SpaceX의 Raptor 엔진이 복잡한 배관과 배선의 집합체에서 간결한 Raptor 3 설계로 진화한 과정을 살펴본다.
이 글을 읽고 있다면, SpaceX의 Raptor 로켓 엔진이 세 차례에 걸쳐 진화한 모습을 담은 이 유명한 이미지를 보았을 가능성이 매우 높다. Raptor 엔진은 SpaceX의 Starship 우주선을 위해 개발되었다(Falcon 9과 Falcon Heavy는 Merlin 엔진을 사용한다). 2016년에 처음 시험 점화되었고, 2019년 Starhopper에서 처음 비행했으며, 2020년에는 Starship 시제기에서, 2023년에는 완전한 Starship 조합체에서 처음 비행했다. 이후에도 계속 개선되어, Raptor 1에서 보이는 배관과 전선의 얽힘에서 올해 5월 처음 비행한 매끈하고 간결한 Raptor 3 설계로 바뀌었다.
진화의 폭이 워낙 극적이어서, 처음에는 많은 사람이 이것이 진짜가 아니라고 믿었다. 당시 우주 발사 기업 United Launch Alliance의 최고경영자였던 Tory Bruno는 트윗에서 “부분 조립된 엔진을 보여주며 이를 과장할 필요는 없다”고 말했고, 이어 SpaceX 사장 Gwynne Shotwell이 Raptor 3의 성공적인 점화 사진을 트윗했다.
이러한 간소화는 의미 있는 성능 향상과 함께 이루어졌으며, Raptor 3은 Raptor 1보다 약 35% 더 큰 추력을 제공한다.
나는 이 진화가 실제로 어떻게 일어났는지 더 잘 이해하고 싶었다. 구체적으로 SpaceX는 무엇을 바꾸었기에 배선과 배관의 얽힘에서 오른쪽의 날렵하고 간결한 엔진으로 갈 수 있었을까?
알고 보니 여기에는 내가 기대했던 것보다 이용 가능한 세부 정보가 적었다. SpaceX는 공식 Raptor 도면을 공개하지 않으며, Raptor 엔진을 분해 조사한 사람도 없다. 하지만 Elon Musk의 간헐적인 발언과 SpaceX 팬 군단의 추측 덕분에 주요 변경 사항이 무엇이었는지는 어느 정도 파악할 수 있다.
Raptor 엔진은 “완전 유량 단계 연소” 엔진이다. 이것이 정확히 무슨 뜻일까?
로켓 엔진은 로켓 노즐을 통해 질량, 즉 “추진제”를 내뿜는 방식으로 작동한다. Newton의 제3법칙, 즉 “모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다”에 따라, 이것은 로켓을 반대 방향으로 밀어낸다. 더 많은 질량을, 더 빠르게 내뿜을수록 로켓 엔진은 더 큰 추력을 낸다.
이를 수행하는 가장 간단한 방법은 압축 기체로 탱크를 채우고 기체 일부를 방출하는 것이다. 방출되는 기체는 풍선의 공기를 빼면 풍선이 밀려나는 것과 같은 방식으로 로켓을 추진한다. “냉가스 추력기”라고 하는 이런 종류의 로켓은 흔히 우주선의 위치나 자세를 미세 조정하는 데 쓰인다. 냉가스 추력기는 NASA의 Manned Maneuvering Unit과 SpaceX Falcon 9 로켓의 자세 제어 추력기 등을 비롯한 장비에 사용된다.
이 엔진들은 단순하고 신뢰성이 높지만 한계가 있다. 냉가스 추력기에서 실용적으로 얻을 수 있는 추력에는 한계가 있기 때문이다. 그렇다면 더 큰 추력을 어떻게 얻을 수 있을까? 한 가지 명백한 방법은 단일 추진제 대신 두 가지를 사용하는 것이다. 연료(등유 같은 것)와 산화제(산소 같은 것)를 가져와 연소실에서 함께 태우면, 뜨거운 기체가 로켓 노즐 뒤쪽으로 빠져나간다. 이제 압축된 추진제에 저장된 에너지뿐 아니라 그 화학 결합에 저장된 에너지도 사용하여 이를 추력으로 전환하게 된다. 추진제 탱크의 압력으로 연료와 산화제를 연소실에 밀어 넣는 엔진을 압력 공급식 엔진이라고 한다. Apollo Lunar Module의 상승 단계에 사용된 엔진이 이 유형이었다. 이 엔진은 산화제로 사산화이질소(N2O4)를, 연료로 Aerozine 50이라는 물질을 사용했으며, 둘 다 압축되어 있었다.
하지만 이제 문제가 생긴다. 연소실의 연소 가스가 연료 및 산화제 배관으로 역류하여 연소실로 들어오는 추진제가 부족해지는 것을 막으려면, 연소실 압력은 연료 및 산화제 탱크와 배관의 압력보다 낮아야 한다. 그러나 작고 강력한 로켓 엔진을 만들려면 연소실 압력은 매우 높아야 한다. 추진제 저장부의 압력을 높여 이 문제를 해결할 수도 있지만, 이는 금세 비현실적이 된다. 압력이 높아질수록 파열 없이 압력을 유지하기 위한 저장 탱크와 추진제 배관은 더 두껍고 무거워져야 한다. 더 나은 해결책은 추진제를 낮은 압력으로 저장한 뒤, 연소실에 도달하기 전에 압력을 높이는 펌프를 거치게 하는 것이다. 이것이 강력한 로켓 엔진을 만드는 표준적인 방식이며, 로켓을 궤도에 올리는 데 사용되는 사실상 모든 엔진은 어떤 형태로든 펌프를 이용해 연료와 산화제를 가압한다.
Saturn V 로켓에 사용된 F-1 엔진. 연료와 산화제용 펌프는 오른쪽 위에 있다.
이제 새로운 문제가 생긴다. 처리해야 하는 유체의 부피와 추가해야 하는 압력의 크기 때문에, 이 펌프들은 작동에 막대한 전력을 필요로 한다. 예를 들어 Saturn V에 사용된 F-1 엔진의 터보펌프는 약 41메가와트의 전력을 필요로 했는데, 이는 Ohio급 잠수함의 S8G 원자로가 프로펠러 축에 전달하는 전력보다 약간 낮은 수준이다. 이 전력을 제공하는 한 가지 방법은 배터리를 쓰는 것이다. Rocket Lab의 Electron 로켓은 배터리 구동 전기 펌프를 쓰는 엔진을 갖고 있다. 그러나 사실상 모든 대형 부스터 로켓이 채택하는 더 일반적인 전략은 로켓 자체의 추진제를 동력원으로 사용하여, 소량의 연료와 산화제를 태워 터빈을 구동하고 그 터빈으로 펌프를 돌리는 것이다.
이런 시스템은 여러 방식으로 구성할 수 있다. 가장 단순한 방식은 소량의 연료와 산화제를 터빈으로 보내고, 발생한 배기가스를 방출하는 것이다. 이를 가스 발생기 사이클이라고 하며, F-1 엔진과 SpaceX의 Merlin 엔진이 사용하는 방식이다.
또 다른 방법은 일부 연료와 산화제를 태워 펌프를 구동한 다음, 연소된 추진제를 연소되지 않은 연료 및 산화제와 함께 주 연소실로 보내는 것이다. 이를 “단계 연소”라고 하며, 펌프를 구동하는 데 쓰이는 더 작은 연소실을 “예연소기”라고 한다. 이는 가스 발생기 사이클보다 복잡한 구성이나, 터보펌프를 구동하는 고온 배기가스를 낭비적으로 방출하지 않으므로 더 효율적이다.
대부분의 단계 연소 엔진에서는 추진제의 일부만 예연소기를 통과한다. 나머지는 우회하여 직접 연소실로 들어간다. 하지만 SpaceX의 Raptor는 “완전 유량”으로 알려진 특정 단계 연소 방식을 사용한다. 완전 유량 엔진에는 두 개의 예연소기가 있다. 하나는 연료 펌프를 구동하고 다른 하나는 산소 펌프를 구동한다. 모든 추진제는 예연소기를 통과한다. 한 예연소기에서는 다량의 연료가 있는 상태에서 소량의 산화제를 태워 대부분의 연료를 연소시키지 않은 채 남기며, 다른 예연소기에서는 다량의 산화제가 있는 상태에서 소량의 연료를 태워 대부분의 산화제를 연소시키지 않은 채 남긴다. 이렇게 연료가 풍부한 배기 흐름과 산화제가 풍부한 배기 흐름은 모두 주 연소실로 들어가 함께 연소된다.
Wikipedia를 통한 완전 유량 단계 연소 개략도.
완전 유량 단계 연소 엔진은 매우 복잡하며, Raptor 이전에 만들어진 것은 단 두 개뿐이었고 그 어느 것도 로켓에서 성공적으로 비행하지 못했다. 러시아는 1960년대에 RD-270이라는 FFSC 엔진을 개발했지만 비행하지 못했고, 미국은 1990년대와 2000년대에 Integrated Powerhead Demonstrator라는 FFSC 엔진의 일부를 만들었지만 완전한 엔진으로 개발되지는 않았다. SpaceX가 2012년에 Raptor 개발을 시작했을 때에는 Integrated Powerhead Demonstrator에 사용된 장비 일부를 확보했다. 그러나 FFSC 엔진에는 여러 장점이 있는데, 그중 하나는 이론적으로 신뢰성이다. 펌프를 구동하는 터빈을 통과하는 질량 유량이 매우 크기 때문에 터빈은 더 낮은 온도와 압력에서 작동할 수 있어, 이론상 더 신뢰성이 높아진다. 재사용 로켓에 크게 베팅하는 기업이라면, 더 신뢰성 높은 터빈은 분명 매력적이다.
SpaceX는 첨단 로켓 기술의 여러 세부 사항에 대해 당연히 말을 아끼며, Raptor의 정확한 작동 방식에 관한 공식 정보는 기대할 수 있는 수준보다 적다. Raptor 엔진을 열어 내부를 보여준 사람은 없고, 존재하는 정보의 상당수는 Elon Musk의 트윗이나 Everyday Astronaut 인터뷰에서의 발언에서 나온다.
하지만 많은 SpaceX 애호가들이 있으며, 그들 중 다수는 공장을 떠나는 모든 Raptor 엔진을 집요하게 촬영하는 일을 한다. 이들은 Raptor 엔진이 어떻게 작동하는지 추측하는 데 많은 노력을 기울였다. 나에게 이 추측에서 가장 유용한 결과물은, Raptor 엔진의 작동 방식에 대한 생각을 보여주는 여러 팬 제작 도면이다. 이 도면들은 공식 자료가 아니다. SpaceX 애호가들이 여러 출처의 정보를 조합해 만든 것이므로 매우 신중하게 받아들여야 한다. 그래도 여러 버전의 Raptor 엔진이 어떻게 작동했을 것이라고 사람들이 생각하는지 파악하는 데 유용한 출발점이다.
우선 Raptor 버전 1의 도면 몇 개를 살펴보자. 아래 이미지는 러시아 추진 기관 엔지니어인 Elisei Maslov가 2019년에 만들었다.
Reddit의 Elisei Maslov 제공.
Raptor 버전 1의 또 다른 유용한 도면은 2019년 12월 NASASpaceFlight 포럼 회원 “hisdirt”가 만든 아래 도면이다. 특히 실제 엔진의 3차원 모형 위에 다양한 엔진 구성 요소를 표시했기 때문에 유용하다. 온갖 것 중에서도 Revit으로 모델링했다.
NASASpaceFlight의 “hisdirt” 제공.
이 도면들에서는 완전 유량 단계 연소 엔진의 기본 구성 요소를 볼 수 있다. 산소 펌프, 터빈, 예연소기는 엔진 상단에 있고, 연료 펌프, 터빈, 예연소기는 측면의 조립체를 이룬다. 또한 연료가 예연소기로 되돌아가기 전 노즐 외부를 통과하는 모습도 볼 수 있다. 이는 로켓 배기의 열로 노즐이 녹지 않게 냉각하는 것이며, 재생 냉각으로 알려져 있다.
다음 도면은 2022년 2월 NASASpaceFlight 이용자 “Livingjw”와 “HVM”이 만든 것으로, Wikipedia에서 가져왔으며 Raptor 버전 2를 보여 준다. Maslov의 도면보다 상세하지는 않다. 기본적으로 산소와 메탄의 흐름만 보여 준다. 하지만 상단의 산소 펌프 조립체, 측면의 연료 펌프 조립체라는 동일한 기본 배치를 보여 준다.
그리고 2025년 1월 Twitter 이용자 “TheSpaceEngineer”가 게시한 이 도면은 Raptor 버전 3을 보여 준다.
이 도면들이 크게 오해를 부르는 수준으로 틀리지 않았다고 가정한다면, 엔진 버전 1과 버전 3 사이에서 주요 구조는 바뀌지 않았음을 알 수 있다. 여전히 완전 유량 단계 연소 엔진이며, 상단에 산소 펌프·터빈·예연소기 조립체가 있고 측면에 연료 펌프·터빈·예연소기가 장착된 기본 배치를 유지한다. 또한 연료를 이용해 노즐을 재생 냉각한다. 그리고 버전 1과 3에서 작은 배관 다수가 동일하다는 것도 볼 수 있다. 둘 다 퍼지, 즉 시스템에서 추진제를 제거하는 데 쓰이는 질소 배관을 보여 주고, 점화기로 연결되는 연료 및 산화제 배관도 보여 준다. 또한 탱크가 비워지면서 가압 상태를 유지하도록 기체 추진제를 탱크로 되돌려 보내는 연료 및 산화제 배관도 둘 다 갖고 있다. 이것은 자생 가압으로 알려져 있다.
그렇다면 무엇이 바뀌었을까? 버전 1과 버전 3의 도면을 자세히 보면, 다시 말하지만 이들은 비공식적이고 추정에 기반한 자료다. 몇 가지 차이를 볼 수 있다. 버전 3은 작은 배관들이 “공통 엄빌리컬”로 묶여 있음을 보여 주며, Raptor 3가 로켓에 연결된 사진을 보면 이를 확인할 수 있다.
Starship SpaceX 위키를 통한 Raptor 3. 공통 엄빌리컬은 연료 터보 조립체 위에 있는 것으로 보인다.
버전 1 도면은 처음에 연료 및 산소 터빈을 회전시키기 위해 헬륨을 사용하는 것으로도 나타내지만, 버전 3에서는 이 배관들이 제거되고 대신 질소가 사용된다. 이 진화가 정확한지 내게는 아주 명확하지 않다. 버전 1 도면에 대한 일부 Reddit 댓글 작성자들은 헬륨이 사용되지 않았다고 주장했다. 하지만 헬륨이 사용되었다는 일부 증거는 있다. 이 도면들에 따르면, 버전 1에서 일부 밸브를 제어하는 데 사용된 헬륨도 버전 3에는 없으며, 버전 3 도면에는 헬륨 배관이 전혀 표시되지 않는다.
버전 3 도면은 또한 열교환기가 제거되었다고 표시한다. NASASpaceFlight 포럼의 여러 이용자도 이 점을 언급했다. 이는 예연소기 근처의 기체 산소 열교환기로 보인다. 버전 1에는 존재했지만 버전 3 도면에는 없는, 예연소기로 향하는 연료 배관도 있다.
버전 1
버전 3
물론 더 신뢰할 수 있는 변경 사항 출처는 Elon Musk와 SpaceX의 발언이다. Starship 개발 진척에 대한 SpaceX의 업데이트를 다룬 2022년 NASASpaceFlight 기사는 Raptor 2에서 “터보기계부터 연소실 노즐, 전자장치까지 모든 것이” 재설계되었고, 터보펌프는 더 작아졌으며, 예연소기 제어 장치들은 “엔진 곳곳에 흩어져 있는 대신 상자 안으로 옮겨졌다”고 언급했다. 같은 업데이트를 다룬 Everyday Astronaut 기사도 “많은 밸브가 밸브 플레이트로 통합되었다”고 지적한다. 최근 Reddit의 전 최고경영자 Yishan Wong이 9월 5일 올린 트윗에 대한 답변에서 Musk는 시간에 따른 Raptor의 변경 사항을 짧게 열거했다.
여기서 큰 범주 하나는 센서와, 센서에 필요한 다양한 전선 및 케이블이다. 내가 이해한 바로는 Raptor 버전 1은 상당 부분 개발용 엔진이었으며, 따라서 엔진의 여러 부분에서 어떻게 작동하는지 파악하기 위해 온도와 압력 같은 것을 감시하는 많은 추가 센서가 필요했다. 엔진이 완성도에 가까워지면서 이 센서들 중 상당수는 제거할 수 있게 되었다. 다만 일부는 내부로 옮겨졌을 수도 있다.
Musk가 언급한 또 다른 것은 주 연소실 스파크 점화기다. 점화기는 이름 그대로 주 연소실 안의 연료와 산화제를 점화한다. 이는 Raptor 버전 1에는 있었지만 버전 2에서는 제거되었다. Musk는 무엇으로 대체되었는지 말하지 않았지만, 이 변화는 예연소기에서 나오는 고온의 연료 및 산화제 배기 흐름이 연소를 위해 아주 적은 자극만 필요할 것이라는 사실과 관련이 있을 수 있다. 2019년 NASASpaceFlight 댓글은 예연소기 배기 흐름의 높은 온도를 고려하면 주 연소실 점화기가 정말 필요한지 의문을 제기한다.
Musk는 또한 다수의 볼트 체결 플랜지 연결부가 용접 연결부로 대체되었다고 언급했다. 이는 정비성은 희생하지만 질량과 누출될 수 있는 이음부를 줄인다. 이 작업은 여전히 진행 중인 것으로 보인다. 초기 Raptor 3 사진에는 엔진 본체의 커다란 볼트 체결 플랜지가 보이지만, 이후 사진에서는 제거되었기 때문이다.
Raptor 3의 또 다른 상당한 변화는 많은 배관이 제거된 것이 아니라, 많은 구성 요소를 3차원 프린팅함으로써 내부로 옮겨졌다는 점이다. Musk는 이전에 SpaceX가 “세계에서 가장 진보된 3차원 금속 프린팅 기술을 보유하고 있다”고 언급한 바 있으며, 이 회사는 2024년에 Velo3D의 3차원 금속 프린팅 기술을 라이선스했다.
실제로 Raptor 3의 근접 사진에서는 3차원 프린팅 선이 보이는 듯하다.
이러한 내부화의 목적은 더 많은 부품, 특히 열 차폐판과 화재 억제 시스템을 제거하는 데 있다. Raptor 버전 1과 버전 2의 거대한 전선 및 배관 묶음은 로켓 배기열로부터 이를 보호하기 위한 크고 무거운 열 차폐판을 필요로 했다. 여러 추진제 배관을 내부화하고 내부 냉각 시스템을 추가하면 이 열 차폐판과 화재 방호 시스템을 제거할 수 있다. 실제로 Raptor 버전 1에서 버전 3으로 갈 때 가장 큰 질량 변화는 “기체 측” 엔진 하드웨어의 질량 제거에서 나오며, 이는 거의 확실히 상당 부분이 열 차폐판이다.
열 차폐판이 장착된 Raptor 엔진.
SpaceX의 Raptor 엔진은 짧은 시간에 여러 주요 버전을 거치며 인상적인 진화를 겪었다. 성능은 크게 향상되었고, 질량과 외부 구성 요소는 크게 감소했다. 엔진의 근본 구조는 바뀌지 않았다. 여전히 동일한 핵심 구성 요소를 쓰는 완전 유량 단계 연소 엔진이다. 하지만 작동을 지원하는 여러 부수 요소와 구성품은 크게 바뀌었다.
이 간소화로 개별 부품들이 제거되어 Raptor 엔진이 단순해졌다는 의미에서는 주목할 만하다. 그러나 이를 작동하게 만드는 일은 Musk가 언급하듯 여전히 엄청나게 복잡한 과제였고, 이 사진들이 보여 주지 않는 막대한 내부 복잡성이 Raptor 3에 추가되었다. 또한 문제들이 완전히 해결된 것도 아니다. 지난 7월 Starship의 비행 시험 13 첫 발사 시도는 여러 Raptor 3 엔진이 시동에 실패하면서 T-0, 즉 이륙 직전에 기체의 비행 소프트웨어가 자동으로 중단했다. 따라서 여러 버전의 Raptor를 담은 사진은 계속 진화하는 기술의 한 순간을 포착한 것일 뿐이다.
