NASA가 어떻게 괴물같은 F-1 엔진을 되살렸는가 by 계란소년


How NASA brought the monstrous F-1 “moon rocket” engine back to life(Ars Technica)

 60년대 후반부터 70년대 초까지 미국이 소련을 추월해 여러차례 유인 달탐사를 하게 했던 새턴V 같은 물건은 지금까지도 없다. 이 로켓은 '무지막지하다(Massive)'는 단어를 재정의 했다. 110미터의 높이와 34메가톤의 출력이 5개의 괴물같은 케로신 기반 로켓다인 F-1 엔진을 쓴 1단에서 나온다.

 현시점에서 F-1은 여태껏 만들어진 가장 크고 강력한 액체추진 엔진이다. F-1의 설계는 아직까지 도전자가 없다.(이후 이어지는 '소련' 항목을 보면 F-1에 도전하려 했던 엔진들이 몇개 있긴 하지만 말이다.) 5개의 F-1 엔진이 만들어내는 출력은 데이빗 우즈의 책 How Apollo Flew to the Moon에서 잘 묘사되어 있다. "새턴의 1단 로켓에서 나오는 출력은 60기가와트이다. 이것은 당시 영국 전체의 순간 전력수요와 비슷한 수준이었다."

 새턴V의 굉장한 성공에도 불구하고 아폴로 프로젝트가 끝난 뒤 NASA는 우주수송체계(Space Transport System), 하드웨어적으로는 우주왕복선을 의미하는 방향으로 전환했고, 이는 전혀 다른 엔진을 사용하게 됐다. 30년간 NASA 우주인들은 RS-25 액체수소엔진과 고체부스터를 쓰는 우주왕복선을 타고 궤도로 올라갔다. 왕복선이 퇴역하게 되면서 NASA는 이제 러시아 로켓을 이용해 우주로 물자를 보내고 있다.

 하지만 근미래에 F-1 엔진을 개량한 거대한 로켓이 굉음을 내뿜으며 하늘로 올라갈 가능성이 있다. 그리고 이것은 알라바바 헌츠빌의 일군의 젊고 재능있는 NASA 엔지니어들이 값진 박물관 전시물에서 엔진에 대해 배우고...이를 점화하려는데서 시작한다.




NASA MSFC에 전시된 F-1 엔진. 오른쪽에 있는 필자의 부인을 보면 크기를 짐작할 수 있다.

Enter our young rocket scientists

 톰 윌리엄스는 당신이 갖고싶어 할 법한 상관이다. 당연히 그는 그의 직함인 NASA Marchal Space Flight Center의 추진기관부문 디렉터란 직함에 걸맞게 영리한 인물이다. 하지만 그는 그 직함에 그치지 않고 자신의 팀에 흥미로운 도전과 더불어 세부사항을 스스로 결정할 수 있도록 풀어주었다. 요점은 이것이다. NASA는 새턴V 사이즈와 능력을 가질 차기 발사체계인 우주발사시스템(Space Launch System)을 연구 중이다. SLS의 추진기관에 대해 NASA는 30년만에 처음으로 고체부스터 이외의 것을 생각하게 되었다.

 F-1 같은 액체로켓 대신 고체부스터를 우주왕복선에 사용한 것은 기술적인 이유도 있지만 정치적인 이유도 있었다. 고체연료는 높은 에너지밀도를 가지며, 우주선을 이륙시키는데 좋은 추진력을 제공한다. 또한 고체부스터는 비슷한 시스템을 쓰는 탄도미사일을 제조하는 회사들에게 일거리를 제공할 수 있어서 이런 회사들이 전문가와 능력을 유지할 수 있게 해주었다.

 하지만 고체부스터는 몇가지 단점도 있는데, 일단 연소를 시작하면 정지시킬 수 없다는 것이 대표적이다. 끌 수 있는 스위치나 펌프가 없어서 고체부스터는 마치 어릴 적 우리 아버지가 샀던 스파클러 같다. 한번 작동하면 물이 다 떨어지기 전까지 멈추지 않는 것이다. 고체부스터의 디자인적 문제, 특히 멈출 수 없는 연소 문제는 첼린저 호의 폭발과 승무원들의 사망에도 연관이 있다.(비록 첼린저 호의 책임은 NASA의 기술력보다는 경영적인 문제가 더 크지만 말이다.)

 그렇다곤 해도 우주왕복선 프로그램이 종료되고 후계자가 거론되기 시작하면서 고체부스터와 그 시설, 인재들을 계속 이용하려는 관성은 당연히 계획의 고려안 중 하나이다.

 SLS는 NASA로 하여금 새로이 생각할 기회를 주었다. 디자인 연구가 진행되면서 윌리엄스는 MSFC 추진기관부문으로 하여금 F-1 같은 대형 케로신 로켓에 익숙해지게 하는 게 좋겠다고 생각했다.(이런 타입의 엔진은 LOX/RP-1 혹은 LOX/RP로 부르기도 하는데, 액체산소(Liquid OXygen)와 RP-1 케로신을 쓰기 때문이다.) 크기와는 별개로 F-1 엔진은 상대적으로 단순한 디자인이고, 이는 비용절감으로 이어질 수 있다. 우주발사 비용을 줄이는 것은 안전을 제외하고 상당히 우선순위가 높은 요인이고, 가끔은 가장 중요하게 여겨지기도 한다.

 하지만 문제도 있었다. SLS의 디자인 패러미터들은 새턴V 크기의 로켓으로 저궤도로 150톤을 올리는 것이다. MSFC의 누구도 대형 LOX/RP-1 엔진에 실무경험이 없었다. 사실 전세계 어느 발사체도 이제 이런 규모의 물건을 쓰지 않는다. 그럼 아무도 제대로 이해하지 못 하는 물건을 잘 아는 전문가를 어떻게 만들어야 할까?

 윌리엄스 밑에서 일하는 두 액체엔진 엔지니어, 닉 케이스와 에린 베츠가 방법을 찾았다. 비록 F-1 엔진을 쓰는 발사체는 더이상 없지만, F-1 엔진은 남아있다. 15개의 샘플이 MSFC를 포함한 나사 시설 주변에 3개의 새턴V 1단에 장착된 상태로 전시되어 있다. 또 12개 이상의 엔진이 미국 전역에 전시되어 있거나 창고에 보관되어 있다. 윌리엄스의 팀은 사용 가능한 엔진들을 조사했고 곧 목표를 찾을 수 있었다. 취소된 아폴로19호 미션 발사체에서 제거된 뒤 수십년 동안 보관되어 있던 발사준비 상태의 F-1 엔진을 말이다. 상태는 놀라울 정도였다.

 케이스와 베츠는 보관되어 있는 F-1 엔진을 수령하기 위해 막대한 서류작업과 워크샵을 진행했다. 윌리엄스의 팀에서 좀 더 상급자이자 SLS 개발사무실의 수석 추진기관 엔지니어인 R.H.코테스가 이들을 도왔다. 윌리엄스는 경영자적 입장에서 이들을 북돋고 도왔지만, 업무의 진행 자체는 자율로 놔두었다. 몇가지 연구 후 그들은 윌리엄스에게 찾아와 순전히 엔지니어적 입장에서 한가지 요청을 했다. "그냥 여기서 그치지 말고 이 녀석을 분해해한 뒤 원리를 이해해보는 건 어떨까요?"

 윌리엄스는 괜찮다고 했다. "그럼으로써 우리 젊은 엔지니어들이 하드웨어를 직접 만져보는 경험을 하게 될 겁니다." 그가 나에게 말했다. "우리가 '더러운 손' 이라고 부르는 방식은 어릴 적 우리가 자전거를 분해하거나, 아버지가 잔디깎이나 라디오를 분해하는 것을 말합니다. 엔지니어든 누구든 간에 배우는데 최고의 방법 중 하나죠. 분해하고, 공부하고, 질문하는 겁니다."

 그리고 바라건데, 더 나은 걸 만드는 것이다.



The Plans! The Plans!

 F1 엔진의 분해는 상대적으로 조용하게 진행되었다. 팀이 엔진을 파고들기 시작하면서 내부상태가 좋다는 것이 분명해졌다. 사실 습기로 인한 손상이 있기는 했지만 엔진 전체는 상당히 좋은 상태였다.

 팀은 초기에 엔진의 모든 부품을 컴퓨터 모델화 해서 시뮬레이션 하려고 했지만, 다른 목적이 곧 떠올랐다. 어쩌면, 정말 어쩌면이지만, 엔진부품을 시험대에 설치해서 40년만에 처음 F-1 엔진을 켜볼 수 있을지도 모른다는 생각.

 왜 NASA는 새 F-1 엔진을 만들거나, 아니면 새턴V를 그대로 만드는 대신 골동품이 된 녀석으로 작업했떤 걸까? 부주의나 관료주의적 문제로 오래전 유포된 '플랜'이나 '청사진'이 있긴 했다. 아폴로 프로젝트와 연관된 모든 서류, 새턴V와 F-1 엔진의 설계도를 포함한 모든 것이 잘 정리되어 있다. 그저 60년대 청사진 몇개만 보고 F-1 엔진을 재창조할 수 있다면, NASA가 이미 했을 것이다.

 하지만 F-1 엔진의 설계도면 같은 것들은 심각한 마감압박에 시달리는 상태로 만들어졌고, 컴퓨터화된 디자인 작업은 하나도 거치지 않았다. 이런 도면들은 하드웨어를 충분히 묘사하지 못 하고 있다. 각 F-1 엔진들은 모두 수작업으로 제작되었고, 모든 엔진은 서류화되지 않은 특징들을 갖게 되었다. 거기다가 60년대의 디자인 프로세스는 반복적인 방법이었다. 무품을 디자인하고, 제작하고, 테스트하고, 성능을 보는 것이다. 그리고 다시 설계를 변경하고 새 버전을 만들어 다시 테스트 한다. 이 작업은 결과물이 '충분히 좋다'고 판정될 때까지 이어졌다.

 거기다 F-1의 구조 자체는 상대적으로 잘 알려져 있어도 운용과 같은 부분은 현재까지 충분히 전수되지 못 했다. 추진불안정문제가 가장 좋은 예이다. F-1 엔진이 만들어지면서, 초기 샘플들이 시험대에서 폭발하는 일이 생겼다. 반복된 테스트로 노즐에서 연소가 이뤄지면서 일종의 화염기둥이 내부에서 도는 것이 원인이라고 밝혀졌다. 이 회전은 어느 순간 엔진의 공명주파수와 맞아 엔진을 파괴할 때까지 속도가 점점 빨라졌다. 이 문제가 새턴 프로그램을 파멸시킬 수도 있었고, 캐네디 대통령의 달착륙 마감을 놓칠 수도 있었다. 하지만 엔지니어들은 결국 연료와 액체산소를 분사하는 구멍에 배플을 장착함으로써 문제를 해결했다. 이 배플이 공명을 감당할 수 있는 수준으로 낮춰주긴 했지만, 아무도 이게 제대로 해결된 건지 몰랐다.




F-1 엔진 이젝터 플레이트의 디테일. 연료와 액체산소가 구멍에서 엄청난 압력으로 뿜어져 나온다.

 배플의 추가는 '그저 시행착오법'의 결과일 뿐이라고 수석 추진기관엔지니어 R.H. 코테스가 말했다. "하지만 우리는 이를 모델화 하고 싶었다. 이를태면, 배플을 하나 때어내면 어떤 일이 일어날까?" 배플이 이젝터 플레이트에 직접 부착되어 있기 때문에, 배플이 없었다면 더 많은 연료/산소 분사구를 만들어 출력을 높일 수 있었을 공간들이 가려져 있다. "그래서 우리가 F-1 엔진의 성능을 향상시키고 싶다면, 현대적인 해석기술을 이용해 배플이 연소안정성에 어떤 기여를 하는지 알아내면 됩니다."

 하지만 실제 '점화' 테스트를 하기 전에, 팀은 실제 F-1 엔진을 물리적으로 잘 이해해서, 모델화 할 필요가 있다. CAD 파일을 실제 제품으로 만드는 건 쉬운-음, 일단 상대적으로 쉬운- 일이다. 하지만 실제 물건을 CAD 파일로 만드는 것은 상당한 재능을 필요로 한다. 특히 그게 거대한 로켓 엔진이라면 말이다.

 과업을 해내기 위해, NASA는 Shape Fidelity 라는, 'Structured Light Scanning' 이라는 기법이 전문인 회사를 불렀다. 트론의 레이저를 빌릴 곳이 없다면 SLS는 컴퓨터 바깥의 물건을 읽어내는데 다음으로 좋은 방법이다.



라이트 스캔 장비. 가운데 렌즈가 프로젝터이며 다른 둘이 프로젝터의 빛을 읽는 카메라이다.

 F-1 엔진의 외관은 꼼꼼하게 사진촬영 되었고, 그 후 표면에 줄무늬를 투사하는 프로젝터가 장착된 리그에 올려 매핑하게 된다. 프로젝터 양쪽에는 2개의 카메라가 표면에 그려지는 줄무늬가 어떻게 변모하는지 추적하게 된다. 매 촬영마다 프로젝ㅌ와 카메라는 16개의 다른 줄무늬 패턴을 이용한다.

 SLS 리그는 65mm부터 1.5미터까지의 물체를 다룰 수 있으므로, F-1 엔진 전체를 스캔하려면 상당히 많은 수작업이 필요해진다. 사실 이 휴대용 카메라 뭉치가 어떻게 서로 작용하는지 곧바로 잘 이해되지 않을 것이다. 카메라2가 어떻게 카메라1과 연동되는 것일까?




작은 물체를 스캔하는 모습. 프로젝터에서 투사된 빛을 카메라로 읽음으로써 표면을 인식한다.

 답은 단순하면서도 굉장하였다. "이 작은 표시가 보입니까? 저 스티커들은요?" Shape Fidelity의 엔지니어 롭 블랙이 장비를 시연하면서 나에게 말했다. 블랙은 검은색 원에 흰 점이 박힌 무늬가 테이블 위에 얹혀진 물체 위에 박혀있는 걸 가리켰다. 여기 널려있는 모든 게 F-1 엔진의 부품들이며, 나는 모든 부품들이 이런 점이 박혀있음을 알 수 있었다. "이런 점들을 우리가 손으로 붙이면 스캐너가 이 점을 볼 수 있습니다. 그러므로 우리가 부품을 다른 자세로 옮기면 카메라가 그걸 알 수 있죠. 또 이 점들은 ID 역할도 합니다. 이렇게 해서 우리는 인코더나 로봇을 쓰지 않을 수 있어요."

 모든 부품들엔 손으로 붙인 작은 점들이 박혀있었는데, 위치는 불규칙적이며, 서로 달랐다. SLS 프로그램은 이 점들의 레이아웃을 이용해 같은 물체의 다른 각도로 찍혀진 영상을 서로 합치하게 되는데, 이 덕분에 카메라는 무빙 리그에 장착되지 않아도 된다.

 우린 그저 평범한 디지털 카메라를 이용해 엔진 부품들을 돌아다니면서 사진을 찍습니다." 블랙이 말했다. "소프트웨어가 모든 사진들을 검토해서 3D로 재구성해내죠. 결과물은 상당히 듬성듬성한 형태의 3D 데이터입니다. 사실 이 점들의 위치를 X-Y-Z 좌표로 나타낸 것들이죠."




점좌표를 이용해 만들어낸 러프 모델

 포인트 맵이 완성되자, 블랙은 엔진 외관의 정교한 라이트 스캔을 시작했다. "하지만 우리가 실제로 하고싶은 건 내부 스캔이죠. 베인이나 빈 공간 같은, 모든 내부의 치수들이요."

 F-1 엔진을 분해해 내부를 확인하는 건 원래 계획 상에 있었지만 팀이 프로젝트를 진행하면서 엔진을 부수지 않고 분해하기 위해서는 특수한 공구작업이 필요하다는 게 분명해졌다. 그런 도구는 40년 전엔 있었을지 모르지만 지금은 다 파손되었거나 유실된 것들이다.

 외관 스캔은 그래서 F-1 엔진의 너트, 볼트, 결속장치와 같은 것들에 맞는 공구를 만들기 위해 쓰일 것들이다. 어떤 볼트들은 불편하게도 독자적인 디자인을 갖고 있다. 베츠는 터보펌프 조립에 쓰인 볼트 중 1개 이상이 분해하려면 특정 토크를 내는 툴이 필요하다고 말했다.




라이트스캔 된 정교한 모델. 독자 툴을 이용해서 조립된 부위가 보인다.

 팀은 라이트스캔을 통해 한나절만에 볼트를 스캔할 수 있었고, 전자 빔 용융이라고 하는, 금속가루를 이용하는 3D 프린터 기법으로 공구를 만들어낼 수 있었다.

 "그래서 외관스캔이 이제 모든 부품들을 스캔할 수 있게 해주는 거죠." 블랙이 말했다. 그는 파워포인트 프레젠테이션을 꺼내서 슬라이드를 가리켰다. "이것이 스캔된 부품의 예입니다. 회색이 스캔 데이터란 걸 아시겠죠. 점들도 보일 겁니다. 이것이 초기 스캔에서의 고유의 점 위치로 들어가게 만드는 겁니다. 이 부품이 들어갈 수 있는 위치는 한곳 뿐이고, 그 장착된 모습이 오른쪽 아래의 그림이죠."




랜덤하게 배치됐던 점들이 정밀스캔된 부품을 배치하는데 쓰인다.

 "그렇게 하면 진짜 3D 도면이 나오게 됩니다. 내부와 외부 모두 잘 연계되어 있죠. 단지 부품 지오메트리만이 아니라 조립까지 포함됩니다. 이 작업을 모든 부품에 다 했고, 그 결과가 이것이죠."



Touching the past


최종 완성된 정교한 모델. 내부와 외부가 모두 복제되었다.

 결과물은 F1 엔진 전체의 완전하고 정교한 CAD 모델이었다. 가장 작은 볼트까지 다 구현되어 있었다. 해상력이 너무 좋아서 스캐너는 심지어 1960년대에 엔진을 테스트 했을 때 터빈 블레이드에 낀 그을음조차 구현되었다. 엔지니어가 그을음을 제거하고 다시 스캔했지만, 이런 불순물들 조차 귀중한 데이터이다. 그을음은 케로신 엔진의 문제점이므로, 엔진에서 그을음이 어떻게 쌓이는가를 이해하는 건 그을음의 발생을 줄이는데 도움이 된다.

 당시에는 오늘날처럼 경량화에 쓸 수 있는 해석툴이 없었기 때문에, 모든 게 매우 무식하게 만들어졌습니다." 엔진을 분해하고 알게 된 것을 물어보자 베츠가 이렇게 말했다. "엔진 모든 부분에서 그게 분명했죠. 용접이..."

 "아 용접!" 케이스가 끼어들었다. "이 엔진의 용접은 예술의 경지죠. 모든 게 다 용접으로 처리됐어요." 그의 목소리에서 존경과 감탄이 분명히 느껴졌다. "오늘날 우리는 용접을 가급적 하지 않으려고 하지만, 이 엔진엔 용접이 아주 많아요. 얼마나 용접이 많은지, 얼마나 훌륭하게 됐는지 보세요."




터보펌프 매니폴드의 용접

 "어떤 용접은 하루종일 해야 할 규모입니다." 그가 말을 이었다. "그런 용접이 수천개가 있죠. 그리고 이 당시 엔진은 두달에 하나씩 만들어졌죠. 이런 걸 해낼 수 있었다는 것과 그 많은 수작업 인력을 동원할 수 있었다는 게 놀라워요."

 "불완전함을 극복하는 능력도 그래요." 베츠가 말했다. "우리가 분해했을 때 엔진의 몇가지 부품은 오늘날이라면 불량하다고 집어던졌을 것들이죠. 하지만 그게 그들이 디자인을 얼마나 잘 이해하고 있었는가 보여주는 겁니다. 우리가 이해하려고 애쓰는 부분이기도 하죠. 어떤 불량함이 감수할 만 하고, 어떤 게 실제로 문제를 일으키는가 말입니다."

 "인젝터를 예로 들면 말이죠." 케이스가 말하는 건 노즐로 산소와 연료를 뿜어내는 1.1미터짜리 금속판이다. "수천개의 구멍이 메인 인젝터에 뚫려있습니다. 전부 수작업으로 뚫었죠. 그리고 잘 보면 드릴이 약간 엇나가서 잘못된 곳을 뚫다가 멈춘 게 보일 겁니다. 그리고 조금 옮겨서 제대로된 곳에 마저 뚫었죠. 그들은 이런 부분을 남겨두고 그대로 발사했습니다. 이런 부분들을 매우 꼼꼼히 알았다고 알 수 있습니다."



사진 가운데 부분을 보면 이젝터 구멍을 뚫다가 교정한 흔적이 있다.

 "오래된 엔진을 살펴볼 때 제가 알게된 것 한가지는" 코테스가 덧붙였다. "닉과 에린이 말한 것과 같은 것, 용접의 복잡성이죠. 그땐 오늘날 같은 발달된 제조기술이 없었습니다. 그래서 사실상 이것들은 수제작된 거죠. 아크 용접으로 꿰매진 거나 마찬가지인데, 그 용접이 얼마나 부드럽고 우아한지 보면 놀랍습니다. 오늘날엔 이런 용접을 수천개씩 하는 대신 정교하게 사출을 하죠."






Lightning a 40-year old candle

 베츠, 케이스, 코테스가 분해한 엔진은 F-6090이란 시리얼을 갖고 있고, 아폴로 8호가 인류를 역사상 가장 먼 곳까지 보냈던 1968년 12월에 제작되었다. F-6090은 240초의 시험연소를 거친 뒤 아폴로19호가 될 새턴V 로켓의 1단에 장착되었지만, 결국 발사는 되지 못 하고 엔진은 제거된 뒤 MSFC의 창고에 보관되었다. 팀이 F-6090을 철저하게 분석해 가면서, 엔진부품들의 상태가 시험연소를 노려볼 만 하다는 게 분명해졌다.

 F-6090이 연구를 위해 분해되면서 팀은 스미소니언 국립 항공우주 박물관에 전시된 F-6049 엔진으로 눈을 돌리게 되었다. F-6049는 F-6090보다 더 좋은 상태였지만, F-1 엔진을 그대로 바로 점화할 수는 없었다. 가령 F-1 엔진들이 MSFC에서 테스트 되긴 했지만, 테스트 설비들은 그 후 다른 용도로 바뀌었다. 거기다가 헌츠빌의 인구는 아폴로 시대에 비해 상당히 증가했다. 오늘날 F-1 사이즈의 엔진을 점화했다가는 도시의 모든 유리창이 박살날 것이다.



1960년대 F-1 엔진 시험에 쓰인 시험대. 이제는 다른 용도로 쓰인다.

 그 대신 팀은 F-6049의 가스 제네레이터를 여러차례 가동해보기로 했다. F-1 같은 엔진은 사실 2개의 엔진으로 구성된 것과 같다. 작은 것과 큰 것으로. 작은 쪽은 큰 것과 같은 연료를 소모하지만 실제 발사체를 들어올리기 위해서가 아니라 메인 연소실로 대량의 연료와 산화제를 공급하는 터보펌프를 가동하기 위한 것이다.

 F-1의 다른 모든 것과 마찬가지로, 가스 제네레이터도 놀라운 스펙시트를 갖고있다. 31000파운드의 추력을 낼 수 있는데, 이는 F-16 전투기의 엔진이 최고출력으로 가동할 때보다 더 강력한 것이며, 터빈을 가동할 때 55000마력을 냈다.(이 55000마력은 단지 F-1 엔진의 연료/산화제 펌프만을 위한 것이다. F-1 엔진 전체는 3200만 마력의 출력을 낼 수 있다고 추산되지만, 사실 로켓의 출력을 마력 단위로 정확히 나타내기는 상당히 어렵다.)

 가스 제네레이터를 점화가능하게 만드는 것은 베츠와 케이스에게 LOX/RP-1 엔진을 배우는데 큰 진일보일 것이다. 그리고 f오래된 부품들이 어떻게 작동하는지 현대적인 데이터를 얻을 기회이다. 베츠, 케이스, 코테스는 F-6049에서 가스 제네레이터와 가스 제네레이터 인젝터, 그리고 가스 제네레이터 연소실, 그리고 연료를 위한 볼밸브 하나를 떼어내었다. 가스 제네레이터의 모든 '부드러운 부품들'-가스켓이나 씰-은 새로 제작되었으며, 다시 견고하게 조립되었다. 이 과정에서 팀은 씰과 개스킷의 효과가 충분한지 확실히 하는데 많은 시간을 들여야했다. 1960년대 이래로 플라스틱 기술이 상당히 바뀌었기 때문이다. 이런 부품들을 만드는데만 상당한 화학작업이 필요했다.

 가스 제네레이터 테스트 준비가 되는 동안, 학문적인 부분보다 실질적인 부분이 대두되기 시작했다.



Rocketdyne returns

 NASA SLS는 다단로켓이 될 것이며, 부스터가 1단 '코어' 단에 장착될 것이지만 NASA는 어떤 부스터가 사용될지는 경쟁에 부칠 생각이다. Advanced Booster Competition은 지난 수십년간 우주산업을 지배해온 ATK사의 고체부스터에게 액체로켓이란 경쟁자를 가져왔다.

 부스터 입찰에 선정된 회사 중 하나는 다이네틱스(Dynatics)로, 1300명의 직원을 가진 이 회사는 MSFC 인근의 헌츠빌에 본부가 있다. 다이네틱스는 주로 국방부를 위해서 일하지만, 지난 5년간 항공우주영역으로 사업을 확장하고 있다. 디자인 단계 계약을 수주한 세 회사 중 하나로, 이들에겐 비밀무기가 있다. 다이네틱스는 Pratt&Whitney Rocketdyne(PWR)과 파트너 관계에 있으며, 이들은 입찰경쟁에 거대한 LOX/RP-1을 내놓을 예정인데, 이름은 F-1B이다.(F-1 엔진의 개량형이지만 실제로 사용되지 앟았떤 F-1A에 기반하고 있다.)

 베츠, 케이스, 코테스가 준비하고 있던 F-1 가스 제네레이터 시험은 대단히 때가 좋았다. 그들의 F-1 엔진에 대한 탐색작업은 2012년 말에 시작되었고, 그 시기 다이네틱스는 차기 부스터 사업의 입찰자로 선정되었다. 다이네틱스 또한 황금같은 기회를 가졌다. 바로 길 건너편에 있는 NASA가 F-1의 가스 제네레이터를 시험점화 하려고 있었고, 이는 수십년 만의 기회였다.

 복잡하고 긴 협약을 통해 MSFC는 다이네틱스와 PWR의 엔지니어들이 부활한 가스 제네레이터와 엔진 시험설비를 사용할 수 있게 해주었다. 여기에는 캘리포니아와 헌츠빌의 과거 로켓다인 엔지니어들과의 협업도 포함되어 있는데, 이들은 오리지널 F-1의 디자인과 테스팅에 관련되었던 이들이고, 이 작업에 전문가적 식견과 조언을 제공할 것이다. MSFC는 5초에서 30초 길이로 11번의 가스 제네레이터 시험을 했는데, 다이네틱스와 PWR의 인력들이 참관하고 보조했다.

 다이네틱스와 PRW이 합의된 협력을 끝낸 뒤, 이들은 베츠, 케이스, 코테스와 했던 가스 제네레이터 시험 이외에 자신들의 독자적인 F-1 엔진 테스트가 필요해졌다. 이로 인해 2월 하반기 두번째 가스 제네레이터 테스트가 이뤄졌고, Ars는 이를 보러 갔다.



Watching the test

 2월 20일 아침 나는 흐린 헌츠빌 하늘 아래서 금속으로 된 관람석에 쭈그리고 앉아있었다. 기온은 화씨 33도로, 텍사스 출신으로써는 견디기 조금 추운 날씨였고, 거기다 바람도 쉬지 않고 불었다. 그 시련의 댓가는 가스 제네레이터 시험대에서 얼마 떨어지지 않은 데서 관람할 수 있다는 것이었다. 일군의 상록수 너머로 시험대를 볼 수 있었다. 정글짐처럼 쌓여있는 금속과 파이프들, 그리고 마지막 점검을 하는 인력들이 보였다.



관중석에서 본 가스 제네레이터 시험대

 내가 보려고 온 가스 제네레이터 시험점화는 여기서 처음 하는 것도, 마지막인 것도 아니었다. 하지만 상당히 많은 관중들이 보러 왔다. 공무원들과 가족들, 그리고 적지 않은 수의 다이네틱스, PWR 직원들이었다. 시간이 다가오면서 우리는 허술한 관람석에서 뭉쳐들었고 대화는 줄어들었다. 나는 차가운 금속제 망원렌즈를 건드리지 않으면서 카메라를 안정적으로 들려고 애썼다.



F-6049의 가스 제네레이터가 시험 대기 중이다.
본체는 빨간색 플레이트 뒤에 설치되어 있어 보이지 않는다.

 점화가 되었을 때, 그 폭발과 굉음은 압도되지 않을 수 없었다. 시험대와 우리의 거리는 빛과 속도의 차이가 1/4초도 되지 않을 만큼 가까웠고, 나는 불타는 케로신의 온기를 느낄 수 있었다. 가스 제네레이터는 깊게 으르렁 거렸는데, 지금껏 내가 녹화된 로켓 발사에서 마이크로 녹음된 형태로만 듣던 소리였다. 소음은 굉장한 수준이었다. 아마 락콘서트 만큼 시끄러웠을 것이다. 하지만 우리는 이어플러그를 쓰지 않아도 될 정도로 떨어져 있었다. 가스 제네레이터는 수평으로 긴 화염을 만들어냈고, 시험 내내 지속되었다. 인상적인 장면이었지만 이 화염과 소음, 연기가 그저 F-1 엔진이 실제 힘을 내도록 연료를 넣어주기 위한 힘을 만드는데에 불과하다는 생각을 하자 실물은 얼마나 굉장할까 싶었다.




점화된 가스 제네레이터. 노즐에서 나오는 검은 배기가스는
연료가 풍성한 가스 제너레이터 배기가스의 특징이다.

 15초 후 불길이 약해지더니 꺼졌고, 많은 연기가 시험대 주변에서 피어올랐다. 스프링쿨러가 시험장 주변에 물을 뿌렸고, 그 물이 열기 때문에 증기가 되었다. 하나가 된 관중들이 장갑을 낀 채로 박수를 쳤다.

시험 동영상은 아래에서 볼 수 있다.

http://link.brightcove.com/services/player/bcpid2196096102001?bckey=AQ~~,AAAAlDCBGhk~,VcmqiTAuekrwPweJ20LLt7jwm8LxmhCE&bctid=2286702217001

http://bcove.me/q4uz5d4e



3D printing goes to space

 다이네틱스의 차기 부스터는-약칭 피리오스(Pyrios)는 아폴로 신의 전차를 끌던 말 중 하나이다- 전형적인 '무식한 커다란 부스터' 디자인이다. 부스터의 구조는 가능한 효율적이고 미니멀하게 되어있는데, 간단한 3/4인치(1.9Cm) 두께의 알루미늄 원통이 연료통들을 감싸고 있다. 연료로써 RP-1 의 이점 중 하나는 강한 열보호능력이 필요 없다는 것이다. 액화수소처럼 해수면 고도의 온도나 압력에서 증발하지 않기 때문이다.(물론 피리오스 부스터도 산화제 탱크를 위해 열보호가 필요할 것이다.)

 성능 목표치는 전신(우주왕복선의 고체부스터)과 비슷하지만, 제조는 급진적인 기법을 사용할 예정이다. 다이네틱스는 베츠, 케이스, 코테스가 오리지널 F-1의 구조를 말했을 때 했던 얘기를 다시 했다. 턱이 빠질 만큼 많은 수작업들 말이다. 비용경쟁력과 효율을 위해 현대적인 제조기법이 도입될 것이다.

 각 피리오스 부스터는 한쌍의 F-1B 엔진을 사용하며, 이는 전통적인 사출이나 절삭 대신 3D 프린팅 기법을 이용한다. 메인 연소실과 노즐은 특히 단순화되고 정돈될 부분이다. 이 두 부분을 합쳐서만 원래 5600개의 부품이 사용되었지만, F-1B는 겨우 40개에 불과하다.




F-1B의 주된 차이점을 설명하는 다이네틱스/PWR의 차트

 첨단 제조기법을 사용함으로써 사실 비용은 줄어들었다. 비록 새 제조기법이 더 비싸기는 설계 단순화로 인한 비용절감이 규모를 넘어섰다. 특히 다이네틱스와 PWR이 사용하는 Selective Laser Melting과 Hot Isostatic Pressing은 복잡한 전체 엔진을 금속 파우더로부터 '키워낼' 수 있다. 다이네틱스 팀은 용접과 접합부를 가능한한 줄이는데 집중해 조립구조와 제조과정을 단순화 하려 한다.



Engineers and their engines

 시험연소 후 베츠, 케이스, 커테스는 MSFC 연구실을 구경시켜 주면서 여전히 진행중인 F-1 분해과정을 보여주었다. F-6049 엔진 앞에서 멈춰서게 됐다. 원래 있어야 할 가스 제네레이터가 분리된 상태로 우뚝 서있었다. 내가 기어다니면서 엔진을 샅샅이 살펴볼 동안 세 엔지니어가 이젠 친숙해진 크고 오래된 기계에 대해 말했다.

 "이 사람들이 처음 발상을 낸 이들이죠." 톰 윌리엄스가 베츠와 케이스를 가리키며 말했다. "저 LOX/RP 엔진은 우리가 똑똑해져야 하도록 만들었습니다. 어떻게 이 녀석을 상대할 수 있었을까요?" 두 엔지니어가 F-6049의 옆에 코테스와 함께 서있었다. "이 사람들이 그 과업을 어떻게 할지 생각하고 라이트 스캐닝 사람들을 부른 이들이죠. 하지만 이들은 그저 자기 손을 더럽힐 준비가 되어있는 작은 그룹일 뿐입니다."



F-1 엔진을 되살리려는 팀. 왼쪽부터 코테스, 베츠, 케이스, 윌리엄스.
베츠의 머리 위가 가스 제네레이터가 있던 자리이다.

 엔지니어링의 최상의 순간이었다. 분해와 연소시험을 통해 막대한 양의 데이터를 축적했고, 다이네틱스/PWR 팀은 데이터를 실제 사용 가능한 엔진으로 만들려 하고 있다. 올해 하반기에는 가스 제네레이터를 다시 펌프와 터빈에 연결시켜 F-1의 전체 '파워팩'을 만들어낼 예정이다.(연소실을 제외한 모든 엔진이다.) 파워팩은 그 후 미시시피의 스테니스 우주센터에서 테스트 될 것이다. 전체 엔진이 되살아날 때까지 그렇게 멀지 않았다.

 차기 부스터 경쟁은 적어도 2년 간 진행될 것이며, 최종 결정은 2015년이나 2016년에 이뤄질 예정이다. 고체연료는 여전히 주된 경쟁자로-어쩌면 더 앞서있을 수도- 남아있지만, 피리오스 부스터는 경쟁자를 두들길 기회를 노리고 있다.

 NASA의 SLS 로켓이 날아갈 때, 아폴로의 불타는 말에 올라타 있을지도 모른다.

다이네틱스와 F-1B 엔진에 대해 더 알고 싶은가? 우리의 관련기사를 보라.
다이네틱스와 PWR이 F-1 엔진을 다시 만들다




별첨 : 소련

 새턴V에 가장 가까웠던 경쟁자는 소련 N1으로,4 번 발사되었지만 모두 폭발했는데, 30개의 로켓모터를 이용하는 1단의 복잡성 때문이었다.(이전에 번역한 위키피디아 내용이 여기 있다.) 반대로 새턴V는 놀라운 성공률을 기록했고, 한번도 미션을 중단시킬 만한 문제를 일으킨 적이 없다.

 비록 F-1이 비행에 성공한 가장 강력한 단일 연소실 액체로켓이기는 하지만, 출력 자체는 두가지 소련 디자인에게 앞질러졌다. RD-170(에네르기아 로켓에 단 두번만 쓰였던)과 RD-171(제니트 로켓에 쓰인)은 더 큰 추력을 갖고 있지만, 소비에트는 큰 로켓 노즐에서 발생하는 연소불안정성을 해결하지 못 했다. 연소불안정성은 연소하는 연료가 노즐로 배출되면서 회전하는 증상이다. 앞서 말했듯 NASA는 결국 F-1의 이젝터 플레이트에 배플을 담으로써 이를 억제했다. 소련은 RD-170/171에 커다란 하나의 노즐 대신 4개의 노즐을 다는 식으로 문제를 해결하려 했고, 그래서 이 둘은 밖에서 보기엔 4개의 엔진처럼 보인다.

 이 우회책은 소련 엔지니어나 과학자가 질이 떨어졌기 때문이 아니라-소련 우주프로그램은 재능있는 인재들로 넘쳐났다- 대개의 경우 소련 우주프로그램의 다양한 로켓 설계국 사이의 파워게임과 두 수석 디자이너의 리더십 때문이었다. 세르게이 코롤레프와 발렌틴 글루코가 그들이다. 코롤레프는 극저온의 연료를 사용하기를 선호했지만 글루코는 자체점화되는 연료를 좋아했다. 이는 로켓전략에서 자원이 분열되게 만들었고, 소련의 엔지니어들의 재능을 하나의 강력한 프로그램에 집중시키는 걸 막았다.

 코롤레프와 글루호의 대립에 대해서는 아시프 시디퀴의 Challenge to Apolo(PDF 문서), 혹은 2권으로 쓰여진 그의 책 Sputnik and the Soviet Space ChallengeThe Soviet Space Race with Apollo를 참조하길 바란다. 이것은 매력적이고 분열된 소련 우주프로그램의 역사에 대한 유일한 역작이다.


덧글

  • 로리 2013/05/04 23:29 # 답글

    그냥 엄청나다고 밖에...
  • Niveus 2013/05/04 23:34 # 답글

    ...참 저걸 수작업으로 했다는것부터가 -_-;;;
  • wheat 2013/05/05 00:23 # 답글

    지금생각하면 어떻게 60년대 저런 엔진을 개발할 수 있었는지가 대단하다고 봅니다.
    정말 미국은 블랙 테크놀로지라도 주웠나?
  • 외계기술 2013/05/05 06:56 # 삭제

    60년대에 SR-71만든 건 또 어떻고요.
  • RuBisCO 2013/05/05 01:04 # 답글

    정말 허허...
  • 애쉬 2013/05/05 02:52 # 답글

    새턴 로켓이 부분적으로 유실된 재현 불가능했던 유물이고 이를 현대 기술을 탐침으로 하여 탐구하듯 재구성해나가는 고고학적 리버스 엔지니어링 작업이 무척이나 흥미롭네요
    한 편의 드라마를 보듯 장대하고 흥미진진한 글 잘 읽었습니다 멋지긔
  • Ithilien 2013/05/05 03:33 # 답글

    저 모든게 안풀리는 N-S Eq. 탓입니다. 으아아아아.

    어차피 거의 모든 기계공학적 복합체는 저런 노가다를 통해서 설계되고 차츰 가다듬은거지요. 차이라면 내연기관은 작아서 1:1사이즈로 실험하기 돈 별로 안든다는거고 저건 씨발 이걸 어쩌라고 수준이란거고 말이지요. OTL
  • 행인1 2013/05/05 10:31 # 답글

    세턴V 엔진을 사실상 역설계해서 새로운 로켓 엔진을 만들어 가는군요. 과연 어떤 결과물이 나올런지...(그전에 작동 가능한 엔진이 남아있었다는게 더 놀랍습니다)
  • 긁적 2013/05/05 20:44 # 답글

    허허.... 천조 공돌이는 괴물인가!!!
  • Platinum 2013/05/05 22:48 # 답글

    저런 정신나간 스케일을 실제로 구현하는 걸 보면 공돌이는 참 위대해.
  • Platinum 2013/05/05 22:48 #

    하지만 예산을 짜는 놈들이 공돌이들의 앞길을 가로막겠지!
  • Eraser 2013/05/06 04:37 # 답글

    5600개 -> 40개

    미국은 도대체 뭘 만드는겁니까.jpg
  • 웃는남자 2013/05/06 11:10 # 삭제 답글

    아.......... 크고 알흠답다....
  • 여름눈 2013/05/06 12:51 # 답글

    오늘부터 초고대 문명을 믿어봐야 하나.......
    무려 50년전에 저런 괴물을 만들었다니....그리고 그걸 지금 다시 연구하다니!
  • Leia-Heron 2013/05/12 15:09 # 답글

    사실 우주경쟁은 외계인을 붙잡은 덕분에 시작된 거십니다...(도주)
  • 소년elf 2014/03/16 21:59 # 삭제 답글

    지나가다 단위에 오류가 있어서 알려드립니다. 새턴V F-1엔진은 엔진당 추력이 680t가량 되는 엔진 5개를 묶어서 1단 스테이지 총 추력이 3400t 가량입니다. 34메가톤이면 3,400,000t인데... 단위가 조금 잘못되었네요. 아마 단위가 톤이 아니라 뉴턴일 것입니다. 34MN이 대략 3400t 추력정도 되거든요.
  • astraea 2014/11/23 22:54 # 삭제 답글

    바보바로 이해 안 되는...미친 기술력....60년대에 어찌...저린 기술하며..
    이제와 또 40개 부품으로 만들어내는 기술력은...........................
  • Ajobet 2016/04/20 12:21 # 삭제 답글

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