아레스 I

1. 개요

아레스 I은 미국 항공우주국(NASA)의 컨스텔레이션 계획에 따라 개발된 유인 발사체로, 오리온 우주선을 지구 저궤도에 올리는 것을 목표로 했다. 2004년 조지 W. 부시 대통령의 우주 탐사 비전 발표 이후 시작되었으며, 우주왕복선에서 사용된 고체 로켓 부스터를 개량한 1단과 J-2X 엔진을 사용하는 2단으로 구성될 예정이었다. 그러나 개발 과정에서 예산 부족, 기술적 문제, 잦은 개발 지연 등을 겪었고, 2010년 버락 오바마 행정부에 의해 컨스텔레이션 계획이 취소되면서 개발이 중단되었다. 아레스 I은 기술적 문제와 비효율성, 예산 낭비 등으로 비판받았으며, 이후 우주 발사 시스템(SLS)이 오리온 우주선을 발사하는 새로운 발사체로 개발될 예정이다.

2. 역사

미 항공우주국(NASA)은 조지 W. 부시 대통령의 우주 탐사 비전 발표 이후, 탐사 체계 구조 연구를 통해 오리온 우주선을 발사할 유인발사체로 셔틀 파생형인 아레스 I을 선정했다. 초기에는 4개 세그먼트 SRB를 1단으로, SSME 1기를 2단으로 사용할 예정이었으나, 이후 5개 세그먼트 SRB와 J-2X 1개를 사용하는 방식으로 변경되었다. 1단 제작은 얼라이언트 테크시스템즈, 2단 엔진 J-2X는 로켓다인, 2단 제작은 보잉이 담당했다.

그러나 개발 과정에서 예산 부족 및 불확실성, 1단 진동 문제 등 기술적 난관으로 인해 개발 기간과 비용이 증가했다. 초기 운용 능력 획득 시기는 2015년까지 연기되었고, 일정은 계속해서 압박을 받았다. 결국 2010년 오바마 행정부에 의해 컨스텔레이션 계획이 취소되면서 아레스 I 개발도 중단되었다.

2.1. 개발 배경

2004년 조지 W. 부시 미국 대통령이 우주 탐사 비전(Vision for Space Exploration)을 발표한 후, 미 항공우주국(NASA)은 이 계획을 실행하기 위한 탐사 체계 구조 연구(Exploration Systems Architecture Study)를 수행하였다. 이 연구에서 오리온 우주선을 발사할 유인발사체와 달 탐사에 필요한 화물 발사체 후보로 여러 EELV 개량형과 셔틀 파생형을 비교한 결과 셔틀 파생형이 선정되었다.

초기 아레스 I은 1단으로 기존의 4개 세그먼트를 결합한 고체 로켓 부스터(SRB)를 사용하고, 2단에는 우주 왕복선 주 엔진(SSME) 1기를 사용할 예정이었다. 그러나 추가 시험 결과, 오리온 우주선이 4세그먼트 부스터로는 너무 무겁다는 것이 밝혀졌다.

이에 따라 2006년 1월 NASA는 설계를 변경하여 1단은 5세그먼트 SRB를, 2단은 J-2X 엔진 1개를 사용하는 것으로 변경하였다. 5세그먼트 부스터로의 변경은 J-2X 엔진 채택과 관련이 깊었다. 로켓다인사가 설계 및 제조한 J-2X는 가격이 20~25로, SSME (55)의 절반 이하였다. 또한 J-2X는 상공의 진공 상태에서 시동하도록 설계되어, 아레스 I의 운용에 적합했다.

1단 제작은 얼라이언트 테크시스템즈가 맡았고, 보잉은 아레스 I의 2단 제작을 맡았다.

2007년 1월 4일, NASA는 아레스 I이 우주왕복선 이후 처음 완성된 유인 우주선 설계의 시스템 요구 사항 심사를 완료했다고 발표했다. 이 심사는 아레스 I이 컨스텔레이션 계획에 필요한 모든 조건을 충족하는지 확인하는 중요한 단계였다.

NASA는 액체 수소와 액체 산소를 분리하는 탱크 구조를 변경하여, 새턴 V 로켓처럼 공통 격벽으로 탱크를 분리하는 방식을 채택했다. 이를 통해 2단을 더 짧고 가볍게 만들 수 있었다.

2.2. 컨스텔레이션 계획과 아레스 I

조지 W. 부시 대통령이 2004년 1월 우주 탐험 비전을 발표한 이후, 미 항공우주국(NASA)은 컨스텔레이션 계획을 추진했다. 이 계획의 일환으로, 오리온 우주선을 지구 저궤도에 올리기 위한 유인 발사체로 아레스 I이 개발되었다. 원래 "승무원 발사체" 또는 CLV로 명명되었던 아레스라는 이름은 그리스 신 아레스에서 따온 것이다.

우주왕복선이 사람과 화물을 함께 운반하는 것과 달리, 컨스텔레이션 계획에서는 유인 우주선 발사용 아레스 I과 화물 수송용 아레스 V를 분리하여 개발했다. 이를 통해 각 발사체를 목적에 맞게 최적화할 수 있었다. 아레스 I은 오리온을 발사하여 우주비행사를 국제 우주 정거장(ISS), 달, 나아가 화성까지 보내는 역할을 담당했다.

2.3. 개발 과정 및 난관

조지 W. 부시 대통령이 2004년 우주 탐사 비전(Vision for Space Exploration)을 발표한 후, 미 항공우주국은 이 계획을 실행하기 위한 탐사 체계 구조 연구(Exploration Systems Architecture Study)를 수행하였다. 이 연구에서 오리온으로 이름 붙여질 CEV(Crew Exploration Vehicle)를 발사할 유인발사체와 달 탐사에 필요한 화물을 발사할 발사체 후보로 다양한 EELV 개량형과 셔틀 파생형을 비교한 결과 셔틀 파생형을 선정하였다. 원래 아레스 I은 1단으로 4개 세그먼트(segment)를 결합한 SRB를 사용하고, 2단에는 SSME 1기를 사용할 예정이었다. 그러나 이는 나중에 5개 세그먼트를 사용하는 개량된 1단과 J-2X 1개를 사용하는 2단을 사용하기로 변경되었다.

이에 따라 1단의 제작사로는 얼라이언트 테크시스템즈가, 2단 엔진인 J-2X의 제작사로는 로켓다인이 선정되어 개발에 들어갔다. 보잉은 아레스 I의 2단 제작을 맡았다.

하지만 개발 과정에서 여러 난관에 부딪혔다. 개발에 필요한 예산은 일정하지 않았고 부족하여 개발 기간과 비용이 늘어났다. 1단의 진동 문제와 같은 기술적인 문제는 개발 도중에 걸림돌이 되었다. 초기운용능력 획득 시기는 처음의 2012년에서 여러 차례 연기되어 의회에 약속했던 최대 기한인 2015년까지 연기되었으며, 연기한 뒤에도 일정은 계속해서 압박을 받았다.

2008년 1월, NASA Watch는 아레스 I의 1단계 고체 로켓이 발사 초기 몇 분 동안 높은 진동을 생성했을 수 있다고 밝혔다. 이러한 진동은 1단계 내부의 추력 진동으로 인해 발생했을 것이다. NASA 관계자는 2007년 10월 말 아레스 I 시스템 설계 검토에서 이 잠재적 문제를 확인하고, 2008년 3월까지 이를 해결하겠다고 보도 자료에서 밝혔다. NASA는 이 문제가 매우 심각하며 위험 등급에서 5점 만점에 4점을 받았지만, 이를 해결하는 데 매우 자신감을 보였다. 아레스 엔지니어링 팀이 개발한 완화 접근 방식에는 능동 및 수동 진동 감쇠, 능동 튜닝 질량 흡수기 추가, 수동 "유연 구조" (본질적으로 아레스 I 스택의 튜닝을 해제하는 스프링 장착 링)가 포함되었다.

결국 2010년 오바마 행정부에 의해 컨스텔레이션 계획이 취소되면서 아레스 I의 개발 역시 취소되었다.

2.4. 개발 중단

버락 오바마 행정부는 2010년 컨스텔레이션 계획을 취소하면서 아레스 I 개발도 함께 중단시켰다. 이는 정권 교체에 따른 정책 변화, 예산 문제, 1단 진동 문제와 같은 기술적 난관 등이 복합적으로 작용한 결과였다. 개발에 필요한 예산은 일관성이 없었고 불충분하여 개발 기간과 비용 상승을 초래했다. 초기 운용 능력 획득 시기는 2012년에서 수 차례 연기되어 2015년까지 미뤄졌으며, 그 이후에도 일정은 계속해서 압박을 받았다.

어거스틴 위원회는 2009년 말 분석에서 기술적, 재정적 문제로 인해 아레스 I의 첫 유인 발사가 현재 예산으로는 2017~2019년까지, 제약 없는 예산으로는 2016년 말까지 어려울 것이라고 밝혔다. 또한, 아레스 I과 오리온의 반복적인 비용이 비행당 거의 10억 달러에 이를 것이라고 추정했다. 그러나 2010년 3월의 후속 분석에서는 아레스 I을 연간 한 번만 비행해도 비행당 10억 달러 이상의 비용이 소요될 것이라고 밝혔다.

3. 설계

아레스 I은 2단 로켓으로, 1단은 우주왕복선의 고체 로켓 부스터(SRB)를 개량한 것이고, 2단은 액체 수소와 액체 산소를 사용하는 J-2X 엔진을 사용했다. 액체 수소와 액체 산소를 사용하는 액체로켓을 사용한다.

아레스 I은 지구 저궤도에 25톤(28숏톤; 25롱톤)의 화물을 운반할 수 있었으며, 델타 IV 및 아틀라스 V와 같은 발사체와 유사했다. NASA는 이 발사체가 아틀라스 V나 델타 IV 파생 설계보다 거의 두 배 안전하다고 평가했다.

3.1. 개요

아레스 I은 2단 로켓으로, 1단은 우주왕복선의 고체 로켓 부스터(SRB)를 개량한 것이고, 2단은 액체 수소와 액체 산소를 사용하는 J-2X 엔진을 사용했다. 원래 1단은 4단 고체 로켓 부스터를 사용할 예정이었으나, 오리온 우주선의 무게 문제로 5단으로 변경되었다.

조지 W. 부시 대통령은 2004년 1월 우주 탐험 비전을 발표했고, 이에 따라 NASA는 탐사 시스템 구조 연구를 시작하여 아레스 I 개발을 진행했다.

아레스 I은 컨스텔레이션 계획의 유인 발사체로, 오리온 다목적 승무원 수송선을 발사하여 우주비행사를 국제 우주 정거장, 달, 화성으로 보내는 것을 목표로 했다. 또한, 국제 우주 정거장 보급이나 달 기지 건설을 위한 자원 수송도 가능했다.

아레스 I은 지구 저궤도에 25톤(28숏톤; 25롱톤)의 화물을 운반할 수 있는 능력을 갖추었으며, NASA는 이 발사체가 아틀라스 V나 델타 IV 파생 설계보다 거의 두 배 안전하다고 평가했다.

아레스 I의 주요 제원은 다음과 같다.

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📌 열 고정 해제

구분	내용
제조	1단: ATK 치오콜, 2단: 보잉
전장	94m
직경	5.5m
단수	2단
탑재량	25t (저궤도)
발사 기지	케네디 우주 센터 LC-39B 발사대

시험기(Ares I-X) 발사는 2009년 10월 28일에 이루어졌다.

3.2. 1단

1단은 우주 왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)를 기반으로 추력을 증강한, 재사용 가능한 고체 연료 로켓으로 설계되었다. 가장 큰 변경점은 기존 4개 세그먼트 구성에서 5번째 세그먼트가 추가된 것이다. 이 5번째 세그먼트를 통해 아레스 I은 더 강력한 추력과 더 긴 연소 시간을 확보하여, 더 높은 궤도에 도달할 수 있게 되었다.

SRB에서의 다른 변경점으로는, 우주 왕복선 외부 탱크(ET) 연결점 제거, 낙하산 등 회수 장비 추가, SRB 선단부를 상단 액체 연료 로켓과 연결하기 위한 새로운 전방 어댑터로 교체 등이 있다. 이 어댑터에는 1단 분리 및 회수를 돕기 위한 고체 연료 분리 모터가 장착된다. 곡물 설계, 단열재, 라이너도 변경되었다. 아레스 I 1단 지상 시험에서 케이스, 곡물 설계, 부품 수, 단열재, 라이너, 목 직경, 열 보호 시스템 및 노즐이 모두 변경되었다.

3.3. 2단

아레스 I의 2단은 액체 수소와 액체 산소를 추진제로 사용하는 J-2X 엔진으로 추진된다. J-2X 엔진은 새턴 V에 사용되었던 J-2 엔진을 개량한 것으로, 더 높은 추력과 효율성을 목표로 했다. 엔진 가격은 약 2,000만~2,500만 미국 달러로, RS-25 엔진 (약 5,500만 달러)보다 절반 이하의 비용이 들었다. J-2X는 공중과 진공 상태에서 모두 시동 가능하도록 설계되었는데, 이는 아폴로 우주선을 달로 보내기 위해 새턴 V의 S-IVB 단에 사용된 J-2 엔진의 중요한 특징이었다.

초기에는 우주왕복선 외부 연료 탱크의 구조를 활용하려 했으나, 무게를 줄이기 위해 새턴 V의 S-II 및 S-IVB 단계와 유사하게 공통 격벽을 사용하는 방식으로 변경되었다. 이 변경으로 확보된 무게는 추진제 용량을 늘리는 데 사용되었다.

2007년 7월 16일, NASA는 로켓다인과 J-2X 엔진 지상 및 비행 시험에 대한 단독 계약을 체결했다. 2007년 8월 28일, NASA는 보잉사를 아레스 I 상단의 계약자로 선정했다고 발표했다. 아레스 I 상단은 보잉이 건설했으며, 과거 새턴 V의 S-IC 단 제조 공장이었고 현재는 셔틀 외부 탱크의 제조 조립을 하고 있는 NASA 미쇼 조립 공장에서 제조되었다.

4. 비판 및 논란

아레스 I은 여러 이유로 비판을 받았다.

* 첫째, 25톤(55,000파운드)의 탑재량을 발사하는 로켓이라면 이미 델타 IV 헤비가 존재한다. 델타 IV를 신형 로켓 개발의 기본으로 사용하면 기존 기체를 사용함으로써 더 싸게 개발할 수 있을 뿐만 아니라, 실증된 실적과 잦은 발사의 혜택으로 인해 더 저렴하고 안전한 기체가 되므로, 아레스 I의 개발은 무의미하다는 비판이 있었다. 이에 대해 아레스 I을 선택한 NASA 검토 그룹은 아틀라스나 델타 파생형 설계에 비해 아레스 I의 안전성이 2배 높다고 반론했다.
* 둘째, 5세그먼트 SRB를 채용하는 계획안은 개발에 3의 개발비를 필요로 하기 때문에 셔틀 파생 하드웨어를 이용하는 장점을 잃어버린다는 것이다. 비판자들은 아레스 I에서 SSME와 4세그먼트 SRB를 없애는 것은 셔틀 파생 로켓이 아닌 완전히 새로운 로켓이 되어버린다고 문제 제기했다.
* 셋째, 아레스 I 형태의 공기역학적 안정성에 대해 기술적인 반대 의견이 제기되었다. 키가 크고 날씬한 "스틱" 형태는 압력 중심이 앞에, 무게 중심이 뒤에 위치하게 된다. 그러면 아레스 I은 비행 중에 끊임없이 뒤로 돌아서 안정되려는 경향을 보이게 된다. SRB의 추력 편향 제어 시스템은 기체의 기계적 부하가 증가하는 불안정성에 항상 잘 대처해야 할 것이다. NASA는 이 문제를 해결하기 위해 풍동 실험을 하고 있다.
* 넷째, 잦은 개발 지연으로 아레스 I의 발사는 우주왕복선 발사 종료 후 5년 뒤인 2015년으로 예정되어 있었다. 이 사이에 공백 기간이 생기는 것이 우려되었다.
* 다섯째, 규모와 적재량을 줄이고, 유인 수송기를 발사하는 아레스 I에 출력 제어가 어려운 고체 연료 로켓을 사용하는 것에 대한 불안감도 있었다.

하지만 아레스 I의 지지자들은 현재의 우주왕복선 작업 팀을 계속 고용하고, 더 대형의 아레스 V의 중요한 요소(5세그먼트 SRB나 J-2X 엔진과 같은)를 개발하기 위해서는 아레스 I과 같은 기체가 필수적이라고 주장했다. 그럼에도 계획 지연이 예상되고, 개발 예산 초과도 우려되는 상황에는 변함이 없었다.

5. 의의 및 영향

아레스 I 개발은 비록 중단되었지만, 미국의 우주 개발 기술 발전에 기여했다. 특히, 고체 로켓 부스터(SRB)와 J-2X 엔진 개발 경험은 이후 SLS 개발에 활용되었다. 아레스 I 개발 중단은 미국의 우주 개발 정책 방향에 큰 영향을 미쳤으며, 상업 우주 개발 시대를 여는 계기가 되었다.