팰컨 헤비

1. 개요

팰컨 헤비는 스페이스X가 개발한 대형 우주 발사체로, 2018년 2월 첫 발사에 성공했다. 팰컨 9 로켓 3개를 묶어 제작되었으며, 최대 63.8톤의 저궤도 탑재 능력을 갖춘 민간 발사체 중 가장 큰 크기를 자랑한다. 2018년 첫 발사에서는 테슬라 로드스터를 화성 궤도 너머로 발사했으며, 이후 아랍샛-6A 위성 발사 등 상업 임무를 수행했다. 팰컨 헤비는 NASA의 아르테미스 계획을 지원하고, 다양한 우주 탐사 임무에 활용될 예정이다.

2. 역사

스페이스X는 2018년 2월 6일 팰컨 헤비의 최초 발사에 성공했다. 테슬라의 창립자이기도 한 스페이스X의 일론 머스크 회장은 자신이 타던 무게 1.3톤의 테슬라 로드스터 스포츠카에 우주복을 입은 마네킹 "스타맨"을 태워 화성까지 쏘아 올렸다. 이 로드스터는 몇 달 뒤 화성 궤도에 도달했으며, 3개의 카메라가 장착되어 있었다.

팰컨 헤비는 팰컨 9 로켓 3개를 묶은 것으로, 발사 중량은 1420톤에 달한다. 이는 현재 세계 최대 크기의 민간 우주 발사체이며, 140톤 나로호의 10배에 해당한다. 팰컨 헤비와 팰컨 9의 성능 비교는 다음과 같다.

2.1. 개발 과정

팰컨 헤비 발사체의 개념은 2003년 초부터 논의되었다. 2005년에는 팰컨 9 헤비라는 이름으로 3개의 코어 부스터 단계를 사용하는 개념이 발표되었다.

2011년 4월, 스페이스X는 워싱턴 D.C.에서 기자 회견을 열고 팰컨 헤비 계획을 공개했으며, 2013년에 첫 시험 비행을 할 예정이라고 발표했다. 그러나 팰컨 9 발사체와 관련된 두 건의 이상 현상으로 인해 모든 엔지니어링 자원이 고장 분석에 투입되어 비행 작전이 중단되었고, 세 개의 팰컨 9 코어를 결합하는 것은 예상보다 훨씬 더 어려운 통합 및 구조적 문제였다. 2017년 7월, 일론 머스크는 "팰컨 헤비를 만드는 것이 생각보다 훨씬 더 어려웠다"고 말했다.

2011년 4월, 머스크는 2013년에 캘리포니아주 반덴버그 공군 기지에서 팰컨 헤비의 첫 발사를 계획하고 있었다. 스페이스X는 팰컨 9과 헤비를 수용하기 위해 발사 단지 4E를 개조했다. 플로리다주 케이프커내버럴 동해안 발사 단지에서의 첫 발사는 2013년 말 또는 2014년으로 계획되었다.

2015년 6월 스페이스X CRS-7의 실패로 인해 스페이스X는 2015년 9월 팰컨 헤비의 첫 비행을 2016년 4월 이후로 연기했다. 이 비행은 개조된 케네디 우주 센터 발사 단지 39A에서 발사될 예정이었다. 이 비행은 다시 2016년 말, 2017년 초, 2017년 여름, 2017년 말로 연기되었고, 결국 2018년 2월로 연기되었다.

결국 팰컨 헤비의 첫 시험 비행은 2018년 2월 6일 20시 45분(UTC)에 발사되었으며, 일론 머스크의 개인용 테슬라 로드스터를 화성 궤도 너머로 운반했다.

몇 분 후 측면 부스터는 착륙 구역 1 및 2에 안전하게 착륙했다. 그러나 재시동하도록 설계된 중앙 부스터의 세 엔진 중 하나만 하강 중에 점화되어, 부스터가 480km/h 이상의 속도로 바다에 충돌하여 파괴되었다.

2012년 5월, 스페이스X는 인텔샛이 팰컨 헤비 발사에 대한 첫 번째 상업 계약을 체결했다고 발표했다. 2012년 12월, 스페이스X는 미국 국방부(DoD)와 첫 번째 팰컨 헤비 발사 계약을 발표했다.

2.2. 대한민국 관련

김승조 항우연 원장은 2012년부터 스페이스X를 벤치마크 대상이자 잠재적 경쟁자로 꼽아 왔으며, 2014년까지 스페이스X를 두 차례 방문했다.

대한민국은 2018년 11월 28일 스페이스X의 팰컨 1을 벤치마킹한 한국형발사체 시험발사체를 발사했다. 2030년에는 팰컨 9를 벤치마킹하여 75톤 엔진 9개를 묶은 한국형 정지궤도 발사체를 만들어 중궤도 및 정지궤도 발사체를 제작하고, 2040년까지는 한국형발사체를 3개 묶어 팰컨 헤비와 같은 대형 정지궤도위성 발사용 한국형 대형 정지궤도 발사체를 발사할 계획이다.

3. 디자인

팰컨 헤비는 팰컨 9 발사체의 강화된 중앙 코어와 두 개의 팰컨 9 1단 로켓을 스트랩온 부스터로 사용하는 구조로 설계되었다. 이러한 모듈식 로켓 구성은 델타 IV 헤비, 아틀라스 V HLV, 앙가라 A5V 등과 유사하다.

팰컨 헤비는 저궤도(LEO)에 최대 63,800kg의 탑재체를 운반할 수 있도록 설계되었으며, 유인 비행에 필요한 모든 안전 요구 사항을 충족한다. 구조적 안전 여유는 비행 하중보다 40% 더 높게 설계되었는데, 이는 다른 로켓들보다 25% 더 높은 수치이다.

팰컨 헤비는 1단 코어에 4.5m 단간을 사용한다. 이 단간은 알루미늄 벌집 코어를 탄소 섬유 페이스 시트 플라이로 둘러싼 복합 구조이다. 팰컨 9과 달리, 블록 5 중앙 코어 부스터의 단간에 있는 검은색 열 보호 레이어는 팰컨 헤비 비행에서 볼 수 있듯이 흰색으로 칠해져 회색조를 띈다. 발사 시 차량의 전체 길이는 70m이고, 총 연료 탑재 질량은 1420ton이다. 구조적 제한으로 인해 팰컨 헤비가 들어 올릴 수 있는 최대 중량은 감소한다.

팰컨 헤비에는 1단 회수 시스템이 포함되어 있어, 스페이스X가 1단 부스터를 발사 지점으로 반환하거나 자율 우주항 드론선에 착륙시켜 1단 코어를 회수할 수 있다. 이 시스템에는 각 1단 탱크 코어에 잠겨 있다가 착륙 직전에 배치되는 4개의 착륙 다리가 포함된다. 팰컨 헤비 1단 회수 작전을 위해 예약된 잉여 추진제는 필요한 경우 주요 임무 목표에 사용하기 위해 전환되어 성공적인 임무를 위한 충분한 성능 여유를 보장한다.

정지 궤도 천이 궤도 (GTO)로의 공칭 탑재 능력은 3개의 모든 1단 코어를 회수할 경우 (발사당 가격은 9700만 달러) 8ton이고, 완전히 소모하는 모드에서는 26.7ton이다. 팰컨 헤비는 또한 두 개의 측면 부스터만 회수하는 경우 16ton의 탑재체를 GTO에 투입할 수 있다.

3.1. 1단

팰컨 헤비의 1단은 팰컨 9에서 파생된 세 개의 코어를 사용하며, 각 코어에는 9개의 멀린 1D 엔진이 장착되어 총 27개의 엔진으로 구성된다. 발사 시 해수면에서의 총 추력은 22819kN이며, 대기권 밖에서는 24681kN이다.

각 코어에는 로켓 회수를 위한 4개의 착륙 다리, 자세 제어용 스러스터, 대기권 내 자세 제어를 위한 그리드 핀이 장착되어 있다.

발사 시 중앙 코어는 최대 출력으로 작동하다가 몇 초 후 출력을 낮춰 연료를 절약하고, 측면 부스터 분리 후 다시 최대 출력으로 연소한다. 분리된 측면 부스터는 회수되어 재사용된다.

3.1.1. 연료 크로스피드 (Crossfeed)

팰컨 헤비는 원래 두 개의 측면 코어에서 연료와 산화제를 공급받아 중앙 코어 엔진이 분리될 때까지 작동하는 "연료 크로스피드" 기능을 갖도록 설계되었다. 이 방식은 이전에 블라디미르 첼로메이가 UR-700 발사 시스템에서 제안한 바 있다. 발사 시 모든 엔진을 최대 추력으로 작동시키고, 연료를 주로 측면 부스터에서 공급하면 측면 부스터가 더 빨리 소모되어 조기에 분리되므로 가속되는 질량을 줄일 수 있다. 이렇게 하면 부스터 분리 후 중앙 코어 추진제의 대부분을 사용할 수 있게 된다.

일론 머스크는 2016년에 연료 크로스피드 방식을 구현하지 않겠다고 밝혔다.

3.2. 2단

팰컨 헤비의 2단은 팰컨 9과 부품을 공유한다. 진공 연소에 최적화된 멀린 1D 밸큐 엔진 1기를 사용하며, 445kN의 추력을 낼 수 있다.

4. 제원

팰컨 헤비는 1단 코어에 부착된 4.5m 단간을 사용한다. 이는 복합 구조로 알루미늄 벌집 코어를 탄소 섬유 페이스 시트 플라이로 둘러싸고 있다. 팰컨 9과 달리, 블록 5 중앙 코어 부스터의 단간에 있는 검은색 열 보호 레이어는 팰컨 헤비 비행에서 볼 수 있듯이 나중에 흰색으로 칠해져서 팰컨 헤비 로고의 미학으로 인해 회색조를 띕니다. 발사 시 차량의 전체 길이는 70m이고, 총 연료 탑재 질량은 1420ton이다. 어떤 단도 회수하지 않으면 팰컨 헤비는 이론적으로 63.8ton의 탑재체를 저궤도에 투입할 수 있으며, 금성 또는 화성까지 16.8ton를 투입할 수 있다. 그러나 구조적 제한으로 인해 팰컨 헤비가 들어 올릴 수 있는 최대 중량은 감소한다.

팰컨 헤비에는 1단 회수 시스템이 포함되어 있어 스페이스X가 1단 부스터를 발사 지점으로 반환하고 주요 임무 요구 사항 완료 후 자율 우주항 드론선 바지에서 착륙한 후 1단 코어를 회수할 수 있다. 이러한 시스템에는 상승 중 각 1단 탱크 코어에 대해 잠겨 있고 착륙 직전에 배치되는 4개의 배치 가능한 착륙 다리가 포함된다. 팰컨 헤비 1단 회수 작전을 위해 예약된 잉여 추진제는 필요한 경우 주요 임무 목표에 사용하기 위해 전환되어 성공적인 임무를 위한 충분한 성능 여유를 보장합니다. 정지 궤도 천이 궤도 (GTO)로의 공칭 탑재 능력은 3개의 모든 1단 코어를 회수할 경우 (발사당 가격은 97) 8ton이고, 완전히 소모하는 모드에서는 26.7ton이다. 팰컨 헤비는 또한 두 개의 측면 부스터만 회수하는 경우 16ton의 탑재체를 GTO에 투입할 수 있다.

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📌 열 고정 해제

최대 이론 탑재량

목적지	팰컨 헤비			팰컨 9
	2013년 8월 ~ 2016년 4월	2016년 5월 ~ 2017년 3월	2017년 4월 이후
저궤도 (28.5°) 소모형	53 t	54.4 t	63.8 t	22.8 t
GTO (27.0°) 소모형	21.2 t	22.2 t	26.7 t	8.3 t
GTO (27.0°) 재사용 가능	6.4 t	6.4 t	8 t	5.5 t
화성	13.2 t	13.6 t	16.8 t	4 t
명왕성	–	2.9 t	3.5 t	–

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📌 열 고정 해제

로켓 이름	팰컨 헤비
보조 로켓	1기당 9기의 멀린 1D 엔진이 장착된 액체 연료 부스터 2기
1단	멀린 1D 엔진 9기
2단	멀린 벡트라 엔진 1기
높이	70m
전폭	12.2m
이륙 추력	22819kN
발사시 중량	1420ton
페이로드 페어링 직경	5.2m
페이로드 (LEO)	63.8ton (일회용)
페이로드 (GTO)	26.7ton (일회용)
페이로드 (화성)	16.8ton (일회용)
가격	97 (재사용) / 150 (일회용)
질량당 최소 가격 (LEO)	$2,351/kg (일회용)
질량당 최소 가격 (GTO)	$5,618/kg (일회용)

5. 발사

팰컨 헤비는 팰컨 9 개발과 함께 진행되었다. 2011년 4월, 스페이스X는 2013년에 캘리포니아주 반덴버그 공군 기지에서 팰컨 헤비의 첫 발사를 계획했고, 플로리다주 케이프커내버럴 동해안 발사 단지에서의 첫 발사는 2013년 말 또는 2014년으로 계획되었다. 이를 위해 발사 단지 4E를 개조했다.

2015년 6월 스페이스X CRS-7의 실패로 첫 비행은 2016년 4월 이후로 연기되었고, 개조된 케네디 우주 센터 발사 단지 39A에서 발사될 예정이었다. 이후 여러 차례 연기를 거쳐, 2018년 2월에 첫 발사가 이루어졌다.

2017년 7월, 일론 머스크는 첫 비행 성공 가능성에 대해 낮은 기대를 표명했고, 12월에는 첫 발사에서 더미 탑재체로 자신의 개인용 테슬라 로드스터를 데이비드 보위의 "Life on Mars"와 함께 태양 주위 궤도로 발사하여 화성 궤도에 도달할 것이라고 발표했다.

2018년 2월 6일, 강풍으로 인해 두 시간 이상 연기된 후, 팰컨 헤비는 20:45 UTC에 성공적으로 발사되었다. 측면 부스터는 착륙 구역 1 및 2에 안전하게 착륙했으나, 중앙 부스터는 재점화 실패로 바다에 추락했다.

팰컨 헤비는 팰컨 9의 재사용 로켓 아키텍처를 일부 적용하여 개발되었다. 스페이스X는 모든 로켓 단계를 재사용할 수 있기를 희망했으며,팰컨 9 1단의 육상 및 해상 회수를 일상적으로 시연했다.

팰컨 헤비의 발사 가격은 개발 진행에 따라 변경되었다. 2011년에는 8,000만~1억 2,500만 달러, 2014년에는 최대 6.4ton을 GTO로 운송하는 데 8,500만 달러, 2016년에는 최대 8ton을 GTO로 운송하는 데 9,000만 달러였다. 2022년, 재사용 가능한 발사체의 발표 가격은 9,700만 달러였다.

개선된 팰컨 9의 성능으로 인해, 인텔샛 35e 및 인마르샛-5 F4와 같이 더 무거운 위성이 지구 정지 전이 궤도로 발사되기도 했다. 스페이스X는 2021년부터 매년 10번의 발사를 희망했지만, 2020년과 2021년에는 발사가 없었다.

5.1. 발사 실적

5.2. 발사 예정

6. 화성 탐사 구상

2011년 7월, NASA 에임스 연구 센터는 팰컨 헤비를 발사체 및 화성 궤도 진입 차량으로 사용하고, 드래곤 우주선을 화성 대기권에 진입시키는 저비용 화성 탐사 구상인 레드 드래곤을 발표했다. 이 계획은 2018년에 발사하여 6개월 후 화성 표면에 도착하는 것을 목표로 했다.
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레드 드래곤 탐사의 과학적 목표는 생명체의 존재 증거가 되는 화학 물질(예: DNA, 과염소산염 환원 효소)을 찾아 생체 물질로부터 생명의 징후를 확인하는 것이었다. 또한, 1m 이상 깊이까지 지표면을 굴착하여 붉은 흙먼지 아래, 화성의 지하수가 고여 영구 동토가 된 지층에 겨울잠 상태로 보존되어 있을 것으로 추정되는 화성 생명체를 표본 채취하는 것을 목표로 했다. 이 임무의 비용은 발사 비용을 제외하고 425로 추정되었다.

스페이스X는 이후에도 화성 탐사에 대한 의욕을 보였지만, 드래곤 우주선의 로켓 엔진 연착륙 기술 문제로 인해 레드 드래곤 계획은 중단되었다. 현재 스페이스X는 팰컨 헤비 대신 스타십을 이용한 화성 탐사를 구상하고 있다.

7. 경쟁

유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)의 델타 IV 헤비는 2024년에 퇴역했다. 델타 IV 헤비는 LEO 탑재량이 28.4ton이며, LEO로 kg당 12,340달러, GTO로 kg당 24,630달러의 비용이 소요되었다.

2024년부터 경쟁 발사체로는 스페이스X의 스타쉽 (LEO로 100+ t), 블루 오리진의 뉴 글렌 (LEO로 45 t), 렐러티비티 스페이스의 테란 R (LEO로 34 t), ULA의 벌컨 센타우르 (LEO로 27 t) 등이 있다.