산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2019.6. 특집(1) 요약 (p35~55)

우주 개발에도 패러다임 시프트
디지털 기술의 진보, 우주 활용의 새로운 비즈니스

우주 비즈니스에 커다란 변혁이 일어나고 있다. 다단식 ‘대형’ 로켓에서 ‘초소형’ 로켓으로. ‘일회용’ 로켓에서 ‘재사용’ 로켓으로. 민간 기업의 참여와 저비용화가 동시에 진행되면서 우주를 활용하는 새로운 비즈니스가 움트기 시작했다. 그 배경에는 디지털 일렉트로닉스 등 기술의 진보가 있다. 이번 특집에서는 우주개발이 가져오는 패러다임 시프트의 실상을 취재했다.

1. 총론
‘재사용’과 ‘소형화’를 통해 저비용으로 / 우주 수송 업계에 찾아 온 2가지 혁신

우주 비즈니스에 커다란 변혁이 일어나고 있다. ‘우주 수송 시스템의 재사용’과 ‘발사용 로켓의 소형화’이다. 이들 모두 우주 비즈니스의 저비용화를 추진해 민간 기업의 참여를 촉진시키고 있다. 예를 들어 일본의 우주 벤처 기업인 ‘인터스텔라 테크놀로지스’(IST)가 2019년 5월 4일, 소형위성용 로켓의 발사에 성공했던 기억이 새롭다.

로켓 발사의 비용 절감은 인공위성 발사의 저비용화와 직결되어 있다. 인공위성을 활용한 우주 비즈니스에 있어서 그 동안 민간기업이 대규모 및 다양한 비즈니스 형태로 참여하지 못했던 이유는 ‘거액의 발사 비용’이 걸림돌이 되었기 때문이다.

로켓 발사의 저비용화가 진행될 때 민간기업에게도 길이 열리게 된다, 기존에 없었던 새로운 비즈니스에 참여하는 기업들이 늘어나면서 그 파동이 인공위성, 그리고 위성을 발사하는 로켓의 수요를 높이는 ‘선순환’이 된다. 전세계의 우주 비즈니스에 참여하는 기업이 늘고 있는 것은 이러한 배경 때문이다.

-- 로켓 1단 발사체의 재사용이 시작된다 --
기존 로켓은 전부 ‘일회용’이었다. 1회의 운용으로 끝내는 것이 아니라, 몇 번이나 회수해 재사용하는 우주시스템의 ‘꿈’에 최초로 도전한 것이 1960년대 후반부터 미국에서 검토가 시작된 우주왕복선이었다.

아쉽게도 우주왕복선은 저비용 우주 수송시스템이라는 목표를 달성하지 못했다. 당초 1회 운행 비용은 30억엔. 최대 성수기였던 1990년대에는 1회 약 500억엔이었으며 최고치는 1,600엔에 달했다. 사고도 다발해 ‘저비용의 회수 및 재사용’의 꿈은 이뤄지지 않았다.

그러나 오랜 세월 축적해 온 우주기술과 디지털 일렉트로닉스의 급속한 진보가 그 꿈을 실현시키려 하고 있다. 예를 들어, ‘로켓엔진의 역분사(逆噴射)에 의한 착륙’이 그것이다. 스페이스X는 2015년 12월에 발사한 ‘팰컨 9’의 20호기로서, 사용 후의 제 1단을 발사점 부근의 육상 착륙장에 연착륙시키는데 성공했다.

미국 아마존닷컴의 제프 베조스 CEO가 2000년에 설립한 ‘블루 오리진(Blue Origin)’도 로켓부분이 역분사로 착륙. 재사용이 가능한 유인 우주시스템 ‘뉴 셰퍼드(New Shepard)’를 개발. 2015년 11월 23일의 발사로 캡슐형 우주선과 로켓을 모두 회수하는데 최초로 성공했다.

실은 이 역분사에 의한 착륙의 유도제어는 오래 전부터 연구 및 검토되어 왔다. 실용화에 이르지 못한 것은 분사 및 기체 자세의 제어와 착륙 위치로의 기체 유도가 쉽지 않았기 때문이다.

그 제어에 필요한 센서 기술은 수광소자(Photodetector)부터 실리콘 칩 위에 캔틸레버를 끼워 넣는 반도체 센서에 이르기까지 장족의 발전을 거듭해 왔다. 그 결과, 제어가 용이한 전동 모터를 로켓의 각 부분의 제어에 사용할 수 있게 되었다.

또한 디지털 연산 회로가 획기적으로 고속화되면서 반도체의 집적도가 향상되었다. 그러자 소형위성으로도 대형위성과 동등한 기능을 실현시킬 수 있게 되어 소형위성의 발사 수요가 발생했다. 소형로켓이라면 1회 발사 비용이 낮아 진다. ‘회수∙재사용’과 ‘소형화’를 실현할 수 있었던 배경에는 이런 기술의 진보와 시장의 변화가 있었다.

-- 일본에서도 민간의 소형로켓 발사에 성공 --
스페이스X와 블루 오리진의 성공으로 재사용 로켓 시스템의 기술 개발이 가속화되고 있다. 소형 로켓 분야에서는 미국의 로켓 랩이 선두에 서 있다. 해당 사의 로켓 ‘일렉트론(Electron)은 고도 500km의 태양 동기 궤도에 150kg의 위성을 투입하는 능력을 보유, 1회 발사 비용을 490달러(5억 5,000만엔)이하로 낮췄다.

일본에서도 IST가 2019년 5월 4일, 홋카이도(北海道) 다이키초(大樹町) 시설에서 소형 로켓 발사에 성공했다. 일본에서 민간 로켓이 우주로 발사된 것은 처음이다. 그 외에도 스페이스 원이 와카야마(和歌山) 현에서 소형위성 로켓 발사를 목표로 개발하고 있다.

2. 재사용 사례 (1); 스페이스X
역분사 방식으로 착륙 가능한 팰컨9 / 열쇠는 출력을 조정하기 쉬운 엔진 구성

21세기에 시작된 우주 벤처 산업인 ‘뉴스페이스(New space)’의 선두를 달리고 있는 것은 기업가 엘론 머스크가 2004년에 설립한 미국 Space Exploration Technologies (이하, 스페이스X)이다.

스페이스X는 현재 우주 산업에 큰 영향을 주고 있다. 특히 해당 사가 개발한 ‘팰컨9’ 로켓의 1단 발사체를 2015년 12월 22일, 사상 처음으로 육상 착륙장에 역분사 방식으로 연착륙시켜 회수한 것에는 그 의의가 크다. 육상에 연착륙이 가능해지면 파라슈트를 사용해 해면에 연착수(軟着水) 시키는 회수 방법과는 달리, 기체를 해수에 적시지 않고 회수할 수 있다. 이로써 기체의 소형화와 함께 기체의 회수 및 재사용에 의한 비용 절감을 도모하는 우주 비즈니스의 길을 활짝 열렸다고 해도 과언이 아니다.

-- 1,000회 재사용으로 비용을 100분의 1로 --
-- 역분사로 무인선위에 착륙시켜 회수 --
-- 1단 로켓 발사체에 9기의 엔진을 장착 --
-- 각 엔진도 출력 조정이 쉽게 --
-- 우주정거장의 실패로 인해 얻은 교훈 --

3. 재사용 사례 (2); 블루 오리진
‘새로운 기준’으로 우주산업을 개혁 / 유인(有人)을 상정한 거대 로켓 개발

스페이스X와 어깨를 나란히 하는 미국 뉴스페이스의 또 다른 주자인 블루 오리진. 지금까지 발사한 실적은 탄도 비행을 시행하는 유인우주선 ‘뉴 셰퍼드’의 시험 발사뿐이다. 뉴 세퍼드도 캡슐 우주선은 파라슈트로, 추진 모듈은 역분사 방식에 의한 착륙으로 회수하는 ‘회수∙재사용 타입’이며, 이 점에서는 스페이스 X의 팰컨 9과 동일하다.

뉴 세퍼드에 이은 위성 발사용 로켓 ‘뉴 글렌(New Glenn)’은 현재 개발 중으로 첫 발사는 2020년을 예상하고 있다.

이와 같이 블루 오리진은 실적만 본다면 스페이스X에게 뒤처져있다. 그럼에도 불구하고 우주 산업계의 해당 사에 대한 두터운 신뢰는 이미 실적을 쌓고 있는 스페이스X에게 전혀 밀리지 않는다. 실제로 개발 중인 뉴 글렌은 1호기의 발사 전부터 여러 상업 발사 계약을 잇달아 체결하고 있다.

그 배경에는 창업자인 제프 베조스 씨에 대한 무한한 신뢰를 들 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이 베조스 씨는 클라우드 비즈니스에서 세계적인 정보와 물류 계의 큰 손인 미국 아마존닷컴의 창업자이며 CEO(최고경영책임자)이다. 베조스 씨는 개인 보유의 Amazon 주식을 계획적으로 매각해 블루 오리진에 연간 10억달러 규모의 투자를 지속적으로 시행하고 있다.

-- 유인 비행의 목표 표명 --
-- 적정 성능을 확보한 견고한 설계 --
-- 거대한 재사용형 로켓, 뉴 글렌(New Glenn) --
-- ‘직경 7m의 새 기준’으로 달라진 우주 비즈니스 --
-- 관수(官需)용으로서의 달착륙 수주를 목표 --

4. 소형화 사례 (1); 로켓 랩(Rocket Lab)
소형위성 전용의 소형로켓 / 최신 기술로 저비용과 고성능 양립

현재 전세계에서 약 100사 정도가 있다는 우주 벤처 기업. 그 ‘그룹’에서 떨어져 나와 국제적인 소형로켓의 발사라는 시장을 개척해 그 리더로 자리매김하고 있는 것이 미국에 거점을 두고 있는 로켓 랩이다. 이곳을 리더로 만들어 준 것이 세계 최초의 소형위성 발사 전용인 소형로켓 일렉트론(Electron)이다.

-- 소형위성 발사 전용의 일렉트론 --
일렉트론은 최신 기술을 집적해 개발하고 있으며 탄소섬유강화수지(CFRP)로 만든 기체구조를 채택해 경량화를 달성. 전동 펌프를 사용해 가스 배관을 없애는 등 기체의 신뢰성을 높이고 있다.

스페이스X나 블루 오리진과는 달리, 기체의 회수 및 재사용에 의한 비용 절감을 의도하지 않는 점도 특징이다. 그 대신, 소형위성 전용이라는 특징을 살린 수요를 손에 넣어 양산화에 의한 부품 제조 등으로 비용절감을 추진할 방침이다. 스페이스X 등과는 다른 영역에서의 우주 비즈니스 전개에 도전하고 있다.

-- 전동 펌프로 신뢰성을 높인다 --
-- 주1회 발사로 양산화 목표 --

5. 소형화 사례 (2); 일본의 벤처기업
일본 최초로 소형로켓을 실용화 / ‘꿈’과 ‘비즈니스’를 목표로

현재, 일본에서는 2개의 벤처기업이 소형위성 발사용 로켓의 개발을 내걸고 실제 개발 작업에 나서고 있다. 인터스텔라 테크놀로지스(IST)와 스페이스 원이 그 주인공이다.

IST는 2019년 5월 4일 고도 100km의 우주공간 도달을 목표로 하는 탄도 비행로켓 ‘MOMO’ 3호기를 발사해 고도 113.4km까지 도달시켰다. 고도 100km이상의 우주 도달에 성공시킨 것은 일본의 민간 로켓으로서는 처음이다.

2사의 전략은 대조적이다. IST는 독립 자본으로 기본적인 로켓의 각 부품을 자체적으로 제조해 액체 2단 로켓을 발사한다. 이에 반해 스페이스 원은 항공우주업체와 대형 전자업체, 그리고 은행이 함께 설립해 고체 3단식 로켓을 이용한다.

크게 다른 대응 방식을 취하고 있는 양사이지만 근본 전략은 같다. 위성발사용 소형로켓을 개발해 국제적인 상업용 발사 시장에 참여한다는 것을 목표로 하고 있다.

-- 로켓 애호가가 시작한 로켓 개발 --
IST의 전신은 ‘여름의 로켓단(なつのロケット団)’이라는 로켓 기술사와 만화가 등으로 이뤄진 로켓 애호가의 단체이다. 2005년 추력 30kgf급의 소형로켓 엔진의 개발부터 시작했다. 기업가인 호리에(堀江) 씨도 참여(사재를 IST에 투자해 IST 펀더를 역임). 2011년 3월 26일 최초로 데모용 로켓 ‘하루이치방(봄바람)’을 홋카이도(北海道) 다이키초(大樹町) 시설에서 발사에 성공했다.

2013년 1월에는 IST를 설립해 본격적인 우주 벤처기업으로서의 로켓 개발을 시행하는 체제를 정비, 상업 이용이 가능한 탄도 비행로켓 ‘MOMO’를 개발하기 시작했다. MOMO 3호기가 2019년 5월 4일 발사에 성공. 4호기 이후의 상업용 발사를 가능하게 했다.

IST는 현재 2023년 첫 발사를 목표로 위성 발사용 소형로켓 ‘ZERO’의 개발에 착수하고 있다. 로켓 랩의 ‘일렉트론’와 비교해 보면 IST가 ZERO를 개발하는 목적을 알 수 있다. 1회 발사 가격은 일렉트론과 거의 동일하나, ZERO가 더 크고 무겁다. 그에 비해 발사 능력은 낮다. 발사 시, 중량이 크고 발사 능력이 상대적으로 낮은 이 사양은 ‘고도의 기술을 사용하지 않고 가능한 범위에서 스케줄에 맞춰 저비용으로 가능한 개발’을 목표로 하는 것을 엿볼 수 있다.

-- 대형 기업 3사에 국가기관 관련 은행이 참여 --
대형 자본이 공동 출자해 설립한 스페이스 원은 같은 벤처기업이지만 성립부터 IST와는 확연한 차이가 있다. 설립은 2018년 7월이며 캐논전자와 IHI에어로스페이스, 시미즈건설(清水建設), 일본정책투자은행의 4사가 출자했다.

캐논전자는 카메라 제조업체인 캐논의 관련 회사이다. 2009년에 우주사업에 참여. 2017년 6월에는 최초로 자사에서 개발한 중량 65kg의 위성 ‘CE-SAT Ⅰ’를 인도의 ‘PSLV’로켓에 실어 발사하는데 성공했다.

캐논전자는 최초 신세대 소형로켓 개발 기획에 70%의 출자를 하고 있다. 이것은 스페이스 원의 소형위성 발사체 사업 자체가 캐논전자 주도의 프로젝트였던 것을 시사하고 있다.

케논전자와 같이 공동설립자인 IHI에어로스페이스는 항공우주분야의 베테랑 기업이다. 과거 60년 이상에 걸쳐 일본의 고체 로켓의 거의 대부분을 개발 및 생산해 온 실적이 있다.

시미즈건설은 예전부터 우주산업에 관심을 보이고 있는 대형건설회사이다. 과거 30년 이상 연구 부문에서 대형 우주스테이션 및 달 유인기지 등의 우주 관련 대형 기반시설의 연구를 이어가고 있다.

전자기기와 위성의 캐논전자, 로켓 전문의 IHI에어로스페이스, 오랜 기간의 축적된 우주사업 연구를 통해 발사장 등 로켓 주변 인프라 건설의 노하우를 보유하고 있는 시미즈건설, 이와 같은 실적이 있는 기업 3사와 더불어 정책적인 의의를 가진 민간사업으로의 출자를 기본으로 하는 일본정책투자은행이 함께 했다. 이 조합은 스페이스 원이 우주 벤처기업으로서 상당히 견고함을 기반으로 하고 있다는 것을 나타낸다. 항성 간의 비행이라는 ‘포부’를 가지고 있는 IST에 반해, 스페이스 원의 근간에는 비즈니스적인 성격이 강하다.

-- 발사지점 부지에 리스크가 있다? --
우주산업의 관계자들 사이에는 와카야마(和歌山) 현 구시모토(串本) 정(町)이라는 발사장의 입지에 의문점을 제기하는 목소리가 있다. 기이(伊勢)반도 선단에는 뱃길과 항공로가 집중되어 있어 많은 비행기나 선박이 운행되고 있는 사이를 가로질러 로켓을 발사하는 것은 곤란하다는 이유에서이다.

물론 스페이스 원은 와카야마 현에서의 발사는 충분히 가능하다고 판단하고 있다. 그 이유 중 하나는, 발사로켓의 전단(全段)이 고체 로켓이라는 점이다. 발사 전 준비 작업이 적으며 원하는 시각에 정확하게 발사할 수 있다. 따라서 안전성 확보를 위해 항공기나 선박의 운항을 제한하는 시간을 최대한 줄일 수 있다고 한다. 그 밖에도 발사 지점의 건설이 예정되어 있는 부지의 남서 측에는 기이오시마섬(紀伊大島)과 시오노미사키(潮岬) 곶이 있어 연안 뱃길을 가는 선박은 별로 연안 가까이에 접근하지 않는다는 것도 발사에 유리한 점이라고 한다.

 -- 끝 --