이 글은 19.01.08에 쓴 제 글의 아카이빙입니다.
https://www.clien.net/service/board/park/13027940CLIEN
+몇가지 보강사항을 추가했습니다.
// 0. 인류 최대의 우주선 "스타쉽"
얼마 전 발표한 스페이스 X , 일론 머스크의 인류 최대의 우주선 "스타쉽"의 렌더링 사진입니다.
만들어 지기만 한다면 수십 명이 탈 수 있는 21세기 우주공학 최고의 결정체입니다.
일론 머스크의 장대한 화성 정복의 꿈을 이루어줄 우주선이죠.
동시에 인류사의 또 하나의 혁명이 될 것입니다.
// 자세한정보는 가독성좋은(내용의 정확성은 애매하지만)
나무위키: https://namu.wiki/w/%EC%8A%A4%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%8A%A4X#s-3.4
뭔가 생긴게 50년대 감성이 묻어나는 매끈한 표면의 우주선인데.. 특이한점은
"스테인레스" 즉 철이라는것이죠.
상식적으로 이런 의문이 드실겁니다
우주선과 철?.. 철은 무겁고 열도 잘 못견디지 않나?..
그렇다면 왜 일론머스크는 우주선을 굳이 무거운 철로 만드는것일까요?
이 포스트는 우주공학유튜버 Scott Manley의 영상을 기반으로 합니다. 사실 이게반이상...
// 1. 기존 단열재의 문제
if 재진입이 무엇인지 모른다면! :
재진입이 무엇인가는 나무위키를 참조합시다.
https://namu.wiki/w/%EB%8C%80%EA%B8%B0%EA%B6%8C%20%EC%A7%84%EC%9E%85
지구 대기권 재진입은 그래비티,인터스텔라등의 많은 영화에서 봐 왔듯 가장 무섭고 위험한 순간입니다.
우주선을 감싸는 수천도의 열은 우주선을 태워버릴것만 같죠.
때문에 우주선은 두꺼운 단열재로 보호를 하게 됩니다.
이런식의 수천도의 열도 차폐를 할수 있는 물건들 말이죠..
문제는 이런 물건들이 물리적 충격에 꽤나 약하다는겁니다.
흔히 우리가 생각하는 검은색 탄소 단열타일입니다. 단열성능이 좋고 가벼운것이 특징이긴한데.. 물리적 충격에 너무 약합니다.
STS-107 , 우주왕복선 컬럼비아호는 발사과정에서 단열재가 손상이 되었고..
결국 비극적 사고가 일어나는 원인이 되었지요.
//-> https://namu.wiki/w/STS-107#toc
물론 모든 단열재가 그렇지는 않고, 우주왕복선은 이 검은타일 외에도 다양한 단열재를 용도에 맞춰서 썻습니다.
그중에서는 Reinforced Carbon-Carbon (RCC) 탄소섬유로이루어진 단열재도 있는데 이 단열재는 열에 잘 견디고 좀 튼튼하기는 한데.. 무거워서 일부 고온+높은 스트레스를 받는 부분에만 사용할수밖에 없었죠.
대부분의 단열재는 물리적으로 취약합니다. 때문에 소유즈하고 아폴로는 재진입전까지 단열재표면이 외부에 들어나지 않는 구조입니다.
(종모양의 재진입 캡슐 하단의 단열재는 재진입때 분리되는 서비스 모듈에 의해 재진입 전까지 보호되어 있습니다)
//2. 문제는 화성의 환경
일론머스크의 스타쉽은 문제가 있습니다. 그것도 큰 문제가..
무려 화성에 2년이상 착륙한채 있어야하는 우주선이거든요
영화 마션처럼 여러대의 우주선을 운용하는것이아니라
한대로 지구-우주-화성을 왕복하기때문에 화성에서 2년이상을 서있어야 합니다.
왜 여러대로 안하냐면 그러면 가격이 또 엄청 올라가거든요..
그런데 화성이라는곳이 만만한 환경이 아니죠
이런데서 2년동안 모래바람 맞은 스티로폼같은 단열재를 믿고서 지구 재진입을해야하는겁니다.
으음... 이건 조금.. 아니 많이 무리가 있죠.
사실 기존에 스타쉽은 카본으로 만들고 있었습니다.
[스타쉽용으로 제작되던 탄소섬유 탱크]
카본 타일 말고 튼튼한 탄소섬유로 말이죠.
근데 그 탄소섬유마저도 2년의 화성 모래바람 속에서 신뢰성을 보장할 수 있을지는 의문입니다.
특히 장기적인 스트레스에는 너무 위험성이 컸을 겁니다.
좀 더 터프한 단열재가 필요합니다.
// 3. 재진입을 좀더 뜯어보자.
다시 지구로 돌아가서 재진입 좀더 뜯어보도록 하죠
실제로 그 열은 어떻게 전파되는것일까요?
공기중에서 초음속으로 물체가 진행한다면 충격파가 발생하면서 앞에 공기층이 형성이 됩니다.
흔히 소닉붐이라고도 하죠 // 정확히는 좀 다른거긴합니다만.
// 나무위키 설명 -> https://namu.wiki/w/%EC%86%8C%EB%8B%89%EB%B6%90
근데 이 충격파가 기존 항공기가 초음속으로 이동하는데는 문제가 되지만. 우주선이 감속하는데는 도움을 줍니다.
속도도 느리게 해 줄뿐만이 아니라. 저 충격파층이 일종의 베리어 역할을 해줘서 공기막이 생기게 되거든요
그래서 전면 충격파막의 공기의 온도는 1만도~2만도 이상까지 올라가지만
상대적으로 우주선 표면은 몇천도 정도로 시원(?)하게 됩니다.
(댓글의 지적과 같이 이부분은 저도 정확히 설명한건 아니여서 대충 그렇구나 정도로 넘어가주시면 감사하겠습니다)
이때 우주선을 가열시키는것은 전면의 뜨거운 공기의 대류와 복사 현상입니다.
근데 재밌는것은 고고도에서 올수록(진입속도가 빠를수록)
대류에 의한 열 전달[파랑]보다는 복사에 의한 열 전달[빨강]이 큽니다.
보강설명 [1]
보강설명 [2]
근대 화성에서 오는건 고고도중에 고고도(지구 중력권 밖 = 즉 무한대 층에서 진입) 하는거니 무지막지하게 빠릅니다.
즉 복사열이 더 문제라는것이죠
복사열을 반사하는데에는 반짝반짝한게 좋습니다.
아 이사진이 아닌가?
이런거 말이죠.
// 4. 답은 금속?
왜 기존에 우주선에 쓰이던 가벼운 알루미늄은 안되냐면.. 충격에도 철보다 약하고
결정적으로 녹는점이 660 도밖에 안되서,, 못견딥니다
결국
화성의 환경에 잘 견디는것.,
복사열도 잘 반사하는것..
열도 잘 견디는건 철입니다.
무거운게 제일 문제긴한데..스타쉽은 그 막강한 덩치덕에 중량여유가 있습니다.
무게고민하지말고 그냥 큰로켓 쏴버리면 되잖아라는 해결책은 정말
콜롬버스의 달걀같으면서도 크고 아름다운 천조국스러운 해결책입니다.
한편으로는 이런생각도 드실겁니다.
스테인레스가 1500도에서 녹긴해도 수천도의 재진입은.. 무리아닐까?
역시 천조국은 이것저것 참 많이도 했습니다.
이미 50년도의 노스 아메리칸의 실험기 x-15는 금속재질 로켓추진 비행기입니다.
마하 6.72 속도까지 찍으면서 100km 우주에도 갔다온(50년대에!) 무시무시한 비행기입니다.
이 비행기의 표면은 1200도의 열을 견디게 설계되었습니다.
https://airandspace.si.edu/collection-objects/north-american-x-15
Because of its high-speed capability, the X-15 had to be designed to withstand aerodynamic temperatures on the order of 1,200 degrees F.; as a result, the aircraft was fabricated using a special high-strength nickel alloy named Inconel X
고속 기능으로 인해 X-15는 1,200 ° F 정도의 공기 역학적 온도를 견딜 수 있도록 설계되어야했습니다. 결과적으로 항공기는 특수 고강도 니켈 합금 인 인코넬 X를 사용하여 제작되었습니다
수정부분
재질은 니켈 티타늄 합금인 inconel-x를 살펴보자면 니켈 - 크롬 계 초합금 재질의 합금으로..
https://en.wikipedia.org/wiki/Inconel#cite_note-1
인코넬은 극단적 인 환경에서 자주 접하게됩니다. 가스 터빈 블레이드, 씰 및 연소기는 물론 터보 차저 로터 및 씰, 전기 잠수정 펌프 모터 샤프트, 고온 고정 장치, 화학 공정 및 압력 용기, 열교환 기 튜빙, 증기 발생기 및 핵 가압 핵심 부품 H2S 및 CO2와 같은 오염 물질을 포함한 천연 가스 처리 장치, 총기 소음기, 분사식 소음기, Formula One, NASCAR, NHRA 및 APR, LLC 배출 시스템 등이 있습니다.
고온 전문 금속 같습니다.
재밌는것은 space-x도 쓰는 물건입니다.
SpaceX는 Falcon 9 발사체에 동력을 공급하는 Merlin 로켓 엔진의 엔진 매니 폴드에서 인코넬을 사용합니다.
2018 년 6 월 SpaceX의 Elon Musk CEO는 로켓 엔진에서 고온, 고압, 고 산화 환경을 위해 개발 된 SX 300이라는 새로운 Inconel 초합금에 대한 작업을 완료했다고 발표했습니다.
그렇다면 재진입에는 몇도까지 가열되는지를 볼까요
https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_thermal_protection_system#High-temperature_reusable_surface_insulation_(HRSI)
HRSI 타일 (검정색)은 1,260 ° C (2,300 ° F)의 온도에 대한 보호 기능을 제공합니다. 랜딩 기어 도어, 외부 탱크 탯줄 연결 도어 및 나머지 궤도 선의 밑면을 덮는 20,548 개의 HRSI 타일이있었습니다. 그들은 또한 상부 전방 동체, 궤도 기동 시스템 포드의 부분, 수직 스태빌라이저 리딩 에지, 엘론 트레일 링 에지 및 상체 플랩 표면의 영역에서 사용되었습니다.
1260도보다 높지는 않나보네요
즉 inconel-x같은 합금이면 견딜수 있는것 같은데. 스타쉽의 재질은 스테인리스라 좀 차이가 있습니다.
근데 아마 inconel 이미 합금을 쓰고있는 spaceX가 이 합금의 존재를 모를리는 없을것이고 그럼에도 스테인리스를 쓴다는것은
스테인리스도 충분히 견딜수 있거나 or
현재 짓는기체는 재진입이 필요한 기체는 아니니 그냥 싼 스테인리스로 타협한것일수도 있습니다.
보강설명 [3]
보강설명[4]
// 5. 액화메탄을 이용한 액티브 쿨링
여전히 남은 문제는 있습니다
1200도의 열을 우주선은 견디는건 알겠는데.. 안의 장비와 사람은?.,.
그렇죠.. 사람과 장비는 그런 고열을 못견딥니다.
앞의 x-15는 그래서 액체질소를 채워서 주요장비와 사람을 냉각했습니다.
스타쉽에는 그럴 시설이 있냐?..마침 연료탱크가 잔뜩 있군요
자료를 찾다보니
일론 머스크 왈 (연료인) 액화 메탄을 액티브 쿨링(냉각재)용으로 쓴답니다.
댓글추가.
// 6. 결론
그래서 스페이스X는 다시 50년대의 기술로 돌아가서.
스테인레스로 로켓을 만들고 있습니다.
빤딱빤딱 광도 잘내서 복사열도 잘 반사하는 튼튼한 스테인레스말이죠
만들고보니 21세기 우주산업의 최고의 결과물이
아이러니하게도 정말 고전적인 로켓의 모양이 됬습니다.
그것도 50년도에 연구하던 기술을 사용해서 말이죠.
1965년도에 생각한 미래그림의
이것이 현실이 되고 있습니다. 심지어 모양까지 똑같네요.
물론 첫 2016년 발표한 이래로 BFR- 스타쉽으로 이름이 바뀌면서
이 프로젝트는 매년, 아니 시시각각 갱신과 변화를 반복 중입니다.
한편으로는 부럽습니다. 목표만을 위해 이렇게 유연하게 대처하는 조직이라니.
현재 스타쉽은 빠르게 만들어 짓는중입니다.
근데만드는거 보면 무슨 지붕도없이 뒷마당에서 아마추어가 로켓만드는것같은느낌입니다.
저렇게 만들어도 되는건가..
이런생각을 저만한거는 아닌지 처음에는 너무 야생적인(?) 제작과정이라서 목업이라 생각했는데.
실제 엔진이 달린것 &스페이스X가 최근 FCC에 신고한것을 토대로 볼때
진짜 하늘로 날아오를 우주선입니다. 다만 우주까지는 안가고 비행&재착륙 테스트용으로 예상됩니다.
https://spacenews.com/fcc-license-application-sheds-light-on-spacex-vehicle-testing-plans/
SpaceX는 차량의 저고도 테스트를 계획하고 있습니다. 일주일에 세 번 정도 자주 일어나는 저고도 시험 동안 차량은 약 100 초 동안 비행하면 500 미터 이하로 올라갈 것입니다. 매주 일어나는 높은 고도 테스트는 최대 6 분간 비행 시 5,000 미터 높이의 차량을 볼 수 있습니다.
팔콘9 재착륙용 로켓이였던 grasshoppper 우주선
추가 갱신사항
이름은 팔콘9 재착륙용 로켓이였던 grasshoppper 우주선 이름에서 파생해서 Starship Hopper랍니다.
그리고 실제 우주로 날아오를 스타쉽 보다는 작은 사이즈 입니다.
4번쨰의 팔콘9과 비교하니 엄청 두껍네요.. 저거3개붙인 팔콘헤비가 현역 최고크기 우주선인데..
풀 스케일 스타쉽은 이렇다는데.. 큽니다요..
그리고 우주덕들이 AMD보다 더한 행복회로를 돌리면서 랜더링을 뽑아내던 그 2주만에
조립했습니다....(2019.01.06 사진)
무슨 로켓모양 세트를 짓는것보다 빠르게 만드네요
https://www.teslarati.com/tesla-q4-2018-vehicle-safety-report-results/
SpaceX의 엘론 머스크 (Elon Musk)는 지난 주말 트위터를 통해 추가 세부 사항을 제공하고 스타쉽의 호퍼 프로토 타입을 최초로 공개 한 것으로 보인다. 회사의 최남단 직원. 방대한 로켓의 거친 에어로 쉘과 구조가 이제 다소 확정되었으므로 머스크의 목표로 삼은 2 월 / 3 월 홉 테스트 데뷔는 여전히 야심적이지만 극도로 불가능한 것은 아닙니다.
올해 2월~3월사이 [1달뒤] 비행예정이랍니다.
헬조선 게임사도 혀를 내두를 크런치 모드입니다.
마션에서 NASA가 SpaceX한테 외주를 줬으면 감자를 수확하기도전에 구출선을 보내줬을것 같네요.
공밀레 .......
언젠가..라고 말하기에는 4년남은 2023년 스타쉽이 우주로 날아오르는날. 그자리에 있고싶군요.
근데 공밀레 속도를 보면 더 빠를지도..
재미있는 내용 이해하기 쉽게 정리두 해주시구
감사합니다~
전 처음에 어떻게 카메라가 로켓보다 빠른 속도로 위로 올라갈수 있지? 라고 생각했는데
재착륙 하는 거였습니다. ㄷㄷㄷ
하루의 시름이 잊혀지네요...