대형 리프트 발사체
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1. 개요
대형 리프트 발사체는 무거운 탑재물을 지구 궤도 또는 다른 궤도로 운송하도록 설계된 로켓이다. 1960년대 미국의 새턴 IB와 소련의 프로톤을 시작으로 우주왕복선, 타이탄 IV, 아리안 5, 팰컨 9 등이 개발되었다. 현재 팰컨 9, 프로톤-M, 앙가라 A5, 창정 5호, 벌컨 켄타우루스, 팰컨 헤비가 운용 중이며, 뉴 글렌, 아리안 6, HLV, SHLV, 주췌-3, 그래비티-2, 테란 R, 앙가라-A5V, H3 헤비 등 차세대 발사체가 개발 중이다. 대한민국은 아직 대형 리프트 발사체를 보유하고 있지 않으며, 중형 발사체 기술을 바탕으로 대형 발사체 개발을 위한 노력을 지속하고 있다.
1960년대 미국의 새턴 IB와 소련의 프로톤 개발은 대형 리프트 발사체 시대의 시작을 알렸다. 새턴 IB는 아폴로 계획을 지원하기 위해 설계되었으며, 프로톤은 본래 대형 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 개발되었으나 우주 발사체로 활용되었다.[4] 이후 NASA는 1980년대에 최초의 부분 재사용 발사체인 우주왕복선을 도입하여, 대형 화물과 다수의 우주비행사를 지구 저궤도(LEO)로 운송하는 새로운 시대를 열었다.
(소모성 발사 시)
2. 역사 및 설계
미국은 우주왕복선 외에도 미국 공군 주도로 타이탄 IV[5]와 델타 IV 헤비와 같은 강력한 성능의 소모성 발사체를 개발하여 다양한 임무를 수행했다. 유럽은 아리안 5를 통해 상업 위성 발사 시장에서 경쟁력을 확보했으며, 중국은 창정 5호를 개발하여 자체적인 우주 탐사 및 개발 역량을 강화했다.[6] 러시아는 오랜 기간 프로톤 로켓을 주력으로 운용해왔으며, 현재는 차세대 발사체인 앙가라 A5로 점진적인 전환을 추진하고 있다.
최근 우주 발사체 개발은 민간 기업의 참여가 두드러지는 추세이다. 특히 스페이스X가 개발한 팰컨 9과 팰컨 헤비는 1단 로켓 재사용 기술을 성공적으로 구현하여 발사 비용을 크게 절감시키고, 발사체 시장에 혁신을 가져왔다.[7][8] 이처럼 대형 리프트 발사체는 초기 정부 주도의 개발 단계를 거쳐, 기술 발전과 함께 상업적 경쟁이 심화되는 방향으로 나아가고 있다.
2. 1. 정부 주도 개발
대형 리프트 발사체의 초기 개발은 주로 각국 정부의 주도하에 이루어졌다. 1960년대 미국은 아폴로 우주선을 지구 궤도로 운송하기 위해 설계된 새턴 IB를 선보였다. 이는 이전 모델인 새턴 I보다 엔진 추력을 향상시키고 2단을 재설계한 것이다. 같은 시기 소련은 본래 대형 대륙간 탄도 미사일(ICBM)로 개발되었던 프로톤을 발사체로 활용하기 시작했다.[4] 러시아는 2024년 현재까지도 프로톤의 개량형을 운용하고 있으나, 차세대 발사체인 앙가라 A5를 주력으로 사용하기 위해 점차 퇴역시키는 과정에 있다.
1981년 NASA는 최초의 부분 재사용 발사체인 우주왕복선을 도입하여 우주 개발의 새로운 장을 열었다. 우주왕복선은 최대 8명의 승무원과 함께 우주 정거장 모듈이나 국방부의 위성 등 대형 탑재물을 지구 저궤도(LEO)로 실어 날랐다. 또한 원지점 킥 모터와 같은 관성 상단 추진체를 이용하여 탑재물을 더 높은 에너지의 궤도로 진입시킬 수 있었다.
미국 공군(USAF)은 우주왕복선과 별도로 군사적 목적 등의 발사를 위해 타이탄 IV를 운용했다. 이는 기존의 타이탄 ICBM 및 발사체 시리즈를 기반으로 고체 로켓 부스터(SRB)를 추가하고 동체를 연장하는 등 성능을 개선한 모델이다.[5] USAF는 안정적인 우주 발사 수단을 확보하고자 1994년에 진화형 소모성 발사체(EELV) 프로그램을 시작했고, 이를 통해 민간 기업과의 계약을 통해 발사 서비스를 제공받게 되었다. 이 프로그램의 결과로 델타 IV가 개발되었으며, 특히 헤비 버전은 3개의 1단 코어를 묶어 강력한 발사 능력을 갖추었다. 이후 델타 IV와 아틀라스 V 로켓을 운용하던 연합 발사 얼라이언스(ULA)는 2024년 이들을 대체할 벌컨 켄타우루스를 새로 선보였다. 벌컨 켄타우루스는 더 넓어진 단일 코어와 필요에 따라 추가할 수 있는 SRB를 특징으로 한다.
중국 역시 국가 주도로 대형 발사체 개발에 적극적으로 나서고 있다. 2016년에 처음 발사된 창정 5호는 창정 로켓 시리즈 중 가장 강력한 성능을 지닌 발사체로, 초고성능 추진제 대신 액체 추진제를 사용한다는 점이 주목할 만하다.[6]
2. 2. 상업적 개발
유럽의 아리안 5는 1996년에 처음 발사되어 GTO로 많은 상업용 탑재체를 성공적으로 발사했다. 프랑스령 기아나의 기아나 우주 센터에서 발사하는데, 이곳은 적도 근처에 위치하여 발사에 유리한 조건을 제공한다. 아리안 5는 종종 한 번의 발사로 여러 개의 위성을 동시에 운반했으며, 상업용 탑재체를 GTO로 운반하는 질량에서 기록을 세우기도 했다.
스페이스X가 2010년에 도입한 팰컨 9은 재사용 가능한 1단 로켓을 특징으로 하는 중형 발사체로 개발되었다. 팰컨 9 1단 로켓의 첫 성공적인 착륙은 2015년에 이루어졌다. 팰컨 9은 멀린 엔진 개선 및 로켓 길이 연장 등 지속적인 개량을 통해 성능이 향상되었다. 2015년 팰컨 9 풀 스러스트 버전이 도입된 이후, 1단 로켓을 회수하지 않고 폐기하는 조건 하에서는 대형 발사체의 성능 기준을 충족한다. 2021년에는 한 번의 발사로 143개의 위성을 궤도에 진입시키는 기록을 세우기도 했다.[7]
팰컨 헤비는 델타 IV 헤비와 유사하게 3개의 1단 부스터 코어를 사용하지만, 중앙 코어는 강화된 설계를 적용했다. 2017년에 첫 비행을 했으며, 2022년 NASA의 SLS가 발사되기 전까지 운용 중인 발사체 중 가장 강력한 성능을 보유했다.[8] 팰컨 헤비는 중앙 코어와 양쪽 측면 부스터를 모두 회수하는 구성으로 비행할 경우 대형 발사체로 분류된다. 만약 중앙 코어 또는 모든 부스터를 회수하지 않고 폐기할 경우, LEO로의 탑재량이 50000kg을 초과하게 되어 초대형 발사체로 분류된다.
3. 운용 중인 발사체
미국 스페이스X 22800kg[19] 8300kg[54] 2010년 프로톤-M 러시아 흐루니체프 23000kg[13] 6920kg[56] 2001년 앙가라 A5 러시아 흐루니체프 24500kg[17] 5400kg[58] 2014년 창정 5/5B 중국 CALT 25000kg[9] 14000kg[11] 2016년 팰컨 헤비
(재사용 발사 시)미국 스페이스X 38000kg+[22] 6465kg[23] 2018년 벌컨 센타우르
(VC6 구성 시)미국 ULA 25400kg[25] 해당 없음 2024년