우주왕복선은 1970년대 미국 항공우주국(NASA)이 개발한 최초의 재사용 가능한 유인 우주선으로, 궤도선, 외부 연료 탱크, 고체 로켓 부스터로 구성된다. 궤도선은 우주비행사와 화물을 싣고 저궤도 임무를 수행하며, 외부 연료 탱크는 주 엔진에 연료를 공급하고, 고체 로켓 부스터는 발사 추력을 제공한다. 우주왕복선은 발사 후 고체 로켓 부스터를 분리하고, 외부 연료 탱크는 궤도 진입 후 분리하여 대기권에서 소멸되며, 궤도선은 대기권 재진입 후 활공하여 착륙한다. 1981년 컬럼비아호를 시작으로 챌린저, 디스커버리, 아틀란티스, 인데버 등 5기의 우주왕복선이 제작되었으나, 챌린저호와 컬럼비아호의 사고로 14명의 승무원이 사망했다. 2011년 우주왕복선 프로그램이 종료되었으며, 총 135번의 발사에 2,090억 달러의 비용이 소요되었다. 퇴역 후에는 스페이스X의 크루 드래건, 시에라 스페이스의 드림 체이서 등이 우주왕복선의 역할을 이어갈 예정이다.
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1972년아폴로 계획이 성공적으로 끝난 후, 미국 항공우주국(NASA)은 미래 유인 우주선에 관한 계획을 세웠다. 이후, 우주왕복선을 만드는 것이 미국의 국익에 도움이 될 것이라고 리처드 닉슨 대통령에게 조언했다.
리처드 닉슨 대통령(오른쪽)과 NASA 관리자가 셔틀 프로그램에 대한 자금 지원을 승인하기 삼개월 전 대화모습
우주왕복선 계획은 1972년1월 5일, 닉슨 대통령이 'NASA는 앞으로 재사용이 가능하며, 저렴한 우주왕복선을 개발할 것'을 선언하면서 시작되었다.[9] 여러 우주왕복선 중 처음 만들어진 것은 엔터프라이즈 우주왕복선으로, 원래 ''컨스티튜션''(Constitution, 헌법)이라는 이름이 붙을 예정이었으나, 《스타 트렉》 팬들의 백악관 투고 운동으로 인해 엔터프라이즈라는 이름이 붙여졌다. 엔터프라이즈는 1976년9월 17일에 출고되어 활공 및 착륙 시험을 거쳤다.
1966년 NASA와 미국 공군은 공동 연구를 통해 부분적으로 재사용 가능한 시스템이 가장 비용 효율적인 해결책이라는 결론을 내렸다.[10]1968년8월 10일 조지 뮬러 NASA 유인 우주 비행 사무소장은 재사용 가능한 우주왕복선 계획을 발표했다. 이후 NASA는 여러 단계의 연구와 경쟁을 거쳐 우주왕복선 설계와 개발을 진행했다.
1969년7월, 우주왕복선 태스크 그룹은 우주왕복선이 단기 유인 임무, 우주 정거장 지원, 위성 발사, 정비 및 회수 기능을 갖추게 될 것이라는 보고서를 발표했다. 또한 미래의 재사용 가능한 우주왕복선을 세 가지 등급으로 분류했다.[10][5] 많은 항공 우주 기술자들은 완전 재사용 가능한 설계를 선호했지만, 공군 비행 역학 연구소는 직선 날개 설계가 재진입 중 높은 열과 공기 역학적 응력을 견딜 수 없다고 주장했다. 1971년1월, NASA와 공군은 소모성 추진제 탱크에 장착된 재사용 가능한 델타 날개 궤도선이 최적 설계가 될 것이라고 결정했다.[10]
NASA는 우주왕복선에 대한 29가지의 잠재적인 설계를 검토하고 두 개의 측면 부스터를 사용해야 하며, 비용을 줄이기 위해 부스터를 재사용해야 한다는 결론을 내렸다.[10] NASA와 공군은 고체 추진제 부스터를 사용하기로 결정했다. 1972년1월, 리처드 닉슨 대통령은 우주왕복선을 승인했고, NASA는 3월에 최종 설계를 결정했다.
''컬럼비아''의 세라믹 타일 설치 작업
1974년6월 4일, 록히드 마틴(당시 록웰)은 최초의 우주왕복선인 OV-101호의 건조를 시작했다.[10][18]
NASA는 우주왕복선의 열 보호 시스템 개발에 상당한 지연을 겪었다. 이전의 NASA 우주선은 내열성 열 차폐 장치를 사용했지만, 이는 재사용할 수 없었다. NASA는 우주왕복선이 가벼운 알루미늄으로 제작될 수 있고, 필요에 따라 타일을 개별적으로 교체할 수 있도록 열 차폐용으로 세라믹 타일을 사용하기로 결정했다.
2. 1. 한국과의 관계
1986년 챌린저호 폭발 사고 당시, 한국계 미국인 우주비행사 엘리슨 오니즈카가 탑승하여 사망하였다. 2008년, 한국 최초의 우주인 이소연이 소유스 TMA-12를 타고 국제우주정거장(ISS)으로 향했으며, 이는 대한민국 우주 개발 역사에 중요한 이정표가 되었다.
3. 구조 및 비행 절차
우주왕복선은 크게 궤도선, 외부 연료 탱크, 고체 로켓 부스터의 세 부분으로 구성된다.[63][64][65] 궤도선은 우주비행사와 화물을 싣고 우주 공간에서 임무를 수행하며, 지구로 귀환할 때는 글라이더처럼 활공하여 착륙한다. 외부 연료 탱크는 궤도선의 주 엔진에 필요한 액체 수소와 액체 산소를 공급하며, 발사 후 분리되어 대기권에서 소각된다. 고체 로켓 부스터는 발사 초기 강력한 추력을 제공하며, 분리 후 회수되어 재사용된다.
우주왕복선의 발사는 일반 로켓과 마찬가지로 수직으로 이루어진다. 우주왕복선 주 엔진(SSME)이 점화되고, 컴퓨터는 몇 초간 기능을 점검한다. 모두 정상이면, 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)가 점화되며, 기체는 이륙이 허가된다. 고체 로켓 부스터는 한번 점화되면 정지할 수 없으므로, 점화가 일단 되면 우주왕복선은 어떤 일이 일어나든 반드시 이륙해야만 한다.[44][25] 발사 후 T-0에 JSC 임무 통제 센터가 LCC로부터 비행 제어권을 인수했다.[25]
2001년 해질녘의 애틀랜티스 우주왕복선의 발사 모습. 태양은 카메라 뒤로 있으며, 증기의 그림자가 달과 만나고 있다.
이륙 시, 추진력의 많은 부분(~71%)을 고체 로켓 부스터가 담당한다. 발사대를 떠난 잠시 후, 우주왕복선은 회전하여 외부 탱크와 로켓 부스터 아래에 놓이게 된다. 지구 궤도에 올라서기 위해서는 수직 방향보다 수평 방향의 에너지가 훨씬 더 필요하지만, 실제로 눈으로 볼 때는 수직으로 올라가는 것만 보일 뿐, 수평으로 가속하는 것은 시야 밖에서 일어난다. 국제우주정거장이 위치한 지상 380km에서의 궤도 속도는 초속 7.68km (마하 23)이다.
상승 중에는 "max-q"라고 불리는 최대 출력 지점이 존재하는데, 너무 가속하여 선체에 무리를 주지 않기 위해 일시적으로 감속한다.
이륙 후 126초가 지나면 폭발 볼트가 폭발하면서 고체 로켓 부스터가 분리되고, 바다에 떨어져 재사용된다. 이후, 우주왕복선은 주 엔진에 의지하여 가속하고 궤도에 오른다. 주 엔진 가동 마지막 10초 동안은 기체 질량이 충분히 낮아져 3g의 가속도로 제한하기 위해 엔진 출력을 낮춘다.
추진제를 완전히 소진하기 전에 주 엔진이 꺼지고, 빈 외부 탱크는 볼트 폭발로 분리되어 대기에서 거의 타버리며, 일부 잔해는 인도양에 떨어진다. 이 시점에서 우주왕복선은 궤도에 약간 못 미치므로, 궤도 기동 시스템(OMS) 엔진을 가동하여 궤도에 진입한다.
임무가 종료되면 궤도선은 OMS를 역분사하여 속도를 낮추고 대기권에 재진입한다. 하강 중에는 주로 공기 저항을 이용하여 기체 속도를 극초음속 상태에서 감속시킨다. 대기권 하층부에 도달하면 글라이더처럼 활공 비행하고, 플라이 바이 와이어 방식의 조종 계통으로 유압에 의해 동익을 제어하여 착륙한다.
3. 1. 궤도선
우주왕복선 발사 프로필. 왼쪽부터: ''컬럼비아'', ''챌린저'', ''디스커버리'', ''아틀란티스'', ''엔데버''
궤도선은 로켓과 항공기의 설계 및 기능을 모두 갖추고 있어 수직으로 발사한 후 글라이더처럼 착륙할 수 있었다.[22] 궤도선은 승무원 탑승구, 화물칸, 비행 표면 및 엔진을 지지하는 세 부분으로 구성되었다. 궤도선 후방에는 발사 중 추력을 제공하는 우주왕복선 주엔진(SSME)과 우주에서 궤도에 진입하고, 변경하고, 이탈하는 것을 가능하게 하는 궤도 기동 시스템(OMS)이 있었다.
델타익 형태의 주익은 길이가 약 18.29m였으며, 안쪽은 81°, 바깥쪽은 45°로 뒤로 젖혀져 있었다. 각 날개에는 재진입 중 비행 제어를 제공하는 내측과 외측 엘레본이 있었고, 엔진 아래 날개 사이에는 피치를 제어하는 플랩이 있었다. 궤도선의 수직 안정판은 45° 뒤로 젖혀져 있었으며, 방향타가 분리되어 속도 제어 장치 역할을 할 수 있었다.[22] 수직 안정판에는 착륙 후 궤도선의 속도를 줄이기 위한 두 부분으로 된 감속 낙하산 시스템이 있었다. 궤도선은 기수 착륙장치와 2개의 주 착륙장치를 사용했으며, 각각 2개의 타이어가 있었다. 주 착륙장치에는 각각 2개의 브레이크 조립체가 있었고, 기수 착륙장치에는 전기유압식 조향 장치가 있었다.[22]
''아틀란티스''호는 STS-101에서 유리 조종석을 처음으로 사용한 우주왕복선이었다.
우주왕복선 조종실은 세 개의 층으로 구성되었으며, 모든 우주왕복선 임무에서 압력이 가해지고 사람이 거주할 수 있는 공간이었다. 조종석에는 사령관과 조종사를 위한 좌석 두 개와 승무원을 위한 추가 좌석 두세 개가 있었다. 중간 갑판은 조종석 아래에 위치했으며, 조리실과 승무원 침실, 그리고 승무원 좌석 서너 개가 있었다. 중간 갑판에는 두 명의 우주인이 우주 유영(EVA)을 할 수 있는 에어록과 압력이 가해진 연구 모듈로의 출입구가 있었다. 중간 갑판 아래에는 환경 제어 및 폐기물 관리 시스템이 저장된 장비실이 있었다.[22]
처음 네 번의 우주왕복선 임무에서 우주인들은 수정된 미 공군 고고도 전압력 우주복을 착용했는데, 이는 상승 및 하강 중에 전압력 헬멧을 포함했다. 다섯 번째 비행(STS-5)부터 ''챌린저''호 사고까지 승무원들은 한 벌의 연한 파란색 Nomex 비행복과 부분 압력 헬멧을 착용했다. ''챌린저''호 사고 이후 승무원들은 발사 진입복(LES)을 착용했는데, 이는 헬멧이 장착된 고고도 압력복의 부분 압력 버전이었다. 1994년에는 LES가 전압력 첨단 승무원 탈출복(ACES)으로 교체되어 비상 상황에서 우주인의 안전성이 향상되었다. ''컬럼비아''호에는 원래 SR-71 제로-제로 사출좌석이 ALT과 처음 네 번의 임무를 위해 설치되었지만, STS-4 이후 비활성화되었고 STS-9 이후 제거되었다.[22]
조종석은 조종실의 최상층으로, 궤도선의 비행 제어 장치가 있었다. 사령관은 왼쪽 앞좌석에 앉았고, 조종사는 오른쪽 앞좌석에 앉았으며, 추가 승무원을 위해 두세 개의 추가 좌석이 마련되어 있었다. 계기판에는 2,100개가 넘는 디스플레이와 제어 장치가 있었고, 사령관과 조종사는 모두 헤드업 디스플레이(HUD)와 회전식 핸드 컨트롤러(RHC)를 장착하여 동력 비행 중에는 엔진을 짐벌로 조정하고, 무동력 비행 중에는 궤도선을 조종했다. 두 좌석 모두 방향타 제어 장치가 있어서 비행 중에는 방향타 움직임을, 지상에서는 코 바퀴 조향을 허용했다.[22] 궤도선에는 원래 다기능 CRT 디스플레이 시스템(MCDS)이 설치되어 비행 정보를 표시하고 제어했다. MCDS는 사령관과 조종사 좌석뿐만 아니라 후방 좌석에도 비행 정보를 표시했고, HUD의 데이터도 제어했다. 1998년 ''아틀란티스''호는 다기능 전자 디스플레이 시스템(MEDS)으로 업그레이드되었는데, 이는 8개의 MCDS 디스플레이 장치를 11개의 다기능 컬러 디지털 화면으로 교체한 비행 계기의 유리 조종석 업그레이드였다. MEDS는 2000년 5월 STS-101에서 처음으로 사용되었고, 다른 궤도선들도 MEDS로 업그레이드되었다. 조종석의 후방에는 탑재칸을 내려다보는 창문과 화물 운송 작업 중 원격 조작 시스템을 제어하는 RHC가 있었다. 또한, 조종석 후방에는 탑재칸을 볼 수 있는 폐쇄 회로 텔레비전 모니터가 있었다.[22]
중간 갑판에는 승무원 장비 보관소, 수면 공간, 조리실, 의료 장비, 그리고 승무원을 위한 위생 시설이 있었다. 승무원들은 필요에 따라 크기를 조절할 수 있는 모듈식 사물함과 영구적으로 설치된 바닥 수납 공간을 사용하여 장비를 보관했다. 중간 갑판에는 지구에 있을 때 승무원이 출입구로 사용하는 좌현 해치가 있었다.[25] 에어록(airlock)은 서로 다른 기체 성분, 조건 또는 압력을 가진 두 공간 사이의 이동을 허용하도록 설치된 구조물이다. 각 우주왕복선에는 원래 미드덱에 내부 에어록이 설치되었다. 미르와 국제 우주 정거장(ISS)과의 도킹, 그리고 우주왕복선 도킹 시스템(Orbiter Docking System)의 성능 향상을 위해 ''디스커버리'', ''아틀란티스'', ''인데버''에서는 내부 에어록이 페이로드 베이에 외부 에어록으로 설치되었다.[25] 에어록 모듈은 미드베이에 장착하거나, 미드베이에 연결하여 페이로드 베이에 설치할 수 있다. 직경 1.6m 및 길이 2.11m의 내부 원통형 공간은 우주복을 착용한 우주비행사 두 명을 수용할 수 있다. 길이 1.02m (직경), 너비 0.91m의 D자형 해치 두 개가 있다.
STS-61 임무 중 RMS를 이용하여 허블 우주 망원경을 정비하는 스토리 머스그레이브
2010년 궤도상의 ''아틀란티스''. 이미지는 탑재칸과 확장된 캐나다암을 보여준다.
탑재칸은 궤도선 동체의 대부분을 차지했으며, 우주왕복선 탑재물을 위한 화물 수송 공간을 제공했다. 길이가 약 약 18.29m이고 너비가 약 약 4.57m이며, 최대 약 4.57m 직경의 원통형 탑재물을 수용할 수 있었다. 탑재칸 양쪽에는 두 개의 탑재칸 문이 경첩으로 연결되어 있었고, 발사 및 재진입 중 탑재물을 열로부터 보호하기 위해 비교적 기밀한 밀봉을 제공했다. 탑재물은 탑재칸 내부의 스트링거 부착 지점에 고정되었다. 탑재칸 문은 궤도선의 열 방출을 위한 방열판의 추가 기능을 수행했으며, 열 방출을 위해 궤도에 진입한 후 열렸다.[12]
궤도선은 임무에 따라 다양한 추가 구성 요소와 함께 사용될 수 있었다. 여기에는 궤도 실험실,[25] 탑재물을 더 먼 우주로 발사하기 위한 부스터,[25] 원격 조작 시스템(RMS),[25] 그리고 선택적으로 임무 기간을 연장하기 위한 EDO 팔레트가 포함되었다.[25] 궤도선이 ISS에 도킹되어 있는 동안 연료 소비를 줄이기 위해, 우주정거장-왕복선 전력 전달 시스템(SSPTS)이 개발되어 우주정거장 전력을 궤도선으로 변환하고 전달했다.[25] SSPTS는 STS-118에서 처음 사용되었으며, ''디스커버리''와 ''인데버''에 설치되었다.[25]
캐나다암(Canadarm)으로도 알려진 원격 조작 시스템(RMS)은 화물칸에 부착된 기계팔이다. 탑재체를 잡고 조작하는 데 사용될 수 있었고, 우주 유영(EVA)을 수행하는 우주비행사를 위한 이동 플랫폼 역할도 할 수 있었다. RMS는 캐나다 회사 스파르 에어로스페이스(Spar Aerospace)가 제작했으며, 궤도선 조종석 안에 있는 우주비행사가 창문과 폐쇄회로 텔레비전을 사용하여 조종했다. RMS는 6자유도를 허용했으며, 팔을 따라 세 지점에 위치한 6개의 관절을 가지고 있었다. 최초의 RMS는 최대 약 29483.48kg의 탑재체를 배치하거나 회수할 수 있었으며, 이후 약 265804.91kg로 개선되었다.[22]
스페이스랩 모듈은 유럽이 자금을 지원한 압력이 가해지는 실험실로, 페이로드 베이 안에 실려 궤도상에서 과학 연구를 수행할 수 있도록 했다. 스페이스랩 모듈은 비행 중 무게 중심을 유지하기 위해 페이로드 베이의 후미에 장착된 약 약 2.74m 길이의 두 개의 구역으로 구성되었다. 우주비행사들은 기압 잠금 장치에 연결된 약 8.72or 길이의 터널을 통해 스페이스랩 모듈에 진입했다. 스페이스랩 장비는 주로 팔레트에 보관되었으며, 실험 장비뿐만 아니라 컴퓨터와 전력 장비도 보관할 수 있었다.[22] 스페이스랩 하드웨어는 1999년까지 28차례의 임무에 사용되었으며, 천문학, 미세 중력, 레이더, 생명 과학 등을 연구했다. 스페이스랩 하드웨어는 허블 우주 망원경(HST) 정비 및 우주 정거장 보급 임무도 지원했다. 스페이스랩 모듈은 STS-2와 STS-3에서 테스트되었으며, 첫 번째 본격적인 임무는 STS-9에서 수행되었다.[28]
STS-133 임무 당시 두 개의 궤도 기동 시스템(OMS) 포드와 함께 장착된 RS-25 엔진
우주왕복선 주 엔진(SSME) 3개는 궤도선 후미 동체에 삼각형 패턴으로 장착되었다. 엔진 노즐은 상승 중 추력 방향을 변경하여 우주왕복선을 조종하기 위해 피치 방향으로 ±10.5°, 요 방향으로 ±8.5° 기울어질 수 있었다. 티타늄 합금으로 제작된 재사용 가능한 이 엔진들은 궤도선과 독립적으로 작동하며, 비행 사이에 제거 및 교체되었다. RS-25는 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 2단 연소 사이클 극저온 엔진으로, 이전의 어떤 액체 연료 로켓보다 더 높은 연소실 압력을 가지고 있었다. 원래 주 연소실은 최대 3285psi의 압력으로 작동했다. 엔진 노즐은 높이 약 287.02cm이며 내부 직경은 약 229.36cm이다. 노즐은 액체 수소를 운반하는 1,080개의 내부 라인으로 냉각되고, 단열 및 내열성 재료로 열 보호된다.[25]
RS-25 엔진은 신뢰성과 출력을 향상시키기 위해 여러 가지 개선이 이루어졌다. 개발 프로그램 동안 Rocketdyne은 엔진이 원래 명시된 추력의 104%에서 안전하고 안정적인 작동이 가능함을 확인했다. 엔진 추력 값을 이전 문서 및 소프트웨어와 일치시키기 위해 NASA는 원래 명시된 추력을 100%로 유지했지만 RS-25는 더 높은 추력으로 작동했다. RS-25 업그레이드 버전은 블록 I과 블록 II로 구분되었다. 2001년 블록 II 엔진으로 109% 추력 수준이 달성되었으며, 노즐 목 영역이 더 넓어짐에 따라 연소실 압력이 3010psi로 감소되었다. 일반적인 최대 스로틀은 104%였으며, 임무 중단 시에는 106% 또는 109%가 사용되었다.[12]
우주왕복선 궤도 기동 시스템(OMS)은 후방에 장착된 두 개의 AJ10-190 엔진과 관련 추진제 탱크로 구성되었다. AJ10 엔진은 사산화이질소(N2O4)에 의해 산화되는 모노메틸히드라진(MMH)을 사용했다. 포드는 최대 2140kg의 MMH와 3526kg의 N2O4를 운반했다. OMS 엔진은 주 엔진 정지(MECO) 후 궤도 진입에 사용되었다. 비행 내내 궤도 변경과 재진입 전 탈궤도 연소에도 사용되었다. 각 OMS 엔진은 27,090 N의 추력을 생성했으며, 전체 시스템은 305 m/s의 속도 변화(Δv)를 제공할 수 있었다.[25]
궤도선은 재진입 시 열 차폐 시스템(TPS)에 의해 열로부터 보호되었는데, 이는 궤도선 주변의 열 침투 방지 보호층이다. 열 차폐막을 사용했던 이전 미국의 우주선과는 달리, 궤도선의 재사용 가능성을 위해 다중 사용 열 차폐막이 필요했다.[12] 재진입 중 TPS는 최대 약 1648.9°C의 온도를 경험했지만, 궤도선 차량의 알루미늄 외피 온도는 약 176.7°C 이하로 유지해야 했다. TPS는 주로 네 가지 유형의 타일로 구성되었다. 노즈 콘과 날개의 앞전은 약 1260.0°C 이상의 온도를 경험했으며, 강화 탄소-탄소 타일(RCC)로 보호되었다. 1998년에는 미소 운석 및 궤도 파편으로 인한 손상을 방지하기 위해 더 두꺼운 RCC 타일이 개발되어 설치되었고, 컬럼비아호 참사에서 발생한 RCC 손상 이후에 더욱 개선되었다. STS-114부터 궤도선 차량에는 승무원에게 잠재적인 손상을 알리는 날개 앞전 충격 감지 시스템이 장착되었다.[25] 궤도선 차량의 전체 하부와 다른 가장 고온의 표면은 고온 재사용 가능 표면 절연체 타일로 보호되었는데, 이는 공기층에 열을 가두고 외부로 방출하는 붕규산 유리로 코팅된 실리카 섬유로 만들어졌다. 궤도선 차량 상부의 영역은 유사한 구성의 흰색 저온 재사용 가능 표면 절연체 타일로 코팅되어 약 648.9°C 이하의 온도에 대한 보호 기능을 제공했다. 페이로드 베이 도어와 상부 날개 표면의 일부는 재사용 가능한 Nomex 펠트 표면 절연체 또는 베타 천으로 코팅되었는데, 이곳의 온도는 약 371.1°C 이하로 유지되었다.[22]
중앙에 보이는 것이 궤도선의 3기의 메인 엔진이다. 양쪽에 있는 2기의 작은 로켓은 궤도 조종 시스템이다. 그 위에 있는 것이 수직꼬리날개이다.
기체 후단에는 메인 엔진이 삼각형으로 배치되어 있다. 엔진의 노즐은 상하 방향으로 10.5°, 좌우 방향으로 8.5° 기울어질 수 있으며, 상승 중에 추력의 방향을 바꾸어 기체의 진행 방향을 제어한다. 궤도선의 기체 구조는 주로 알루미늄 합금으로 만들어져 있지만, 엔진 부분의 지지 구조에는 티타늄합금이 사용된다.
궤도선은 비행 목적에 따라 궤도 실험실(스페이스랩, 스페이스 허브), 탑재물을 더 높은 궤도에 투입하기 위한 로켓(관성 상단 로켓 (IUS), 페이로드 어시스트 모듈 (PAM)), 궤도 체류 기간 연장 장비(EDO (Extended Duration Orbiter) 키트), 캐나다 암 등 다양한 추가 장비를 탑재할 수 있다.
제작된 기체 중 실제로 우주로 갈 수 있었던 것은 OV-099 챌린저호, OV-102 컬럼비아호, OV-103 디스커버리호, OV-104 아틀란티스호, OV-105 엔데버호의 5기이다.[80]
'''궤도선에 추가된 주요 장비'''
'''궤도선 제원'''[100](OV-105 엔데버호)
항목
내용
전장
37.237m
전폭
23.79m
전고
17.86m
공허중량
78,000kg[101]
이륙시 총중량
111,000kg
최대 착륙 중량
100,000kg
주엔진
로켓다인 제 블록 II-SSME 3기. 1기당 해면 추력 1.752MN(104% 추력 발생시)
비행에 따라 다름. 초기에는 최소 인원 2명으로 비행했지만, 후기의 많은 비행에서는 5명이 되었고, 그 후 7명(선장, 조종사, 여러 명의 탑승 운용 기술자, 드물게 항공 기관사(플라이트 엔지니어))으로 구성되는 것이 일반적이 되었다. STS-61-A와 STS-71의 두 번의 비행에서는 8명이 탑승했다. STS-3xx라고 불리는 긴급 구조 비행에서는 11명(4명 탑승으로 발사하여 7명을 이전)을 탑승할 수 있도록 검토되었다.
3. 2. 외부 연료 탱크
STS-115 발사 후 궤도선으로부터 분리된 외부연료탱크(ET). 탱크 전면 부근의 그을음 자국은 고체로켓 부스터 분리 모터에 의한 것이다.
우주왕복선 외부연료탱크(ET, External Tank)는 우주왕복선 주 엔진(SSME)에 추진제를 공급하고, 궤도선과 고체로켓 부스터를 연결하는 역할을 했다.[22] ET는 높이 약 약 46.88m, 지름 약 약 8.41m였으며, 액체 산소와 액체 수소를 담는 별도의 탱크를 포함하고 있었다. 액체산소 탱크는 ET의 앞쪽에 위치했고, 높이는 약 약 15.03m였다. 액체수소 탱크는 ET의 대부분을 차지했고, 높이는 약 약 29.47m였다. 궤도선은 두 개의 배꼽판(umbilical plate)을 통해 ET에 연결되었는데, 이 배꼽판에는 5개의 추진제 및 2개의 전기 배꼽선과 앞뒤 구조물 부착 장치가 있었다. ET의 외부는 상승 시 발생하는 열을 견딜 수 있도록 주황색 분무형 단열재로 코팅되었다.
ET는 이륙부터 주엔진이 꺼질 때까지 우주왕복선 주엔진에 추진제를 공급했다. ET는 엔진이 꺼진 후 18초 후에 궤도선으로부터 분리되었으며, 자동 또는 수동으로 분리할 수 있었다. 분리 시 궤도선은 배꼽판을 접고, 배꼽선을 밀봉하여 과도한 추진제가 궤도선으로 유입되는 것을 방지했다. 구조물 부착 장치에 연결된 볼트가 절단된 후 ET는 궤도선에서 분리되었다. 분리 시에는 코에서 기체 산소를 배출하여 ET가 회전하도록 하여 재진입 시 파괴되도록 했다. ET는 우주왕복선 시스템의 주요 구성 요소 중 재사용되지 않은 유일한 부분이며, 탄도 궤적을 따라 인도양 또는 태평양에 낙하했다.[22]
처음 두 번의 임무, STS-1과 STS-2에서는 자외선으로 인한 손상을 방지하기 위해 ET에 약 약 269.89kg의 흰색 내화성 라텍스 페인트를 도포했다. 그러나 후속 연구를 통해 주황색 단열재 자체가 충분한 보호 기능을 제공한다는 사실이 밝혀졌고, STS-3부터는 더 이상 라텍스 페인트를 사용하지 않았다.[25] 경량 탱크(LWT)는 STS-6에서 처음으로 사용되었으며, 탱크 무게를 약 약 4672.00kg 줄였다.[22] 1998년에는 초경량 ET(SLWT)가 STS-91에서 처음으로 사용되었다. SLWT는 기존의 2219 알루미늄-리튬 합금보다 40% 더 강하고 밀도는 10% 낮은 2195 알루미늄-리튬 합금을 사용했다. SLWT는 LWT보다 약 약 3401.94kg 가벼워서 우주왕복선이 국제우주정거장(ISS)의 고도 기울기 궤도에 무거운 물품을 운반할 수 있게 되었다.[22]
3. 3. 고체 로켓 부스터
STS-134 임무를 위한 외부연료탱크와 궤도선과 결합하기 전 이동식 발사대에 있는 두 개의 고체로켓 부스터
고체 로켓 부스터(Solid Rocket Booster, SRB)는 발사 및 상승 중 우주왕복선 추력의 71.4%를 제공했으며, 실제로 비행한 고체 추진제 로켓 중 가장 컸다.[29] 각 SRB의 제원은 다음과 같다.
높이: 약 45.48m
너비: 약 3.72m
무게: 약 68038.80kg
강철 외피 두께: 약 약 1.27cm
SRB의 하위 구성 요소는 고체 추진제 모터, 노즈 콘, 로켓 노즐이었다. 고체 추진제 모터는 SRB 구조의 대부분을 차지했다. 케이싱은 4개의 주요 세그먼트를 구성하는 11개의 강철 섹션으로 구성되었다. 노즈 콘에는 전방 분리 모터와 회수 시 사용되는 낙하산 시스템이 수납되어 있었다. 로켓 노즐은 최대 8°까지 짐벌링이 가능하여 비행 중 조정이 가능했다.[22]
각 로켓 모터에는 총 약 501963.05kg의 고체 로켓 추진제(과염소산암모늄 복합 추진제(APCP)+폴리부타디엔 아크릴로니트릴(PBAN))가 채워져 있으며, 케네디 우주센터(KSC)의 조립 건물에서 결합되었다.[22] SRB는 발사 1단계 동안 추력을 제공하는 것 외에도, 궤도선과 외부연료탱크에 대한 구조적 지지대 역할을 했는데, 이동식 발사대에 연결된 유일한 시스템이었기 때문이다.[22] 발사 시 SRB는 T-5분에 활성화되었고, RS-25 엔진이 점화되어 문제가 없을 때만 전기적으로 점화될 수 있었다.[22] 각 SRB는 2800000lbf의 추력을 제공했으며, STS-8부터 3000000lbf로 향상되었다.[22] 연료를 소진한 후, SRB는 발사 후 약 2분, 고도 약 약 45720.00m에서 사출되었다. 분리 후에는 드로그 낙하산과 주 낙하산을 펼치고 바다에 착륙하여 MV ''Freedom Star''와 MV ''Liberty Star'' 함정 승무원에 의해 회수되었다.[22] 케이프커내버럴로 반환되면 세척 및 분해되었다. 그런 다음 로켓 모터, 점화기 및 노즐은 시오콜로 운송되어 수리 및 재사용되었다.[12]
SRB는 프로그램 수명 동안 여러 번 재설계되었다. STS-6과 STS-7은 벽 두께를 약 0.01cm 줄여 약 2267.96kg 가벼워졌지만, 안전하게 비행하기에는 너무 얇은 것으로 판명되었다. STS-26까지의 후속 비행에서는 표준 무게 케이스보다 약 0.01cm 얇은 케이스를 사용하여 약 1814.37kg를 줄였다. 저온에서 O-링 고장으로 인한 ''챌린저'' 참사 이후, SRB는 주변 온도에 관계없이 일정한 밀봉을 제공하도록 재설계되었다.[22]
총 114회의 임무 수행 중 챌린저 우주왕복선 폭발 사고와 컬럼비아 우주왕복선 공중분해 사고로 두 대의 우주왕복선이 사고를 당했으며, 두 경우 모두 승무원 7명 전원이 사망했다. 이 사고들로 인해 우주왕복선은 매 비행 당 대략 2%의 사망률을 보였다.
4. 우주왕복선 목록
비행 가능한 기체는 6대가 제작되었다. 1호기 엔터프라이즈는 우주 비행 능력이 없어 주로 활공 시험용으로만 사용되었다. 실용화된 기체는 컬럼비아, 챌린저, 디스커버리, 아틀란티스, 엔데버 5기이다. 초기에는 엔터프라이즈도 실용기로 개조될 예정이었지만, 구조 시험용으로 제작된 STA-099를 챌린저(OV-099)로 개조하는 것이 더 저렴하다고 판단되었다. 챌린저는 1986년 발사 후 73초 만에 폭발 사고로 손실되었고, 이후 기체 구조 예비 부품을 모아 엔데버가 제작되었다. 컬럼비아는 2003년 공중 분해 사고로 소멸되었다.
# 하급 기술자들은 문제 발생 가능성을 인지했으나, 이러한 우려가 고위 관리자에게 제대로 전달되지 않았다.
# 기체는 이미 이상 징후를 보였으나, 관료적인 조직 문화로 인해 필요한 조치를 취하기 어려웠다.
# 고위 관리자들은 문제가 객관적으로 증명되지 않으면 존재하지 않는다고 여겼다.
챌린저호의 경우, 발사 전 NASA와 회의에서 우주왕복선 고체 로켓 부스터를 설계·제작한 모튼 치오콜사의 O링 기술자는 낮은 온도가 O링의 탄성을 저하시켜 밀봉 역할을 제대로 수행하지 못할 것이라고 경고하며 발사 취소 또는 연기를 বারবার 요청했다. 그러나 NASA와 모튼 치오콜사의 고위 관리자들은 그의 경고를 무시하고 발사를 강행했다. 결국 얼어붙은 O링이 제 기능을 하지 못해 새어 나온 고온, 고압의 연료에 불이 붙어 참사가 발생했다.[48]
컬럼비아호 사고는 발사 중 우주왕복선 외부 연료 탱크에서 떨어진 파편에 의해 열 보호막이 손상된 것이 원인이었다. 이전에도 특별한 이유 없이 파편이 떨어지는 현상이 관측되었지만, NASA 기술자들은 점차 이러한 현상에 무뎌졌다. 컬럼비아 사고 조사 위원회는 이를 '비정상의 일상화', 즉 비정상적인 현상이 재앙을 초래하지 않았다는 이유로 점차 익숙해지고 용인되는 현상이라고 정의했다.[25]
6. 계획과 현재의 비교 분석
1972년아폴로 계획이 성공적으로 종료된 후, 미국 항공우주국(NASA)은 유인 우주선 계획을 수립했다. 이들은 우주왕복선 개발이 미국의 국익에 기여할 것이라고 리처드 닉슨 대통령에게 제안했다.
1972년1월 5일, 닉슨 대통령은 NASA가 재사용 가능하며 저렴한 우주왕복선을 개발할 것이라고 발표하면서 우주왕복선 계획이 시작되었다. 최초의 우주왕복선 기체에는 '컨스티튜션'(Constitution, 헌법)이라는 명칭이 부여될 예정이었으나, 《스타 트렉》 팬들의 백악관 대상 대규모 투고 운동으로 인해 엔터프라이즈 우주왕복선으로 명명되었다. 1976년9월 17일, 엔터프라이즈는 열렬한 환호 속에 출고되었고, 이후 활공 및 착륙 시험을 통해 최초 설계 검증 작업을 거쳤다.
우주왕복선은 초기 계획 단계에서 저비용, 고효율의 우주 수송 시스템으로 기대를 모았으나, 실제 운영 결과는 예상과 크게 달랐다. 잦은 사고와 안전 문제로 인해 유지 보수 비용이 크게 증가하여, 결과적으로 일회용 로켓보다 더 많은 비용이 소요되었다. 또한, 초기 계획되었던 높은 발사 빈도(연간 50회)는 현실적으로 달성 불가능했으며, 실제로는 연간 4회 가량 발사되었다.
우주왕복선은 부분적인 재사용을 목표로 설계되었으나, 이는 발사당 탑재량 감소를 초래했다. 초기에는 발사 비용을 낮추고 발사 빈도를 높여 이를 보완하려 했으나, 실제 발사 비용은 예상보다 높았고, NASA가 초기 예측했던 연간 24회 임무 수행은 불가능했다.[51][25]
우주왕복선은 유인 우주선으로서의 한계와 위험성을 드러냈으며, 이는 향후 유인 우주선 개발에 중요한 교훈을 남겼다.
6. 1. 비용 분석
2005년 초 기준으로 우주왕복선의 총 비용은 1450억달러(약 145조 원)였으며, 2010년 퇴역 시점에는 1740억달러(약 174조 원)에 달할 것으로 예상되었다.[25] 평균 발사 비용은 약 13억달러(약 1조 3천억 원)로, 초기 목표였던 1000만달러~2000만달러(약 100억~200억 원)를 크게 초과했다.
우주왕복선 개발자들은 재사용성을 비용 절감 방안으로 제시했지만, 이는 발사당 비용 절감을 위한 높은 개발 비용으로 이어졌다.[25] 1972년에 이루어진 개발 비용 추정치는 1파운드당 탑재량 비용이 2012년 기준으로 1,109달러로 낮게 예상되었지만, 실제 탑재량 비용은 2012년 기준으로 1파운드당 37,207달러였다.[25]
1982년 NASA는 10년 동안 연간 24회 비행을 예상하여 발사당 비용을 2012년 기준으로 2억 6천만 달러로 추정했다. 1995년부터 2002년까지 발사당 비용은 8억 600만 달러였다. 1999년 NASA는 연간 7회 발사 시 비용이 2012년 기준으로 5억 7,600만 달러라고 결론지었다. 2009년 NASA는 연간 발사 횟수를 1회 추가하는 데 드는 비용이 2012년 기준으로 2억 5,200만 달러라고 결정했는데, 이는 우주왕복선 프로그램 비용의 상당 부분이 발사 횟수에 관계없이 지속되는 연중 인력 및 운영에 대한 비용임을 나타낸다. 우주왕복선 프로그램 전체 예산을 고려할 때 발사당 비용은 2012년 기준으로 16.419999999999998억달러였다.[25]
스페이스셔틀 계획 초기, NASA 관계자 중에는 "1회 비행당 약 1200만달러의 비용으로 발사할 수 있다"고 주장하는 사람도 있었고, 이러한 지나치게 낙관적인 예상을 바탕으로 계획이 진행되었다.[61]
셔틀을 안전하게 반복해서 발사하기 위해 재사용되는 기체 부품은 매 비행마다 철저한 검사를 받았지만, 셔틀을 구성하는 방대한 수의 부품 검사에 드는 비용은 막대한 규모에 달했다.[61]
인데버호 제작에는 약 17억달러~18억달러가 들었고, 2002년 당시 셔틀 1회 비행 비용은 약 4.5억달러였다. 하지만 컬럼비아호 사고 이후 안전 대책 비용이 증가하여 2007년에는 1회 비행당 약 10억달러가 소요되었다.[76][77]
인플레이션: 1970년대 미국은 심각한 인플레이션을 겪었으며, 이는 우주왕복선 개발 비용을 수 배 증가시켰다.
정치/기업적 압력: 우주왕복선 제조를 각지에 나누려는 압력으로 인한 업체 선정 과정 역시 비용 상승을 초래했다.
유지보수 비용: 재돌입 타일 교체, 엔진 유지보수 등 예상보다 훨씬 많은 유지보수 비용이 발생했다.
낮은 발사 회수: 계획보다 훨씬 적은 발사 회수(연간 4회 정도)로 인해 비용이 증가했다. NASA는 일 년에 12번 이상 발사할 수 있는 시설을 계획한 적이 없다.
6. 2. 임무 분석
초기에 미국 항공우주국(NASA)은 우주왕복선이 스카이랩 등으로 사람을 나르는 "우주 택시" 역할을 할 것으로 기대했다. 거대한 모듈 기반의 프리덤 우주정거장이 제안되면서, 우주왕복선은 6~10명의 승무원을 수송할 수 있을 것으로 예상되었다. 그러나 1990년대 우주정거장 계획이 축소되면서, 우주왕복선의 여객 운송 역할은 더 이상 사용되지 않게 되었다.[61]
무인 탐사선 발사에 우주왕복선을 사용하는 계획 역시 더 이상 사용되지 않는다. 챌린저 우주왕복선 폭발사고 이후, 항성 간 탐사선에 필요한 강력한 로켓 단계인 켄타우르스가 더 이상 사용되지 않게 되었다. 그러나 최근 기술 발전으로 탐사선이 더 작고 가벼워져, 상대적으로 저렴하고 안정적인 델타 로켓을 이용하여 화성에 도달할 수 있게 되었다.[61]
우주왕복선 계획에 또 다른 장애물은 정치적인 것으로, 미공군이 참여해야 했다는 점이다. 재정 지원을 위해 미국 의회는 경비 절감 차원에서 우주왕복선이 미국의 모든 다른 발사체를 대체하도록 명령했다. 이로 인해 우주왕복선 계획은 미공군의 군사적 사용을 뒷받침하도록 대대적으로 수정되었다. 하지만 결과적으로 우주왕복선은 NASA도, 미공군도 원했던 정확한 설계가 아니었으며, 결국 미공군은 우주왕복선을 이용한 국방 계획을 포기하고 기존 발사체 방식으로 돌아갔다. 미공군이 요구했지만 한 번도 사용되지 않은 우주왕복선의 능력은 여전히 전체 시스템을 부적절하게 만들고 있다.[61]
우주왕복선의 교훈에 대해서는 의견이 분분하다. 하지만 기본적으로 많은 설계자들은 더 작고 단순하며, 사람을 궤도에 올리는 기능만 있는 발사체가 필요하다고 주장한다. 우주 임무에서 가장 위험한 부분은 발사 및 재돌입이며, 이 과정은 2% 정도의 높은 사고율, 그것도 모든 승무원을 잃는 수준의 최악의 사고율을 보인다. 따라서 이러한 발사 및 귀환 과정을 최소화하는 것이 필요한데, 이는 다음 단계를 통해 달성할 수 있다.[61]
1. 사람을 가능한 안전하게 궤도로 올린다.
2. 한 번 올린 뒤에는 무인 로켓 등을 이용하여 보급품을 제공하면서 최대한 오래 궤도에 머무르게 한다.
3. 최대한 안전하게 귀환시킨다.
사람만이 가능한 임무가 있고, 이러한 임무를 위해서는 위험을 무릅쓰는 것이 당연하지만, 단순한 화물 운반 등을 위해서는 위험을 무릅쓸 필요가 없다는 것이다.[61]
군용 혹은 민간 항공 기준에 따르면, 현재까지도 모든 우주왕복선은 실험 단계이며, 승무원은 시험 비행사에 해당한다. 이들 기준에 따르면 일반 비행기가 실제 사용이 허가되기 위해서는 수백 번의 시험 비행을 거쳐야 하는데, 비록 기준은 다를지라도 우주왕복선 역시도 일정 수준의 기준을 통과하기 위해 상당한 수준의 성공적인 임무를 달성해야 한다.[61]
7. 우주왕복선에 관한 사실들
초기 화물에는 최초의 노트북 컴퓨터 중 하나인 GRiD Compass가 포함되어 있었다. 이 컴퓨터는 최소 8000USD나 하는 가격에 비해 무게나 크기에 비해 성능이 형편없어 매우 적게 팔렸다. NASA는 주 고객 가운데 하나였다.[22][27]
발사 시에는 "끄덕임" 현상을 관찰할 수 있다. 주 엔진 가동 후 고체 로켓 부스터가 점화되기 전, 우주왕복선의 세 개 주 엔진에서 나오는 추진력은 전체 발사체를 기울어지게 하며, 높은 곳에 위치한 조종실은 앞으로 2m가량 기울어진다. 이후 발사체는 다시 원위치로 튕겨져 돌아오며, 이 과정은 6초가량 걸린다. 완전히 수직이 되는 시점에서 부스터가 점화되며 발사가 시작된다.
1995년에는 딱따구리 한 쌍이 디스커버리 우주왕복선의 외부 연료 탱크 단열재에 거의 200개나 되는 구멍을 뚫어 발사가 연기된 적이 있다. 그 이후로 NASA는 상용 올빼미 장식재 및 올빼미 모양 공기 풍선을 설치해 두지만, 발사 전에는 제거한다.[99]
8. 퇴역
최종 착륙 후, 우주왕복선 프로그램의 종료를 알리는 ''아틀란티스''
2004년 1월, 조지 W. 부시 대통령은 국제우주정거장(ISS) 건설 완료 후 우주왕복선을 퇴역시키겠다는 우주탐사 비전을 발표했다.[58][59] 이에 따라 2011년 7월 21일, STS-135 임무를 마지막으로 우주왕복선은 30년간의 임무를 마치고 퇴역했다.[25]
우주왕복선의 퇴역으로 미국은 한동안 유인 우주선 발사 능력을 상실하였으며, 러시아의 소유스 우주선에 의존해야 했다.[60] 2020년 5월 30일, 스페이스X의 크루 드래곤 데모-2 미션 성공으로 미국은 다시 독자적인 유인 우주선 발사 능력을 회복하였다.[47]
우주왕복선의 뒤를 이어, 현재 NASA는 새로운 유인 우주선 오리온과 SLS(Space Launch System) 로켓을 개발하고 있다.[123]
9. 드림 체이서
드림 체이서는 시에라 스페이스사에서 제작하고 있는 우주왕복선의 후계 유인 우주비행선이다. 2024년 현재 개발 중이며, 우주왕복선처럼 글라이더와 같이 활주로에 착륙하는 방식으로 재사용이 가능하다.
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