소유스-U

1. 개요

소유스-U는 1970년대 중반 소련에서 개발된 R-7 계열 로켓의 통합 플랫폼으로, 1973년부터 2017년까지 43년간 운용되었다. 보스토크 및 오리지널 소유스 로켓을 대체하며, 향상된 엔진을 통해 비행 중 진동 문제를 개선했다. 주로 국제 우주 정거장(ISS) 보급 임무에 사용되었으며, 유인 우주선 발사에도 기여했다. 2015년 생산이 중단되었고, 2017년 소유스-2 로켓으로 대체되었다.

2. 역사

소유스 로켓은 1973년 5월 18일에 최초 발사되어 지구 저궤도에 6,450kg의 화물을 운반할 수 있었으나, 개량형인 소유스-U는 6,900kg을 운반할 수 있게 되었다. 43년 동안 발사되었으며, 2017년 2월 1일 무인 프로그레스 MS-05를 국제 우주 정거장에 운반하는 것을 마지막으로 2017년 2월 22일에 퇴역하고 소유스-2로 대체되었다.

1966년에 처음 등장한 오리지널 소유스 로켓은 R-7 설계를 표준화하려는 첫 번째 시도였다. 이 로켓은 몰니야 부스터와 거의 동일했지만 4단은 없었다. 오리지널 소유스의 두 가지 변형이 제작되었고, 최소 3가지 추가 변형이 계획되었지만 결국 취소되었다.

표준화 추세에도 불구하고, 보스토크-2M과 몰니야-M은 각각 1991년과 2010년까지 더 높은 궤도로 위성을 발사하며 특수 역할을 계속 수행했다.

2.1. 개발 배경

1960년대 소련은 여러 R-7 계열 로켓을 운용하고 있었는데, 이를 통합하고 표준화하고자 소유스-U 개발이 시작되었다. 1970년대 중반까지 소련은 몰니야, 보스토크 등 다양한 R-7 파생형 로켓을 운용했다. 이러한 상황을 개선하기 위해 통합 플랫폼으로 소유스-U가 도입되었다. "U"는 "통합"을 의미하며, 보스토크와 오리지널 소유스 로켓을 대체했다.

소유스-U는 비행 중 진동 및 연소 불안정성 문제를 해결하기 위해 개선된 RD-117/118 엔진을 장착했다. 1977년 오리지널 소유스 로켓의 재고가 소진되면서 소유스-U가 완전히 채택되었다.

2.2. 운용 및 퇴역

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1973년 5월 18일 첫 발사 이후 2017년 2월 22일 마지막 발사까지 43년간 운용되었다. 소유스-U는 지구 저궤도에 6,900kg의 화물을 운반할 수 있었으며, 이는 이전의 소유스 로켓보다 향상된 성능이었다.

소유스-U는 소련과 러시아 연방 우주국이 운용하던 다양한 R-7 계열 로켓(몰니야, 보스토크, 소유스 등)을 통합하여 표준화한 모델이다. "U"는 "통합"을 의미하며, 이전 모델들의 장점을 결합하고 문제를 개선하여 안정성을 높였다.

국제 우주 정거장(ISS)으로의 프로그레스 보급선 발사, 유인 우주선 발사 등 다양한 임무를 수행했다. 특히 2000년부터 2017년 퇴역 전까지는 주로 ISS에 보급 임무를 수행하는 프로그레스-M 로봇 화물 우주선을 발사하는 데 사용되었다.

소유스-U는 대체로 신뢰성이 높았지만, 몇 차례 발사 실패를 겪기도 했다. 주요 발사 실패 사례는 다음과 같다.

3. 파생형

소유스-U는 기본형 외에도 여러 파생형이 존재한다.

소유스-U2는 1982년에 처음 비행했으며, 기본 소유스-U와 동일한 하드웨어를 가졌지만 1단계 연료로 신틴을 사용했다. 주로 미르 우주 정거장으로 승무원과 화물을 수송했으며, 신틴 생산 중단 후 1995년에 퇴역했다.

소유스-U는 소유스-FG 개발의 기본 플랫폼이었으며, 2013년부터 소유스-U와 소유스-FG는 소유스-2로 점차 대체되고 있다.

3.1. 소유스-U/이카르

프로그레스 로켓 우주 센터(Progress)에서 생산한 이카르 상단 로켓을 장착하여 750kg에서 3920kg의 탑재물을 250km에서 1400km 고도에 운반할 수 있다. 이카르 상단 로켓은 프레가트 상단 로켓보다 성능은 낮지만, 더 정확하게 기동할 수 있고 더 길게 자율 작동을 할 수 있다. 1999년에 6번 발사되었으며, 발사마다 글로벌스타 위성 4개를 운반했다. 이카르는 개량된 볼가 상단 로켓으로 대체되었으며, 소유스-2와 함께 계속 사용되고 있다.

3.2. 소유스-U/프레가트

라보킨에서 개발 및 생산한 프레가트 상단 로켓을 장착한 소유스-U/프레가트는 2000년에 4번 비행했다. 프레가트 상단 로켓은 이후 소유스-FG 및 소유스-2 부스터 상단에서 정기적으로 비행했다. 소유스 U/프레가트는 이카르 대신 힘키에 있는 라보치킨이 생산하는 프레가트를 3단에 사용한다. 프레가트의 성능은 이카르보다 높지만, 이카르 쪽이 기동성이 좋고 장기간 자립적으로 운용할 수 있다.

3.3. 소유스-U2

소유스-U2는 소유스-U의 이전 변종으로, 1982년에 처음 비행했다. 기본 소유스-U와 동일한 하드웨어를 가지고 있었지만, 표준 RP-1 대신 고에너지 합성 버전인 신틴을 1단계 연료로 사용했다. 주로 미르 우주 정거장으로 승무원과 화물을 수송하는 데 사용되었으며, 신틴 생산이 비용 문제로 중단된 후 1995년에 퇴역했다.

4. 유인 우주 비행

소유스-U 로켓은 1974년 12월 2일 소유스 16호를 시작으로 유인 우주 비행 임무에 처음 사용되었다. 이는 아폴로-소유스 테스트 프로젝트(ASTP) 준비를 위한 것이었으며, 이 프로젝트에서 소유스 19호 역시 소유스-U 로켓으로 발사되어 아폴로 우주선과 도킹했다.

1976년 7월 6일에는 소유스 21호를 발사하여 두 명의 승무원을 살류트 5 우주 정거장으로 보냈으며, 이후 많은 우주 정거장 승무원들이 소유스-U를 이용했다. 국제 우주 정거장으로 향한 소유스 TM-34는 소유스-U를 사용한 마지막 유인 임무였다.

1983년 9월 26일, 소유스 T-10a 임무 발사 중 발사대에서 화재가 발생하여 로켓이 파괴되는 사고가 있었다. 다행히 승무원들은 발사 탈출 시스템을 가동하여 폭발 몇 초 전에 무사히 탈출했다.

4.1. 아폴로-소유스 테스트 프로젝트 (ASTP)

1974년 12월 2일, 소유스-U는 소유스 16호 승무원을 태우고 아폴로-소유스 테스트 프로젝트(ASTP)를 위해 처음으로 우주로 향했다. 이 프로젝트의 일환으로, 소유스 19호 역시 소유스-U 로켓으로 발사되어 마지막으로 비행한 아폴로 우주선과 도킹했다.

4.2. 살류트 우주 정거장 임무

1976년 7월 6일, 소유스-U는 소유스 21호를 발사했고, 이 우주선은 두 명의 승무원을 살류트 5호 우주 정거장으로 수송했다. 이후 많은 우주 정거장 승무원들이 소유스-U 발사체로 발사되었다.

4.3. 국제 우주 정거장 (ISS) 임무

국제 우주 정거장으로 가는 소유스 페리 비행인 소유스 TM-34가 소유스-U를 사용한 마지막 유인 임무였다. 이후 유인 비행에는 개량형인 소유스 FG가 사용되었다.

5. 주요 사건 및 사고

소유스-U는 대체로 신뢰성이 높았지만, 제니트와 얀타르 정찰 위성 발사에서 잦은 고장이 발생했다. 모든 소련/러시아 발사체와 마찬가지로 소유스-U(11A511U)는 AVD 오작동 감지 시스템을 갖추고 있었다. 이 시스템은 부스터의 성능 이상을 감지하면 비행 중 엔진 추력을 종료하고, 소유스 발사 시에는 발사 탈출 시스템을 활성화했다. 비행 종료 명령은 발사 후 20초까지는 부스터가 발사대 주변으로 추락하는 것을 막기 위해 보낼 수 없었으며, AVD는 부스터가 안정적인 주단계를 시작하도록 8초까지 비행 종료 명령을 생성할 수 없었다.

1987년 6월 18일, 플레세츠크에서 레수르스 위성을 발사하던 중 블록 D 스트랩온 LOX 터보펌프가 이물질 유입으로 T+6초에 분해되었다. 부스터는 발사대 근처에 추락하여 18개월 동안 발사대를 사용할 수 없게 되었다. AVD 시스템이 활성화되기 전에 고장이 발생하여 유인 발사였다면 생존할 수 없었을 것이라는 결론이 내려졌다. 또한 AVD의 비행 종료 명령 제한 시간(8초)이 과도하다는 결론이 내려졌고, T+1.6초에 비행 종료 명령을 내릴 수 있도록 재설계되었다.

1988년 7월 27일, 재설계된 AVD 시스템을 갖춘 첫 번째 R-7 차량이 플레세츠크에서 발사되었으나, AVD가 T+1.6초에 오류 종료 명령을 내려 LC-43/4 근처에 추락했다. 조사 결과, 새로운 AVD 시스템에 회로 배선 결함이 있었다.

이후 발생한 주요 사고는 하위 문단을 참고.

5.1. 2002년 포톤-M 위성 발사 실패

2002년 10월 플레세츠크에서 발사된 포톤 위성은 블록 D 스트랩온 부스터 엔진 오작동으로 인해 발사대 근처에 추락했다. 이 사고로 지상에 있던 한 명이 사망했다.

블록 D는 점화 시 비정상적으로 느리게 추력이 상승했으며, T+4초부터 성능 저하가 시작되었다. AVD 시스템은 블록 D의 성능 저하를 감지하고 T+5초에 비행 종료 명령을 내렸지만, T+20초까지는 이 명령이 차단되었다. 블록 D는 T+8초에 완전히 종료되어 스택에서 떨어져 나왔다. 부스터는 계속 상승했지만 불균형한 추력으로 인해 비행 경로에서 벗어났다. T+20초에 비행 종료 명령 차단이 해제되면서 코어와 나머지 스트랩온이 종료되었다. 부스터는 300명의 구경꾼이 지켜보는 가운데 T+41초에 지면에 충돌했다. 이 사고로 러시아 군인 6명이 부상을 입었고, 그 중 1명은 나중에 부상으로 사망했다. 압축 공기와 질소를 생산하는 데 사용되는 건물도 심각한 손상을 입었다. 사고 조사 결과, 블록 D의 과산화수소 펌프에 이물질이 유입되어 작동이 멈춘 것으로 밝혀졌다.

5.2. 2011년 프로그레스 M-12M 발사 실패

2011년 8월 24일, 국제 우주 정거장(ISS)으로 프로그레스 M-12M을 발사하려던 소유스-U 로켓은 상단 문제로 궤도 진입에 실패하고 시베리아 상공에서 파괴되었다. 이는 프로그레스 우주선이 궤도에 도달하지 못한 첫 번째 사례였다.

5.3. 2016년 프로그레스 MS-04 발사 실패

2016년 12월 1일 소유스-U의 3단계 문제로 인해 프로그레스 MS-04 화물선이 발사 직후 손실되었다.

6. 퇴역 이후

소유스-U는 1973년 5월 18일 첫 발사 이후 2017년 2월 22일까지 786회 발사되었으며, 이는 역사상 어떤 발사체보다 많은 횟수이다. 44년간의 운용 기간 동안 이 로켓은 97.3%의 성공률을 기록했다.

6.1. 소유스-2로의 대체

소유스 로켓은 6,900 kg을 지구 저궤도에 운반할 수 있었다. 2004년에는 현대화된 소유스 2가 도입되었다. 소유스-2는 고정 플랫폼에서 발사하고 대형 페이로드 페어링을 사용할 수 있도록 디지털 비행 제어 및 원격 측정 시스템과 함께 개선된 엔진을 포함하는 등 몇 가지 주요 개선 사항이 추가되었다. 소유스-U의 아날로그 비행 제어 시스템은 발사체의 비행 중 궤도 조절 능력을 제한하여 복잡한 회전 발사대에서 로켓을 발사 전에 "조준"해야 했다. 또한 길고 넓은 페이로드 페어링은 구형 아날로그 시스템으로는 공기 역학적 불안정성을 많이 유발하여, 점점 더 커지는 상업용 위성을 발사할 수 있는 발사체의 잠재력을 제한했다.

수년간의 개발, 비행 테스트 및 동시 사용을 거쳐, 소유스 2는 2017년에 소유스-U를 대체하였다.