- ABL의 E2 엔진은 Jet-A와 액체산소를 쓰는 가스 제너레이터 사이클 로켓 엔진으로, qualification 엔진이 28회 시동과 1300초 연소 후에도 성능 저하 없이 4배 수명을 달성함
- 2018년 시작된 추진기관 프로그램은 엔진뿐 아니라 시험 인프라, 시험 소프트웨어, 시험장까지 직접 만든 클린시트 개발에 가까웠고, 4년 안에 비행 가능한 엔진 10기를 로켓에 장착함
- 초기 선택은 단순성을 중시한 단일축 터보펌프, 3D 프린트 Inconel 연소실, pintle 인젝터였지만, 시험 결과에 따라 인젝터 구조와 터보펌프 설계가 계속 바뀜
- 임펠러와 터빈 외주 제작에 각각 약 1만8000달러와 4개월 리드타임이 필요해지자 ABL은 5축 밀과 가공 인력을 들여 내재화했고, 문제 임펠러를 10일 만에 재설계·재시험함
- 개발의 중심은 반복적인 실연소(hotfire) 시험이었으며, ABL은 50개 엔진, 3개 사이트, 6개 테스트 스탠드에서 수백 회 시동과 여러 시간의 연소 데이터를 쌓아 개선을 이어가고 있음
E2 엔진의 현재 상태와 기본 구성
- E2 엔진은 단순하고 견고하며 회복탄력적인 ABL의 로켓 엔진임
- 최근 qualification E2 엔진은 총 연소 시간과 시동 횟수 기준 4배 수명을 달성함
- 해당 엔진은 28회 시동과 1300초 런타임 후에도 성능 저하 징후가 없음
- 추진제는 Jet-A와 액체산소임
- 두 추진제는 전 세계에서 가장 흔하게 구할 수 있는 추진제로 다뤄짐
- 엔진은 가스 제너레이터 사이클을 쓰며, 단일축 터보펌프로 구동됨
- RS1 로켓은 E2를 세 가지 변형으로 사용함
- 2단: E2 Vacuum
- 1단: E2 Sea Level Radial
- 1단 중앙: Radial의 이중 챔버형인 Center
- 각 엔진은 진공에서 16,000 lbf 이상의 추력을 내며, ABL이 사내에서 설계·제조·시험함
클린시트에서 시작한 엔진 프로그램
- ABL의 엔진 프로그램은 2018년 직접적인 엔진 경험보다 기계적 직관, 호기심, 실용적 문제 해결에 기대어 시작됨
- 초기 학습은 교과서, NASA monograph, 연구 논문을 중심으로 진행됨
- NASA monograph는 1960년대 로켓 엔진과 구성품의 설계 문제, 해법, 경험칙, 재료 선택 정보를 담고 있음
- 대부분의 로켓 엔진 설계는 기존 엔진, 기술 시연기, 외부 구매 구성품이나 IP 같은 출발점을 갖지만, ABL은 사실상 클린시트에서 출발함
- 씰, 베어링, 센서 같은 일부 소형 부품은 벤더에서 구매함
- 엔진 본체, 시험 인프라, 시험 소프트웨어, 시험장은 직접 설계하고 구축함
- 선택지가 너무 많아지는 상황을 피하려고 초기에 핵심 설계를 빠르게 고정함
- 가스 제너레이터 사이클은 중간 수준의 효율을 제공하고, 각 구성품을 비교적 독립적으로 시험·튜닝할 수 있어 선택됨
- 주요 작업 영역은 터보펌프, 주연소실, 주연소실 인젝터, 가스 제너레이터로 나뉨
- 초기 sizing은 Excel 스프레드시트에 방정식을 모아 수행함
- 원하는 추력, 추진제 유량, 연소실 출구 지름, 터보펌프 임펠러 sizing 등을 순차적으로 계산함
- 이후 업계에서 이를 power balance 또는 1D code라고 부른다는 점을 알게 됨
터보펌프, 인젝터, 연소실 설계의 시행착오
- 터보펌프는 약 50,000 RPM으로 회전하고, 추진제를 약 50 psi에서 2000 psi까지 올리며 초당 여러 갤런을 연소실로 보냄
- Formula 1 경주차 연료펌프도 수천 psi 압력을 다루지만 유량은 분당 1갤런 미만임
- 로켓 터보펌프는 임펠러, 터빈, 베어링, 유체 통로와 함께 slinger, balance piston, labyrinth seal, recirculation channel 같은 복잡한 보조 구조를 포함할 수 있음
- ABL의 터보펌프 설계 원칙은 필요성이 확실해질 때까지 기능을 추가하지 않는 것이었음
- 1D code는 속도, 입출구 크기, 블레이드 각도, 예상 효율을 산출함
- 최종 블레이드 형상에는 전문 소프트웨어와 반복 조정이 필요함
- 임펠러와 터빈 설계는 방정식, 경험칙, 직관이 섞인 작업으로 다뤄짐
- 초기 주연소실 인젝터는 pintle 구조를 선택함
- 기존 showerhead 또는 impinging jet 인젝터는 수백 개의 작은 구멍과 복잡한 내부 유로, 정밀한 구멍 지름·각도·위치가 필요함
- 당시 접근 가능한 자료 기준으로 3D 프린팅은 필요한 정밀 치수와 표면 마감을 제공하기에 적합하지 않다고 판단함
- pintle은 축방향과 반경방향 두 장의 추진제 sheet가 충돌해 분무화를 만들며, 밸브에 가까운 방식으로 설계·제조할 수 있었음
- 주연소실은 3D 프린트 Inconel을 기반으로 설계함
- 널리 보급되고 이해도가 높은 장비와 재료를 쓰기로 했고, 첨단 장비나 재료는 피함
- Inconel은 제트 엔진용으로 개발된 니켈 초합금으로 강도, 내열성, 용접성이 좋고 3D 프린터에서 구하기 쉬웠음
- 단점은 가공이 어렵고 열전도율이 낮다는 점임
- 연소실 냉각 설계는 6000°F 수준의 연소 온도와 금속 한계 사이의 절충 문제였음
- 금속은 1200°F에서 상당히 약해지고 2500°F에서 녹을 수 있음
- 추진제 일부를 연소실 벽 내부로 흘려 냉각하는 방식이 사용됨
- 내부 벽은 냉각이 전달될 만큼 얇아야 하지만 압력으로 파열되지 않을 만큼 두꺼워야 함
- 냉각 채널은 유속을 높일 만큼 좁아야 하지만 터보펌프 부담을 키울 만큼 과도한 배압을 만들면 안 됨
- 연소실 엔지니어가 길이 방향으로 냉각 파라미터를 연속 최적화하는 코드를 만들었고, 그 결과를 3D 모델링과 프린팅으로 연결함
- 초기 냉각 해법은 5년 후에도 바뀌지 않음
- 현재까지 원래 연소실 냉각 설계가 유지되고 있음
내재화와 제조성 개선
- 초기 주요 부품은 미국 전역의 항공우주 제조 업체가 프린트·가공함
- 소형 연소실 섹션, 가스 제너레이터, 연소실 섹션, 인젝터 부품이 순차적으로 제작됨
- 임펠러와 터빈은 특수 가공 업체 견적에서 각각 약 1만8000달러와 4개월 리드타임이 나옴
- 비용보다 4개월 리드타임이 더 큰 문제였음
- 설계 수정이 여러 번 필요할 것으로 예상됐고, 각 반복에 4개월이 걸리면 스타트업의 개발 속도에 맞지 않았음
- ABL은 첫 5축 밀을 임대하고 가공 인력을 채용해 가공을 내재화함
- 첫 세트에서는 부러진 엔드밀 비용이 외주 견적보다 더 많이 들었을 가능성이 있음
- 시간이 지나며 가공 방식과 설계가 모두 개선됨
- 터빈 블레이드 간격이 너무 촘촘해 가공 프로그램이 거의 한 달 걸리고 작은 엔드밀이 자주 부러지는 문제가 생김
- 터빈 블레이드 수를 줄이는 연구를 수행함
- 블레이드를 줄여도 성능 영향은 작았음
- 더 크고 덜 취약한 공구를 쓸 수 있게 되면서 가공 시간이 하루 미만으로 줄어듦
- 내재화 후 임펠러와 터빈은 며칠 안에, 훨씬 낮은 비용으로 생산 가능해짐
- 초기 펌프 시험에서 연료 임펠러가 유입 유동을 제대로 잡지 못해 엔진 성능이 예측 불가능해지는 문제가 있었음
- 비행용으로 쓸 수 없다고 판단한 뒤 재설계, 가공, 펌프 조립, 밸런싱, 재시험까지 10일이 걸림
- 외주였다면 수개월 지연되거나 문제 영향을 다른 로켓 시스템이나 로켓 성능으로 넘겨야 했음
- 이후 내재화 범위는 더 넓어짐
- ABL은 사내 3D 프린터 여러 대, 5축 밀 여러 대, 다축 선반을 운용함
- 터보펌프 로터 밸런싱도 사내에서 수행함
- 처음에는 어렵게 보였던 공정과 기술도 반복 수행하면서 일상화됨
작은 팀과 시험 중심 개발
- ABL propulsion 팀은 가능한 오래 작게 유지되는 방향으로 운영됨
- 2018년에는 2명으로 시작함
- 첫 완전 통합 엔진을 구동할 때까지 첫 2년 동안 5명 규모였음
- 현재 팀은 15명임
- 성공적인 엔지니어의 특성은 단순한 엔진 아키텍처와 first principles 접근에 맞춰 정리됨
- 책상 앞에만 있지 않고 하드웨어, 현장, 시험을 직접 다루는 엔지니어가 더 효과적인 경우가 많음
- 경험이 있는 엔지니어는 경험을 전체 해답이 아니라 퍼즐의 일부로 사용해야 함
- 특정 부품을 맡더라도 해당 부품이 로켓의 제작, 운용, 성능, 인터페이스 팀에 미치는 영향을 이해해야 함
- 옳다고 생각하는 것을 오래 붙잡고만 있지 않고 빠르게 실행하거나 조직 구조·연차와 무관하게 말해야 함
- 가장 중요한 지표는 강한 기계 및 유체역학 직관임
- 첫 E2 시험 캠페인은 2019년 여름 New Mexico의 Spaceport America에서 시작됨
- 엔진 설계를 시작한 지 1년이 채 되지 않은 시점이었음
- 평평한 콘크리트 패드 위에 첫 테스트 스탠드를 설치함
- 터보펌프 없이 pressure-fed 방식으로 가스 제너레이터와 thrust chamber를 시험함
- TEA-TEB 점화, 극저온 유체 운용, austere location 전개를 경험함
- snap ring은 연소실 내부에서 잘 맞지 않았고, pintle은 쉽게 녹아 기대만큼 간단하지 않았음
- 2020년에는 Edwards Air Force Base 근처 AFRL site 1-56으로 이동함
- pressure-fed 테스트 스탠드와 pump-fed 시험을 위한 개발 로켓 탱크를 설치함
- 첫 터보펌프를 구동했고 실제로 펌핑에 성공함
- 터빈이 녹고 power instability가 있었지만 시험 스탠드, 터빈 배기, 터보펌프를 각각 수정함
- Spaceport America와 AFRL 시험 사이에 pintle을 쓰지 않는 새 인젝터를 설계·제조함
- 챔버와 가스 제너레이터가 작동한다는 점을 확인한 뒤 다른 인젝터 유형에 대한 우려가 줄어듦
- 새 제조 방식은 전통적 방식보다 덜 고됐고, 새 인젝터는 바로 작동함
- 이후 해당 인젝터는 바뀌지 않음
- AFRL에서 가장 큰 성과 중 하나는 완전 통합 엔진 구동이었음
- Stage 2 개발 탱크에서 펌프, 가스 제너레이터, TCA가 루프를 닫고 자체 동력으로 구동됨
- 이 시점부터 ABL은 완전 통합 엔진 시험 단계에 들어감
Mojave 이후의 비행 엔진과 반복 개발
- 2021년은 California Mojave에 새 시험장을 구축하고 시험을 시작하는 데 집중됨
- 터보펌프 업그레이드가 적용됨
- 로켓 주변 설계도 성숙해짐
- 2021년 말 Flight 1용 엔진 시험 캠페이가 시작됨
- Flight 1 시험 캠페인은 이전과 크게 달랐음
- 여러 테스트 스탠드를 사용함
- 많은 엔진을 시험함
- full flight duration 시험을 수행함
- 총 엔진 런타임이 수십 초가 아니라 수천 초 단위로 측정되기 시작함
- 2022년에는 엔진 추력을 업그레이드해 더 큰 출력을 확보함
- 생산 시험 전용 새 엔진 시험장 구축도 시작함
- 개발 시험과 생산 시험을 완전히 병렬로 수행할 수 있는 능력을 갖추게 됨
- 2023년에는 같은 엔진 구성품을 더 모듈식 구성으로 재패키징함
- 제작과 시험이 더 쉬워짐
- 이후 TEA-TEB 시스템 같은 핵심 기능을 최적화해 신뢰성과 장기 성능을 높임
- 현재까지 ABL은 50개의 개별 엔진을 만들고, 3개 사이트의 6개 테스트 스탠드에서 운용함
- 수백 회 시동과 여러 시간의 hotfire 시간이 누적됨
- E2의 반복 개발은 완료되지 않았고, 앞으로도 완전히 끝나지 않을 수 있음
- 제조, 성능, 질량, 비용의 작은 개선 여지는 계속 남아 있음
- 개발 중 겪은 문제에는 펌프 베어링의 프린트 파우더, 성능이 낮은 volute와 임펠러, 녹는 liner·turbine·manifold·tube, chugging pump, 불안정한 gas generator, 누설 seal, hard start가 포함됨
- 각각의 해결이 엔지니어, 엔진, 회사를 더 강하게 만들었음
- 가장 큰 실수는 반드시 필요하지 않다고 판단해 시험을 계속하지 않고, 문제 발견을 더 영향이 큰 뒤 단계로 미룬 경우였음
- ABL은 talented generalist engineer와 propulsion engineer를 섞어 팀을 계속 확장하고 있음
- 지난 6년간 쌓은 가정과 조직 지식은 활용되면서 동시에 도전받고 있음