으며, 그 발사 준비가 이미 진행 중입니다. 스타십이 성공적으로 개발되면, SLS와 같은 일회용 발사체에 비해 훨씬 저렴하고 더 많은 기능을 갖추면서도 재사용이 가능하므로 SLS의 지속성이 크게 불확실해집니다.

 

현재까지는 SLS 프로젝트가 중기 계획인 아르테미스 계획까지는 유지되는 것으로 보이지만, 스타십과 같은 발전된 로켓이 성공적으로 화성 탐사 등을 성공시키면, SLS는 자리를 잃고 사라질 가능성이 큽니다. 이러한 상황으로 인해 SLS의 미래는 매우 불확실하고 논란이 많이 일어나고 있습니다.

 

3. 우주왕복선을 대체하기 위한, 아레스 V를 대체하기 위한, SLS 발사체...? 그럼에도 퇴보하는 계획

SLS 로켓은 여러 측면에서 비효율적이라고 볼 수 있습니다. 예상 수송량과 비용 면에서 우주왕복선보다 뒤떨어지고, 로켓의 재사용에 대한 계획이 없어서 더 비싼 운용 비용을 갖고 있습니다. 심지어 우주왕복선 프로그램에서 얻은 화물과 승무원을 따로 수송하는 접근 방식도 SLS에는 적용되지 않았습니다.

 

우주왕복선 프로젝트는 비록 성공적으로 수행되지는 못했지만, 그중에서도 일부 부품을 회수해서 재사용했던 것과 상업 승무원 수송 프로그램과 상업 화물 수송 프로그램을 나누어 운영하면서 좋은 성과를 냈습니다. 하지만 SLS 프로젝트는 이러한 교훈을 살리지 못하고 있으며, 민간 기업의 경쟁과 저렴한 비용으로 실현 가능한 계획을 고려하지 않았습니다.

 

4.NASA와 산업체 간의 유착관계

여러 기업들이 ULA(보잉과 록히드 마틴의 합작으로 설립한 우주 로켓 제조사)에 통합되었고 NASA가 외부 기업에 작업을 맡기는 것이 전형적인 경쟁적인 사업자 선정과는 다른 양상을 보이고 있었습니다. 또한, 스페이스 X의 등장 이전까지는 미 정부와 소수 기업의 독점적 정경유착의 형태였기 때문에 우주 탐사 분야에 경쟁이 부족한 상태였습니다.

 

하지만 러시아, 중국, 일본, 유럽 등 우주 산업이 발전하고 규모가 커지면서 경쟁적인 조직이 등장하고 있습니다. 이들 국가는 각각의 기업들이 독립적으로 우주 개발 조직을 구성하고 경쟁을 통해 발전하고 있습니다. 반면에 SLS를 위한 NASA 주도 우주과학 탐사는 보잉과 ULA에 돈을 집중적으로 투입하는 형태로 보이기 때문에 이런 상황은 건전하지 않다고 볼 수 있습니다.

 

이러한 현실을 고려할 때, 우주 탐사 분야에서도 더욱 경쟁적이고 효율적인 시스템을 구축하는 것이 필요하다는 것이 요약될 수 있습니다. 다양한 기업과 국가들 간의 경쟁을 통해 우주 산업이 발전하고 혁신을 이끌어내는 것이 중요합니다.

 

아르테미스 계획, 21세기 유인 달 탐사[EP.01]

 

루나 게이트웨이(Lunar Gateway), 새로운 우주정거장[EP.02]