스페인과 프랑스 회사인 Pangea는 항공우주 산업 내에서 추진 회사로 자리매김하고 있습니다. 2021년 독일에서 에어로스파이크 엔진을 성공적으로 시연하며 처음 주목을 받았다. 4년이 지난 지금, 더 크고 재사용 가능한 Arcos 엔진에 대한 테스트가 이미 진행 중이며, 이 엔진은 세계 최초의 비행 준비가 완료된 에어로스파이크 엔진이 될 것입니다.
NSF는 Pangea의 창립자이자 CEO인 Adrià Argemí와 이야기를 나누며 기술 여정과 회사가 오랫동안 이론화된 엔진 개념을 현실로 만들기 위해 많은 역사적 장애물을 극복하는 방법에 대해 자세히 알아보았습니다.
에어로스파이크는 많은 사람들이 추진력의 "성배"로 간주합니다. 에어로스파이크 개념은 기존 벨 노즐보다 더 뛰어난 성능을 제공할 것을 약속하지만, 엔진 냉각부터 실행 가능하게 만들기 위한 제조 비용 절감에 이르기까지 설계에 어려움이 없는 것은 아닙니다. 기존 엔진 노즐은 해수면 또는 진공에 최적화되어 있는 반면, 에어로스파이크는 변화하는 대기압에 자연스럽게 적응하고 모든 고도에서 효율성을 유지합니다.
이론적으로 기존 로켓 엔진에 비해 최대 15%의 효율성 이점을 제공하는 에어로스파이크는 고효율 추진의 미래로 여겨졌던 20세기 중반부터 연구되어 왔습니다. 그러나 초기 설계는 복잡하고 비용이 많이 들었으며 대부분의 로켓의 원통형 모양과 잘 통합되지 않았습니다.
록히드 마틴의 VentureStar 프로그램과 X-33 프로토타입은 선형 에어로스파이크를 사용하여 1990년대에 눈에 띄는 진전을 이루었지만 기술적 문제와 비용 상승으로 인해 취소되었습니다. X-33의 XRS-2200 엔진의 쐐기 모양은 에어로스파이크 디자인이 중앙 스파이크가 있는 고전적인 토로이달 디자인을 모두 따르지 않는 방법을 보여주는 예입니다. 최근 재료, 적층 제조의 발전, 재사용 가능한 고성능 엔진에 대한 수요 증가로 인해 관심이 다시 높아졌으며 에어로스파이크에 두 번째 바람을 불어넣을 것으로 보입니다.
재사용성은 Pangea의 주력 제품인 Arcos 에어로스파이크 엔진 설계의 핵심입니다. 이는 Pangea 이름의 양식화된 "A"를 사용하여 에어로스파이크와 궤도를 오가는 경로를 모두 암시하는 회사의 원래 로고에도 반영되어 있습니다. 2018년에 설립된 이 회사는 고생대 후기의 단일 육지 초대륙을 뜻하는 고대 그리스어에서 이름을 따왔으며 대략 "모든 땅"으로 번역됩니다. 이러한 해석은 또한 6명의 공동 창립자가 서로 다른 국가 출신이라는 사실을 인정하고 회사의 다문화적 특성을 반영합니다. Pangea는 현재 약 16개국에서 온 인재를 고용하고 있으며 계속 늘어나고 있습니다.
Demo P1로 알려진 Pangea의 Demonstrator Propulsion 1 에어로스파이크 엔진. (제공: Pangea Aerospace)
Argemí는 이전에 Airbus와 Vega 로켓 제품군의 제조업체인 Avio에서 근무한 풍부한 경험을 바탕으로 전문 지식을 활용합니다. 그곳에서 그는 Pangea의 다른 공동 창립자들을 만났고, 더 나은 추진 시스템을 갖춘 재사용 가능한 마이크로 발사기를 만들기 위한 계획이 세워졌습니다. 시간이 지남에 따라 계획은 추진 회사로 전문화되어 로켓 제조업체에 공급할 수 있는 고효율 제품을 만드는 것으로 개선되었습니다.
Arcos는 회사의 첫 번째 상용 제품이 될 것이며 상위 단계 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 일반적으로 Demo P1이라고 하는 회사의 첫 번째 Demonstrator Propulsion 1 엔진보다 훨씬 크고 강력합니다.
이 최초의 에어로스파이크 시연기를 통해 많은 교훈을 얻었고, 참조할 플레이북이 없었기 때문에 새로운 도구, 소프트웨어 및 모델을 만들어야 했습니다. 토로이달 설계의 Demo P1은 액체 메탄과 액체 산소를 추진제로 사용하는 세계 최초의 에어로스파이크 엔진이었습니다.
Argemí는 "우리는 이것이 미래의 추진력이라고 믿고 있으며 현재 많은 회사가 이 제품으로 전환하고 있습니다. 우리에게는 당연한 일이었습니다."
Pangea는 2021년 11월 세계 최초의 메탈록스 에어로스파이크 엔진인 Demo P1을 시험적으로 발사합니다. (제공: Pangea Aerospace)
데모 P1 엔진은 20킬로뉴턴의 추력을 생성할 수 있으며 2021년 11월 독일 우주국(DLR) 람폴드스하우젠 테스트 시설에서 첫 번째 시도에서 성공적으로 점화되었습니다. 엔진의 직경은 25cm 미만이거나 대략 뻗은 손 크기였습니다. 대조적으로, Arcos는 Demo P1에서 엄청난 확장을 나타냅니다. 직경이 약 3.5m(Falcon 9의 직경보다 약간 낮음)로 질량이 75톤인 750킬로뉴턴 엔진입니다.
Pangea는 첫날부터 Arcos 설계에 재사용성을 구축했습니다. Argemí는 "재사용이 가능하다는 것은 어렵습니다"라며 "고려해야 할 사항이 너무 많습니다. 우리의 경우 예를 들어 Falcon 9의 Merlin이 하는 것처럼 챔버가 여러 사이클을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 이미 몇 가지 변수를 도입했습니다. 이 엔진에는 많은 혁신이 있습니다. 많은 도전과 많은 처음이 있었습니다."
처음에 Pangea는 재사용 가능한 Arcos 엔진에 대해 10개의 임무를 목표로 할 예정이며, 이는 여러 가지 복잡성을 도입할 것입니다. "많은 재료 특성화, 저주기 피로와 그것이 어떻게 작용하는지에 대한 많은 분석을 수행해야 합니다"라고 Argemí는 말합니다.
데모 P1 (Demo P1) 은 단일 챔버 설계를 가지고 있는 반면, Arcos는 둘레에 여러 개의 챔버가 있습니다. 현재 디자인 레이아웃에는 원형에 20개의 "추진기"가 있어 효율성은 약간 저하되지만 이상적인 에어로스파이크 개념에 가까운 성능을 제공합니다. "물론 당신은 당신이 가지고 있는 챔버의 수를 늘리고 싶습니다." 아르게미가 지적합니다. "흐름이 더 균일할수록 실제로 도달할 수 있는 이론적으로 완벽한 [챔버 디자인]에 더 가깝습니다."
Arcos 엔진 설계 렌더링(제공: Pangea Aerospace)
Arcos 엔진은 추력 벡터링을 위해 링 전체에 차동 스로틀링을 사용하므로 엔진이 약 50%까지 스로틀링될 수 있습니다. 차동 조절은 또한 설계에서 무거운 짐볼 하드웨어 또는 움직이는 부품을 방지합니다. Argemí는 "두 번째 단계에 직접 부착되어 있습니다"라고 지적하며 추력 하중이 짐벌과 추력 마운트를 먼저 통과하지 않고 스테이지로 직접 전달된다고 덧붙였습니다. "이 인터페이스 링은 모든 로켓의 직경이 같은 것은 아니기 때문에 가능한 한 '플러그 앤 플레이'로 어느 정도 적응할 수 있습니다"라고 그는 덧붙였습니다.
Stoke Space는 2023년 9월 회사 Hopper 2의 첫 번째 "홉"에 동력을 공급하는 Nova 상부 스테이지에 대해 에어로스파이크와 같은 디자인에 유사하게 도달했습니다. 이 디자인은 풀 사이즈 디자인 둘레에 약 30개의 추력 챔버 링을 사용하여 연속 플러그 또는 토로이달 모양을 채택하지 않습니다. Stoke의 설계에서 이러한 챔버의 배기 가스는 능동적으로 냉각된 열 차폐 베이스를 따라 안쪽 및 아래쪽으로 확장되어 전체 플러그 없이도 에어로스파이크와 유사한 고도 보상 효과를 생성합니다.
Pangea의 초기 초점은 엔진을 성공적으로 궤도에 보내고 성능을 검증하는 것이지만, 회사는 이미 재진입을 위한 열 차폐 역할도 하는 엔진의 능력을 테스트하고 있습니다. 처음부터 설계는 전산 유체 역학(CFD), 시뮬레이션, 그리고 최근에는 초음속 풍동에서의 테스트를 사용하여 많은 재진입 하중을 고려했습니다.
2023년 독일에서 Arcos 엔진 부품용 3D 프린팅 연소실 및 분사 헤드를 테스트합니다. (제공: Pangea Aerospace)
에어로스파이크는 주변 압력에 적응하기 때문에 광범위한 고도에서 효율적입니다. Argemí는 Arcos의 에어로스파이크 노즐이 약 180:1의 높은 팽창률을 가지고 있다고 지적합니다. 이것은 팽창비가 약 165:1인 Merlin 진공 엔진보다 훨씬 더 높은 진공 상태에서 매우 높은 성능을 제공할 것입니다. 비교를 위해 해수면 Merlin 1D는 약 16:1로 작동합니다.
Pangea는 ISP라고도 알려진 엔진 효율의 표준 척도인 진공 상태에서 360초의 비충격을 목표로 하고 있습니다. 이는 ISP가 348인 것으로 이해되는 Falcon 9의 Merlin Vacuum 엔진과 유리하게 비교됩니다. "기존의 2단계 궤도 설계와 비교할 때 진공 최적화를 원할수록 진공 노즐이 길어집니다. 우리 엔진을 사용하면 매우 컴팩트하면서도 모든 성능을 유지할 수 있습니다." 아르게미가 덧붙인다.
그는 에어로스파이크를 추력 발생기가 아닌 성능 발생기로 설명하며, 기존의 2단 궤도 차량에서 첫 번째 단계의 초점은 추력임을 강조합니다. "벨 엔진을 클러스터링하고 싶고, 추력 밀도(평방미터당 킬로뉴턴의 양)가 더 크기 때문에 훨씬 좋습니다"라고 그는 설명했습니다.
이에 비해 에어로스파이크는 엔진 주변에만 추력 발생을 배치하므로 추력 밀도가 낮아집니다. 이로 인해 엔진은 마이크로 발사기의 첫 번째 단계에 더 적합하지만 더 큰 차량에는 적합하지 않으며, Argemí는 더 전통적인 벨 엔진을 클러스터링하고 에어로스파이크가 상부 단계에서 빛나도록 하는 것이 더 나을 것이라고 말합니다. "에어로스파이크를 클러스터링할 수는 있지만, 그러면 전체 로켓의 직경이 거대해질 것입니다!"
2023년 10월 DLR Lampoldshausen에서 진행된 Pangea의 이중 물질 연소실 테스트 측면도. (제공: Pangea Aerospace)
에어로스파이크의 주요 설계 과제는 에어로스파이크를 냉각시키는 것입니다. 에어로스파이크의 목은 둘레가 큰 반면, 전통적인 종 모양에서는 훨씬 작은 원이라고 Argemí는 설명했습니다. 목구멍은 열유속이 가장 큰 곳이며, 이를 큰 직경과 결합하면 중앙 플러그를 능동적으로 냉각하기 위해 높은 질량 유량이 필요합니다.
이러한 열 관리에 대한 Pangea의 솔루션은 이중 회생 냉각 시스템을 구현하는 것입니다. Argemí는 "역사적으로 로켓 엔진은 연료로만 냉각되기 때문에 냉각을 위해 두 추진제를 모두 사용하고 있습니다"라고 말했습니다. "일반적으로 산화제가 훨씬 더 많은데, 이는 세계 최고의 냉각수는 아니지만 많이 있으니 사용합시다." Arcos는 P1에서 이러한 교훈을 계승하여 두 추진제를 모두 사용하여 엔진의 여러 부분을 냉각합니다.
열 관리는 제쳐두고, 또 다른 주요 과제는 에어로스파이크 엔진의 제조 비용을 줄여 상업적으로 매력적으로 만드는 것입니다. 3D 프린팅을 사용하여 데모 P1은 단 두 개의 부품으로 제작되었습니다. 그러나 추력이 몇 톤에 달하는 상용 엔진으로 확장하면 제조 문제가 추가되었습니다. 그럼에도 불구하고 Arcos 엔진의 60%에서 70%는 여전히 특정 부품을 단일 장치로 결합하는 이점을 누릴 수 있습니다.
테스트 캠페인 중 P1 엔진 데모. (제공: Pangea Aerospace)
"에어로스파이크의 장점 중 하나는 크기가 너무 크지만 내부가 비어 있어 물건을 넣을 수 있는 공간이 많다는 것입니다"라고 Argemí는 설명합니다. "우리의 경우 모든 엔진 제어 장치(ECU), 밸브, 그리고 물론 파워 팩입니다. 처음에는 기존의 가스 발생기 사이클입니다. 나중에 Arcos에서 주기를 종료할 계획이 있지만 ... 한 번에 한 가지씩 – 우리는 이미 여러 제품을 병렬로 진행하고 있습니다!"
참조
현재로서는 훨씬 더 뛰어난 성능을 제공하지만 과제도 제시하는 수소 및 산소와 같은 다른 추진제 혼합을 탐색할 계획은 없습니다.
에어로스파이크의 뚜렷한 장점 중 하나는 지상 테스트가 진공 상태에서 나중에 성능을 나타내는 좋은 지표 역할을 할 수 있으므로 더 비싼 진공 테스트 시설에서 배송 및 테스트하는 노력을 절약할 수 있다는 것입니다. 물론 실제 테스트는 비행 중 상부 스테이지에 탑승할 것입니다.
"우리는 이번 10년이 끝나기 전에 첫 비행을 목표로 하고 있습니다." 아르게미는 판게아의 보다 보수적인 목표로 발표했습니다. 그는 회사가 내년 말까지 공개되지 않은 고객과의 통합 테스트로 전환하고 로드맵에 첫 비행을 하기를 희망한다고 강조했습니다.
이 회사는 독일의 Lampoldshausen 시설에서 Arcos 엔진을 계속 테스트하고 있습니다. 2023년 10월 초기 테스트에서는 두 가지 다른 재료를 결합하기 위해 적층 제조를 사용하여 구성된 재생 냉각 연소실을 검증했으며, 이는 유럽에서 처음으로 시연되었습니다. 또한 빠른 재사용성, 쉬운 검사 및 최소한의 개조를 위해 설계된 두 가지 3D 프린팅 일체형 인젝터 헤드를 테스트했습니다.
Demo P1 에어로스파이크 엔진 케이스의 Pangea 로고. (제공: Pangea Aerospace)
"우리는 현재 자체 극저온 테스트 시설을 가지고 있지 않습니다"라고 Argemí는 설명합니다. Pangea는 테스트의 다른 측면을 위한 자체 인프라를 보유하고 있으며 이러한 시설을 건설하는 데 비용이 많이 들 수 있지만 추진 회사가 결국 자체 시설을 개발하는 것은 당연한 일이라고 생각합니다. 독일 DLR 사이트를 사용함으로써 회사는 개발 초기에 Demo P1에 대한 한 달 간의 테스트 캠페인을 보다 신속하게 수행할 수 있었습니다. 최종 테스트는 엔진의 한계를 발견하기 위해 엔진을 파괴하도록 밀어붙이는 것이었지만 견고한 설계에 대한 증거로 엔진은 남은 추진제 공급보다 오래 지속되어 살아남았습니다.
Pangea는 로켓 및 우주선 개발자에게 자체 엔진을 설계하고 제작하는 데 필요한 비용과 시간에 대한 대안을 제공하는 다양한 추진 솔루션의 "이동" 회사가 될 예정입니다. 이를 강화하기 위해 회사는 7월 29일 Pangea Aerospace에서 Pangea Propulsion으로 브랜드 변경을 발표했습니다. 제품 범위는 또한 우주 추진을 포함하며 큐브위성, 궤도 이동 차량 또는 착륙선에 적합한 추가 제품도 있습니다.
이전에 U-Nyx로 알려졌던 Nereus는 우주 내 이동성을 제공할 것이며 큐브위성을 위한 엄지손가락 크기의 작은 1뉴턴 엔진으로 시작되었습니다. 이것은 에어로스파이크 설계를 냉각시키기에 충분한 질량 유량이 없기 때문에 보다 전통적인 벨 노즐을 사용한다고 Argemí는 지적합니다. 이 이름은 Nyx 전신과 다른 Pangea 제품 라인과 마찬가지로 초대륙 시대의 신화 속 생물의 이름에서 영감을 얻었습니다.
2023년 4월 테스트 중 Nereus(이전 U-Nyx) 이중 추진제 큐브위성 추진기. (제공: Pangea Aerospace)
엔진은 과산화수소의 농축 형태인 HTP(High-Test Peroxide)와 항공 등유 등급인 Jet 1A를 연소합니다. 다른 회사에서는 보다 전통적인 히드라진이나 홀 효과 추진기를 사용할 수 있지만 Pangea는 액체 추진제에 대한 전문 지식을 활용하기로 결정했습니다. Argemí는 HTP는 성능이 매우 우수하고 확장 가능하며, 주요 욕구는 히드라진의 독성을 제거하고 생태계를 히드라진에서 멀어지게 하려는 유럽 우주국(ESA)의 욕구에 부합하는 것이라고 덧붙였습니다. 히드라진은 입증되고 잘 알려져 있지만 팀은 위성에 적재하는 등 이를 처리하기 위해 장비를 갖추어야 하는 반면, HTP를 사용하면 지상 작업이 단순화되어 비용이 절감됩니다.
회사의 브랜드 변경은 또한 엔진 제품군에 합류한 Arcos 연소실을 기반으로 하는 궤도 임무를 위한 30킬로뉴턴 메탈록스 엔진인 Cryox를 도입했습니다. 불과 1년 전, Pangea는 유럽 최초의 풀 플로우 스테이지 연소 엔진 개발 프로세스를 시작하기 위해 ESA 및 프랑스 우주국인 CNES와 협력하는 여러 계약을 체결했습니다. Kronos는 중대형 및 초대형 발사체용으로 특별히 제작될 예정이며, 프로젝트가 최종적으로 실현되면 SpaceX의 Raptor 엔진과 유사하게 제작될 것입니다.
그때까지 Arcos는 고효율, 재사용성 및 지속 가능성을 하나의 제품에 결합하여 재사용 가능한 추진력에 대한 우리의 가정을 깨기 위한 여정을 계속합니다. 고객에게 이는 궁극적으로 더 많은 페이로드를 궤도에 진입시키고 더 간단하고 비용이 적게 드는 시장 경로를 의미할 수 있습니다.
(리드 이미지: 2023년 10월 Lampoldshausen에서 바이오 메탄과 산소를 사용한 이중 물질 연소실의 성공적인 테스트. 제공: Pangea Aerospace)