한국항공우주연구원

SpaceX CEO 엘런 머스크가 CNBC와의 전화인터뷰에서 9월의 Falcon9 폭발에 관하여 이렇게 대답했다.

“이건 너무 놀라운 문제였다. 로켓의 역사상 이런 문제에 직면하기는 처음이었다”

“문제의 핵심 요소는 과냉각 액체산소와 액체헬륨, 그리고 탄소 복합재질 재료다”

폭발의 원인은 액체 헬륨이 있는 탱크가 액체산소를 냉각시켜 헬륨탱크 외벽면에 고체산소를 만들어 고체산소가 탄소재료와 반응하였다는 것이다.

SpaceX는 과냉각액체산소를 2단의 산화제로 사용한다. (1) 액체산소의 포화온도는 90 K 인데 반해 여기서 약 24 K을 더 낮추어서 66 K 까지 낮추어서 사용한다고 한다. 고체산소는 Phase diagram에서 볼 수 있듯이 55 K 부근에서 생성된다. 4 K의 온도와 만나면 외벽면의 온도는 약 ~20 K 부근으로 얼추 계산이 될텐데, monoclinic (alpha) 또는 Rhombohedral (beta) 구조를 가지는 고체산소가 생성이 되었을 것이다. 물론 고체산소는 얼음같이 생겼고, 색깔은 푸르스름 하다. (4)

엘런 머스크가 고체산소가 생기는 것은 충전 과정의 문제라고 했으니, 액체 헬륨을 먼저 집어 넣느냐, 액체 산소를 먼저 집어 넣으냐의 문제가 되겠다. 이것은 SpaceX의 생존이 달린 문제니 관련 연구진들이 순서를 잘 바꿔서 해결을 할 것이다.

하지만 이 충전 순서에 관하여 몇 가지 의견이 있다. 아폴로 우주인 Tom Stafford (ISS 자문위원)이 아래와 같이 말하였다.

“We are concerned that there may be insufficient precooling of the tank and plumbing with the current planned oxidizer fill scenario, and without recirculation there may be stratification of oxidizer temperature that will cause a variation in the input conditions to the oxidizer pump.”

요약하자면 Falcon9 의 2단에 재순환 시스템이 없어서, 산화제의 성층화가 생길 수 있다는 것이다. 성층화가 생기면 산화제 펌프 입구 온도가 변할 것이다. 라고 말하였다.

현재의 Falcon 9 2단에도 재순환 시스템이 없다면, 유체의 온도가 상하로 균일하지 않고, 유동장이 움직이지 않아 헬륨탱크의 외벽면에서 고체산소 발생 빈도가 높아진다고 판단할 수 있다. 즉 충전 순서를 바뀌어서 고체산소 발생 빈도는 낮출 수 있지만, 또 하나의 폭발 대비책 (또는 보험)이 없는 것이라고 생각할 수 있다.

Falcon 9 이 과냉각산소와 액체헬륨을 사용하는 것은 모두 발사체의 크기를 줄이고 출력을 높이는 것이 목표이다. SpaceX의 다음 발사는 12월이라고 예상하고 있는데, 어떻게 문제를 해결할지 지켜봐야 하겠다.

* 관련 그림들은 첨부파일 참고

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.

1. https://www.wired.com/2016/03/spacex-keeps-aborting-liftoffs-rocket-fuel-tricky/

2. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Phase_diagram_of_oxygen_(1975).png

3. http://video.cnbc.com/gallery/?video=3000565513&play=1

4. http://slideplayer.com/slide/8518614/

5. http://www.spaceflightinsider.com/organizations/space-exploration-technologies/nasa-advisory-board

-worried-spacex-fueling-processes/

​