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멀린 로켓 엔진

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목차

1. 개요

멀린 로켓 엔진은 스페이스X에서 개발한 액체 로켓 엔진으로, 초기 모델인 멀린 1A부터 현재 최종 버전인 멀린 1D까지 다양한 파생형이 존재한다. 멀린 엔진은 개방형 가스 발생기 사이클을 사용하며, RP-1 등유와 액체 산소를 연료로 사용한다. 스페이스X는 멀린 엔진의 생산성을 지속적으로 향상시켜 왔으며, 팰컨 9 로켓과 팰컨 헤비 로켓에 사용된다. 2024년 2월에는 22번째 임무를 수행하며 우주 왕복선 주 엔진의 기록을 넘어 가장 많이 비행한 로켓 엔진이 되었다.

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멀린 로켓 엔진
개요
종류액체 로켓 엔진
제조국미국
제작사스페이스X
용도부스터 엔진
상단 엔진
관련 로켓팰컨 1
팰컨 9
팰컨 헤비
상태현역
특징
연료RP-1
산화제액체 산소 (LOX)
사이클가스 발생기 사이클
성능 (진공)
추력981 kN
비추력311초
성능 (해수면)
추력845 kN
비추력282초
구조
추력대 중량비184
연소실 압력1410 psi (9.7 MPa)
직경 (해수면)0.92 m
직경 (진공)3.3 m
건조 중량1030 lb (467 kg)
사진
스페이스X 맥그리거 시험장에서 멀린 1D 엔진 시험 발사

2. 파생형

멀린 엔진은 초기 모델인 1A부터 1D에 이르기까지 지속적인 개량을 거쳐왔다. 각 파생형은 성능, 신뢰성, 생산성 향상을 목표로 개발되었다.[67]


  • 멀린 1A: 탄소 섬유복합재로 만들어진 아블레이션 냉각식 노즐을 사용한 초기 모델이다. 2006년과 2007년에 팰컨 1 로켓에 탑재되어 발사되었으나, 첫 번째 발사는 실패했고 두 번째 발사는 성공했다.[68][69][70]
  • 멀린 1B: 터빈 출력을 높여 추력을 증강시킨 모델이다. 팰컨 9 로켓에 사용될 예정이었으나, 재생 냉각 방식을 채택한 멀린 1C로 대체되면서 실제 비행에는 사용되지 않았다.
  • 멀린 1C: 재생 냉각 노즐과 연소실을 갖춘 모델이다. 팰컨 1과 팰컨 9에 사용되었으며, 2008년 팰컨 1의 4번째 발사를 성공으로 이끌었다.[79] 팰컨 1용은 가동식 터보 펌프 배기 유닛을 통해 롤 제어가 가능했고, 팰컨 9용은 배기 유닛이 고정식으로 변경되었다.[67]
  • 멀린 1C 바큠: 진공에서의 성능을 향상시키기 위해 배기 노즐을 대형화한 모델이다. 니오브 합금으로 제작된 연소실은 재생 냉각식, 노즐은 방사 냉각식을 채택했다.[80] 팰컨 9과 팰컨 헤비의 2단에 사용된다.[67]
  • 멀린 1D: 팰컨 9 v1.1의 1단에 사용되는 엔진으로, 추력 대 중량비가 160:1로 높다. 추력 조절이 가능하며, 생산성이 향상되었다.[27][28] 2013년 첫 발사 이후 지속적으로 개량되어 팰컨 9 로켓의 성능 향상에 기여했다.
  • 멀린 1D 바큠: 팰컨 9 v1.1과 팰컨 헤비의 2단에 사용되는 엔진이다.

2. 1. 멀린 1A

멀린 1A는 초기 모델로, 340kN의 추력을 냈다. RP-1 등유를 연료로, 액체산소를 산화제로 사용하며, ablation 냉각 탄소 섬유 강화 폴리머 복합 재료 노즐을 사용했다.

멀린 1A는 팰컨 1 로켓의 1단에 사용되어 두 번 발사되었다. 첫 번째 발사는 2006년 3월 24일에 발사 직후 연료 누출로 인한 화재로 실패했고,[4][5][68] 두 번째 발사는 2007년 3월 21일에 성공했다.[6][69][70]

스페이스X 터보펌프는 2002년 Barber-Nichols, Inc.에 위탁하여 완전히 새롭게 설계 및 제작되었다. 이 회사는 이전에 RS-88 (Bantam) 및 NASA Fastrac 엔진 프로그램의 터보펌프 작업을 수행했던 경험이 있었다. 멀린 1A 터보펌프는 독특한 마찰 용접 메인 샤프트를 사용했는데, 끝 부분은 인코넬 718, 중간 부분은 일체형 알루미늄 RP-1 임펠러로 구성되었다. 터보펌프 하우징은 정밀 주조를 사용하여 제작되었으며, 터빈 끝 부분은 인코넬, 중앙 부분은 알루미늄, LOX 끝 부분은 300 시리즈 스테인리스강으로 만들어졌다. 터빈은 부분 입구 충격 설계였으며 최대 20,000 rpm으로 회전했고 총 중량은 약 68.04kg이었다.

2. 2. 멀린 1B

멀린 1B 로켓 엔진은 멀린 1A 엔진의 개량형이었다. 터보펌프 업그레이드는 스페이스X를 위해 바버-니콜스(Barber-Nichols, Inc.)가 담당했다.[9] 이 엔진은 팰컨 1 발사체를 위해 설계되었으며, 해수면에서 85000lbf의 추력을, 진공 상태에서 95000lbf의 추력을 낼 수 있었다.

멀린 1B는 1A보다 터빈을 업그레이드하여 출력을 2000hp에서 2500hp로 향상시켰다.[10] 터빈 업그레이드는 노즐을 추가하여 이전의 부분 유입 설계를 완전 유입 설계로 변경함으로써 이루어졌다. RP-1 및 LOX용 임펠러를 약간 확대하는 것도 업그레이드의 일부였다. 이 모델은 더 빠른 22,000 rpm으로 회전했으며 더 높은 배출 압력을 개발했다. 터보펌프의 무게는 약 68.04kg으로 변동이 없었다.[9] 1A에 비해 또 다른 주목할 만한 변화는 토치 점화 방식에서 TEA–TEB (발화성) 점화 방식으로 변경된 것이다.[10]

멀린 1B는 초기에는 팰컨 9 발사체에 사용될 예정이었으며, 1단계에 이 엔진 9기가 묶여 사용될 예정이었다. 팰컨 1의 첫 비행 경험을 바탕으로 스페이스X는 멀린 개발을 재생 냉각 방식의 멀린 1C로 전환했다. 따라서 멀린 1B는 발사체에 한 번도 사용되지 않았다.[7][8]

2. 3. 멀린 1C

멀린 1C 엔진


멀린 1C 엔진 9개를 1단으로 사용한 팰컨 9 v1.0 로켓


'''멀린 1C'''는 재생 냉각 방식을 채택하여 신뢰성을 높인 엔진이다. 팰컨 1과 팰컨 9 v1.0 로켓에 사용되었다. 2008년 8월 28일, 팰컨 1 4회 발사에 성공하여, 민간 개발 액체 연료 로켓 최초로 지구 궤도에 도달하는 데 기여했다.[14][15] 대한민국이 개발 중인 KARI 75톤급 로켓엔진과 유사한 추력을 가진다.

멀린 1C는 세 가지 버전으로 제작되었다.

  • 팰컨 1용 엔진은 터보 펌프 배기 유닛을 움직여 롤 제어를 할 수 있었다.
  • 팰컨 9 1단계용 엔진은 터보 펌프 배기 유닛이 고정된 점을 제외하면 팰컨 1용과 거의 동일하다.
  • 팰컨 9 2단계에는 멀린 1C 진공 버전이 사용되는데, 진공 작동에 최적화된 더 큰 배기 노즐을 사용하고 60%에서 100% 사이로 추력 조절이 가능하다는 점이 다르다.[12]


멀린 1C는 재생 냉각 노즐과 연소실을 사용한다. 2007년 11월에는 170초 연소 시험을 완료했고,[11] 2008년 8월 임무에 처음 비행했으며,[14] 2010년 6월에는 팰컨 9의 첫 비행에 사용되었다.[15]

팰컨 1에 사용된 멀린 1C는 해수면 추력 350kN, 진공 추력 400kN, 진공 비추력 304s를 가졌다. 이 엔진은 초당 140kg의 추진제를 소비했다. 단일 멀린 1C 엔진으로 총 27분 동안 작동하는 시험이 수행되었으며, 이는 팰컨 1의 10회 비행과 같다.[16]

멀린 1C는 팰컨 1 발사의 세 번째 시도가 실패했을 때 처음 사용되었다. 엘론 머스크는 "팰컨 9에 사용될 새로운 멀린 1C 엔진을 장착한 1단계의 비행은 완벽했습니다."라고 언급했다.[18] 멀린 1C는 2008년 9월 28일에 팰컨 1의 성공적인 네 번째 비행에 사용되었다.[19]

2012년 10월 7일, CRS-1 임무의 멀린 1C 엔진(엔진 번호 1)이 T+00:01:20에 이상을 경험했다. 스페이스X의 내부 검토 결과, 갑작스러운 압력 손실 후 엔진이 차단되었으며, 비행 내내 데이터를 계속 수신한 것으로 나타났다. 이 이상 현상으로 인해 기본 임무는 영향을 받지 않았지만, 보조 임무 탑재체는 목표 궤도에 도달하지 못했다.[20][21]

2008년 호손 공장의 멀린 1C 진공 엔진


2009년 3월 10일, 스페이스X는 멀린 진공 엔진의 성공적인 시험을 발표했다. 멀린 1C의 변형인 멀린 진공 엔진은 더 큰 배기부와 확장 노즐을 특징으로 한다. 연소실은 재생 냉각 방식이며, 약 2.74m[26] 니오브 합금[12] 확장 노즐은 방사 냉각 방식이다. 이 엔진은 411kN의 진공 추력과 342s의 진공 비추력을 낸다.[23] 첫 번째 생산된 멀린 진공 엔진은 2010년 1월 2일 통합된 팰컨 9 2단에서 정격 시간의 궤도 삽입 연소(329 초)를 거쳤다.[24] 2010년 6월 4일, 팰컨 9의 첫 비행에서 2단에 탑재되었다.

2010년 12월, 수정된 멀린 진공 엔진의 계획에 없던 시험이 진행되었다. 팰컨 9의 두 번째 비행을 앞두고, 멀린 진공 엔진의 약 2.74m 니오브 합금 시트 노즐에 두 개의 균열이 발견되었다. 노즐 하부 약 1.22m를 잘라내고 이틀 후에 발사하는 해결책이 나왔다. 더 긴 노즐에서 얻을 수 있는 추가적인 성능은 임무 목표를 달성하는 데 필요하지 않았다. 수정된 엔진은 성공적으로 2단을 11000km 고도의 궤도에 진입시켰다.[26]

2. 4. 멀린 1D

멀린 1D 엔진은 2011년부터 2012년까지 개발되었으며, 2013년에 최초로 발사되었다. 초기 설계는 620kN (63.5ton힘) 추력이었으며, 100%에서 70%까지 추력 조절이 가능했고, 이후 40%까지 조절 범위가 확장되었다. 부품 수 감소로 생산성도 향상되었다.[27][28]

2012년 11월, 팰컨 9에 사용되는 멀린 1D 엔진의 성능은 진공추력 720kN (73ton힘), 해면추력 650kN (66.6ton힘)으로 발표되었다. 이는 한국의 KARI 75톤급 로켓엔진과 유사한 수준이다.

2013년 3월 20일, 스페이스X는 멀린 1D 엔진의 비행 인증 획득을 발표했다. 같은 해 6월, 팰컨 9 v1.1 1단에 멀린 1D 엔진 9개를 장착하여 최초로 지구 궤도 발사에 성공했다.

멀린 1D 엔진 9개를 1단으로 사용한 팰컨 9 v1.1


2013년 11월, 엘론 머스크는 멀린 1D 엔진이 실제로는 85% 추력으로 운용되고 있으며, 최대 해면추력은 730kN (74.8ton힘)이라고 밝혔다.

2016년 5월, 스페이스X는 멀린 1D 엔진을 진공추력 914kN (93.2ton힘), 해면추력 845kN (86ton힘)으로 업그레이드할 계획을 발표했다. 이로써 팰컨 9 로켓의 지구 저궤도 화물 운송 능력은 22톤으로 증가한다.

2018년 5월, 팰컨 9 블록 5의 첫 비행에 앞서 스페이스X는 845kN의 해면 추력 목표 달성을 발표했다.[31]

2024년 2월 23일, 멀린 엔진 중 하나가 22번째 임무를 수행하며, 당시 최다 비행 로켓 엔진 기록을 경신했다. 이는 우주 왕복선 주 엔진의 기록을 넘어선 것이다.[32]

2. 5. 멀린 1D 진공

멀린 1D 진공(Merlin 1D Vacuum)은 팰컨 9 v1.1과 팰컨 헤비 로켓의 2단에 사용되는 엔진이다. 우주 공간에서 점화되기 때문에 진공 버전을 사용한다.[38] 스페이스X에 따르면, 멀린 1D 진공 엔진은 추력을 39% 수준인 360kN까지 낮출 수 있다.[42]

2012년 후반, 엘론 머스크는 멀린 1D 진공의 연소시험 사진을 트위터에 올리면서, 80톤 추력이라고 언급했다. 현재 스페이스X의 홈페이지에서는 추력 934kN (95 톤힘)라고 명시되어 있다.[42] 2020년 기준 멀린 1D 진공 엔진의 추력은 220500lbf이며,[39] 비추력은 348초로, 이는 미국 탄화수소 로켓 엔진 중 가장 높은 비추력이다.[41] 이는 진공 상태에서 작동하여 향상된 팽창비 (업데이트된 노즐 연장부를 사용하여 165:1) 덕분이다.[40][42]

전송기-7 미션 발사에서는 새로운 멀린 진공 엔진(MVac) 노즐 연장 설계가 처음으로 선보였다. 이 새로운 노즐 연장은 더 짧으며, 성능과 재료 사용량을 모두 감소시킨다. 이 노즐은 성능이 낮은 미션에만 사용되며, MVac 엔진은 우주에서 10% 더 적은 추력을 낸다. 노즐은 필요한 재료의 양을 75% 줄여, 스페이스X는 더 긴 설계와 동일한 양의 희귀한 니오브 금속으로 세 배 이상 많은 미션을 발사할 수 있다.[43][44]

3. 기술적 특징

멀린 엔진은 개방형 가스 발생기 사이클을 사용하며, 연료는 RP-1(등유), 산화제는 액체산소를 사용한다.[46] 각 멀린 엔진의 LOX/RP-1 터보펌프는 로켓다인 F-1 엔진에 사용된 것과 유사한 연료가 풍부한 가스 발생기의 개방형 사이클에 의해 구동된다.

스페이스X는 멀린 엔진의 신뢰성을 높이기 위해 삼중 중복 컴퓨터 시스템을 사용한다.[46] 이 시스템은 각 처리 장치에 3개의 컴퓨터를 사용하여 서로를 지속적으로 점검하는 결함 허용 설계를 구현한다.[46] 하나의 처리 장치는 팰컨 9 발사체에 사용되는 10개의 멀린 엔진(1단계에 9개, 2단계에 1개) 각각에 포함되어 있다.[46]

멀린 1A~1C에 사용된 멀린 액체 산소/RP-1 터보펌프는 바버-니콜스(Barber-Nichols)에서 설계 및 개발했다.[47] 이 터보펌프는 36,000 RPM으로 회전하며 10000hp의 출력을 낸다.[48]

4. 생산

SpaceX영어는 2011년 8월 기준 매달 8개의 멀린 엔진을 생산하고 있었으며, 궁극적으로 생산량을 월 33개(연간 400개)까지 늘릴 계획이었다.[38] 2013년 9월까지 스페이스X의 전체 제조 공간은 거의 1e6ft2까지 증가했으며, 공장은 연간 최대 40개의 로켓 코어를 생산할 수 있도록 구성되었는데, 이는 이전 엔진 계획에서 구상했던 연간 400개의 엔진을 사용하는 데 충분한 양이었다.[50] 2014년 10월, 스페이스X는 100번째 멀린 1D 엔진을 제조했으며, 주당 4개의 엔진을 생산하고 있고 곧 5개로 늘릴 것이라고 발표했다.[51][52]

2016년 2월, 스페이스X는 2016년 말까지 연간 30개의 로켓 코어를 생산하는 팰컨 9/팰컨 헤비의 생산 속도를 지원하기 위해 연간 수백 개의 엔진을 제작해야 할 것이라고 밝혔다.[53]

각 팰컨 9 부스터는 9개의 멀린 엔진을 사용하고, 2단계는 1개의 멀린 진공 엔진을 사용한다. 2단계는 소모되므로 각 발사 시 멀린 진공 엔진 1개가 소모된다. 스페이스X는 엔진을 장착한 부스터를 추진 착륙 방식으로 재사용할 수 있도록 설계했으며, 2017년 3월에 처음으로 회수된 부스터를 재사용했다.

연도새로운 부스터 사용 횟수팰컨 9 발사 횟수
2020526
2021231


5. 한국 우주 개발에의 시사점

멀린 엔진의 개발 과정은 한국의 우주 발사체 기술 자립에 중요한 참고 자료가 될 수 있다. 특히, 스페이스X의 엔진 재사용 기술은 발사 비용 절감에 기여할 수 있는 핵심 기술로, 한국의 차세대 발사체 개발에 적용될 수 있는 가능성을 시사한다.

스페이스X가 개발한 멀린 1D 엔진은 2013년 최초 발사되었으며, 지속적인 개량을 통해 성능이 향상되었다. 2012년 11월 발표된 멀린 1D 엔진의 진공추력은 720 kN (73 톤힘), 해면추력은 650 kN (66.6 톤힘)으로, 한국이 개발 중인 KARI 75톤급 로켓엔진과 매우 유사한 성능을 보였다.[1] 2016년 5월, 스페이스X는 멀린 1D 엔진을 진공추력 914 kN (93.2 톤힘), 해면추력 845 kN (86 톤힘)으로 업그레이드할 것이라고 발표했다.[1] 이는 팰컨 9 로켓의 성능 향상으로 이어져, 22톤의 화물을 지구 저궤도에 운반할 수 있게 되었다.[1]

한국은 누리호 개발을 통해 축적된 경험과 기술을 바탕으로, 더욱 발전된 우주 발사체 개발을 추진할 수 있을 것이다.

참조

[1] 웹사이트 Falcon User's Guide https://www.spacex.c[...] SpaceX 2020-04-00
[2] 웹사이트 Merlin section of Falcon 9 page http://www.spacex.co[...] SpaceX
[3] 웹사이트 Is SpaceX's Merlin 1D's thrust-to-weight ratio of 150+ believable? https://www.quora.co[...] 2015-06-08
[4] 뉴스 Falcon 1 Failure Traced to a Busted Nut http://www.space.com[...] Space.com 2006-07-19
[5] 뉴스 Findings of the Falcon return to flight board http://www.spacex.co[...] SpaceX.com 2006-07-25
[6] 웹사이트 Demo Flight 2 Flight Review Update http://www.spacex.co[...] SpaceX 2007-06-15
[7] 웹사이트 SpaceX Completes Development of Rocket Engine for Falcon 1 and 9 http://blog.wired.co[...] Wired Science 2007-11-12
[8] 웹사이트 SpaceX has magical goals for Falcon 9 http://www.nasaspace[...] Nasa Spaceflight 2006-08-05
[9] 웹사이트 Merlin LOX/RP-1 Turbopump https://www.barber-n[...] Barber Nichols
[10] 웹사이트 Feb 2005 through May 2005 Update http://www.spacex.co[...] SpaceX
[11] 뉴스 SpaceX Completes Development of Merlin Regeneratively Cooled Rocket Engine http://home.business[...] Business Wire 2007-11-13
[12] 컨퍼런스 Low-cost Launch Opportunities Provided by the Falcon Family of Launch Vehicles http://www2.nspo.org[...]
[13] 웹사이트 The SpaceX Falcon 1 Launch Vehicle Flight 3 Results, Future Developments, and Falcon 9 Evolution http://iacse.commerc[...]
[14] 웹사이트 Sweet Success at Last for Falcon 1 Rocket http://www.spaceflig[...] Spaceflight Now 2008-09-28
[15] 뉴스 Shuttle successor succeeds in first test flight http://www.nbcnews.c[...] 2010-06-04
[16] 보도자료 SpaceX Completes Qualification Testing of Merlin Regeneratively Cooled Engine http://www.spacex.co[...] SpaceX 2008-02-25
[17] 웹사이트 Updates: December 2007 http://www.spacex.co[...] SpaceX 2007-12-00
[18] 웹사이트 SpaceX Falcon I fails during first stage flight http://www.nasaspace[...] NASAspaceflight 2008-08-02
[19] 웹사이트 Sweet success at last for Falcon 1 rocket http://www.spaceflig[...] Spaceflight Now 2008-09-28
[20] 웹사이트 SpaceX CRS-1 Mission Update http://www.spacex.co[...] SpaceX 2012-10-08
[21] 웹사이트 Orbcomm craft falls to Earth, company claims total loss http://www.spaceflig[...] Spaceflight Now 2012-10-11
[22] 웹사이트 Falcon 1 Users Guide (Rev 7) http://www.spacex.co[...] SpaceX 2008-08-26
[23] 보도자료 SpaceX Falcon 9 upper stage engine successfully completes full mission duration firing http://www.spacex.co[...] SpaceX 2009-03-10
[24] 비디오 Full Duration Orbit Insertion Firing http://spacex.com/mu[...] SpaceX 2010-01-02
[25] 보도자료 SpaceX Falcon 9 Upper Stage Engine Successfully Completes Full Mission Duration Firing http://www.spacex.co[...] SpaceX 2009-03-10
[26] 뉴스 SpaceX Sees ISS Meet-up in 2011 http://www.aviationw[...] 2010-12-13
[27] 웹사이트 SpaceX to begin testing on Reusable Falcon 9 technology this year https://www.nasaspac[...] 2012-01-11
[28] 웹사이트 @lukealization Max is just 3X Merlin thrust and min is ~40% of 1 Merlin. Two outer engines shut off before the center does. https://twitter.com/[...] 2016-05-06
[29] 웹사이트 Servo Motors Survive Space X Launch Conditions http://www.micromo.c[...] MICROMO/Faulhabler 2015-00-00
[30] 웹사이트 SES-8 Prelaunch Teleconference http://forum.nasaspa[...] 2013-11-24
[31] 트윗 Musk: Merlin rocket engine thrust increased by 8 percent, to 190,000 lbf. 2018-05-10
[32] 트윗 Main engine cutoff and stage separation. One of the nine Merlin engines powering tonight's first stage is our flight leader, powering its 22nd mission to Earth orbit 2024-02-23
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[36] 웹사이트 How a tiny bit of lacquer grounded new Falcon 9 rockets for a month https://arstechnica.[...] 2021-10-24
[37] 웹사이트 SpaceX Fails Falcon 9 Rocket Landing in Rare Miss During Latest Starlink Mission https://observer.com[...] 2021-02-26
[38] 뉴스 SpaceX Unveils Plans To Be World's Top Rocket Maker https://web.archive.[...] 2014-06-28
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[40] 웹사이트 Falcon 9 http://www.spacex.co[...] SpaceX 2017
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