랩터 엔진

랩터는 스페이스X의 재사용 로켓 엔진으로, 회사의 완전 재사용 화성급 발사 시스템인 스타십을 들어 올리는 동력원이다. 액체 메탄과 액체 산소를 섞은 메탄·액체산소 추진제(메탈록스)를 태우며, 같은 방식의 엔진 가운데 처음으로 비행했다. 궤도에 가는 비용을 화성 여행이 예산 항목 하나가 될 만큼 낮추려고 만든 엔진이다.

랩터는 무엇인가?

랩터는 점화하고, 회수하고, 빠르게 다시 점화하도록 만든 메탄·산소 로켓 엔진이다. 슈퍼 헤비 부스터에는 랩터 33기가, 스타십 2단 우주선에는 6기가 달린다. 6기 가운데 3기는 해수면용으로 조정했고, 나머지 3기는 랩터 진공 엔진(RVac)으로 높은 고도의 희박한 공기에 맞춰 종 모양 노즐을 넓혔다. 팰컨 9의 연료인 케로신 대신 메탄을 고른 이유는 곧장 화성을 가리킨다. 메탄은 더 깨끗하게 타서 엔진을 막고 재사용을 어렵게 하는 그을음, 곧 코킹이 덜 생긴다. 또 언젠가 화성 표면에 있는 이산화탄소와 물로 현지에서 만들 수 있다.

랩터를 만든 이유

랩터가 풀려는 문제는 우주에 늘 국가 예산 수준의 가격표가 붙어 있었다는 점이다. 로켓을 재사용하기 전에는 1kg을 지구 저궤도(LEO)에 올리는 데 1만달러 가까이 들었고, 그래서 궤도는 정부와 드문 억만장자만 드나드는 곳이었다. 평범한 엔지니어나 우주비행사를 꿈꾸는 사람에게 그 가격은 문을 완전히 닫았고, 사회 전체로 보면 인류가 지구 밖에서 시도할 수 있는 일을 묶어 두었다. 일론 머스크는 자급자족하는 화성 도시라는 목표에서 출발해 거꾸로 계산하며, 모든 부품, 무엇보다 랩터를 그 목표를 향해 비용을 낮추는지로 평가한다.

작동 원리

전유량 다단 연소 방식은 연료와 산화제 전부를 주 연소실에 들어가기 전에 두 개의 예연소기로 보낸다. 하나는 연료가 많고 하나는 산화제가 많다. 그래서 밖으로 버리는 추진제가 없고 터빈은 더 낮은 온도에서 돈다. 이런 엔진은 1960년대 소련의 RD-270에서 처음 설계됐지만 비행하지 못했고, 실제로 하늘에 오른 것은 랩터가 처음이다. 랩터의 연소실 압력은 약 300~350bar로 러시아제 RD-180의 267bar보다 높다. 압력이 높을수록 같은 크기의 엔진에서 더 큰 추력이 나온다. 세 세대를 거치며 해수면 추력은 185톤에서 280톤으로 약 절반 늘었다.

이 향상은 엔진을 키워서 얻은 것이 아니다. 세대마다 더 강해지면서도 더 가벼워졌다. 건조 중량은 랩터 1의 2,080kg에서 랩터 3의 1,525kg으로 약 27% 줄었다. 랩터 3는 열차폐막과 외부 배관을 엔진 안으로 집어넣어 예전에 볼트로 달던 부품을 없앴고, 덕분에 추력 대 중량비가 180 대 1을 넘는다. 위에 쌓인 모든 것을 들어 올려야 하는 단에서는 더 적은 무게로 더 큰 힘을 내는 것이 승부의 전부다.

랩터의 경제학

엔진 배치가 비용 구조를 보여 준다. 완전한 스타십 한 세트에는 랩터 39기가 들어가지만 고르게 나뉘지 않는다. 슈퍼 헤비 부스터가 두꺼운 하층 대기를 뚫고 올라가는 힘든 일을 맡기 때문에, 부스터에는 그 위에 실린 우주선보다 훨씬 많은 엔진이 달린다. 스페이스X 수치에 따르면 버전 3 부스터는 랩터 3 엔진 33기를 동시에 점화해 약 80.8MN(메가뉴턴), 약 8,240톤의 이륙 추력을 낸다. 아폴로를 달에 보낸 새턴 V의 2배가 넘는다. 부스터는 비행할 때마다 33기를 모두 써야 하므로, 더 가볍고 추력이 큰 세대가 나올 때마다 스페이스X가 만드는 모든 기체에서 효과가 나타난다. 엔진 1기당 원가는 랩터 1의 약 100만달러에서 목표치인 약 25만달러를 향해 내려가고 있다.

랩터의 현황

누적 생산량은 600기를 넘었고, 랩터 2만 해도 시험 연소 시간이 226,000초를 넘었다. 이렇게 쌓인 연소 시간이 시제품을 실제 제품으로 바꾼다. 2021년 말의 증산은 회사 전체의 최우선 과제였다. 머스크가 엔진 생산 확대를 스페이스X의 최우선 목표로 삼았기 때문이다. 생산은 실제로 늘어 2024년에는 하루 약 1기에 이르렀고, 지금 생산 라인은 랩터 3를 만들고 있다. 맥그레거에서는 일련번호가 수백 번대인 엔진이 이미 나오고 있다.

앞으로의 계획

랩터 3는 양산형으로, 대기권 재진입을 견디고 손을 거의 대지 않고 다시 비행하도록 일체형으로 설계했다. 분해 정비 없이 점화하고, 돌아오고, 다시 점화하는 엔진이 있어야 발사가 잦아질수록 kg당 비용이 계속 내려간다. 랩터 3는 2026년 5월 22일 스타십 12차 시험비행에서 처음 날았다. 12차와 13차 비행에서는 부스터의 귀환 재점화가 버전 3로서 첫 시험을 거쳤고, 14차 비행에서는 진공 엔진 하나가 일찍 꺼진 뒤 우주선이 궤도에 올랐다.

결론

랩터는 공학 목표와 비용 목표가 만나는 부품이다. 엔진에서 1kg을 덜어 낼 때마다 궤도에 가는 비용이 내려가기 때문이다. 다음 시험대는 재사용, 즉 버전 3 부스터를 붙잡아 그 엔진을 다시 비행시키는 일이다.