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팰컨 9 블록 5

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목차

1. 개요

팰컨 9 블록 5는 팰컨 9 로켓의 최종 버전으로, 2018년 5월 처음 발사되었다. 기존 팰컨 9과 달리 1단 로켓을 간단한 점검만으로 최대 10회까지 재사용할 수 있으며, 분해 정비를 통해 최대 100회까지 재사용이 가능하다. 재사용 발사체는 소모성 발사체에 비해 발사 비용을 절감할 수 있으며, 2020년에는 6회 재발사에 성공했다. 팰컨 9 블록 5는 기술 사양 및 성능 개선을 통해 유인 우주 비행 인증을 획득하여, NASA 우주 비행사를 수송하는 데 사용되었다.

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팰컨 9 블록 5
기본 정보
방가반두 위성-1 미션이 탑재된 팰컨 9 블록 5
방가반두-1은 팰컨 9 블록 5에 의해 발사된 첫 번째 페이로드임
기능중형 발사체
제조사스페이스X
원산지미국
높이69.8 m (페이로드 페어링 포함)
높이 (크루 드래곤)65.7 m
높이 (드래곤)63.7 m
지름3.7 m
질량549,000 kg
단수2
페이로드 능력
저궤도 (LEO) 경사 28.5°확장형: 22,800 kg
재사용형: 18,500 kg
정지 천이 궤도 (GTO) 경사 27°확장형: 8,300 kg
재사용형: 5,500 kg
화성 전이 궤도 (TMI)4,000 kg
로켓 정보
계열팰컨 9
파생팰컨 9 풀 스러스트
비교 대상아리안 5
아틀라스 V
창정 3B/E
프로톤-M
상태운용 중
발사 횟수177
성공 횟수176
실패 횟수1 (스타링크 그룹 9-3)
착륙 성공 횟수 / 시도 횟수173 / 177 (사이드 부스터 사용 포함)
최초 발사2018년 5월 11일 (방가반두-1)
탑재체스페이스X 드래곤
스타링크
DART
유클리드
갈릴레오
GPS 블록 IIIA
IXPE
KPLO
노바-C
PACE
헤라
1단
종류1단
길이41.2 m
지름3.7 m
엔진9 × 멀린 1D+
추력7.6 MN
연료액체 산소 / RP-1
2단 (대형 노즐)
종류2단
길이13.8 m
지름3.7 m
엔진1 × 멀린 1D 진공
추력934 kN
연료액체 산소 / RP-1
2단 (소형 노즐)
종류2단
길이13.6 m
지름3.7 m
엔진1 × 멀린 1D 진공
추력840 kN
연료액체 산소 / RP-1
발사 장소

2. 역사

2018년 5월 11일, 팰컨 9의 최종 개량형인 팰컨 9 풀 스러스트 블록 5가 최초로 발사되었다. 블록 5는 이전의 팰컨 9 모델들과 비교했을 때, 재사용성을 획기적으로 향상시킨 것이 특징이다. 기존 팰컨 9는 1단 로켓을 회수하여 재사용할 수 있었지만, 매번 분해 정비와 부품 교체가 필요했다. 반면 블록 5는 여객기처럼 간단한 점검만으로 최대 10회까지 재발사가 가능하며, 10회 이후에는 분해 정비를 통해 최대 100회까지 재사용할 수 있도록 설계되었다. 이러한 재사용성 덕분에 재사용 우주 발사체는 소모성 우주 발사체에 비해 발사 비용을 10배까지 절감할 수 있다.

2018년 8월 7일에는 플로리다주 케이프 커내버럴 공군기지에서 블록 5의 최초 재활용 발사가 성공적으로 이루어졌다. 이는 회수된 지 3개월 만의 일이었으며, 첫 시도였기 때문에 분해 정비를 거친 후 재발사되었다. 이후 2020년 9월 2일에는 B1048 로켓이 6회 재발사에 성공하면서 블록 5의 재사용 능력을 입증했다.

2. 1. 개발 배경

팰컨 9의 초기 모델을 개발한 지 8년 만에 Falcon 9 Full Thrust 블록 5가 완성되었다.

기존의 팰컨 9는 1단 로켓이 다시 발사대로 돌아와 재사용이 가능했지만, 매번 분해 정비를 하여 부품을 일부 교체해야 했다. 블록5는 여객기처럼, 간단한 정비 점검만 하고는 10회까지 다시 발사할 수 있다. 10회 이후에는 분해 정비를 하여 일부 부품을 교체해 줘야 한다. 그렇게 100회를 재사용할 수 있다. 재사용 우주 발사체는 소모성 우주 발사체에 비해 10배 발사 비용을 줄일 수 있다.

팰컨 9 블록 5의 설계 변경은 주로 NASA의 상업 승무원 개발 프로그램 및 국가 안보 우주 발사 요구 사항에 필요한 업그레이드를 기반으로 한다.[12] 여기에는 성능 향상, 제조 개선 및 까다로운 고객을 위한 여유 증가가 포함된다.[13]

2017년 4월, 스페이스X CEO 일론 머스크는 블록 5가 엔진 업그레이드(176000lbf에서 엔진당 190000lbf로)를 통해 7~8% 더 많은 추력을 낼 것이라고 말했다.[14] 블록 5에는 착륙 연료 요구 사항을 낮추기 위해 하강 시 최적화된 공격 각도를 위한 개선된 비행 제어 시스템이 포함되어 있다.

재사용 내구성을 위한 변경사항은 다음과 같다.

  • 발사 사이에 사소한 유지 보수만으로 10번 비행할 수 있을 것으로 예상됨[15][15] 2021년에 달성[16]
  • 주기적인 재정비를 통해 최대 100번까지 비행 가능[15][17][18]
  • 로켓 기저부의 엔진과 배관을 보호하는 재사용 가능한 열 보호막
  • 더 내열성이 강한 주조 및 가공된 티타늄 그리드 핀[19]
  • 재진입 열 손상을 제한하기 위한 1단계 열 보호 코팅, 착륙 다리, 레이스웨이 및 인터스테이지에 검은색 열 보호층 포함
  • 재설계 및 재검증된 더 강력하고 수명이 긴 밸브
  • 파열로 이어지는 탱크 구조 내부의 산소 동결을 방지하기 위해 헬륨용으로 재설계된 복합재 압력 용기 (COPV 2.0)


빠른 재사용을 위한 변경사항은 다음과 같다.

  • 비행 간 정비 감소[15]
  • 빠른 회수 및 운송을 위한 접이식 착륙 다리 세트[20]
  • Octaweb[21] 구조는 용접 대신 볼트로 조립되어 제조 시간을 단축한다.[22]

2. 2. 주요 개량점

팰컨 9 풀 스러스트 블록 5는 2018년 5월 11일에 최초로 발사되었다. 팰컨 9 블록 5는 이전 모델들보다 다음과 같은 주요 개량점을 가진다.[12] [13]

  • 추력 증가: 엔진 업그레이드를 통해 추력이 7~8% 증가했다.[14]
  • 착륙 제어 시스템 개선: 하강 시 최적화된 공격 각도를 위한 개선된 비행 제어 시스템을 통해 착륙 연료 요구량을 낮추었다.

재사용성 향상:블록 5는 재사용 우주 발사체로서, 발사 비용을 획기적으로 줄이기 위해 다음과 같은 개선이 이루어졌다.

  • 내구성 강화:
  • 발사 사이에 최소한의 정비만으로 10회 비행 가능하며, 2021년에 이를 달성했다.[15][16]
  • 정기적인 재정비를 통해 최대 100회까지 비행 가능하다.[15][17][18]
  • 로켓 기저부의 엔진과 배관을 보호하는 재사용 가능한 열 보호막이 적용되었다.
  • 더 내열성이 강한 주조 및 가공된 티타늄 그리드 핀이 사용되었다.[19]
  • 재진입 시 열 손상을 줄이기 위해 1단계 열 보호 코팅, 착륙 다리, 레이스웨이 및 인터스테이지에 검은색 열 보호층이 적용되었다.
  • 재설계 및 재검증된 더 강력하고 수명이 긴 밸브가 사용되었다.
  • 파열로 이어지는 탱크 구조 내부의 산소 동결을 방지하기 위해 헬륨용으로 재설계된 복합재 압력 용기(COPV 2.0)가 적용되었다.

  • 빠른 재사용:
  • 비행 간 정비 감소.[15]
  • 빠른 회수 및 운송을 위한 접이식 착륙 다리.[20]
  • Octaweb[21] 구조는 용접 대신 볼트로 조립되어 제조 시간을 단축한다.[22]

기타 개선 사항:

  • 초기 블록 5 부스터에는 재설계된 복합재 압력 용기(COPV2) 탱크가 없었으나, 2018년 11월 15일 에스하일 2 임무에 사용된 부스터 B1047부터 COPV2 탱크가 적용되었다.[24][25]
  • 2018년 착륙 실패 이후 그리드 핀의 유압 시스템에 압력 릴리프 밸브가 추가되었다.[27][28]
  • 2022년 바다에서 부스터 손상 후, 대부분의 함대는 "자동 수평 조절" 착륙 다리로 업그레이드되었다.[29]
  • 스페이스X CRS-18 미션부터 2단계에 흑색 페인트 밴드(열 제어용), 추가적인 COPV 및 TEA-TEB 점화 유체를 장착한 팰컨 미션 연장 키트가 적용되어, 2단계가 정지 궤도 또는 고 에너지 궤도에 탑재체를 직접 투입할 수 있게 되었다.[31]
  • ''Transporter-7'' 미션에서는 생산 가속화와 비용 절감을 위해 설계된 더 짧은 노즐 연장부를 가진 멀린 1D 진공 엔진이 장착된 2단 로켓이 사용되었다.[32][34][35]



3. 기술 사양

팰컨 9 블록 5는 NASA의 상업 승무원 개발 프로그램 및 국가 안보 우주 발사 요구 사항을 충족하기 위해 성능 향상, 제조 개선, 발사 여유 증가 등을 목표로 설계되었다.[12][13]

2017년 4월, 스페이스X의 CEO 일론 머스크는 블록 5의 엔진이 업그레이드되어 추력이 7~8% 증가할 것이라고 밝혔다.[14] 또한 블록 5는 착륙 시 필요한 연료를 줄이기 위해 하강 시 최적화된 공격 각도를 위한 개선된 비행 제어 시스템을 갖추고 있다.

특징1단2단
높이[40]42.6m12.6m
지름[40]3.7m3.7m
공허 질량[40]22200kg4000kg
총 질량433100kg111500kg
구조 유형LOX 탱크: 모노코크
연료 탱크: 스킨 및 스트링거		LOX 탱크: 모노코크
연료 탱크: 스킨 및 스트링거
구조 재료알루미늄 리튬 스킨; 알루미늄 돔
엔진9 × 멀린 1D1 × 멀린 1D 밸큐
엔진 유형액체, 가스 발생기
연료케로신 (RP-1)
산화제과냉각 액체 산소 (LOX)액체 산소 (LOX)
LOX 탱크 용량[40]287400kg75200kg
RP-1 탱크 용량[40]123500kg32300kg
엔진 노즐짐벌, 16:1 팽창짐벌, 165:1 팽창
총 추력[2]7607kN934kN
추진제 공급 시스템터보 펌프
스로틀 능력[38]854--[41]934--
재시동 능력예 (부스트백/재진입/착륙 연소를 위해 3개의 엔진만 사용)예, 이중 중복 TEA-TEB
발화성 점화기
탱크 가압가열된 헬륨
상승 자세 제어
(피치, 요)		짐벌형 엔진짐벌 엔진 및 질소 가스 추력기
상승 자세 제어
(롤)		짐벌 엔진질소 가스 추력기
코스트/하강 자세 제어질소 가스 추력기 및 격자 날개질소 가스 추력기
차단 과정명령됨


3. 1. 1단 로켓

특징1단
높이[40]42.6m
지름[40]3.7m
공허 질량[40]22200kg
총 질량433100kg
구조 유형LOX 탱크: 모노코크
연료 탱크: 스킨 및 스트링거
구조 재료알루미늄 리튬 스킨; 알루미늄 돔
엔진9 × 멀린 1D
엔진 유형액체, 가스 발생기
연료케로신 (RP-1)
산화제과냉각 액체 산소 (LOX)
LOX 탱크 용량[40]287400kg
RP-1 탱크 용량[40]123500kg
엔진 노즐짐벌, 16:1 팽창
총 추력[2]7607kN
추진제 공급 시스템터보 펌프
스로틀 능력[38] 에서 [41]
재시동 능력예 (부스트백/재진입/착륙 연소를 위해 3개의 엔진만 사용)
탱크 가압가열된 헬륨
상승 자세 제어
(피치, 요)		짐벌형 엔진
상승 자세 제어
(롤)		짐벌 엔진
코스트/하강 자세 제어질소 가스 추력기 및 격자 날개
차단 과정명령됨



재사용 내구성을 높이기 위해 다음과 같은 개선이 이루어졌다.


  • 최소 10회 발사를 예상했으며[57][57], 2021년에 달성했다.[58]
  • 개수를 통해 최대 100회 이용할 수 있다.[57][59][60]
  • 로켓 기저의 엔진과 배관을 보호하는, 재사용 가능한 열 차폐 장치가 있다.
  • 더 내열성이 높은 주조・기계 가공된 티타늄제 그리드 핀을 사용한다.[61]
  • 착륙 다리, 배선관, 단간 부분의 검은색 열 보호층을 포함, 재진입 시 열 손상을 줄이기 위한 1단 내열 코팅을 적용했다.
  • 재설계 및 재검증이 이루어진, 더 견고하고 수명이 긴 밸브를 사용한다.
  • 파열로 이어질 수 있는 탱크 구조 내부에서 산소의 동결을 방지하기 위한, 재설계된 헬륨용 COPV 2.0을 사용한다.


신속한 재사용을 위해 다음과 같은 개선이 이루어졌다.

  • 비행 간의 개수가 감소했다.[57]
  • 신속한 회수 및 운송을 위한 격납식 착륙 다리를 사용한다.[62]
  • 제조 시간을 단축하기 위해 용접 대신 볼트 체결된 옥타웹 구조를 사용한다.[63]

3. 2. 2단 로켓

Transporter-7 미션은 생산 가속화와 비용 절감을 위해 설계된 더 짧은 노즐 연장부를 가진 멀린 1D 진공 엔진이 장착된 2단 로켓을 처음으로 선보였다. 1단 로켓과 달리 팰컨 9의 2단 로켓은 재사용되지 않는다. 이 로켓은 희귀 금속인 니오브를 주로 사용하여 재료 사용량을 75% 줄이는 대신 추력을 10% 희생했다. 그 결과, 스페이스X는 동일한 양의 이 중요한 자원으로 발사 빈도를 3배로 늘릴 수 있다. 성능 감소로 인해 이 노즐은 성능 요구 사항이 낮은 미션에만 사용된다.[32][34][35]

3. 3. 성능 개선

팰컨 9 블록 5의 설계 변경은 주로 NASA의 상업 승무원 개발 프로그램 및 국가 안보 우주 발사 요구 사항을 충족하기 위해 이루어졌다.[12] 여기에는 성능 향상, 제조 개선, 그리고 까다로운 고객을 위한 발사 여유 증가가 포함된다.[13]

2017년 4월, 스페이스X의 CEO 일론 머스크는 블록 5의 엔진이 업그레이드되어 추력이 7~8% 증가할 것이라고 밝혔다.[14] 또한 블록 5는 착륙 시 필요한 연료를 줄이기 위해 하강 시 최적화된 공격 각도를 위한 개선된 비행 제어 시스템을 갖추고 있다.
재사용 내구성 향상:

  • 발사 사이에 최소한의 유지 보수만으로 10회 비행 가능[15] (2021년에 달성[16])
  • 주기적인 재정비를 통해 최대 100회까지 비행 가능[15][17][18]
  • 로켓 기저부의 엔진과 배관을 보호하는 재사용 가능한 열 보호막
  • 더 내열성이 강한 주조 및 가공된 티타늄 그리드 핀[19]
  • 재진입 시 열 손상을 줄이기 위한 1단계 열 보호 코팅 (착륙 다리, 레이스웨이 및 인터스테이지에 검은색 열 보호층 포함)
  • 재설계 및 재검증된 더 강력하고 수명이 긴 밸브
  • 파열로 이어지는 탱크 구조 내부의 산소 동결을 방지하기 위해 헬륨용으로 재설계된 복합재 압력 용기 (COPV 2.0)

빠른 재사용:

  • 비행 간 정비 감소[15]
  • 빠른 회수 및 운송을 위한 접이식 착륙 다리[20]
  • 옥타웹(Octaweb)[21] 구조는 용접 대신 볼트로 조립되어 제조 시간 단축[22]


블록 5가 처음 등장한 이후, 스페이스X는 설계, 제조 공정 및 운영 절차를 지속적으로 개선해 왔다.[23] 초기 블록 5 부스터에는 재설계된 복합재 압력 용기(COPV2) 탱크가 없었다.[24] COPV2 탱크를 장착한 첫 번째 부스터는 2018년 11월 15일 에스하일 2(Es'hail 2) 임무에 사용된 부스터 B1047이었고, 두 번째 부스터는 CRS-16/B1050으로, 2018년 12월 5일에 처음 발사되었다.[25] 이후 블록 5 부스터는 비행 준비가 더 쉬워져서, 스페이스X는 가능한 경우 소모성 임무에 할당하여 구형 코어를 "퇴역시키는 것을 선호"한다.[26]

2018년 착륙 실패를 초래한 스톨 현상 이후, 그리드 핀의 유압 시스템에 압력 릴리프 밸브가 추가되었다.[27][28] 이와 유사하게, 2022년 바다에서 부스터가 손상된 후, 대부분의 함대는 "자동 수평 조절" 착륙 다리로 업그레이드되었다. 이러한 다리는 부스터가 최적의 해상 상태가 아닌 경우에도 옥토그래버에 제대로 고정될 수 있도록 돕는다.[29]

로켓의 성능을 향상시키기 위해, 스페이스X는 스로틀 설정과 분리 시기를 조정했다.[23][30]

4. 유인 우주 비행 인증

2010년대 NASA 인증 절차에 따르면, 주요 설계 변경이 없는 발사체의 경우 NASA의 유인 우주 비행 인증을 받고 NASA 우주 비행사를 태우기 위해서는 7번의 비행을 수행해야 했다.[24][25]

블록 5 설계는 2020년 5월 30일 NASA 계약에 따라 크루 드래곤 데모-2 비행을 통해 처음으로 우주 비행사를 발사했다.[36] 이는 2011년 마지막 우주 왕복선 임무 이후 미국에서 발사된 최초의 유인 궤도 우주 비행이었으며, 상업 제공업체가 운영하는 최초의 비행이었다.[37]

참조

[1] 웹사이트 Falcon User's Guide https://www.spacex.c[...] 2019-01-14
[2] 웹사이트 Falcon 9 https://www.spacex.c[...] SpaceX 2012-11-16
[3] 웹사이트 Capabilities & Services (2016) http://www.spacex.co[...] SpaceX 2012-11-28
[4] 뉴스 Starlink Group 6-39 – Falcon 9 Block 5 https://everydayastr[...] 2024-02-25
[5] 웹사이트 Bangabandhu Satellite-1 Mission https://www.youtube.[...] 2018-05-11
[6] 웹사이트 FALCON 9 https://www.spacex.c[...] SpaceX
[7] 트윗 -340 F in this case. Deep cryo increases density and amplifies rocket performance. First time anyone has gone this low for O2. [RP-1 chilled] from 70F to 20 F 2015-12-17
[8] 웹사이트 Falcon 9 & Falcon Heavy https://spacex-info.[...]
[9] 웹사이트 Acme Engineering http://acme-engineer[...]
[10] 웹사이트 SpaceX will transition all launches to Falcon 9 Block 5 rockets after next mission https://www.teslarat[...] 2018-06-05
[11] 웹사이트 Dragon Resupply Mission (CRS-15) https://www.spacex.c[...] 2018-06-29
[12] 웹사이트 Falcon-9 v1.2 (Block 5) (Falcon-9FT (Block 5)) https://space.skyroc[...]
[13] Youtube NASA Holds Pre-launch Briefing at Historic Pad 39A at Kennedy Space Center https://www.youtube.[...] 2017-02-17
[14] 뉴스 Musk previews busy year ahead for SpaceX https://spaceflightn[...] 2017-04-04
[15] 웹사이트 SpaceX is about to land a whole lot more rockets https://www.theverge[...] The Verge 2018-07-22
[16] 웹사이트 SpaceX flies historic 10th mission of a Falcon 9 as Starlink constellation expands https://www.nasaspac[...] 2021-05-08
[17] 웹사이트 SpaceX Test-Fires New Falcon 9 Block 5 Rocket Ahead of Maiden Flight (Updated) https://www.popularm[...] Popular Mechanics 2018-05-04
[18] 트윗 I don't want be cavalier, but there isn't an obvious limit. 100+ flights are possible. Some parts will need to be replaced or upgraded. https://twitter.com/[...]
[19] 웹사이트 Flying with larger & significantly upgraded hypersonic grid fins. Single piece cast & cut titanium. Can take reentry heat with no shielding. https://twitter.com/[...] 2017-06-24
[20] 웹사이트 SpaceX Test-Fires New Falcon 9 Block 5 Rocket Ahead of Maiden Flight (Updated) https://www.popularm[...] Popular Mechanics 2018-05-04
[21] 웹사이트 Octaweb Structure https://www.thespace[...] 2021-07-10
[22] 웹사이트 I am Andy Lambert, SpaceX's VP of Production. Ask me anything about production & manufacturing, and what it's like to be a part of our team! https://www.reddit.c[...] reddit.com 2018-04-24
[23] 웹사이트 SpaceX Building Airline-Type Flight Ops For Launch https://aviationweek[...]
[24] 웹사이트 New helium tank for SpaceX crew launches still waiting to fly – Spaceflight Now https://spaceflightn[...]
[25] 웹사이트 SpaceX landing mishap won't affect upcoming launches https://spacenews.co[...] 2018-12-05
[26] 비디오 Starbase Tour with Elon Musk [PART 2 // Summer 2021] https://www.youtube.[...] 2021-08-07
[27] 비디오 Elon Musk & NASA/SpaceX DM1 – Post Launch Press Conference https://www.youtube.[...]
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[30] 웹사이트 SpaceX launches heaviest payload on Falcon 9 rocket – Spaceflight Now https://spaceflightn[...]
[31] 웹사이트 SpaceX's first Falcon Heavy launch in three years eyes late-October liftoff https://www.teslarat[...] 2022-10-11
[32] 웹사이트 EchoStar 24 Falcon Heavy https://everydayastr[...] 2023-07-22
[33] 웹사이트 Falcon rockets use three configurations of their upper stage. How are they different? https://www.elonx.ne[...] 2023-07-31
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