벌써 4시네요.. 자야하는데 글쓰다보니 ;;

글을 쓰는 욕구와 귀차니즘의 싸움은 늘 귀차니즘이 이기고는 하는데

가끔은 글을 쓰고자하는 욕구가 이기는때도 있습니다. 오늘도 그중 하루네요.

공대생이긴 하지만 이쪽전공은 아니고(전자,전기공학) 그냥 취미로서 파는분야입니다.

때문에 틀리는 부분이 있을수 있습니다.

// 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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

// 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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

"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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

(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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

이런데서 2년동안 모래바람 맞은 스티로폼같은 단열재를 믿고서 지구 재진입을해야하는겁니다.

으음... 이건 조금.. 아니 많이 무리가 있죠.

사실 기존에 스타쉽은 카본으로 만들고 있었습니다.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

[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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

근데 재밌는것은 고고도에서 올수록(진입속도가 빠를수록)

대류에 의한 열 전달[파랑]보다는 복사에 의한 열 전달[빨강]이 큽니다.

근대 화성에서 오는건 고고도중에 고고도(지구 중력권 밖 = 즉 무한대 층에서 진입) 하는거니 무지막지하게 빠릅니다.

즉 복사열이 더 문제라는것이죠

복사열을 반사하는데에는 반짝반짝한게 좋습니다.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

~~아 이사진이 아닌가?~~

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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?

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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 금속재질로 1200도의 열을 견디게 설계되었습니다.

// https://airandspace.si.edu/collection-objects/north-american-x-15

// 무슨금속인지는 모르겠습니다..-> 티타늄이군요

수정)티타늄의 녹는점이 1600도 가량이니 철도 얼추 비슷하게 견딜수 있을것 같습니다.

우주왕복선의 검은색 단열재 HRSI 는 1,260 °C 도까지 열을 보호합니다

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_thermal_protection_system#High-temperature_reusable_surface_insulation_(HRSI)

즉 재진입열을 스뎅도 견딜수 있다는 것이지요.

// 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

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

일론 머스크 왈 (연료인) 액화 메탄을 액티브 쿨링(냉각재)용으로 쓴답니다.

// 6. 결론

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

1965년도에 생각한 미래그림의

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

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.

잘못된 형식의 이미지 링크입니다.

현재 스타쉽은 빠르게 만들어 지고 있습니다. // 짓는다는게 어울릴것같긴한데

이게 목업일줄만 알았는데 실제 엔진이 달린것 &스페이스X가 최근 FCC에 신고한것을 토대로 볼때

진짜 하늘로 날아오를 우주선입니다.

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.