SpaceX는 어떻게 Raptor 엔진을 간결하게 만들었나

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SpaceX의 Starship에 사용되는 Raptor 엔진은 2016년 처음 시험 발사된 뒤 Starhopper, Starship 시제품, 완전한 Starship 스택으로 적용 범위를 넓혀 왔습니다. Raptor 1에서 복잡하게 얽힌 배관과 전선이 보였던 것과 달리, 올해 5월 처음 비행한 Raptor 3는 외부 부품이 크게 줄어든 매끈한 모습으로 공개됐습니다. 외형 변화는 너무 극적이어서 초기에는 부분 조립된 엔진을 완성품처럼 보여준 것 아니냐는 의심까지 나왔지만, Raptor 3는 Raptor 1보다 약 35% 더 높은 추력을 제공합니다. 다만 SpaceX는 공식 회로도나 상세 설계도를 공개하지 않았고, 실제 엔진을 분해한 자료도 없기 때문에 버전별 변화의 상당 부분은 공개 발언과 비공식 도식을 바탕으로 파악해야 합니다.

Raptor의 작동 원리와 기본 구조

로켓 엔진은 추진제(propellant)를 노즐 밖으로 빠르게 방출해 반작용으로 추력을 만듭니다. 압축된 기체를 그대로 분출하는 cold gas thruster는 구조가 단순하고 신뢰성이 높지만, 얻을 수 있는 추력에 한계가 있습니다. 더 높은 추력을 내려면 연료와 산화제를 연소실에서 태워 화학 에너지를 배기가스의 운동 에너지로 바꿔야 합니다. 이때 연소실 압력을 높이려면 저장 탱크의 압력만으로는 부족하므로, 연료와 산화제를 turbopump로 가압해 연소실로 보내야 합니다.

대형 로켓 엔진의 turbopump는 매우 큰 동력을 요구합니다. 예를 들어 Saturn V의 F-1 엔진 turbopump는 약 41MW를 사용했으며, 이는 Ohio급 잠수함의 S8G 원자로가 추진축에 공급하는 출력보다 조금 낮은 수준입니다. Rocket Lab의 Electron처럼 배터리로 전기 펌프를 구동하는 방식도 있지만, 대형 부스터에서는 보통 추진제 일부를 연소시켜 turbine을 돌리고 그 회전력으로 펌프를 작동시킵니다.

가장 단순한 방식은 gas generator cycle입니다. 연료와 산화제 일부를 태워 turbine을 구동한 뒤 그 배기가스를 버립니다. SpaceX의 Merlin과 Saturn V의 F-1이 이 방식을 사용합니다. staged combustion에서는 turbine을 돌린 배기가스를 버리지 않고 주 연소실로 다시 보내 효율을 높입니다. 이때 turbine 구동용 작은 연소실을 preburner라고 합니다.

Raptor는 그중에서도 full-flow staged combustion(FFSC) 구조를 사용합니다. 일반적인 staged combustion에서는 추진제 일부만 preburner를 통과하지만, full-flow 엔진에서는 모든 추진제가 두 개의 preburner를 거칩니다. 하나는 많은 연료와 적은 산화제를 태워 fuel-rich 배기가스를 만들고, 다른 하나는 많은 산화제와 적은 연료를 태워 oxidizer-rich 배기가스를 만듭니다. 두 배기가스는 각각 연료 펌프와 산화제 펌프의 turbine을 구동한 뒤 주 연소실에서 함께 연소됩니다.

FFSC는 매우 복잡한 구조입니다. Raptor 이전에는 러시아의 RD-270과 미국의 Integrated Powerhead Demonstrator처럼 관련 개발 사례가 있었지만, 이 방식의 완전한 엔진이 실제 로켓에 성공적으로 비행한 사례는 없었습니다. 그럼에도 Raptor가 이 구조를 채택한 이유 중 하나는 turbine을 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 작동시킬 수 있다는 점입니다. 많은 추진제가 turbine을 통과하므로 turbine을 더 냉각된 조건에서 운용할 수 있고, 이론적으로 재사용 로켓에 중요한 신뢰성 향상을 기대할 수 있습니다.

Raptor 1에서 Raptor 3까지 달라진 부분

비공식 도식들을 비교하면 Raptor의 기본 아키텍처는 크게 바뀌지 않았습니다. 산화제 펌프·turbine·preburner가 엔진 위쪽에 있고, 연료 펌프·turbine·preburner가 측면에 배치되는 구성은 Raptor 1과 Raptor 3에서 모두 유지됩니다. 연료가 노즐 외벽을 통과해 열을 제거하는 regenerative cooling도 계속 사용됩니다. 질소를 이용해 추진제 잔류물을 제거하는 purge 라인, 점화기에 연결되는 연료·산화제 라인, 탱크가 비워질 때 기체 추진제를 되돌려 탱크 압력을 유지하는 autogenous pressurization 라인도 기본적으로 같은 계통에 속합니다.

변화는 주로 보조 계통과 외부 배치에서 나타납니다. Raptor 3에서는 작은 배관들이 common umbilical로 묶인 것으로 보입니다. Raptor 1 도식에는 연료와 산소 turbine을 초기 회전시키는 helium 라인이 나타나지만, Raptor 3 도식에서는 이 라인이 사라지고 nitrogen이 사용되는 것으로 표시됩니다. 다만 이 부분은 비공식 도식과 커뮤니티 분석에 의존하며, 일부 분석자는 Raptor 1에서도 helium이 사용되지 않았다고 주장합니다. Raptor 1에서 일부 밸브 제어에 쓰였다고 추정된 helium 라인도 Raptor 3 도식에는 보이지 않습니다.

Raptor 3에서는 preburner 인근의 gaseous oxygen heat exchanger가 제거된 것으로 보이며, Raptor 1에 있던 preburner 연결 연료 라인도 Raptor 3 도식에는 나타나지 않습니다. SpaceX의 공식 설명에 가까운 자료에서는 Raptor 2에서 turbomachinery, chamber nozzle, electronics를 포함한 전반이 재설계됐고 turbopump가 작아졌으며, preburner controller가 엔진 곳곳에 흩어진 형태에서 별도 box로 이동했다고 설명합니다. 여러 밸브를 valve plate로 통합했다는 설명도 있습니다.

센서와 전선의 감소도 중요한 변화입니다. Raptor 1은 개발 단계의 엔진이었기 때문에 온도와 압력 등 작동 상태를 확인하기 위한 센서가 많이 필요했지만, 작동 특성이 파악되면서 일부 센서를 제거하거나 엔진 내부로 옮길 수 있었습니다. Raptor 1에 있던 main chamber spark igniter는 Raptor 2에서 제거됐습니다. 무엇으로 대체했는지는 공개되지 않았지만, preburner에서 나온 고온의 연료-rich 및 산화제-rich 배기가스가 주 연소실에서 연소되기 때문에 별도의 점화기가 덜 필요했을 가능성이 제기됩니다. 다만 이는 공개된 확정 설명이 아니라 작동 원리에 근거한 관찰입니다.

볼트로 체결한 flange 연결부를 welded connection으로 바꾼 것도 질량과 누설 가능성을 줄이는 방향의 변화입니다. 대신 용접은 정비성과 서비스 편의성을 낮출 수 있습니다. 초기 Raptor 3 사진에서 보이던 엔진 본체의 큰 bolted flange가 이후 사진에서는 사라진 점도 이런 변화를 보여주는 사례로 언급됩니다.

배관을 없애기보다 엔진 안으로 옮긴 설계

Raptor 3의 매끈한 외형이 모든 배관과 계통을 제거했다는 뜻은 아닙니다. 많은 배관과 유로는 3D printing으로 만든 부품 내부로 이동한 것으로 보입니다. SpaceX는 고급 3D metal printing 기술을 보유하고 있다고 밝혀 왔고, 2024년에는 Velo3D의 3D metal printing 기술을 라이선스했습니다. Raptor 3의 근접 사진에서 3D printing 특유의 층이나 선이 보인다는 분석도 있습니다.

배관을 내부화한 가장 큰 목적은 외부 부품을 줄이는 데 있습니다. Raptor 1과 Raptor 2의 외부 배관과 전선은 로켓 배기가스의 열로부터 보호하기 위해 크고 무거운 heat shield와 fire suppression system을 필요로 했습니다. 추진제 라인을 엔진 내부로 옮기고 내부 냉각을 추가하면 이 열 차폐 및 화재 억제 구조를 제거할 수 있습니다. 전체 질량 변화에서 특히 큰 부분은 ‘vehicle side’ 엔진 하드웨어의 제거이며, 이는 대부분 heat shield와 관련된 질량일 가능성이 높다고 설명됩니다.

따라서 Raptor 3는 단순히 부품 수를 줄인 엔진이라기보다, 외부에 드러나 있던 기능을 더 통합된 부품과 내부 유로로 재배치한 엔진에 가깝습니다. 외부에서 보이는 배관과 플랜지가 줄었지만, 내부에는 더 높은 제조 정밀도와 냉각 설계가 요구되는 복잡성이 추가됐습니다. 기본 FFSC 구조와 주요 펌프·turbine·preburner 배치는 유지하면서, 센서·밸브·점화기·열 차폐·연결부를 단계적으로 통합한 것이 이번 진화의 핵심입니다.

이 변화가 모든 문제를 해결한 것은 아닙니다. Starship flight test 13의 첫 발사 시도에서는 이륙 직전 T-0에 여러 Raptor 3 엔진이 시동에 실패했고, 차량 비행 소프트웨어가 자동으로 발사를 중단했습니다. Raptor의 진화는 이미 완성된 설계를 단순화한 과정이 아니라, 성능과 질량을 개선하면서도 새로운 내부 복잡성과 시동·운용 문제를 계속 해결해 가는 개발 과정으로 진행되고 있습니다.

Hacker News 반응

• @avmich — thrust vector control(TVC) subsystem은 보통 엔진의 일부로 간주합니다. 소련의 NK-33이 미국용 모델로 바뀌면서 가장 큰 변화는 TVC가 추가된 것이었고, 엔진 이름도 달라졌습니다. 따라서 대부분 같더라도 TVC의 유무에 따라 서로 다른 이름의 두 엔진이 존재합니다. Raptor는 TVC 없이 사용할 수 있습니다. differential thrust를 사용하거나, 단지 TVC가 필요 없기 때문일 수 있습니다. 로켓이 다른 방식이나 다른 엔진으로 제어되는 경우도 있습니다. Tory Bruno는 특히 그 부재도 포함해 자신이 무엇을 의미했는지 구체적으로 설명했습니다. 시험대에서 작동하는 엔진 사진은 turbopump가 포함되든 포함되지 않든 엔진의 일부인 연소실 사진일 수도 있습니다.
• @w8vY7ER — 아, Tory Bruno가 공개적으로, 그것도 아무도 요청하지 않았는데 그런 실수를 한 뒤 갑자기 그만뒀습니다. 잊고 있었지만, 말씀하신 대로입니다.
• @brandonagr2 — https://www.spacex.com/content/starship/holy-grail-of-rocket... 의 13:35에 TVC가 장착된 Raptor 3가 잘 보입니다. 이것이 글의 맨 위에 있는 사진과 비교해 상당한 정보를 더해 준다고 생각하시나요?
• @numpad0 — 짧게 말하면, 로켓 엔진의 TVC는 보통 X와 Y축을 위해 각각 하나씩의 hydraulic suspension rod를 사용하는 방식으로 구현됩니다. 로켓공학에서는 Y와 Z축일 수도 있겠지만요. 엔진 장착 프레임의 일부 역할을 하므로 시스템에 큰 부분을 추가하지는 않을 것입니다.
• @avmich — 13:35 장면에서 잘 보이는 화면을 확보하지는 못했습니다. TVC는 비교적 단순한 subsystem이지만, 분명히 존재합니다.

원문: Construction Physics / 번역·요약: Trawling