우주 발사 성공 확률은?

로켓 발사에는 많은 일이 잘못될 수 있습니다. 그러나 수십 년 동안 실패율은 놀라울 정도로 일관되었습니다.  물론 그들은 일이 잘못되었을 때 가장 큰 헤드라인을 장식합니다.

Starship One은 상업 우주국 SpaceX의 지금까지 가장 큰 발사였습니다. 거대한 초대형 로켓 위에 미래형 스타쉽 우주선의 시험 모델을 탑재한 스타쉽 초대형 수송체의 첫 발사는 전 세계의 기대를 모았습니다. 2023년 4월 20일 텍사스 보카 치카의 발사대에서 거대한 연기와 먼지 구름 속에서 로켓이 발사되었을 때 우주 탐사의 새로운 시대가 열렸습니다.

그러나 오래 가지 않습니다.

스타쉽의 데뷔 발사는 로켓이 지구 대기의 통제된 재진입에 들어가고 멕시코만의 따뜻한 물에 첨벙거리기 전에 지구를 한 바퀴 돌았을 것입니다. 그러나 Super Heavy 부스터의 33개 엔진 중 3개는 발사 시 발사되지 않았으며 더 많은 것이 공중으로 떠오르면서 실패했습니다. 최초 이륙 후 거의 4분이 지난 후 로켓은 격렬하게 굴러 떨어지기 시작했고 고의적으로 걸프만 상공에서 폭발했습니다 .

Starship One의 첫 비행 실패는 21세기의 새로운 우주 경쟁에서 매우 유명한 사상자였습니다. SpaceX는 그것의 실패가 심하게 손상된 Boca Chica 현장에서 몇 주 동안 청소한 후에야 다음 발사에 대한 많은 핵심 교훈을 제공했다고 말했습니다 . SpaceX는 이를 실패로 간주하지 않고 다음 발사 전에 문제를 해결하기 위한 발판으로 간주합니다 .

그러나 실패(시끄럽고 폭발적인 실패)는 종종 일상적인 성공보다 더 나은 영상과 뉴스 기사를 만들고 종종 더 광범위하게 보도됩니다. 인류가 본격적으로 우주로 로켓을 보내기 시작한 지 75년 이상이 지난 지금, 로켓 발사에 성공할 가능성은 얼마나 될까요?

데이비드 웨이드(David Wade)는 위험이 얼마나 될지 가늠하는 사람 중 한 명입니다. Wade는 상업용 우주 발사를 지원하는 보험 회사인 Atrium Space Insurance 의 보험업자입니다 . "작년(2022년)에는 186개의 발사가 있었습니다."라고 그는 말합니다. 이들은 2,509개의 위성을 궤도에 올렸고 그 중 대부분은 SpaceX의 위성 인터넷 별자리인 Starlink입니다. "위성은 [SpaceX] Falcon 9에서 한 번에 최대 60개까지 발사됩니다."라고 Wade는 말합니다. 그러나 186번의 발사 중 실패는 8번에 불과했습니다." 이는 약 4%의 실패율로 작동합니다. 25번의 발사 중 1번입니다. 그러나 Wade는 2022년이 예외적이라고 말합니다. 작년에는 로켓 발사 횟수 측면에서 기록을 경신했습니다. 우주 트래픽이 얼마나 빠르게 증가하고 있는지에 대한 아이디어를 제공하기 위해 2022년에는 2021년보다 40회 더 많았고 2017년에는 5년 전보다 두 배 증가했습니다. 하지만 추가 트래픽으로 또한 위험이 증가했습니다.

Wade는 "작년에 ​​우리는 몇 년보다 더 많은 실패를 보았다고 말하고 싶습니다. 왜냐하면 우리는 꽤 많은 새로운 발사체가 도입되는 단계를 거치기 시작했기 때문입니다."라고 말합니다. 그리고 발사체의 초기 비행은 항상 더 문제가 많습니다."

2022년 11월에 처음으로 성공적으로 시작된 Starship One 및 NASA의 Artemis 프로그램과 같은 것은 이러한 새로운 발사체 중 가장 카리스마가 있습니다. 그러나 그것들은 빙산의 일각에 불과합니다. 새로운 발사체를 사용하면 특히 처음 몇 번의 비행에서 더 많은 불확실성이 발생합니다. SpaceX의 Starship은 발사대를 통과했지만 처녀 비행 몇 분 만에 폭발했습니다.

Wade는 "일반적으로 첫 번째 또는 두 번째 출시에서 약 30%가 실패할 것으로 예상합니다."라고 말합니다. "그런 다음 상황이 나아지기 시작합니다. 10번째 비행에 도달할 때쯤에는 실패율이 5% 미만일 것입니다.

"일부는 실패하고 일부는 실패하는 이유를 정확히 정확히 지적하는 것은 매우 어렵습니다."라고 그는 말합니다. "처음 2~3개에 많은 노력이 들어가는 것을 볼 수 있습니다. 엄청난 양의 연구, 엄청난 양의 품질 관리, 모든 것이 정상인지 확인하는 것입니다. 그럼에도 불구하고 우리는 여전히 실패를 봅니다. 예상치 못한 일이 발생하기 때문입니다. 첫 두 번의 비행."

Seradata 의 David Todd는 "유인/인간 수송 임무의 발사 실패율(항상)은 약 2%로 더 낮으며 약 1%만이 궤도 진입 실패를 포함합니다."라고 말했습니다.1957년 스푸트니크 이후 궤도 로켓 발사를 추적해 온 우주 산업 분석가. 또한 예상하셨듯이 유인 우주비행에 각별한 주의를 기울이고 있는데, 2003년 STS-107 컬럼비아 우주왕복선의 치명적인 재진입 실패를 '발사 실패'로 간주하는 것은 열 보호 장치의 손상으로 인한 것입니다. 시스템은 발사 중에 발생했습니다. 또한 인간 우주선은 발사 실패 시 승무원을 구할 수 있는 발사 탈출 시스템을 탑재하고 있습니다. 1975년 소유즈 18A가 그 예입니다."

이 새로운 활동은 상대적으로 새로운 우주 보험 분야에 흥미로운 도전을 제공합니다.

2022년 내내 SpaceX는 6일에 한 대씩 성공적인 Falcon 9 로켓을 발사했습니다 . 중국도 64발의 로켓을 발사해 자체 기록을 경신했는데 그 중 단 2발만 실패했습니다 . 우주 발사에 관해서는 거의 낯설지 않은 뉴질랜드조차도 북섬 동해안에 있는 신생 우주 정거장 에서 9개의 로켓을 발사했습니다 .

이 새로운 활동은 상대적으로 새로운 우주 보험 분야에 흥미로운 도전을 제공합니다. Wade는 곧 출시될 European Space Agency 로켓 Ariane 6를 예로 사용합니다. "위성이 계속 작동하는지 확인하기 위해 지금 Ariane 6로 접근했다면... 예를 들어 Ariane 6의 세 번째 비행에서 우리는 아마도 '글쎄, 우리의 견적은 처음 두 개가 성공했을 것입니다. 맞죠?'라고 말할 것입니다. 거기에는 조건이 있습니다. 그 중 하나가 실패하면 문제가 해결됩니다."

Wade는 고급 컴퓨터 모델링과 로켓을 궤도에 진입시킨 수십 년간의 경험을 통해 설계자가 무엇을 기대해야 하는지 훨씬 더 잘 이해할 수 있다고 말합니다. 그러나 모든 새로운 출시 시스템에는 알려지지 않은 사항이 포함되어 있으며 작동 방식은 최초 출시 전까지는 가상입니다.

소유즈와 같은 로켓 유형을 오래 사용할수록 발사 실패 가능성이 줄어듭니다(Credit: Getty Images).

"뜨거운 고압 가스가 있고 매우 빠르게 변화하는 환경이 있습니다. 무언가 잘못되기 시작하면 멈추기 위해 엄청난 일을 할 수 없습니다."라고 Wade는 말합니다.

지난 80년 동안 우주 발사 횟수를 계산하고 실패 가능성이 얼마나 되는지 그림을 그릴 수 있는 사람들이 있습니다. 매주 신상품이 Seradata의 데이터베이스에 입력되어 Wade's와 같은 보험 회사를 포함한 고객에게 전달됩니다.

Seradata의 실패에 대한 이해에는 로켓의 페이로드가 의도한 궤도에 도달하지 못하거나 발사 시 심각한 손상을 입는 것도 포함됩니다.) 1950년대의 발사, 우주 경쟁의 첫 비틀거리는 도약, 비율은  70% 이상으로 놀라울 정도로 다릅니다 . 이 수치가 떨어지기 시작한 것은 1960년대 초반까지만 걸렸으며 그 이후로 약 7%(위성 관련 발사 실패를 포함하면 9%)와 같은 수준을 유지하고 있습니다.

1965년부터 비행한 양성자 발사체는 충격적인 기록을 세웠습니다 – David Wade

Todd는 "커리어를 시작할 때 항상 이가 나는 문제와 큰 실패를 겪습니다."라고 말합니다. "그런 다음 서양 발사체의 경우 시간이 지남에 따라 열반을 달성한다고 항상 말합니다."

그러나 러시아와 같은 국가에서 만든 로켓에 대해서도 항상 같은 말을 할 수는 없습니다. 우주왕복선 퇴역과 SpaceX의 Dragon 우주선 발사 사이에 ISS용 소유즈 모듈을 발사한 Proton 발사 시스템은 이러한 경향을 어느 정도 거스르고 있습니다. 웨이드는 "1965년부터 비행한 프로톤 발사체는 충격적인 기록을 세웠다"고 말했다.

그는 프로톤의 성공률을 연속으로 100회 이상 성공적으로 발사한 유럽의 아리안 4호 및 미국의 델타 II 로켓과 비교합니다. "당신이 Proton에서 보곤 했던 것은... 20~25번의 비행마다 실패가 있었다는 것입니다. 1960년대 러시아에서는 우주 경쟁 때문에 많은 사람들이 이 산업에 뛰어드는 것을 보았을 것입니다. 이들은 대학을 갓 졸업한 가장 훌륭하고 영리한 사람들, 절대적인 최고의 졸업생들입니다."

Wade는 우주 경쟁의 종식과 소련의 몰락이 러시아 우주 산업을 급격하게 축소하여 현금 자원이 부족하다고 말합니다. "많은 지식이 손실되었습니다. 그리고 Proton과 같은 경우 구성 요소를 만드는 사람이 있었는데 지침에 이렇게 나와 있지만 선반에서 1/4 추가 회전을 수행했다는 것을 알고 있었습니다. 그게 더 효과가 좋습니다."

Starship One의 첫 비행 실패는 평범하지 않습니다. 첫 비행의 거의 2분의 1이 잘못되었습니다. (Credit: Getty Images)

새로운 로켓의 데뷔 발사와 관련하여 Starship One의 실패는 완벽하게 그럴듯해 보입니다. 로켓 시대가 시작된 지 80년이 지난 후에도 새로운 로켓 시리즈의 첫 발사는 실패할 확률이 거의 2분의 1에 가깝다고 Todd는 말합니다. . 그리고 진화하는 우주 산업은 새로운 로켓에 이어 새로운 로켓을 요구했습니다.

"문제 중 하나는 진행 상황입니다."라고 Todd는 말합니다. "로켓은 처음에는 제대로 발전하지 못하지만 결국에는 정말 좋아집니다. 그런 다음 로켓 설계자들은 더 나은 로켓을 만들도록 요청을 받고 다시 시작합니다."

한편 Wade는 데이터에 숨겨진 또 다른 흥미로운 패턴을 발견했습니다. 실패 가능성이 6번째 출시에서 갑자기 높아집니다. "일반적으로 처음 10개의 비행 중 2개는 실패하고 첫 번째와 두 번째는 일반적으로 30% 정도의 실패율을 보입니다. 그런 다음 멋진 곡선을 따릅니다.

"6번째 비행은 특히 실패율이 높습니다. 그리고 그 이유를 정확히 알기는 어렵습니다. 그 단계에서 일상적인 제조를 시작할 수 있습니다. 품질 관리는 아직 완료되지 않았습니다. 선반이든 그것이 무엇이든 간에 그것은 잘 해결되지 않았습니다."