델타 IV

1. 개요

델타 IV는 델타 로켓 계열의 최신 발사체로, 미국 공군의 EELV(진화형 소모성 발사체) 프로그램의 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었다. 2002년 첫 발사 이후 다양한 버전으로 운용되었으며, 액체 수소 연료를 사용하고 RS-68 엔진을 탑재했다. 델타 IV는 상업 발사 서비스에도 사용되었으나, 높은 비용과 수요 부족으로 인해 철수하기도 했다. 2015년에는 델타 IV 미디엄이 단계적으로 폐지되었으며, 델타 IV 헤비는 2024년 4월 NROL-70 발사를 마지막으로 운용이 종료되었다. 델타 IV는 델타 IV 미디엄, 미디엄+, 헤비 등 다양한 구성으로 제공되었으며, 벌컨 켄타우루스가 델타 IV 로켓을 대체할 예정이다.

2. 역사

델타 로켓 계열의 최신형인 델타 IV는 미국 공군(USAF)의 진화형 소모성 발사체(EELV, 현재 국가 안보 우주 발사(NSSL)) 프로그램 요구 사항을 충족하기 위해 도입되었다. 델타 IV는 델타 로켓 계열의 이름을 유지했지만, 액체 수소 연료로의 전환과 같은 주요 변경 사항이 있었다. 이를 위해 새로운 탱크와 엔진이 필요했다.

델타 IV 개발 과정에서 소형 모델이 고려되었으나, 1999년에 폐기되었다. 2002년 델타 IV의 첫 발사가 이루어졌으며, RS-68은 1970년대 우주왕복선 주 엔진(SSME) 이후 미국에서 설계된 최초의 대형 액체 추진 로켓 엔진이었다. L3 테크놀로지스의 RIFCA 유도 시스템은 델타 IV에 사용되었으며, 델타 II에 탑재된 것과 동일했지만 소프트웨어는 달랐다. RIFCA는 높은 신뢰성을 위해 6개의 링 레이저 자이로스코프와 가속도계를 갖추고 있었다.

보잉은 델타 IV 상업 발사 서비스를 판매하려 했으나, 높은 발사 비용과 낮은 수요로 인해 2003년 상업 시장에서 철수했다. 그러나 2005년, 보잉은 델타 IV를 상업 서비스로 복귀시키려고 시도했다.

2010년, 보잉 엔지니어 둥판 충(Dongfan Chung)이 1996년 경제 스파이 법에 따라 델타 IV 로켓 설계 기밀 정보를 중국에 넘긴 혐의로 유죄 판결을 받았다.

2015년, ULA는 2018년까지 델타 IV 미디엄을 단계적으로 폐지할 계획을 발표했다. 2019년 8월 22일 델타 IV 29호기 발사를 마지막으로 델타 IV 미디엄 버전의 운용은 종료되었다. 2024년 4월 10일 NROL-70 발사를 끝으로 델타 IV 헤비의 운용이 종료되면서 델타 로켓 계열의 운용이 종료되었다。

2.1. RS-68A 엔진 업그레이드

2006년 랜드 연구소(RAND Corporation)의 연구에서 델타 IV의 성능 향상 가능성이 제기되었다. 국가 정찰국(National Reconnaissance Office, NRO)의 단일 탑재체는 델타 IV 헤비의 발사 능력 향상을 필요로 했다. 고성능 RS-68A 엔진 개발을 통해 발사 능력이 향상되었으며, 2012년 6월 29일에 RS-68A 엔진을 사용한 첫 발사가 이루어졌다.

ULA는 2015년 3월 25일 델타 371호 발사를 통해 기본 RS-68 엔진을 단계적으로 폐지했다. 이후 모든 델타 IV 발사체는 RS-68A 엔진을 사용했으며, 이 엔진의 더 높은 추력은 모든 델타 IV 미디엄 및 M+ 버전에 대해 단일 표준 공통 부스터 코어(CBC) 설계를 사용할 수 있게 했다. 이 업그레이드로 비용이 절감되고 유연성이 향상되었는데, 표준화된 CBC는 0개, 2개 또는 4개의 고체 추진 로켓 부스터로 구성할 수 있기 때문이다. 그러나 새로운 CBC로 인해 대부분의 미디엄 구성에서는 약간의 성능 손실이 발생했다. 델타 IV 헤비는 코어 및 부스터에 비표준 CBC가 필요했다.

RS-68A 업그레이드 후 탑재 능력

2.2. 제안되었으나 구현되지 않은 업그레이드

델타 IV의 가능한 미래 업그레이드에는 추가적인 스트랩온 고체 모터, 더 높은 추력의 주 엔진, 더 가벼운 재료, 더 높은 추력의 2단, 더 많은 (최대 8개) 스트랩온 CBC 및 스트랩온 부스터에서 공통 코어로의 극저온 추진제 교차 공급 등이 포함되었다.

한때 NASA는 제안된 궤도 우주선 발사를 위해 델타 IV 또는 아틀라스 V를 사용하는 방안을 검토했으나, 이는 결국 승무원 탐사선으로, 나중에는 오리온으로 변경되었다. 오리온은 아레스 I 발사체로 비행할 예정이었으나, 아레스 I이 취소된 후 우주 발사 시스템으로 비행하게 되었다.

2009년, 우주 항공 연구소는 NASA의 델타 IV를 NASA 유인 우주 비행 임무에 사용하기 위해 승무원 등급으로 개조하는 것의 타당성을 판단하기 위한 연구 결과를 발표했다. 항공 주간 & 우주 기술에 따르면, 이 연구는 "델타 IV 헤비 [...]가 인간을 저궤도에 진입시키는 NASA의 요구 사항을 충족할 수 있다"는 것을 발견했다.

델타 IV 제품군에 제안된 업그레이드 중 하나는 추가적인 고체 모터를 부착하는 것이었다. 미디엄+ (4,4)는 기존 마운트 포인트를 사용하여 M+ (5,4)의 4개 GEM 60을 (4,2)의 상단 및 페어링과 결합하는 방식이었다. M+ (4,4)는 7500kg의 GTO 탑재량, 14800kg의 LEO 탑재량을 가졌으며, 첫 주문 후 36개월 이내에 사용 가능했을 것이다. M+ (5,4)에 GEM 60을 추가하는 방안도 고려되었으나, 이는 추가적인 부착 지점, 다른 비행 하중에 대응하기 위한 구조적 변화, 발사대 및 인프라 변경을 필요로 했을 것이다. 미디엄+ (5,6) 및 (5,8)은 각각 6개와 8개의 SRB를 사용하여 M+ (5,8)로 최대 9200kg의 GTO를 발사할 수 있었을 것이다. 미디엄+ (5,6) 및 (5,8)은 첫 주문 후 48개월 이내에 사용 가능했을 것이다.

2.3. 후속 발사체

벌컨 센타우루스는 아틀라스 V와 델타 IV 로켓을 대체할 예정이다. 벌컨 센타우루스는 BE-4 메탄 연료 로켓 엔진을 사용하며, 2024년 1월 8일에 첫 발사되었다. 아틀라스 V는 벌컨의 첫 발사 후 몇 년 동안 운용될 예정이었으며, 델타 IV 헤비는 2024년 4월에 단종되었다.

3. 델타 IV의 구성

델타 IV는 발사 중량에 따라 미디엄, 미디엄+(4,2), 미디엄+(5,2), 미디엄+(5,4), 헤비의 5가지 버전으로 구성된다. 각 버전별 특징은 다음과 같다.

* 델타 IV 미디엄 (델타 9040): 가장 기본적인 델타 IV로, 단일 공통 부스터 코어(CBC)와 개조된 델타 III의 2단, 직경 4m의 델타 극저온 2단(DCSS) 및 페이로드 페어링을 갖추고 있다. 정지 천이 궤도(GTO)에 4200kg을 발사할 수 있었다.
* 델타 IV 미디엄+(4,2) (델타 9240): 미디엄과 동일한 CBC 및 DCSS를 사용하지만, Orbital ATK가 제작한 직경 1.5m의 고체 로켓 부스터 흑연-에폭시 모터(GEM 60) 2개를 추가하여 GTO 페이로드 용량을 6150kg으로 늘렸다.
* 델타 IV 미디엄+(5,2) (델타 9250): 미디엄+(4,2)와 유사하지만, 더 큰 페이로드를 위해 직경 5m의 DCSS와 페이로드 페어링을 사용한다. GTO에 5072kg을 발사할 수 있었다.
* 델타 IV 미디엄+(5,4) (델타 9450): 미디엄+(5,2)와 유사하지만, GEM 60을 4개 사용하여 GTO에 6882kg을 올릴 수 있었다.
* 델타 IV 헤비 (Delta 9250H): 5m 직경의 DCSS와 페이로드 페어링을 사용하며, 두 개의 추가 CBC를 스트랩온 부스터로 사용한다. 이 부스터들은 중심 CBC보다 먼저 분리된다.

미디엄(4,2) 버전은 2019년 8월 22일에 마지막으로 발사되었으며, 델타 IV 헤비의 마지막 발사는 2024년 4월 9일에 NROL-70 위성을 탑재하여 진행, 델타 로켓 계열은 종료되었다.

3.1. 공통 부스터 코어 (CBC)

각 델타 IV는 공통 부스터 코어(CBC)로 구성되며, 하나의 CBC는 에어로제트 로켓다인 RS-68 엔진 1개로 구동된다. 이 엔진은 액체 수소와 액체 산소를 연소한다.

RS-68 엔진은 4개의 다리(사각대) 추력 프레임에 의해 CBC의 하부 추력 구조에 장착되고, 보호 복합 원추형 열 차폐막으로 둘러싸여 있다. 추력 구조 위에는 알루미늄 아이소그리드(탱크 내부를 깎아 무게를 줄인 격자 패턴) 액체 수소 탱크, 센터바디라고 하는 복합 재료 실린더, 알루미늄 아이소그리드 액체 산소 탱크, 전방 스커트가 순서대로 위치한다. CBC 뒤쪽을 따라서는 전기 및 신호선을 보관하는 케이블 터널과 액체 산소를 탱크에서 RS-68로 운반하는 공급 라인이 있다. CBC의 지름은 5m로 일정하다.

3.2. 델타 극저온 2단 (DCSS)

델타 IV의 상단은 델타 극저온 2단(DCSS)이었다. DCSS는 델타 III 상단을 기반으로 하지만 추진제 용량이 증가했다. 4m 직경 DCSS와 5m 직경 DCSS의 두 가지 버전이 생산되었다. 4미터 직경 버전은 델타 III 추진제 탱크를 모두 연장했고, 5미터 버전은 확장된 직경의 액체 수소 탱크와 더욱 연장된 액체 산소 탱크를 가지고 있다. 직경에 관계없이 각 DCSS는 하나의 RL10B-2 엔진으로 구동되며, 특정 충격을 향상시키기 위해 확장 가능한 탄소-탄소 노즐을 갖추고 있다. 1단과 DCSS를 결합하기 위해 두 가지 다른 인터스테이지가 사용된다. 5미터에서 4미터 직경으로 좁아지는 테이퍼형 인터스테이지는 4미터 DCSS를 CBC에 결합하는 데 사용되었고, 원통형 인터스테이지는 5미터 DCSS를 결합하는 데 사용된다. 두 인터스테이지 모두 복합 재료로 제작되었으며 액체 산소 탱크를 둘러싸고 있고, 더 큰 액체 수소 탱크는 차량의 외부 몰드 라인의 일부를 구성한다.

3.3. 페이로드 페어링

위성을 캡슐화하기 위해 다양한 페이로드 페어링을 사용할 수 있었다. 4미터 미디엄 버전에는 늘어난 델타 III 4미터 직경 복합 페이로드 페어링이 사용되었고, 5미터 미디엄 버전에는 확대된 5미터 직경 복합 페어링이 사용되었다. 델타 IV 헤비에는 5미터 직경 복합 페어링 외에 알루미늄 아이소그리드 페어링도 사용 가능했다. 알루미늄 트라이섹터(3부분) 페어링은 보잉(Boeing)이 제작했으며 타이탄 IV(Titan IV) 페어링에서 파생되었다. 트라이섹터 페어링은 DSP-23 비행에 처음 사용되었다.

4. 발사 장소

5. 발사 절차

앨라배마 주 데카터에 있는 ULA 공장에서 델타 IV CBC와 DCSS가 조립된다. 이들은 R/S 로켓십, 롤온/롤오프 화물 선박에 실려 발사대 중 한 곳으로 운송된 후, 수평 통합 시설(HIF)로 옮겨진다. 델타 IV 미디엄 발사의 경우 CBC와 DCSS는 HIF에서 결합된다. 델타 IV 헤비 발사의 경우, 포트 및 우현 스트랩온 CBC도 HIF에서 결합된다.

다양한 테스트가 수행된 후, 차량은 수평으로 발사대로 옮겨지고, 고정 패드 조립기(FPE)를 사용하여 수직 위치로 들어 올려진다. 이때, GEM 60 고체 모터가 필요한 경우 발사대로 운반되어 차량에 부착된다. 추가 테스트 후, 페어링 안에 이미 들어있는 탑재체는 발사대로 운송되어 크레인으로 MST로 들어 올려 차량에 부착된다. 마지막으로 발사 당일, MST가 차량에서 멀리 떨어져 이동하면 차량은 발사 준비가 완료된다.

6. 발사 기록

7. 주요 발사

델타 IV로 발사된 첫 번째 페이로드는 유텔샛 W5 통신 위성이었다. 2002년 11월 20일, SLC-37B에서 미디엄+ (4,2) 형 델타 IV 로켓이 이 위성을 정지 천이 궤도(GTO)로 성공적으로 발사했다.

2004년 12월 21일에는 델타 IV 헤비의 첫 시험 발사인 헤비 데모(Heavy Demo)가 이루어졌으나, 부분적인 실패로 끝났다. 추진제 라인의 캐비테이션 현상으로 인해 센서가 오작동하여 1단 부스터와 코어 엔진이 조기에 차단되었다. 이로 인해 데모샛(DemoSat)은 예정된 궤도에 도달하지 못했고, 3 코너 위성(3CS)은 궤도에 진입하지 못했다.

2006년 6월 28일, 반덴버그 우주군 기지의 SLC-6에서 발사된 NROL-22는 반덴버그에서 발사된 첫 번째 델타 IV였다. 이 로켓은 미국의 국가 정찰국(NRO)을 위한 기밀 위성을 몰니야 궤도에 배치했다.

2007년 11월 11일, 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)가 계약한 첫 델타 IV 발사인 DSP-23 발사가 케이프커내버럴에서 이루어졌다. 델타 IV 헤비는 23번째이자 마지막 국방 지원 프로그램(DSP) 미사일 경고 위성을 성공적으로 발사했다.

2014년 12월 5일, 델타 IV 헤비는 오리온 (우주선)의 무인 시험 비행인 EFT-1을 수행했다.

2018년 8월 12일, 델타 IV 헤비는 파커 태양 탐사선을 태양으로 발사했다.

2024년 4월 9일, NROL-70 임무는 델타 IV 헤비의 마지막 발사이자 델타 로켓 계열의 마지막 비행이었다.