아리안 5

1. 개요

아리안 5는 유럽 우주국(ESA)이 개발한 액체 연료 방식의 발사체이다. 1단, 2단, 고체 로켓 부스터(SRB)로 구성되며, 다양한 개량을 거쳐 여러 종류의 위성을 궤도에 올리는 데 사용되었다. 대한민국 관련 위성 발사에도 기여했으며, 높은 신뢰성과 성능을 바탕으로 상업 위성 발사 시장에서 중요한 역할을 수행했다. 아리안 5의 개발 경험은 후속 발사체인 아리안 6 개발의 기반이 되었다.

2. 구성

아리안 5는 크게 1단, 2단, 그리고 고체 로켓 부스터(SRB)로 구성된다.

1단(EPC)은 벌케인 엔진을 사용하며, 액체수소와 액체산소를 연료로 사용한다. 2단은 초기 모델(5G)에서는 에스타스 엔진을 사용하고 사산화이질소와 모노메틸히드라진을 연료로 사용하지만, ECA 모델에서는 HM7B 엔진을 사용하며 액체수소와 액체산소를 연료로 사용한다.

EPC 양쪽에는 P238 고체 로켓 부스터 한 쌍이 장착되어 있다. 각 부스터의 중량은 약 227ton이며, 630tf (6200kN)의 출력을 낼 수 있다. 우주왕복선의 고체 추진 부스터와 같은 방식으로 낙하산을 이용해 회수되지만, 우주왕복선과는 달리 재사용되지 않고 검사를 위해 회수된다.

2단 위에는 탑재체와 이를 보호하는 유선형 페어링이 있다. 이 덮개는 충분한 고도에 이르면 분리된다. 또한, 위성을 격납하는 스펙트라나 시르다라는 모듈을 이용해 여러 위성을 동시에 발사할 수 있다.

2.1. 1단 (EPC)

아리안 5의 1단은 EPC(Étage Principal Cryotechnique, 극저온 주 엔진)라고 불리며, 지름 5.4m, 높이 30.5m이다. EPC는 액체산소 130ton을 담는 상부 탱크와 액체수소 25ton을 담는 하부 탱크로 구성되어 있다. 탱크 하부에는 벌케인 엔진이 탑재되어 있으며, 초기 모델은 벌케인 1, 개량형은 벌케인 2이다. 벌케인 2는 진공 추력 1390kN을 낸다. 연료를 채우지 않은 EPC의 질량은 약 15ton이다. 연료가 소진된 1단은 대기권으로 재진입하여 해상에 낙하한다.

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📌 열 고정 해제

	제1단 (5G)	제1단 (ECA)
| 벌케인 1 x 1 || 벌케인 2 x 1
| 1114kN || 1340kN
| 430초 || 431초
| 589초 || 650초
| colspan="2"| 액체수소/액체산소

2.2. 2단

2단계는 주 엔진 위, 탑재체 아래에 위치한다. 초기 아리안 5G는 모노메틸히드라진(MMH)과 사산화이질소를 연료로 사용하는 EPS(Étage à Propergols Stockables, 저장식 추진제 단)를 사용했으며, 10000kg의 저장식 추진제를 담고 있었다. 이후 EPS는 아리안 5G+, GS, ES에 사용되도록 개선되었다.

EPS 상단부는 반복 점화가 가능했으며, 2007년 10월 5일 발사된 V26 비행에서 처음으로 시연되었다. 이는 순전히 엔진 시험을 위한 것이었으며, 탑재체 배치 후에 이루어졌다. 임무의 일부로 재점화 기능을 처음으로 운용한 것은 2008년 3월 9일이었는데, 이때 첫 번째 자동운반선(ATV)을 원형 주차 궤도에 배치하기 위해 두 번의 연소가 이루어졌고, ATV 배치 후에는 3번째 연소를 통해 단계를 탈궤도시켰다. 이 절차는 그 이후 모든 ATV 비행에서 반복되었다.

아리안 5ECA는 액체 수소와 액체 산소를 연료로 사용하는 ESC(Étage Supérieur Cryotechnique, 극저온 상단부)를 사용했다. ESC는 아리안 4 3단계에서 이전에 사용되었던 HM7B 엔진을 사용했다. 14.7ton의 추진제는 엔진이 945초 동안 연소하면서 6.5ton의 추력을 제공할 수 있도록 했다. ESC는 동력 비행 중 롤 제어와 탑재체 분리 중에는 수소 가스 추력기를 사용하여 완전한 자세 제어를 제공했다. 산소 가스 추력기는 엔진 차단 후 종방향 가속을 가능하게 했다. 비행 조립체에는 전체 로켓의 비행 전자 장비가 있는 차량 장비 베이와 탑재체 인터페이스 및 구조적 지지대가 포함되었다.

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📌 열 고정 해제

	제2단 (5G)	제2단 (ECA)
엔진	에스타스 x 1	HM7B x 1
추력	27.4 kN	64.7 kN
비추력	324 초	446 초
연소시간	1,100 초	960 초
추진제	사산화이질소/ 모노메틸 히드라진	액체 수소/ 액체 산소

2.3. 고체 로켓 부스터 (SRB)

아리안 5의 1단(EPC) 양쪽에는 두 개의 고체 로켓 부스터(SRB)가 장착되어 있다. 초기 모델은 P238로, 각 부스터의 무게는 약 227톤이며 630tf (6,200 kN)의 추력을 냈다. 이후 아리안 5G와 G+에는 P241 모델이 사용되었는데, 무게는 약 277ton이고 추력은 약 7080kN으로 증가했다. 이 부스터들은 과염소산암모늄(68%), 알루미늄 연료(18%), HTPB(14%)의 혼합물로 구성된 고체 연료를 사용한다.

각 부스터는 약 130초 동안 연소한 후 바다에 떨어진다. 우주왕복선의 고체 로켓 부스터처럼 낙하산을 이용해 회수할 수 있지만, 우주왕복선과 달리 아리안 5의 부스터는 재사용되지 않고 검사 및 분석을 위해 회수된다. 2009년 아리안 5 ECA 임무에서 부스터 하나가 성공적으로 회수되어 기아나 우주 센터로 옮겨져 분석에 사용되었다. 2003년에도 비슷한 회수 작업이 이루어졌다.

이러한 부스터 기술은 프랑스의 M51 잠수함 발사탄도미사일(SLBM)과 상당 부분 공유된다. 2000년에는 아리안 5 부스터의 노즈 콘으로 추정되는 부품이 텍사스주 남부 해안에서 발견되기도 했다.

2.4. 페어링

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페어링은 공기 항력이 없는 충분한 고도(보통 약 150km)에 도달하면 분리되는 유선형 덮개이다. 발사 시 ISS로의 화물 등 탑재체를 보호한다. 또한, 위성을 수납하는 스펙트라나 실다와 같은 모듈을 사용하여 그 위에 위성과 페어링을 겹쳐서 여러 위성의 동시 발사에 대응한다.

3. 개량

아리안 5는 여러 차례 개량을 거쳐 성능이 향상되었다. 최초 버전인 아리안 5G는 발사 중량이 737ton이었고, 정지 천이 궤도(GTO)에 5970kg의 탑재체를 운반할 수 있었으나, 나중에 6200kg까지 증가했다.

이후 여러 개량형이 개발되었는데, 각 개량형에 대한 자세한 내용은 해당 문단을 참고하면 된다.

3.1. 아리안 5 G+

아리안 5G+는 아리안 5G에서 개량된 버전으로, 2단(EPS) 개선을 통해 정지 천이 궤도(GTO) 탑재량이 증가했다. 단일 탑재물 발사 시 7100kg, 2개 탑재물 동시 발사 시 6300kg까지 운반할 수 있었다. 2004년에 총 3회 발사되었으며, 실패는 없었다.

3.2. 아리안 5 GS

2005년에 처음 발사된 아리안 5GS는 아리안 5 ECA와 같은 고체 부스터(P241)를 사용하고, 벌케인 1B 엔진에도 개량이 이루어져 정지 천이 궤도(GTO) 탑재량이 6600kg (단일 탑재물) 또는 5800kg (이중 탑재물) 이었다. 아리안 5GS는 2005년부터 2009년까지 6회 발사되었으며 실패는 없었다.

3.3. 아리안 5 ECA

아리안 5 ECA는 2개의 탑재체를 합해 10000kg까지, 혹은 단일 유료 하중을 10500kg까지 정지 천이 궤도로 실어나를 수 있었다. 1단에는 벌케인 2 엔진을, 2단에는 HM7B 엔진을 사용했다. 2단은 내부가 빈 상태에서 2100kg이며, 14000kg의 추진제를 탑재할 수 있다. HM7B는 아리안 4의 3단 엔진으로 사용되었다. 개량된 벌케인 2 엔진은 이전 벌케인 엔진보다 길어졌고, 노즐과 플로우 사이클의 효율이 향상되어 혼합비가 높아졌다. 혼합비는 1단 탱크의 길이를 조정하여 실현되었다. 새로운 용접법으로 고체 부스터가 가벼워졌다. ESC-A의 극저온 스테이지는 정지 위성 발사에는 큰 위력을 발휘하지만, 저궤도 발사에는 큰 성능 향상을 기대하기 어렵기 때문에 ATV 발사에는 이용되지 않는다.

3.4. 아리안 5 ES

아리안 5 ES (Evolution Storable)는 아리안 5 ECA 코어와 부스터의 모든 성능 개선 사항을 포함하지만, ESC-A 2단계를 아리안 5GS 변형에 사용된 재시동 가능한 EPS로 대체했다. 21000kg의 탑재체를 저궤도로 운반할 수 있다. 이는 260km의 원형 저궤도에 51.6°로 기울어진 자동화된 전달 차량(ATV)을 발사하는 데 사용되었으며, 갈릴레오 항법 위성 4개를 한 번에 직접 작동 궤도에 발사하는 데 3회 사용되었다. 아리안 5ES는 2008년부터 2018년까지 8회 발사되었으며, 실패는 없었다.

아리안 5 ES-ATV는 ATV 전용으로, 아리안 5 ECA를 개량한 것이며 ATV 발사에 사용된다. 2단 EPS는 아리안 5G의 것을 사용한다.

3.5. 아리안 5 ME (개발 중단)

아리안 5 ME (Mid-life Evolution)는 아리안 5 ECA/아리안 5 ES와 새로운 아리안 6 사이의 임시 방편으로 개발이 진행되었다. 2018년 첫 발사를 목표로 ESA의 주요 발사체가 될 예정이었으나, 2014년 말 ESA는 아리안 6 개발에 집중하기 위해 아리안 5 ME 개발 자금 지원을 중단했다.

아리안 5 ME는 추진제 용량이 증가하고 새로운 빈치 엔진으로 구동되는 새로운 상단부를 사용할 예정이었다. HM-7B 엔진과 달리 빈치 엔진은 여러 번 재점화할 수 있어, 서로 다른 궤도에 두 개의 위성을 배치하거나, 정지 궤도에 직접 배치하거나, 행성 탐사 임무를 수행하거나, 상단부 추진체의 궤도 탈출 또는 폐기 궤도 투입을 보장하는 등 복잡한 궤도 기동이 가능했을 것이다. 또한 발사체에는 최대 20m의 길이가 늘어난 페어링과 더 큰 위성을 수용할 수 있는 새로운 이중 발사 시스템이 포함될 예정이었다. 아리안 5 ECA 모델과 비교하여 GTO(지구 동기 궤도)까지의 탑재량은 15% 증가하여 11500kg가 될 예정이었고, 발사당 kg당 비용은 20% 감소할 것으로 예상되었다.

원래 아리안 5 ECB로 알려졌으나, 2002년 첫 ECA 비행 실패와 위성 산업의 침체로 인해 ESA는 2003년 개발을 취소했다. 빈치 엔진의 개발은 계속되었지만 속도는 느려졌다. ESA 장관회의는 2008년 11월 새로운 상단부 개발 자금을 지원하기로 합의했다.

EADS 아스트리움은 2009년에 2억 유로, 2012년 4월 10일에 1억 1200만 유로의 계약을 추가로 체결했다. 총 개발 비용은 10억 유로로 예상되었다.

2012년 11월 21일, ESA는 저가 경쟁업체의 도전에 대응하기 위해 아리안 5 ME를 계속 개발하기로 합의했다. 빈치 상단부는 새로운 아리안 6의 2단계에도 사용될 것이며, 추가적인 공통성을 추구하기로 했다. 아리안 5 ME의 자격 비행은 2018년 중반으로 예정되었고, 이후 점진적으로 서비스에 도입될 예정이었다.

2014년 12월 2일, ESA는 아리안 5 ME 개발 자금 지원을 중단하고 대신 아리안 6에 집중하기로 결정했다. 아리안 6는 발사당 비용이 낮고 페이로드의 유연성이 더 높을 것으로 예상되었다 (총 페이로드 질량에 따라 2개 또는 4개의 P120C 고체 부스터 사용).

4. 발사 목록

아리안 5는 1996년 첫 발사 이후 2023년까지 총 117회 발사되었다. 초기에는 실패와 부분 실패가 있었으나, 이후 지속적인 개선을 통해 높은 성공률을 달성했다. 특히, 2003년부터 2017년까지 82회 연속 발사에 성공하며 높은 신뢰성을 입증했다. 2018년 1월 VA241 발사에서 부분 실패가 발생했으나, 탑재체는 모두 목표 궤도에 진입하는 데 성공했다.

아리안 5의 첫 발사는 1996년 6월 4일에 이루어졌으나, 컴퓨터 프로그램의 오류로 인해 발사 37초 만에 실패했다. 이는 64비트 부동소수점 수를 16비트 정수로 변환하는 과정에서 발생한 오류였다.

2001년 7월 12일에는 두 개의 위성을 목표보다 낮은 궤도에 배치하는 부분 실패가 발생했다. 그러나 ESA의 아르테미스 통신 위성은 2003년 1월 31일 이온 추진 시스템을 사용하여 목표 궤도에 도달했다.

2002년 12월 11일 ECA 변형의 첫 발사는 실패로 끝났으며, 이로 인해 약 630 가치의 통신 위성 2기를 잃었다.

2018년 1월 25일 VA241 발사에서는 유도 시스템 문제로 궤도 경사각이 잘못되어 부분 실패로 기록되었으나, 탑재된 위성들은 모두 목표 궤도에 진입하여 임무를 수행할 수 있었다.

아리안 5는 대한민국 위성 발사에도 여러 차례 사용되었다.

* 2010년 6월 26일: 천리안
* 2017년 5월 4일: 무궁화 7호
* 2018년 12월 4일: 천리안 2A호
* 2020년 2월 18일: 천리안 2B호

4.1. 대한민국 관련 발사

대한민국은 여러 차례 아리안 5 로켓을 이용하여 위성을 발사했다.

4.2. 주요 발사

5. 평가 및 영향

아리안 5는 상업 위성 발사 시장에서 경쟁하고 있다. 2014년 11월 기준, "하부 위치 중형 위성 발사" 상업 발사 가격은 약 50였다. 일반적인 아리안 5의 이중 위성 발사에서 더 무거운 위성은 상부 위치에 발사되었으며, 하부 위성보다 더 높은 가격(2013년 기준 약 90)으로 책정되었다.

2015년 1월 기준, 아리안 5는 최대 두 개의 위성(하부 및 상부 위치)을 우주로 운반할 수 있었으며, 총 발사 가격은 약 150였다.

6. 아리안 6

아리안 6는 아리안 5의 뒤를 이을 차세대 발사체이다. 초기 설계 목표는 비용을 낮추고 크기를 줄여 최대 6500kg의 위성 하나를 정지 궤도(GTO)에 발사하는 것이었다. 그러나 여러 설계 변경을 거치면서 최종 설계는 아리안 5와 성능이 거의 동일해졌다. 대신 제작 비용과 발사 가격을 낮추는 데 초점을 맞추었다. 2014년 3월 기준으로 아리안 6의 발사 비용은 발사 당 약 70로 예상되었는데, 이는 아리안 5 가격의 절반 정도였다.

초기 아리안 6 개발 비용은 3600로 예상되었다. 2017년 유럽 우주국(ESA)은 첫 발사 시한을 2020년 7월 16일로 설정했으나, 아리안 6는 2024년 7월 9일에 첫 발사에 성공했다.