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프로펠런트 데포

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목차

1. 개요

프로펠런트 데포는 궤도상에서 로켓 추진제를 저장하고 재보급하는 시설로, 발사 비용 절감, 우주 탐사 거리 및 기간 연장, 우주 정거장 및 달 기지 건설 등에 기여할 수 있다. 현재 미국, 중국 등 여러 국가에서 기술 개발 및 시험이 진행 중이며, 2010년대 초반부터 NASA, 스페이스X, ULA 등의 기업에서 관련 프로젝트가 추진되었다. 극저온 추진제 관리, 무중력 환경에서의 추진제 이송 등의 기술적 과제가 있으며, 2021년 NASA는 스페이스X의 스타쉽을 달 유인 착륙 시스템으로 선정하여 궤도상 재급유를 활용할 계획이다.

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프로펠런트 데포
개요
유형우주 기반 시설
목적우주선의 연료 보급
역사
개념 증명궤도 급유 시스템 (2024년 9월, 계획)
우주 왕복선 (1984년, 성공)
취소된 계획CRYOSTAT
비영리 우주 연료 보급 데포
연료 보급 기술
유형저장
운송
로봇 공학
활용
아르테미스 계획아르테미스 계획의 달 착륙선 연료 보급
장점
이점임무 유연성 증가
탑재량 능력 향상
비용 효율성
단점
문제점기술적 복잡성
높은 초기 투자 비용
안전 문제
미래
미래 전망심우주 탐사 지원
우주 경제 활성화
우주 쓰레기 감소

2. 추진제 보급 기지의 필요성 및 이점

로켓과 우주선에서 추진제는 전체 질량의 2/3 이상을 차지한다. 추진제 보급 기지는 지구에서 발사되는 로켓의 추진제 양을 줄여 발사 비용을 절감하고, 더 많은 탑재체를 운반할 수 있게 한다. 또한, 우주선이 지구 궤도, 달, 화성 등 목적지에서 연료를 재보급받아 더 멀리, 더 오래 우주 탐사를 수행할 수 있다.

대형 상단 로켓 엔진은 높은 비추력을 얻기 위해 극저온 연료인 액체 수소와 산화제인 액체 산소(LOX)를 사용하지만, 극저온 추진제는 증발 문제가 있다. 추진제 축적에는 수 주에서 수 개월이 걸릴 수 있으므로 증발을 줄이는 것이 중요하다.[5]

RP-1(등유), 히드라진, 사산화 질소(NTO) 등 비극저온, 지구 보관 가능 액체 로켓 추진제와 액체 메탄, 액체 산소 등 약한 극저온, 우주 보관 가능 추진제는 극저온 연료보다 증발이 적지만 비추력도 낮다. 이온 엔진에 사용되는 기체 또는 초임계 추진제에는 제논, 아르곤,[6][7] 비스무트가 있다.[8]

데포 중심 아키텍처는 유조선이 데포를 채우고, 추진제는 궤도 진입 전에 상단 로켓으로 옮겨지는 방식이다. 이는 주유소와 유사하며, 발사체 크기를 줄이고 비행 횟수를 늘릴 수 있다. 수동형 극저온 데포는 늘어난 추진제 탱크, 추가 단열재, 태양 방열판을 갖추고 있으며, 능동형 극저온 데포는 추진제 증발을 줄이기 위해 추가 전력 및 냉동 장비를 갖추고 있다.[10]

거대 발사 아키텍처에서는 임무 전체 질량의 3분의 2 이상을 차지하는 추진제가 저장소 중심 아키텍처보다 적은 발사 횟수와 짧은 기간 안에 축적될 수 있다.

2. 1. 비용 절감

지구에서 발사되는 로켓의 추진제 양을 줄여 발사 비용을 절감할 수 있다. 추진제 보급 기지를 통해 로켓의 크기를 줄이고, 더 많은 탑재체를 운반할 수 있다는 장점이 있다.

2005년 11월, 전 NASA 국장 마이클 그리핀은 킬로그램당 10,000달러를 기준으로 연간 두 번의 임무에 필요한 250톤의 연료는 정부 기준으로 25억 달러의 가치가 있다고 언급했다.[9]

2010년 NASA 연구에서는 대형 발사체 대신 데포 중심 아키텍처를 사용하면 20년 동안 570억달러를 절약할 수 있다고 밝혔다.[12] 또한, 2011년 NASA 연구에서는 대형 발사 시스템보다 비용이 적게 들고 더 빠른 대안을 제시하며 다음과 같은 장점을 나열했다:[26]

  • 예산 프로파일에 맞춰 수백억 달러의 비용 절감
  • 보수적인 예산을 사용하여 2024년까지 최초의 근지구 소행성/달 임무 수행 가능
  • 12~18개월마다 한 번이 아닌 몇 달마다 발사 가능
  • 추진제 공급을 위한 여러 시장 경쟁 허용
  • 중요 경로 임무 복잡성 감소


2009년 오거스틴 보고서는 저궤도 (LEO) 프로펠런트 데포 설계에 대한 두 가지 접근 방식을 제시했다.[14]

  • '''프로펠런트 탱커''' 전달: 단일 탱커가 궤도 상의 우주선과 랑데부 및 도킹하여 프로펠런트를 전달하고 출발한다.
  • 궤도 내 데포: 여러 탱커가 랑데부하여 궤도 데포로 프로펠런트를 전달하고, 우주선이 데포에 도킹하여 지구 궤도를 출발하기 전에 프로펠런트를 받는다.


두 접근 방식 모두 2009년 우주 비행 기술로 실현 가능하다고 간주되었지만, 상당한 엔지니어링 개발과 궤도 내 시연이 필요할 것으로 예상되었다.[14]

로켓의 상당 부분이 발사 시 추진제이므로, 추진제 데포 아키텍처를 사용하면 다음과 같은 여러 가지 장점이 있다.

  • 우주선은 연료를 채우지 않고 발사할 수 있으므로 구조 질량이 줄어든다.[23]
  • 데포 유조선 자체가 재사용 가능한 경우 발사 시 2단계 로켓으로 사용될 수 있다.[21]
  • 궤도상 재급유 시장이 창출되어 가장 저렴한 가격으로 추진제를 제공하기 위한 경쟁이 이루어질 수 있다.[23]
  • 기존 로켓이 데포에 재급유하기 위해 더 자주 비행할 수 있게 하여 규모의 경제를 가능하게 한다.[23]
  • 달의 채굴 시설과 함께 사용된다면, 물 또는 추진제를 데포로 다시 수출하여 추진제 비용을 더욱 절감할 수 있다.[24][25]
  • SLS와 같은 특정 로켓이나 대형 발사체를 필요로 하지 않아, 달, 라그랑주점, 소행성 및 화성과 같은 여러 목적지를 지원하는 데 더 저렴하고 더 유능할 수 있다.[12][23][26][27][28]

2. 2. 효율성 증대

프로펠런트 데포는 우주선이 목적지에서 연료를 재보급받을 수 있게 하여 더 멀리, 더 오래 우주 탐사를 수행할 수 있도록 돕는다. 이는 달, 화성 등 심우주 탐사 임무의 성공 가능성을 높이는 데 기여한다.[12]

2011년 NASA 연구에서는 프로펠런트 데포를 활용한 우주 탐사가 기존 대형 발사 시스템보다 비용이 적게 들고 더 빠르다는 점을 보여주며 다음과 같은 장점을 제시했다.[26]

장점
예산에 맞춰 수백억 달러의 비용 절감 효과
보수적인 예산으로도 2024년까지 최초의 근지구 소행성/달 임무 수행 가능
12~18개월마다 한 번이 아닌 몇 달마다 발사 가능
추진제 공급을 위한 여러 경쟁사 허용
중요 경로 임무 복잡성 감소



이러한 효율성 증대는 궤도상 재급유 시장 창출을 통해 가장 저렴한 가격으로 추진제를 제공하기 위한 경쟁을 유도하고, 기존 로켓이 데포에 재급유하기 위해 더 자주 비행할 수 있게 하여 규모의 경제를 가능하게 할 수 있다.[23] 또한, 달의 채굴 시설과 함께 사용된다면, 물 또는 추진제를 데포로 다시 수출하여 추진제 비용을 더욱 절감할 수 있다.[24][25]

2. 3. 기술 개발 촉진

현재 진행 중인 이론 연구와 자금 지원 개발 프로젝트는 프로펠런트 데포의 실현 가능성에 대한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 한다. 연구에 따르면 소형 발사체를 갖춘 데포 중심 아키텍처는 20년 동안 대형 발사체 아키텍처보다 570억달러 더 저렴할 수 있다.[12] 대형 발사체의 비용이 너무 높기 때문에 중간 크기 발사체 2대 이상이 운반할 수 있는 프로펠런트를 보관할 수 있는 데포는 비용 효율적이며 지구 궤도 너머 궤도에서 더 많은 탑재체 질량을 지원할 수 있다.

2010년 NASA 연구에서, 하이드록슬 추진제의 일일 0.1% 증발을 가정할 때, 70톤의 증발로 인해 Ares V 대형 발사체의 추가 비행이 미국 정부의 화성 기준 임무를 수행하는 데 필요했다.[13] 이 연구에서는 설계 증발율을 한 자릿수 이상 줄여야 할 필요성을 확인했다.

2009년 오거스틴 보고서가 NASA에 제출한 내용에서는 저궤도 (LEO) 프로펠런트 데포 설계에 대한 접근 방식도 논의되었으며, "궤도 내 재급유에 대한 [당시] 현재의 개념을 검토했다."[14] 이 보고서에서는 LEO에서 우주선에 연료를 공급하는 데 기본적으로 두 가지 접근 방식이 있다고 결론 내렸다.[14]

  • '''프로펠런트 탱커''' 전달. 이 접근 방식에서 단일 탱커는 궤도 상의 우주선과 랑데부 및 도킹을 수행한다. 그런 다음 탱커는 프로펠런트를 전달하고 출발한다. 이 접근 방식은 "공중 급유기가 항공기에 연료를 공급하는 것과 매우 유사하다."
  • 궤도 내 데포. 대안적 접근 방식은 많은 탱커가 랑데부하여 궤도 데포로 프로펠런트를 전달하는 것이다. 그런 다음 나중에 우주선이 데포에 도킹하여 지구 궤도를 출발하기 전에 프로펠런트 적재량을 받을 수 있다.


두 접근 방식 모두 2009년 우주 비행 기술로 실현 가능하다고 간주되었지만, 임무가 기술에 의존하기 전에 상당한 엔지니어링 개발과 궤도 내 시연이 필요할 것으로 예상되었다. 두 접근 방식 모두 장기적인 수명 주기 절감 효과를 제공할 수 있을 것으로 보였다.[14]

2010년 유나이티드 런치 얼라이언스 (ULA)는 2006년 보잉의 연구에서 시작된 개념인 ACES 탱커를 제안했는데,[15] 초기 설계에서 최대 73tonne의 프로펠런트를 운송하도록 설계되었으며, 최초 비행은 2023년보다 빠르지 않을 것으로 제안되었으며, 잠재적으로 2020년대 중반에 프로펠런트 탱커로 처음 사용될 수 있다.[16][17] ACES는 자금 지원을 받지 못했지만 일부 아이디어는 벌컨 센타우르 로켓의 센타우르 단에 사용되었다.

이론 연구 외에도, 최소 2017년부터 스페이스X는 우주 간 비행 일련의 기술에 대한 자금 지원 신제품 개발을 진행해 왔다. 행성 간 임무 아키텍처는 NASA의 접근 방식이 달성한 것보다 화성까지 운송되는 톤당 비용을 여러 자릿수 줄여서 장기간의 지구 궤도 너머 (BEO) 우주 비행을 가능하게 하는 데 스페이스X가 핵심 요소로 간주하는 여러 요소의 조합으로 구성되는 반면,[18][19][20] 궤도 내 프로펠런트 재급유는 네 가지 핵심 요소 중 하나이다. 스페이스X 설계는 새로운 임무 아키텍처에서 장거리 우주선이 스페이스X 스타십의 2단 로켓 역할을 하면서 저궤도로 발사하는 동안 거의 모든 프로펠런트 적재량을 소모하고, 여러 스타십 탱커에 의한 궤도 내 재급유 후 우주선을 행성 간 궤도에 올리는 데 필요한 많은 양의 에너지를 제공할 계획이다. 스타십 탱커는 약 100tonne의 프로펠런트를 저궤도로 운송하도록 설계되었다.[21] 2021년 4월, NASA는 초기 달 유인 착륙 시스템으로 궤도 내 재급유가 가능한 스페이스X의 루나 스타십을 선정했다.[22]

로켓의 상당 부분이 발사 시 추진제이므로, 추진제 데포 아키텍처를 사용하면 여러 가지 장점이 있다고 옹호론자들은 지적한다. 우주선은 연료를 채우지 않고 발사할 수 있으므로 구조 질량이 줄어들 수 있으며,[23] 데포 유조선 자체가 재사용 가능한 경우 발사 시 2단계 로켓으로 사용될 수도 있다.[21] 궤도상 재급유 시장이 창출되어 가장 저렴한 가격으로 추진제를 제공하기 위한 경쟁이 이루어질 수 있으며, 기존 로켓이 데포에 재급유하기 위해 더 자주 비행할 수 있게 하여 규모의 경제를 가능하게 할 수도 있다.[23] 만약 달의 채굴 시설과 함께 사용된다면, 물 또는 추진제를 데포로 다시 수출하여 추진제 비용을 더욱 절감할 수 있다.[24][25] 데포 아키텍처를 기반으로 하는 탐사 프로그램은 SLS와 같은 특정 로켓이나 대형 발사체를 필요로 하지 않아, 달, 라그랑주점, 소행성 및 화성과 같은 여러 목적지를 지원하는 데 더 저렴하고 더 유능할 수 있다.[12][23][26][27][28]

2011년 NASA 연구에 따르면 대형 발사 시스템보다 비용이 적게 들고 더 빠른 대안이 제시되었으며 다음과 같은 장점이 나열되었다.[26]

  • 예산 프로파일에 맞춰 수백억 달러의 비용 절감
  • 보수적인 예산을 사용하여 2024년까지 최초의 근지구 소행성/달 임무 수행 가능
  • 12~18개월마다 한 번이 아닌 몇 달마다 발사 가능
  • 추진제 공급을 위한 여러 경쟁사 허용
  • 중요 경로 임무 복잡성 감소

3. 추진제 보급 기지의 종류 및 구조

추진제 보급 기지는 사용되는 추진제의 종류, 저장 방식, 위치 등에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다.

추진제 보급 기지는 크게 극저온 추진제 보급 기지와 비극저온 추진제 보급 기지로 나눌 수 있다. 액체 수소와 액체 산소(LOX)와 같은 극저온 연료는 높은 비추력을 제공하지만, "증발"이라는 문제점이 있다. 이러한 증발을 완화하기 위해 수동형 또는 능동형 극저온 데포 기술이 사용된다. 비극저온 추진제는 극저온 연료보다 증발이 적지만 비추력이 낮다.

스타쉽 HLS는 지구 저궤도에 프로펠런트 데포를 발사하고, 여러 번의 스타쉽 발사를 통해 연료를 공급받는다.[12]

프로펠런트 데포는 위치에 따라 지구 저궤도(LEO) 보급 기지와 심우주 보급 기지로 분류할 수 있다.

3. 1. 극저온 추진제 보급 기지

액체 수소와 액체 산소(LOX)와 같은 극저온 연료는 높은 비추력을 제공하지만, "증발"이라는 문제점이 있다. 며칠 간의 지연만으로도 증발로 인해 궤도 진입에 필요한 연료가 부족해질 수 있으며, 이는 임무 중단으로 이어질 수 있다. 달 또는 화성 임무는 추진제 축적에 몇 주에서 몇 달이 걸리므로 증발을 완화하기 위한 추가 장비가 필요할 수 있다.[5]

극저온 추진제 보급 기지는 크게 수동형과 능동형으로 나뉜다.

  • 수동형 극저온 데포: 추진제 탱크, 추가 단열재, 태양 방열판 등을 사용하여 증발을 줄인다. 한 가지 개념에서는 수소 증발을 재분배하여 액체 산소 증발을 줄이거나 제거하고, 자세 제어, 전력, 재부스터 등에 사용한다.[10]
  • 능동형 극저온 데포: 수동형 데포에 추가적인 전력 및 냉동 장비/극저온 냉각기를 더하여 추진제 증발을 줄이거나 제거한다.[10] 다른 능동형 극저온 데포 개념에는 최종 탑재체를 위한 연료를 절약하기 위해 전기로 구동되는 자세 제어 장비가 포함된다.


우주에서 극저온 추진제의 증발은 기술적 해결책과 시스템 수준의 우주 물류 계획 및 설계를 통해 완화될 수 있다. 기술적 관점에서, 복사 열전달의 태양 및 기타 원인으로 인한 가열로 발생하는 증발은 완화, 제거,[43] 또는 경제적 목적으로 사용해야 한다.[15]

증발률은 열 누출과 탱크 내 추진제 양에 의해 결정된다. 입방 제곱 법칙에 의해 탱크가 작을수록 액체가 더 빨리 증발한다. 일부 추진제 탱크 설계는 액체 수소 증발률을 하루 약 0.13%(한 달에 3.8%)까지 낮췄으며, 액체 산소는 하루 약 0.016%(한 달에 0.49%)로 훨씬 적게 증발한다.[54]

능동 열 제어 시스템을 사용하여 극저온 추진제 저장소에서 제로 증발(ZBO)을 달성할 수 있다. 1998년 NASA 글렌 연구 센터 테스트에 따르면 하이브리드 열 제어 시스템은 극저온 추진제의 증발을 제거할 수 있었다. 이 시스템은 탱크, 34개의 다층 단열재 단열층, 응축기, 냉각 용량이 15~17.5 와트(W)인 지포드-맥마흔(GM) 극저온 냉각기로 구성되었다. 액체 수소가 테스트 유체였으며, 우주 진공을 시뮬레이션하는 진공 챔버에 설치되었다.[55]

2001년 NASA는 우주 내 극저온 저장소에 대한 ZBO 개념을 개발하기 위해 노력했다. 주요 프로그램 요소는 18.10 m3 부피의 액체 수소 탱크(약 1300 kg)를 사용한 대규모 ZBO 시연이었다.[56]

2003년 NASA의 또 다른 연구에서는 개념적인 화성 임무를 위해 산소의 경우 지구 저궤도(LEO)에서 5일, 메탄의 경우 8.5일, 수소의 경우 64일의 임무 기간 동안 기존의 수동식 극저온 저장에 비해 질량 절감 효과를 보였다. 더 긴 임무는 더 큰 질량 절감과 같다. 탱크가 클수록 ZBO가 질량을 줄이는 LEO의 날짜가 적어진다.[57]

연합 발사체 동맹(ULA)은 태양 및 지구 복사열로부터 냉각 추진제를 보호하기 위해 원뿔형 선 실드를 사용하는 극저온 저장소를 제안했다. 원뿔의 열린 끝 부분은 잔열이 심우주로 방출되도록 하고, 닫힌 원뿔 층은 태양과 지구로부터의 복사열을 약화시킨다.[59]

3. 2. 비극저온 추진제 보급 기지

로켓과 우주선에서 추진제는 일반적으로 전체 질량의 2/3 이상을 차지한다.

등유(RP-1), 히드라진 및 사산화 질소(NTO)를 포함하는 비극저온, 지구 보관 가능 액체 로켓 추진제와 액체 메탄 및 액체 산소와 같은 약한 극저온, 우주 보관 가능 추진제는 극저온 연료보다 증발이 적은 액체 형태로 보관할 수 있지만 비추력도 낮다.[5] 이온 엔진에서 사용되는 것과 같은 기체 또는 초임계 추진제에는 제논, 아르곤,[6][7] 및 비스무트가 포함된다.[8]

3. 3. 위치에 따른 분류

프로펠런트 데포는 위치에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • '''(LEO) 보급 기지''': 지구 궤도에서 우주선에 연료를 공급한다. 스페이스X 스타십의 경우, 스타십 HLS가 발사되기 전에 프로펠런트 데포가 지구 저궤도로 발사되고, 여러 번의 스타쉽 발사를 통해 연료를 최대로 채운다. 그 후 스타십 HLS가 프로펠런트 데포에 도킹하여 급유를 받고 달로 향한다.[12]
  • '''심우주 보급 기지''': 달 궤도, 라그랑주점, 소행성 등 지구 궤도 밖에서 연료를 공급한다.


2009년 오거스틴 보고서에서는 LEO에서 우주선에 연료를 공급하는 두 가지 접근 방식을 제시했다.[14]

  • '''프로펠런트 탱커''' 전달: 단일 탱커가 궤도 상의 우주선과 랑데부 및 도킹하여 프로펠런트를 전달하고 출발한다. 이는 공중 급유와 유사하다.
  • '''궤도 내 데포''': 여러 탱커가 랑데부하여 궤도 데포로 프로펠런트를 전달하고, 이후 우주선이 데포에 도킹하여 지구 궤도를 출발하기 전에 프로펠런트를 받는다.


두 접근 방식 모두 2009년 우주 비행 기술로 실현 가능하다고 여겨졌지만, 상당한 엔지니어링 개발과 궤도 내 시연이 필요할 것으로 예상되었다.[14]

4. 추진제 보급 기지 관련 기술적 과제

스타쉽 HLS와 같은 대형 로켓은 높은 비추력을 위해 극저온 연료인 액체 수소와 액체 산소를 사용하지만, 극저온 추진제는 증발에 취약하여 임무 중단을 초래할 수 있다.[5] 달 또는 화성 임무의 경우, 추진제 축적에 몇 주에서 몇 달이 걸릴 수 있으므로 증발 완화는 필수적이다.

RP-1(등유), 히드라진 및 사산화 질소(NTO)와 같은 비극저온 추진제는 증발이 적지만 비추력이 낮다. 이온 엔진에 사용되는 제논, 아르곤,[6][7] 비스무트[8]와 같은 기체 추진제도 고려 대상이다.

프로펠런트 데포는 유조선으로 채워지고, 추진제는 궤도 진입 전에 상단 로켓으로 옮겨진다. 이는 주유소와 유사하며, 발사체 크기를 줄이고 비행 횟수를 늘릴 수 있다.

수동형 극저온 데포는 추가 단열재와 태양 방열판을 갖추고 있으며, 능동형 극저온 데포는 추진제 증발을 줄이거나 제거하기 위해 추가 전력 및 냉동 장비/극저온 냉각기를 사용한다.[10]

프로펠런트 데포 설계에는 추진제 침강 및 이송, 자세 제어, 냉동 장비 성숙도, 냉동을 통한 감량 또는 제로 보일오프 데포에 필요한 전력 및 질량 등 여러 기술적 과제가 존재한다.

4. 1. 추진제 정착 및 이송

미세 중력 환경에서는 액체 추진제를 안정적으로 저장하고 이송하는 기술이 필요하다. 탱크 내 액체와 기체의 불확실한 분포 때문에 우주 기지에서의 추진제 정착은 약간의 중력장에서도 어렵다.[43] 무중력 상태에서는 액체가 흡입구에서 멀어질 수 있어 추진제 이송이 더 복잡해진다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 기술들이 연구, 개발되고 있다.

  • 원심력 추진제 정착: ULA는 극저온 연료 관리 기술로서 원심 추진제 정착을 시험할 계획이다.[43]
  • 특수 펌프 및 연결 장치: 보잉의 서비스 우주선 ASTRO는 볼 에어로스페이스의 서비스 가능한 고객 우주선 NEXTSat으로 추진제를 이송하는 데 성공했다. 이는 최초의 자율적인 우주선 간 유체 이송이었다.[44] 국제 우주 정거장에서 진행된 로봇 연료 보급 임무(RRM)는 2013년 1월 일련의 로봇 추진제 이송 실험을 성공적으로 완료했다.[61] 이 실험에는 재급유를 위해 설계되지 않은 위성 플랫폼 및 연료 밸브를 사용했다.[61]
  • 반응 제어 시스템(RCS) 유체 재급유: 캐나다에 본사를 둔 MDA사는 위성 서비스 시연으로 궤도상에서 다른 우주선을 재급유할 단일 우주선을 설계하고 있다.[62]

4. 2. 극저온 추진제 관리

스타쉽 HLS와 같은 대형 상단 로켓 엔진은 높은 비추력을 얻기 위해 극저온 연료인 액체 수소와 액체 산소를 사용한다. 하지만, 극저온 추진제는 "증발"이라는 문제에 주의해야 한다.[5]

극저온 추진제의 증발을 완화하기 위한 방법은 다음과 같다.

  • 수동 단열 시스템: 복사 열전달을 줄여 추진제 증발을 완화하거나 제거한다.[43]
  • 능동 열 제어 시스템 (ZBO, Zero Boil-Off): 극저온 냉각기를 사용하여 추진제 증발을 제거한다. 1998년 NASA 글렌 연구 센터의 테스트 결과, 하이브리드 열 제어 시스템은 극저온 추진제의 증발을 제거할 수 있었다.[55] 2001년 NASA는 우주 내 극저온 저장소에 대한 ZBO 개념을 개발하기 위해 협력했다.[56]
  • 선 실드: 연합 발사체 동맹(ULA)은 태양 및 지구 복사열로부터 냉각 추진제를 보호하기 위해 원뿔형 선 실드를 사용하는 극저온 저장소를 제안했다.[59]


증발률은 열 누출과 탱크 내 추진제 양에 의해 결정된다. 탱크가 작을수록 입방 제곱 법칙에 의해 액체가 더 빨리 증발한다. 일부 추진제 탱크 설계는 액체 수소 증발률을 하루 약 0.13%(한 달에 3.8%)까지 낮췄다.[54]

2003년 NASA 연구에서는 개념적인 화성 임무를 위해 극저온 저장에 비해 질량 절감 효과를 확인했다. 더 긴 임무는 더 큰 질량 절감과 같다.[57]

수소 취성 문제도 극저온 추진제 저장의 어려움을 가중시킨다. 철과 티타늄과 같은 일부 금속은 수소에 노출된 후 취성을 띠고 파괴될 수 있다.[60]

4. 3. 재보급

스타쉽 HLS는 발사 전 지구 저궤도에서 여러 번의 스타쉽 우주선 발사를 통해 연료를 최대로 공급받는다. 이후 스타쉽 HLS는 프로펠런트 데포에 도킹하여 연료를 보급받고 달로 향한다.[10]

프로펠런트 데포는 유조선에 의해 채워지고, 추진제는 상단 로켓으로 옮겨진다. 이는 주유소와 유사한 방식으로, 발사체 크기를 줄이고 비행 횟수를 늘리는 데 기여한다. 추진제 축적에는 수 주에서 수 개월이 걸릴 수 있어 증발 감소를 위한 고려가 필요하다.[10]

수동형 극저온 데포는 추가 단열재와 태양 방열판을 갖추고 있으며, 능동형 극저온 데포는 추진제 증발을 줄이기 위해 추가 전력 및 냉동 장비를 갖추고 있다.[10]

2010년 NASA 연구에 따르면, 하이드록슬 추진제의 증발로 인해 대형 발사체의 추가 비행이 필요했으며, 설계 증발율을 줄여야 할 필요성이 확인되었다.[13]

2009년 오거스틴 보고서는 저궤도 프로펠런트 데포 설계에 대한 두 가지 접근 방식을 제시했다.[14]

  • 프로펠런트 탱커 전달: 단일 탱커가 우주선과 도킹하여 추진제를 전달하고 출발한다.
  • 궤도 내 데포: 여러 탱커가 궤도 데포로 추진제를 전달하고, 우주선이 데포에 도킹하여 연료를 보급받는다.


두 접근 방식 모두 2009년 기술로 실현 가능하지만, 상당한 개발과 시연이 필요할 것으로 예상되었다.[14]

2010년 유나이티드 런치 얼라이언스는 ACES 탱커를 제안했지만, 자금 지원을 받지 못했다.[15][16][17] 스페이스X는 궤도 내 프로펠런트 재급유를 핵심 요소로 하는 우주 간 비행 기술 개발을 진행해 왔다.[18][19][20] 스페이스X 설계는 장거리 우주선이 저궤도로 발사되는 동안 대부분의 추진제를 소모하고, 여러 스페이스X 스타십 탱커에 의한 궤도 내 재급유 후 행성간 궤도에 필요한 에너지를 제공하는 방식이다.[21] 2021년 4월, NASA는 스페이스X의 루나 스타십을 초기 달 유인 착륙 시스템으로 선정했다.[22]

연료가 고객에게 이전된 후, 기지의 탱크는 재충전이 필요하다. 연료 기지 운영자는 새로운 연료를 운반하는 탱커 로켓의 건설 및 발사를 담당한다. 가능한 운영자로는 항공우주 회사, 로켓 제조업체, 전문 우주 기지 회사, 추진제를 정제하는 석유/화학 회사 등이 있다.

지구에서 로켓으로 도달할 수 있는 저궤도 기지와 라그랑주 점 및 포보스 기지와 같은 심우주 기지 간의 연료 이전은 태양 전력 추진 예인선을 사용하여 수행할 수 있다.[45]

현재 연료 기지 재충전을 지원하기 위해 두 개의 임무가 개발 또는 제안되었다.

  • MDA 우주 기반 시설 서비스 차량[46]
  • 제안된 Simple Depot 저온 PTSD(추진제 이송 및 저장 시연) 임무[38]


1962년, S.T. Demetriades는 대기 가스를 수집하여 재충전하는 방법을 제안했다.[47] 약 120km 고도의 저궤도에서 기지는 대기의 가장자리에서 공기를 추출하여 액체 산소를 추출한다. 남은 질소는 핵 추진 자기 유체 역학 엔진의 추진제로 사용되어 궤도를 유지한다.[47] 이 시스템은 PROFAC(추진 유체 축적기)라고 불렸다.[48] 그러나 저궤도에 핵 반응기를 배치하는 데에는 안전 문제가 있다.

Demetriades의 제안은 Christopher Jones 등에 의해 개선되었다.[49] 이 제안에서 여러 수집 차량이 약 120km 고도에서 추진제 가스를 축적한 다음 더 높은 궤도로 이전한다. 그러나 Jones의 제안은 핵 반응기 배치를 피하기 위해 궤도 전력 빔 위성 네트워크가 필요하다.

소행성도 액체 산소를 제공하기 위해 처리할 수 있다.[50]

5. 주요 국가별 개발 현황

미국과 중국을 비롯한 여러 국가에서 프로펠런트 데포 개발에 적극적으로 참여하고 있다.


  • '''미국:''' NASA는 1960년대부터 관련 연구를 진행해왔으며, 2009년에는 공군 및 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)와 협력하여 아틀라스 V 로켓의 센타우르 상단을 이용한 실험적 저궤도 시연을 수행했다.[31] 이를 통해 프로펠런트 정착 및 슬로시 등에 대한 이해를 높였다.[31] NASA는 CRYOTE 파트너와 함께 슬로시 유체 역학 실험을 진행하고 있다. ULA는 극저온 유체 관리 기술 개발을 위한 우주 실험을 계획 중이며, 2012~2014년에는 CRYOTE라는 테스트베드를 통해 관련 기술을 시연할 예정이다.[35] 스페이스X는 우주 간 비행 관련 기술 개발의 핵심 요소 중 하나로 궤도 내 프로펠런트 재급유 기술을 개발하고 있다.
  • '''중국:''' 중국국가항천국(CNSA)은 2016년 톈위안 1호 위성을 통해 위성 간 궤도상 연료 보급 시험에 성공했다.[42]
  • '''기타 국가:''' 오르비트 팹(Orbit Fab)은 2018년부터 우주 궤도상에서의 상업적 연료 보급 기술을 시험 및 시연하고 있다.[68]

5. 1. 미국

NASA는 1960년대부터 추진제 보급 기지 관련 연구를 진행해왔다. 2009년 10월, 미국 공군과 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)는 DMSP-18 발사를 통해 수정된 센타우르 상단에서 실험적인 저궤도 시연을 수행하여 "프로펠런트 정착 및 슬로시, 압력 제어, RL10 냉각 및 RL10 2상 종료 작업"에 대한 이해를 높였다.[31] 이 시연은 우주선 임무 연장 이후 궤도 이탈 연소를 실행하기 전에 2.4시간 동안 진행되었다.[31]

NASA의 발사 서비스 프로그램은 CRYOTE라는 파트너와 함께 슬로시 유체 역학 실험을 진행하고 있다. ULA는 주 페이로드 분리 후 센타우르 상단을 사용하여 극저온 유체 관리 기술을 추가로 개발하기 위한 우주 실험을 계획하고 있다. CRYOTE 또는 CRYogenic Orbital TEstbed라고 명명된 이 실험실은 2012~2014년 동안 여러 소규모 시연을 통해 극저온 프로펠런트 데포에 필요한 기술을 시연하기 위한 테스트베드가 될 것이다.[35] ULA CRYOTE 소규모 시연은 2015년에 ULA 대규모 극저온 위성 플래그십 기술 시연으로 이어질 예정이다.[35]

2010년 ULA는 Advanced Cryogenic Evolved Stage(ACES) 탱커를 제안했는데,[15] 초기 설계에서 최대 의 프로펠런트를 운송하도록 설계되었으며, 최초 비행은 2023년보다 빠르지 않을 것으로 제안되었으며, 잠재적으로 2020년대 중반에 프로펠런트 탱커로 처음 사용될 수 있다.[16][17] ACES는 자금 지원을 받지 못했지만 일부 아이디어는 벌컨 센타우르 로켓의 센타우르 단에 사용되었다.

스페이스X는 우주 간 비행 관련 기술 개발을 진행해 왔다. 스페이스X가 핵심 요소로 간주하는 여러 요소 중 궤도 내 프로펠런트 재급유는 네 가지 핵심 요소 중 하나이다.[18][19][20] 스페이스X 설계는 장거리 우주선이 스페이스X 스타십의 2단 로켓 역할을 하면서 저궤도로 발사하는 동안 거의 모든 프로펠런트 적재량을 소모하고, 여러 스타십 탱커에 의한 궤도 내 재급유 후 우주선을 행성 간 궤도에 올리는 데 필요한 에너지를 제공할 계획이다. 스타십 탱커는 약 의 프로펠런트를 저궤도로 운송하도록 설계되었다.[21] 2021년 4월, NASA는 초기 달 유인 착륙 시스템으로 궤도 내 재급유가 가능한 스페이스X의 루나 스타십을 선정했다.[22]

5. 2. 중국

중국국가항천국(CNSA)은 2016년 톈위안 1호 위성을 통해 위성 간 궤도상 연료 보급 시험에 성공했다.[42] 이 실험을 통해 정지궤도 인공위성에 60kg의 연료를 공중 급유하면 위성의 수명을 12개월 연장할 수 있다는 것이 밝혀졌다.[70]

5. 3. 기타 국가

오르비트 팹(Orbit Fab)은 실리콘 밸리의 스타트업으로, 2018년부터 우주 궤도상에서의 상업적 연료 보급 기술을 시험 및 시연하는 실험을 진행하고 있다.[68] 2021년 6월, 오르비트 팹은 과산화 수소를 탑재한 최초의 추진제 저장소인 Tanker-001 Tenzing을 태양 동기 궤도로 발사했다.[69] 초기 실험에서는 추진제 모의 물질로 물을 사용했다.[68]

6. 갤러리

참조

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