아틀라스 V

1. 개요

아틀라스 V는 록히드 마틴에서 개발한 미국 우주 발사체이다. 타이탄 로켓 시리즈를 대체하기 위해 개발되었으며, 러시아의 RD-180 엔진을 1단에 사용한다. 아틀라스 V는 다양한 페이로드와 궤도에 맞게 여러 가지 구성으로 제작되었으며, 2002년 첫 발사 이후 통신 위성, 과학 탐사선, 군사 위성 등 다양한 임무를 수행했다. 2014년 러시아의 크림반도 합병으로 인해 RD-180 엔진 사용이 제한되면서, 아틀라스 V는 벌컨 센타우르로 대체될 예정이다.

2. 역사

아틀라스 V는 이전 아틀라스 시리즈의 설계를 개선하여 개발되었다. 아틀라스 I 및 II와 다르게, 1단 탱크는 압력 안정화 구조를 사용하지 않고 아이소그리드 알루미늄으로 제작되어 구조적으로 안정적이다. 1단 엔진으로 러시아 NPO 에네르고마쉬의 RD-180 엔진을 사용한다. 이 엔진은 등유와 액체산소를 추진제로 사용하며, 높은 추력과 효율을 제공한다. RD-180 엔진은 나로호 개발에 사용된 엔진으로 한국과도 관련이 있다.

2002년 8월 첫 발사 이후 2024년 6월까지 총 100번의 발사에서 아틀라스 V는 99%의 발사체 성공률을 기록했다. (100% 임무 성공률)

아틀라스 V 발사 시스템 사용 중 첫 번째 이상 현상은 2007년 6월 15일에 발생했는데, 센타우르 상단 엔진이 조기에 종료되면서 NROL-30 해양 감시 위성 쌍을 의도한 궤도보다 낮은 궤도에 진입시켰다. 원인은 누출 밸브였으며, 이로 인해 연료 부족으로 2차 연소가 4초 일찍 종료되었다. 밸브 교체로 인해 다음 아틀라스 V 발사가 지연되었다. 그러나 고객(국가 정찰국)은 이 임무를 성공으로 분류했다.

2016년 3월 23일 발사에서는 1단 연소 성능 저하 이상 현상이 발생하여 5초 일찍 종료되었다. 센타우르는 1단의 부족분을 보충하기 위해 연료를 사용하여 시그너스 화물(아틀라스 V 탑재 화물 중 가장 무거운 화물)을 의도한 궤도로 올렸다. 이 사건은 주 엔진 혼합비 공급 밸브의 결함으로 연료 흐름이 제한되어 발생했다. 조사를 통해 향후 밸브를 검사하면서 다음 발사가 지연되었다.

2021년 8월, ULA는 아틀라스 V의 발사 판매를 중단하고 기존의 29건의 발사 계약을 이행할 것이라고 발표했다. 필요한 RD-180 엔진을 마지막으로 구매했으며, 해당 엔진의 마지막 배송은 2021년 4월에 완료되었다. 마지막 발사는 "2020년대 중반"에 이루어질 예정이다. 이는 러시아의 크림반도 합병에 따른 국제 정세 변화와 미국의 정치적 고려에 따른 것으로 보인다. ULA는 RD-180 엔진을 사용하는 아틀라스 V를 퇴역시키고, 블루 오리진의 BE-4 엔진을 사용하는 벌컨 센타우르로 전환하기 시작했다. 발표 이후 14번의 임무가 수행되었으며, 15번의 발사가 남아 있다.

2.1. 타이탄 로켓 시리즈와의 관계

타이탄 I을 기본형으로 하여 대형 고체연료 부스터 2개를 붙인 타이탄 로켓 시리즈는 모델명은 바뀌어도 1965년부터 2005년까지 계속 사용되었다. 2005년 마지막으로 발사된 모델은 타이탄 IV 로켓이다.

타이탄 시리즈는 에어로진 50과 사산화이질소의 독성이 문제였고, 발사 비용이 너무 비쌌다.

에어로진 50과 사산화이질소는 러시아, 중국, 북한 등에서 단거리 스커드 미사일부터 ICBM, 우주 로켓에 광범위하게 사용하는 액체연료로, 상온에서 보관이 가능하지만, 독성이 매우 강하고 가격이 비싸다. 반면에 등유와 액체산소는 연료 가격이 매우 싼 대신, 액체산소가 극저온 연료라서 보관이나 취급이 매우 까다롭다.

이러한 문제로 인해 타이탄 IV 로켓 시리즈는 모두 퇴역했고, 개발사인 록히드 마틴은 아틀라스 V를 사용 중이다. 아틀라스 V는 세계에서 가장 발사 비용이 저렴한 엔진 중 하나인 러시아 RD-180 엔진을 사용한다.

3. 구조

아틀라스 V는 다양한 발사 요구를 충족시키기 위해 여러 가지 버전으로 구성된다. 각 아틀라스 V 부스터는 세 자리 숫자로 된 명칭을 가진다.

* 첫 번째 숫자는 페어링의 지름(미터)을 나타내며, 4 또는 5의 값을 가진다. 유인 캡슐 발사의 경우에는 페어링을 사용하지 않으므로 "N" 값을 가진다.
* 두 번째 숫자는 발사체에 부착된 고체 로켓 부스터(SRB)의 수를 나타낸다. 4m 페어링의 경우 0개에서 3개, 5m 페어링의 경우 0개에서 5개까지 가능하다. SRB 배치는 모두 비대칭이다.
* 세 번째 숫자는 센타우르 (로켓) 상단 엔진의 수를 나타내며, 1 또는 2이다. 보잉 스타라이너 유인 캡슐 임무에 사용되는 "N22"는 듀얼 엔진 센타우르를 사용하며, 그 외 모든 구성은 단일 엔진 센타우르를 사용한다.

아틀라스 V는 현재까지 11가지 구성으로 비행했다.

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📌 열 고정 해제

아틀라스 V 구성

버전	페어링	SRB	센타우르 엔진	LEO 페이로드 (kg)	GTO 페이로드 (kg)	발사 횟수	기본 가격
401	4m	–	1	9,797	4,750	41	109
411	4m	1	1	12,150	5,950	6	115
421	4m	2	1	14,067	6,890	9	123
431	4m	3	1	15,718	7,700	3	130
501	5.4m	–	1	8,123	3,775	8	120
511	5.4m	1	1	10,986	5,250	1	130
521	5.4m	2	1	13,490	6,475	2	135
531	5.4m	3	1	15,575	7,475	5	140
541	5.4m	4	1	17,443	8,290	9	145
551	5.4m	5	1	18,814	8,900	14	153
N22	없음	2	2	13,250 (ISS까지)		3	–

아틀라스 V HLV(Heavy Lift Vehicle)는 3기의 공통 코어 부스터(CCB)를 묶어 저궤도에 25톤을 투입할 수 있는 사양이었다. 2006년 랜드사 보고서에 따르면, 록히드 마틴은 아틀라스 V HLV 개발을 하지 않기로 결정했다. 아틀라스 V HLV의 발사 능력은 델타 IV 헤비와 거의 동등하며, 델타 IV 헤비는 2004년부터 발사되었다.

2015년 3월, 유나이티드 론치 얼라이언스(ULA)의 CEO 토리 브루노는 아틀라스 V HLV 개발 대신 차세대 발사 시스템 (벌컨)에 집중할 것이라고 밝혔다.

아틀라스 로켓의 세 자리 숫자는 다음과 같은 의미를 가진다.

* 100의 자리: 노즈콘 페어링 직경 (4m 또는 5.4m)
* 10의 자리: 제1단에 장착되는 고체 연료 보조 로켓 수 (4m 페어링은 0~3개, 5m 페어링은 0~5개)
* 1의 자리: 센타우르 로켓 엔진 수 (1기 또는 2기)

싱글 엔진 센타우르(SEC)는 주로 정지 천이 궤도 진입이나 지구 중력권 탈출 시 사용되고, 듀얼 엔진 센타우르(DEC)는 주로 저궤도 투입에 사용된다.

아틀라스 V는 두 가지 크기의 페어링을 사용한다. 아틀라스 II에서 사용되던 직경 4m 페어링과, 스위스 RUAG Space사에서 개발, 생산하는 직경 5.4m (내부 사용 가능 직경 4.57m) 페어링이다. RUAG 페어링은 탄소 섬유 복합 구조를 사용하며, 아틀라스 V에서는 세 가지 길이로 제공된다. 기존 페어링은 페이로드만 덮지만, RUAG 페어링은 센타우르 상단 로켓도 함께 덮는다.

2006년 9월, 록히드와 비글로우 에어로스페이스는 유인 사양의 아틀라스 V를 민간 우주 비행 시장에 투입하는 데 합의했다.

3.1. 1단 (Common Core Booster)

아틀라스 V의 1단은 공통 코어 부스터(CCB) (델타 IV의 공통 부스터 코어와 혼동하지 않도록 주의)라고 불리며, 직경 3.8m, 길이 32.5m이다. 러시아 NPO 에네르고마쉬의 RD-180 엔진 1기를 사용하며, 284450kg의 액체산소와 RP-1(등유)을 추진제로 사용한다. 약 4분 동안 작동하며, 약 4MN의 추력을 제공한다.

추력은 최대 5개의 에어로젯 AJ-60A 또는 노스롭 그러먼 GEM 63 스트랩온 고체 로켓 부스터(SRB)를 사용하여 증강할 수 있으며, 각 부스터는 94초 동안 추가로 1.27MN의 추력을 제공한다.

아틀라스 V와 이전 아틀라스 I 및 II 발사체의 주요 차이점은 다음과 같다.

* 1단 탱크는 더 이상 스테인리스강 모노코크 압력 안정 "풍선" 구조를 사용하지 않고, 아이소그리드 알루미늄으로 제작되어 가압되지 않은 상태에서도 구조적으로 안정적이다.
* 병렬 단, 더 작은 고체 로켓 부스터와 동일한 액체 로켓 부스터를 위한 장착 지점이 1단 구조에 내장되어 있다.
* "1.5단 분리" 기술은 러시아 RD-180 엔진이 도입되면서 아틀라스 III에서 중단되었으며, 더 이상 사용되지 않는다.
* 주 단의 직경이 3m에서 3.8m로 증가했다.

3.2. 2단 (Centaur)

센타우르 상단은 압력 안정화 추진제 탱크 설계를 사용하며 극저온 추진제를 사용한다. 아틀라스 V용 센타우르 단은 아틀라스 IIAS 센타우르에 비해 1.7m 늘어났으며, 각각 99.2kN의 추력을 내는 1개 또는 2개의 Aerojet Rocketdyne RL10A-4-2 엔진으로 구동된다. 센타우르에 위치한 관성 항법 장치(INU)는 아틀라스와 센타우르 모두에 대한 유도 및 항법을 제공하고 아틀라스와 센타우르의 탱크 압력과 추진제 사용을 제어한다. 센타우르 엔진은 여러 번의 우주 내 점화가 가능하여 저궤도 주차 궤도 진입 후 휴지 기간을 거쳐 GTO로 진입할 수 있다. 수 시간의 휴지 시간 후 세 번째 점화를 통해 탑재체를 정지 궤도에 직접 투입할 수 있다.

2006년 기준으로 센타우르 차량은 전체 질량 대비 연소 가능한 추진제의 비율이 현대 수소 상단 중 가장 높았으며, 따라서 상당한 탑재체를 고에너지 상태로 전달할 수 있다.

3.3. 페이로드 페어링

아틀라스 V는 위성 요구 사항에 맞춰 두 가지 직경의 페이로드 페어링을 사용한다. 아틀라스 II에 사용되었던 4.2m 직경 페어링은 세 가지 길이로 제공된다. 9m 기본형과 10m 및 11m 확장형은 각각 AV-008/아스트라 1KR 및 AV-004/인마르셋-4 F1 임무에서 처음 사용되었다.

4.57m의 내부 사용 가능 직경을 가진 5.4m 직경 페어링은 스위스의 RUAG Space에서 개발 및 제작되었다. RUAG 페어링은 탄소 섬유 복합 구조를 사용하며 아리안 5용으로 비행 테스트를 거친 유사한 페어링을 기반으로 한다. 아틀라스 V를 위해 20.7m, 23.4m, 26.5m 길이의 세 가지 구성이 제작된다. 기존 4.2m 페어링은 페이로드만 덮지만, RUAG 페어링은 더 길어서 센타우르 상단과 페이로드를 모두 완전히 덮는다.

4. 버전

아틀라스 V 로켓은 세 자리 숫자를 사용하여 각 발사체의 구성을 나타낸다.

* 첫 번째 숫자는 페어링(위성 덮개)의 지름(미터)을 나타낸다.
* 일반적인 페어링 발사는 "4" 또는 "5"이다.
* 유인 캡슐 발사는 페어링을 사용하지 않으므로 "N"으로 표시한다.
* 두 번째 숫자는 발사체에 부착되는 고체 로켓 부스터(SRB)의 개수를 나타낸다.
* 4m 페어링은 "0"~"3"개
* 5m 페어링은 "0"~"5"개
* 모든 SRB 배치는 비대칭이다.
* 세 번째 숫자는 센타우르 상단 엔진의 개수를 나타내며 "1" 또는 "2"이다.
* 대부분 단일 엔진 센타우르를 사용한다.
* 스타라이너 유인 캡슐 임무에는 듀얼 엔진 센타우르를 사용하는 "N22" 버전을 사용한다.

아틀라스 V는 11가지 구성으로 비행했다.

5. 주요 임무

2019년 12월 20일, 첫 번째 스타라이너 승무원 캡슐이 Boe-OFT 무인 시험 비행에서 발사되었다. 아틀라스 V 발사체는 완벽하게 작동했지만, 우주선에 이상이 생겨 잘못된 궤도에 진입했다. 궤도가 ISS의 비행 목적지에 도달하기에는 너무 낮았고, 결국 임무는 중단되었다.

6. 대한민국과의 관계

나로호에 사용된 엔진은 러시아의 RD-180 엔진이다. RD-180 엔진은 록히드 마틴의 아틀라스 V에 사용된다.

7. 퇴역 및 벌컨 센타우르로의 전환

2014년 러시아의 크림반도 합병으로 인해, 미국은 아틀라스 V 1단계 부스터에 사용되는 러시아산 RD-180 엔진 사용에 대해 정치적으로 고려하게 되었다. 이에 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)는 기존 아틀라스 V와 델타 IV를 대체할 새로운 발사체인 벌컨 센타우르 개발을 시작했다.

ULA는 블루 오리진과 협력하여 BE-4 액체 산소/액체 메탄 엔진을 개발했다. 아틀라스 V 코어는 RP-1 연료 기반으로 설계되어 메탄 연료 엔진을 사용하도록 개조할 수 없었기 때문에 새로운 1단계 부스터가 개발되었다. 이 부스터는 델타 IV와 동일한 직경을 가지며, 두 개의 BE-4 엔진으로 2400kN의 추력을 낼 것이다.

벌컨 센타우르는 초기에 아틀라스 V와 동일한 센타우르 상단을 사용하고, 나중에 ACES로 업그레이드할 계획이었다. 그러나 ACES는 더 이상 추진되지 않고, 대신 센타우르 V가 사용될 예정이다. 또한 아틀라스 V에 계획된 새로운 고체 부스터에서 파생된 GEM 63XL이라는 선택적 고체 로켓 부스터를 사용할 수 있다.

2017년에는 Aerojet AR1 로켓 엔진이 벌컨을 위한 비상 계획으로 개발되고 있었다.

첫 번째 벌컨은 2024년 1월 8일에 성공적으로 발사되었다.

2021년 8월, ULA는 아틀라스 V의 발사 판매를 중단하고, 기존에 계약된 29건의 발사를 이행하며 퇴역 수순을 밟을 것이라고 발표했다. 마지막 발사는 2020년대 중반으로 예정되어 있다.