성공적인 우주 발사의 확률은 얼마일까요?
수십 년 동안의 실패율 - 로켓 발사 시 발생하는 문제
물론 문제가 생겼을 때 가장 큰 헤드라인을 장식합니다.
스타쉽 원은 상업 우주 기관 스페이스X의 지금까지 가장 큰 발사였습니다. 미래지향적인 스타쉽 우주선의 테스트 모델을 거대한 슈퍼 헤비 로켓 위에 장착하고, 스타쉽 초중량 우주 발사체의 데뷔 발사는 전 세계의 기대를 모았습니다. 2023년 4월 20일 텍사스 보카 치카의 발사대에서 로켓이 거대한 연기와 먼지 구름을 일으키며 발사되었을 때, 새로운 우주 탐사의 시대를 알렸습니다.
하지만 그 기간은 길지 않았습니다.
스타쉽의 데뷔 발사는 로켓이 지구를 독립적으로 한 바퀴 돈 후, 통제된 재진입을 거쳐 멕시코 만의 따뜻한 물에 착수하는 것이었습니다. 하지만 슈퍼 헤비 부스터의 33개 엔진 중 3개가 발사 시 점화되지 않았고, 더 많은 엔진이 공중으로 더 올라가면서 실패했습니다. 초기 발사 후 거의 4분이 지나자 로켓은 무작위로 휘청거리기 시작했고 멕시코 만 위에서 고의로 폭발되었습니다.
Starship One의 첫 비행 실패는 21세기 새로운 우주 경쟁에서 높은 관심을 끌었던 사건이었습니다. SpaceX는 이 실패에서 중요한 교훈을 얻었다고 말하며, 다음 발사는 심하게 손상된 Boca Chica 현장의 청소가 몇 주간 이루어진 후에만 진행될 것이라고 밝혔습니다. SpaceX는 이를 실패가 아닌 다음 발사 전 문제를 해결하기 위한 발판으로 여깁니다.
하지만 실패, 특히 시끄럽고 폭발적인 실패는 일상적인 성공보다 더 흥미로운 영상과 뉴스 스토리를 만들고, 더 넓은 보도를 받곤 합니다. 인류가 진지하게 우주로 로켓을 발사하기 시작한 지 75년이 넘었지만, 성공적인 로켓 발사의 가능성은 얼마나 될까요?
David Wade는 바로 그 위험을 평가하는 사람 중 한 명입니다. Wade는 상업 우주 발사를 지원하는 보험 기관인 Atrium Space Insurance의 언더라이터입니다. "작년(2022년)에는 186회의 발사가 있었습니다,"라고 그는 말합니다. 이들은 2,509개의 위성을 궤도로 실어 나르며, 그 대부분은 SpaceX의 위성 인터넷 별자리인 Starlink였습니다. "위성은 [SpaceX] Falcon 9에서 한 번에 최대 60개까지 발사됩니다,"라고 Wade는 말합니다. 하지만 186회의 발사 중 실패는 단 8회에 불과했습니다.
이는 대략 4%의 실패율로 계산됩니다 - 즉, 25회 발사 중 한 번의 실패가 있었습니다. 그러나 웨이드는 2022년이 이상적인 해였다고 말합니다. 지난해는 로켓 발사 횟수 측면에서 기록을 경신했습니다 - 우주 교통이 얼마나 빠르게 증가하는지에 대한 감각을 주기 위해, 2022년에는 2021년보다 40회 더 많았으며, 5년 전인 2017년보다는 2배였습니다. 그러나 추가된 교통량과 함께 증가된 위험이 따랐습니다.
"작년에는 새로운 발사 차량이 상당수 도입되기 시작하면서 몇 년 동안보다 더 많은 실패를 보았다고 말할 수 있습니다,"라고 웨이드는 말합니다. "발사 차량의 초기 비행은 항상 문제가 됩니다."
스타쉽 원(Starship One)과 NASA의 아르테미스(Artemis) 프로그램 - 2022년 11월에 처음으로 성공적으로 발사되었습니다 - 이들은 이러한 새로운 발사 차량 중에서 가장 매력적인 것입니다. 그러나 이들은 얼음산의 일각에 불과합니다. 새로운 발사 차량이 도입됨에 따라 더 많은 불확실성이 따릅니다, 특히 처음 몇 번의 비행에서 그렇습니다.
SpaceX의 스타쉽은 발사대를 떠났지만, 처녀 비행 몇 분 후에 폭발했습니다.
"보통 첫 번째 또는 두 번째 발사에서는 약 30%의 실패가 예상됩니다,"라고 웨이드는 말합니다. "그 후에 상황이 개선되기 시작합니다. 10번째 비행에 이를 때에는 실패율이 5% 미만으로 줄어들 것입니다.
"왜 일부가 실패하고 일부가 실패하지 않는지 정확히 파악하는 것은 매우 어렵습니다," 그는 말합니다. "처음 두 번이나 세 번에 많은 노력이 기울여지고, 많은 연구와 품질 관리가 이루어집니다. 그럼에도 불구하고, 일부 실패를 볼 수 있습니다. 왜냐하면 예상치 못한 일이 발생하기 때문입니다. 보통 처음 몇 번의 비행 내에서 발생합니다."
최근 2023년에는 버진 오빗(Virgin Orbit)이 영국 토지에서 처음으로 위성 임무를 발사하는 시도가 실패한 사례가 있습니다. 회사는 올해 초에 발사 시도가 실패하고 위성을 방출하기 위한 필요한 궤도에 도달하지 못한 후에 5월에 폐쇄되었습니다.
그러나 한번 인간이 발사에 참여하면, 선박의 안전을 보장하기 위해 필요한 추가적인 조치와 점검이 보상을 주는 것으로 보입니다.
"인류의 활동에 대한 발사 실패율(전체)은 약 2% 정도로 낮고, 그 중 약 1%가 궤도에 도달하지 못하는 총 실패입니다,"라고 1957년 수프트닉 이후 궤도 로켓 발사를 추적해온 우주 산업 분석가인 Seradata의 데이비드 토드는 말합니다. "이 낮은 실패율은 오랜 기간 많은 인류 우주 비행을 실시한 고결한 러시아 소유즈 로켓이 사용되어 왔고, 매우 신뢰할 수 있기 때문입니다. 또한, 인간 우주 비행에 대해서는 추가적인 주의가 기울여집니다."
"2003년 STS-107 콜롬비아 우주 셔틀의 치명적인 재진입 손실을 발사 실패로 간주합니다. 왜냐하면 열 방호 시스템에 발생한 손상이 발사 중에 발생했기 때문입니다. 또한, 인간 우주 비행체에는 발사 실패 시 선박을 구할 수 있는 발사 탈출 시스템이 장착되어 있으며, 1975년의 소유즈 18A 사건이 대표적인 사례입니다."
이러한 새로운 활동의 새로운 폭풍은 상대적으로 새로운 우주 보험 분야에 흥미로운 도전을 제공합니다. 2022년 내내, SpaceX는 매주 6일마다 성공적인 팰컨 9 로켓을 발사했습니다. 중국도 자국 기록을 깨고, 64대의 로켓을 발사했으며, 이 중 단 2대가 실패했습니다. 심지어 뉴질랜드도 우주 발사에서는 거의 알려진 이름이 아니지만, 북섬 동쪽 해안에 있는 새로운 우주 기지에서 9대의 로켓을 발사했습니다.
이러한 새로운 활동의 새로운 폭풍은 상대적으로 새로운 우주 보험 분야에 흥미로운 도전을 제공합니다. 웨이드는 다가오는 유럽 우주 기구의 아리안 6 로켓을 예로 듭니다. "지금 당장 아리안 6에서 위성을 보낼 계획이 있으면, 예를 들어 아리안 6의 세 번째 비행에서 보내는 경우에, '우리의 견적은 처음 두 번의 성공에 따라서 결정될 것입니다, 맞죠?' 라고 할 것입니다. 우리는 거기에 조건을 담았습니다 - 그 중 하나가 실패하면 우리는 책임을 면할 것입니다."
웨이드는 고급 컴퓨터 모델링과 몇십 년간의 경험이 로켓을 궤도에 올리는 데 있어 설계자들이 무엇을 기대해야 하는지에 대해 훨씬 더 잘 이해하고 있다고 말합니다. 그러나 모든 새로운 발사 시스템은 알려지지 않은 요소를 동반하며, 첫 번째 발사가 이루어질 때까지는 그것이 어떻게 작동하는지는 가정에 불과하다고 합니다.
"뜨거운 고압 가스, 매우 급격하게 변하는 환경이 있습니다. 무언가가 잘못되기 시작하면, 그것을 멈추는 데 큰 도움이 되지 않습니다,"라고 웨이드는 말합니다.
지난 80년 동안의 우주 발사를 분석한 사람들이 있으며, 실패 가능성에 대한 그림을 그릴 수 있습니다. 매주 새로운 발사가 Seradata의 데이터베이스에 입력되며, 이는 웨이드의 보험 회사를 포함한 고객들에게 전달됩니다.
Seradata의 실패 이해는 로켓의 페이로드가 목표 궤도에 도달하지 못하거나 발사 중에 크게 손상된 것뿐만 아니라, 궤도에 도달하지 못하는 것에 대한 것도 포함됩니다. 1950년대의 발사를 보면, 우주 경쟁의 처음 몇 걸음에서 실패율은 놀랍도록 다릅니다 - 70% 이상입니다. 이 숫자가 줄어들기 시작한 것은 1960년대 초반으로, 그 이후로는 거의 동일한 지점 주위에서 등장했습니다 - 약 7% (위성 관련 발사 실패를 포함하면 9%).
프로톤 발사체는 1965년부터 운행되어 왔으며, 그 역사는 충격적입니다 - 데이비드 웨이드
"시작할 때는 어려움이 있고, 큰 실패가 있습니다,"라고 토드는 말합니다. "그리고 서구의 발사 차량에 대해서는 시간이 지날수록 우리는 그것이 극락을 달성한다고 말합니다."
하지만 러시아 같은 국가에서 만든 로켓에 대해서는 항상 그렇다고 말할 수 없습니다. 우주왕복선이 은퇴한 후 스페이스X의 드래곤 우주선이 발사될 때까지 국제우주정거장을 위해 소유즈 모듈을 발사한 프로톤 발사 시스템은 이러한 추세를 어느 정도 깨뜨렸습니다. "1965년부터 운행된 프로톤 발사체는 충격적인 기록을 가졌습니다,"라고 웨이드는 말합니다
그는 프로톤의 성공률을 유럽의 아리안 4와 미국의 델타 II 로켓과 비교합니다. 이 두 로켓은 연속적으로 100회 이상의 성공적인 발사를 달성했습니다. "프로톤의 경우... 20~25회마다 한 번씩 실패가 있었습니다. 러시아에서는 1960년대에 우주 경쟁으로 인해 많은 사람들이 이 산업에 진입했습니다. 이들은 대학에서 졸업한 최고의 인재들이었습니다."
웨이드는 우주 경쟁의 종료와 소련의 붕괴로 러시아 우주 산업이 급격히 감소하고 자금이 부족해졌다고 말합니다. "그 지식의 많은 부분이 소실되었습니다. 그리고 프로톤과 같은 것에 대해 얘기해보면, 여기에는 설명에는 이렇게 되어 있지만, 단순히 차례대로 따르는 것이 아니라, 아주 조금 더 나은 성능을 내기 위해 텔레의 회전을 1/4 돌렸다는 것을 알고 있는 부품을 만드는 사람이 있었습니다."
새로운 로켓의 첫 번째 발사에 관한 것이라면, 스타쉽 원의 실패는 완전히 타당해 보입니다 - 로켓 시대가 시작된 지 80년이 지난 지금에도, 새로운 로켓 시리즈의 첫 번째 발사는 거의 2분의 1의 확률로 실패할 수 있다고 토드는 말합니다. 그리고 변화하는 우주 산업은 새로운 로켓을 요구하고 있습니다.
"진전이라는 것이 문제 중 하나입니다,"라고 토드는 말합니다. "로켓은 처음에는 발전이 잘 되지 않지만, 결국 매우 훌륭해집니다. 그러다가 로켓 디자이너들에게 더 나은 로켓을 만들라는 요구가 들어오면, 그들은 다시 처음부터 시작합니다."
한편, 웨이드는 데이터 속에 숨겨진 또 다른 흥미로운 패턴을 발견했습니다: 실패 가능성이 여섯 번째 발사에서 갑자기 증가합니다. "일반적으로 처음 10회의 비행 중 두 번 실패가 발생하고, 처음과 둘째 비행은 대략 30%의 실패율을 가지고 있습니다. 그런 다음 예쁜 곡선으로 줄어듭니다.
"여섯 번째 비행은 실패가 특히 많이 발생합니다. 그 이유를 정확히 알기는 어렵습니다 - 그 시점에는 생산 루틴으로 들어가기 시작할 수 있습니다. 품질 관리가 아직 완벽하지 않을 수 있습니다. 텔레의 추가 1/4 회전 또는 그 어떤 것이 그 시점에는 아직 완벽하게 해결되지 않았을 수 있습니다."
우주 로켓 발사 성공 사례
역사상 우주 로켓 발사에서 성공한 케이스 중 하나는 소련의 소유즈 로켓을 사용하여 1961년 4월 12일에 발사된 유리 공이었습니다. 이 로켓은 세계에서 최초로 우주 비행사로서 우주로 나간 유리 공, 유리 영웅, 유리나 명왕성이라 불리는 소련의 우주 비행사인 유리 가각림예츠타에게 성공적으로 우주로 보냈습니다. 또 다른 주목할만한 사례는 1969년 7월 16일에 발사된 NASA의 아폴로 11호 미션입니다. 이 미션은 닐 암스트롱과 버즈 알드린, 마이클 콜린스로 구성된 세 명의 우주 비행사로 구성되었으며, 달에 성공적으로 착륙하여 달 표면을 탐사했습니다. 이 미션은 인류가 처음으로 달에 착륙한 역사적인 순간으로 기록되었으며, 인류의 우주 탐사에 대한 새로운 시대를 열었습니다.