로켓 자동 착륙의 비밀, 10분 만에 그리드 핀(grid fin) 이해하기

스페이스X의 펠컨9 로켓이 그리드 핀을 펼친 모습

로켓이 방향을 바꾸는 특별한 방법, 그리드 핀

비행체는 종류에 따라 방향을 전환하는 방식이 다릅니다. 일반적인 항공기는 주날개 앞뒤에 장착된 슬랫(slat)과 플랩(flap)을 이용해 공기의 흐름을 조절하며 자세를 제어하죠. 하지만 로켓은 다릅니다. 초고속으로 날아가는 로켓에게 이런 방식은 전혀 맞지 않아요.

비행기 주날개의 슬랫(좌)과 플랩(우)

로켓에는 날개가 없다?

비행기가 하늘을 나는 데 날개가 필수라면, 로켓은 오히려 날개가 방해될 수도 있습니다. 로켓이 대기권을 넘어 궤도에 진입하려면 가능한 한 공기 저항을 줄여야 하는데, 날개가 달려 있으면 오히려 효율이 크게 떨어지거든요. 그래서 로켓은 처음부터 날개 없이 설계됩니다.
그런데 문제가 하나 있죠. 날개가 없으면 방향을 어떻게 조절할까요? 사실 로켓은 기본적으로 엔진의 방향을 바꾸는 방식(짐벌링)으로 자세를 제어합니다. 하지만 이 방법만으로는 부족할 때가 많아요. 특히 로켓이 대기권을 다시 진입하거나 착륙할 때, 더 정교한 자세 제어 기술이 필요합니다.

해결책: 벌집 모양의 작은 날개, 그리드 핀

 
 
이 문제를 해결하기 위해 등장한 기술이 바로 그리드 핀(Grid Fin) 입니다. 말 그대로 ‘격자 형태의 날개’인데, 로켓 하단에 장착된 이 작은 구조물이 로켓의 방향을 바꾸는 데 핵심적인 역할을 합니다.
사실 그리드 핀의 역사는 꽤 오래되었습니다. 1950년대 소련(러시아)에서 처음 개발되었으며, 당시에는 현대처럼 공기역학 시뮬레이션도 불가능한 시대였죠. 그럼에도 불구하고 이러한 혁신적인 기술을 개발했다는 것은 정말 대단한 일이 아닐 수 없습니다.

스페이스X의 팰컨9 로켓 동체에 부착된 격자무늬 형태의 그리드 핀. <사진 출쳐=스페이스X>

그리드 핀의 성능과 한계

그리드 핀은 일반적인 날개와는 다르게 촘촘한 격자 형태로 되어 있습니다. 왜 이렇게 생겼을까요? 이유는 간단합니다. 공기 저항을 최소화하면서도 높은 제어력을 유지할 수 있기 때문이죠. 마치 벌집 모양의 과자처럼 생긴 이 구조는 부피는 작지만, 전체적인 날개 면적을 확보할 수 있어 효율적으로 작동합니다.
하지만 그럼에도 불구하고 단점은 존재합니다. 음속을 넘는 초고속 구간에서는 매우 비효율적이죠, 그 이유는 충격파 때문인데요. 초음속 상태에서는 그리드 핀의 격자 구조가 마치 하나의 거대한 판처럼 작용하여 공기가 격자 사이를 통과하지 못하고 큰 저항이 발생합니다. 따라서 그리드 핀은 아주 빠른 속도나, 아주 느린 속도에서만 효과적으로 작동하는 특성이 있습니다.

창정(長征) 2C 로켓에 부착된 그리드 핀의 접혀있는 모습 <사진 출처=www.scmp.com>

그리드 핀이 하는 일

그리드 핀은 로켓의 자세를 제어합니다. 특히 대기권을 재진입할 때나 착륙할 때, 로켓이 안정적으로 방향을 바꿀 수 있도록 도와줍니다. 예를 들어 스페이스X의 팰컨 9 로켓이 재사용을 위해 지상에 착륙할 때, 그리드 핀을 적극적으로 활용합니다. 그 덕분에 로켓이 정해진 위치에 정확히 내려앉을 수 있죠.
이처럼 기본적으로 로켓의 방향을 조절하는 역할을 하지만, 모든 경우에 그렇게 쓰이는 것은 아닙니다. 일부 로켓에서는 방향타(러더)처럼 쓰이지 않고, 단순히 브레이크 역할을 하거나 자세 안정화 용도로만 사용되기도 합니다.
예를 들어, 대기권 재진입 시 로켓의 감속을 돕기 위해 그리드 핀을 펼쳐 공기 저항을 증가시키는 방식이 사용됩니다. 또한, 빠르게 회전하려는 로켓의 자세를 안정화하는 역할도 수행할 수 있습니다. 이런 경우에는 방향을 바꾸기보다는 단순히 로켓이 균형을 유지하도록 도와주는 보조 장치로 활용되는 것이죠.

그리드 핀의 실제 사용 보기

그리드 핀의 실제 사용 <영상 출처=스페이스X>

 

발사부터 착륙까지 과정 <영상 출처=스페이스X>

첫번째 영상은 그리드 핀을 사용하는 모습을 담은 영상입니다. 두번째 영상은 그리드 핀이 펼쳐지는 순간부터 착륙하는 과정을 촬영한 영상입니다. (그리드핀이 펼쳐지는 구간 4:20, 착륙 구간 8:40)

로켓 기술의 핵심, 그리드 핀

이제 로켓에서 그리드 핀은 없어서는 안 될 기술이 되었습니다. 기존의 날개처럼 크고 둔한 방식이 아니라, 공기 저항을 최소화하면서도 정밀한 제어를 가능하게 하는 스마트한 방식이니까요. 앞으로도 더 발전된 기술이 등장하겠지만, 지금으로선 그리드 핀이 로켓의 방향 제어에서 핵심적인 역할을 하고 있다고 볼 수 있습니다.
다음번에 로켓 발사 영상을 볼 때, 로켓 하단에 작게 달린 벌집 모양의 구조물을 한번 찾아보세요. 그 작은 장치가 로켓의 비행을 얼마나 정밀하게 조종하는지 알게 된다면, 더욱 흥미로운 관찰이 될 겁니다! 🚀