스스로 착지하는 팔콘 9로켓의 그리드핀에 대하여

팔콘 9로켓의 호버링 기술과 기체 컨트롤을 위한 격자모양 그리드핀

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스페이스 X는 전기자동차 테슬러의 엘론 머스크가 CEO로 있는 민간 로켓회사입니다. 자체 로켓을 개발해서 ISS(국제우주정거장) 에 보급품도 수송하고 하는 유명한 회사이지요. 

수송선 드래곤을 궤도에 올리는 데에는 팔콘9 이라는 로켓이 사용되는데요. 민간 최초로 ISS에 화물을 수송해서 유명하기도 하지만, 1단 메인 발사체를 재활용할 수 있는 신기술을 NASA를 제치고 세계 최초로 확보해서 유명하기도 합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=1sJlFzUQVmY

낙하산으로 회수하는 예전방식이 아닌 로켓이 스스로 정해진 지점에 착지하는 놀라운 기술인데요. 원리는 단순(?) 합니다. GPS를 활용해 로켓이 지정된 장소에 착륙하도록 제어해 주면 됩니다. 지표면에 가까워지면 엔진을 역분사 해서 사뿐히 내려앉게 되는 거지요. 

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그런데 동영상을 보면 흥미로운 장면이 등장합니다. 로켓의 옆구리에서 독특한 날개가 펴졌다 접어지는 장면이지요. 우리가 아는 일반적인 날개 모양이 아니라 격자무늬의 직사각형 형상을 띄고 있음을 알 수 있습니다.

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그리드핀 혹은 래티스핀 이란 날개입니다. 이름 그대로 격자를 가진 날개라는 뜻입니다. 주로 2차대전 직후 러시아의 IBCM에서 주로 사용되었는데, 와플빵틀 같은 특별한 형상 덕분에 일반 날개보다 유리한 점들이 몇 가지 있었습니다.

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날개가 겹쳐져 있기 때문에 같은 크기라면 일반 날개보다 월등이 많은 양력을 발생시키지요... 라는 이야기는 보다 더 작은 사이즈의 날개가 장착된다는 이야기도 됩니다. 공간활용에 잇점을 주는데, 튜브방식의 런처를 운용하는 경우 수납이 용이합니다. 

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러시아의 ICBM이 트럭에 장착된 이동식 사일로라는 점을 떠올린다면, 왜  그리드핀이 애용되었는지 쉽게 이해할 수 있습니다. 튜브 사이즈가 적을수록 런처의 기동성이 좋아질 수 밖에 없습니다.

튜브 뿐만 아니라 미사일 자체의 설계에도 유리합니다. 날개가 작기 때문에 보다 적은 토크로 날개를 컨트롤 할 수 있었습니다. 작은 엑츄에이터의 탑재가 가능하면서 여분의 공간을 탄두나 연료에 돌릴 수 있었고, 이는 미사일의 성능향상으로 이어졌습니다.

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AIM-120 중거리 공대공 미사일과 비교되는 러시아의 암람스키 R-77, 얼마전 발사장면이 공개된 북한의 무수단 ICBM이 그리드핀을 장착하고 있습니다. 

R-77은 가변식 그리드핀 덕분에 발사체의 기동성이 상당할 것으로 예상되고 있습니다. 무수단 ICBM은 고정식 핀을 장착하여 불안정한 동적중심을 제어하는 것으로 알려져 있지요.

자, 이렇게 좋아보이는 격자형 날개입니다만, 서방제 미사일에서는 거의 쓰이지 않고 있습니다. 왜일까요?

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그리드핀은 예전 복엽기의 날개라고 보면 됩니다. 양력이 늘어난 만큼 항력이 늘어나는 단점이 있습니다. 형상을 아무리 잘 가져가더라도 특히 천음속에서의 성능에 문제가 생겼지요.

 음속을 돌파하기 전에 충격파가 생기는데 이때 그리드핀이 큰 저항으로 작용하면서 순간 미사일이 조종 불능에 빠져버렸거든요.

far-maroc.forumpro.fr

 ICBM이야 죽죽 속도가 높아지기만 하면 되니 영향을 덜 받지만, 고기동이 필요한 공대공 미사일은 순간적인 급회전이 필요합니다. 방향이 바뀌는 순간 컨트롤이 되지 않으면 치명적입니다. 적을 요격하지 못하고 거꾸로 역습을 허용하게 됩니다.

팔콘9의 그리드 핀이 마지막 순간에 펴졌다 접혀지는 이유도 바로 여기에 있습니다. 필요한 속도 영역에서만 사용하기 위함입니다. 항력도 크니 이를 에어 브레이크로 이용하면서 기체를 컨트롤 하는 것이지요.

AIM-9L / en.wikipedia.org

현재는 대부분의 로켓 발사체에 싱글핀을 사용하고 있습니다. 기술이 발전하면서 작은 모터로도 큰 토크를 낼 수 있게 되었습니다. 튜브에 걸리적거리는 핀은 수납형으로 만들어 해결했습니다. 러시아조차 R-77의 후기형에는 싱글핀이 장착되어 사용 중입니다.

러시아 소유즈 / en.wikipedia.org

팔콘9의 착륙 영상으로부터 그리드 핀에 대해 살펴 보았습니다. 발사체의 호버링 기술을 위해 구형(?)의 기술이 사용된 점이 다소 신선하기까지 한데요. 핀이 계속 그리드 타입으로 남을지 아니면 싱글 핀으로 회기할 지 지켜보는 것도 재미있는 포인트가 아닐까 합니다.