우주왕복선 내열 시스템
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1. 개요
우주왕복선 내열 시스템은 대기권 재진입 시 발생하는 고온으로부터 우주왕복선을 보호하는 역할을 한다. 이 시스템은 다양한 재료로 구성되어 있으며, 우주왕복선 표면의 위치와 필요한 열 보호 수준에 따라 강화 탄소-탄소 복합재(RCC), 고온 재사용 가능 표면 단열재(HRSI) 타일, 유연 단열 담요(FIB) 등 7가지 종류의 재료가 사용되었다. 2003년 컬럼비아 우주왕복선 사고는 내열 타일 손상으로 인해 발생했으며, 이후 우주왕복선의 열 보호 시스템은 여러 차례 점검 및 수정되었다.
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| 우주왕복선 내열 시스템 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 열 보호 시스템 |
| 사용 | 우주왕복선 |
| 내열 온도 | 약 |
| 면적 | 약 |
| 구성 요소 | |
| 주요 구성 요소 | 내열 타일 (HRSI, LRSI) 펠트 (FRSI) 강화 탄소-탄소 복합재 (RCC) 유연 단열 블랭킷 (FIB) |
| 기타 구성 요소 | 갭 필러 (Gap Fillers) 실란트 (Sealants) 접착제 (Adhesives) |
| 상세 설명 | |
| 내열 타일 (HRSI) | 고온 재사용 표면 절연 (High-temperature Reusable Surface Insulation) 까지 보호 |
| 내열 타일 (LRSI) | 저온 재사용 표면 절연 (Low-temperature Reusable Surface Insulation) 까지 보호 |
| 펠트 (FRSI) | 펠트 재사용 표면 절연 (Felt Reusable Surface Insulation) 까지 보호 |
| 강화 탄소-탄소 복합재 (RCC) | Reinforced Carbon-Carbon 까지 보호 |
| 유연 단열 블랭킷 (FIB) | Flexible Insulation Blanket 까지 보호 |
| 갭 필러 (Gap Fillers) | 타일 사이의 간격을 메움 열팽창 및 수축을 수용 |
| 실란트 (Sealants) | 타일과 구조체 사이의 틈을 밀봉 수분 침투 방지 |
| 접착제 (Adhesives) | 타일을 구조체에 접착 높은 온도와 진동에 견딤 |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System |
2. 역사
우주왕복선의 알루미늄 구조는 구조적 파괴 없이 175°C 이상의 온도를 견딜 수 없었다.[2][17] 대기권 진입 시 공기역학적 가열은 특정 영역의 온도를 이 한계보다 훨씬 높게 만들기 때문에 효과적인 단열재가 필수적이었다. 이 내열 시스템의 주요 목적은 대기권 재진입 시 발생하는 최대 1650°C에 달하는 고온을 견디는 것이며, 부차적으로는 우주 공간의 극저온과 태양 복사열에 의한 고온을 견디는 것이다.
지구 궤도를 도는 우주왕복선은 보통 초속 7-12 km(마하 20.58-35.29)의 속도로 움직인다. 이 속도를 줄이며 대기권으로 재진입할 때, 우주선 표면은 엄청난 충격과 열에 노출된다. 재진입 시 발생하는 열은 주로 우주선 전방 공기의 단열 압축에 의한 것으로, 고온의 충격파가 형성되어 대부분의 열을 비껴가게 한다. 이후 충격파와 우주선 표면 사이의 과열된 플라즈마에 의한 대류 열 전달이 주된 가열 방식이 된다.[18]
2003년 2월 1일, 컬럼비아 우주왕복선은 28번째 임무인 STS-107을 마치고 텍사스주 상공에서 대기권 재진입 도중 내열 시스템의 손상으로 인해 파괴되었다. 조사 결과, 발사 중 외부 연료 탱크에서 떨어져 나온 거품 단열재 조각이 왼쪽 날개 앞부분의 강화 탄소-탄소(RCC) 패널에 충돌하여 구멍을 냈고, 재진입 시 이 손상된 부분을 통해 고온의 가스가 날개 내부로 유입되어 구조를 녹이면서 결국 우주왕복선이 통제 불능 상태에 빠져 공중분해된 것으로 밝혀졌다.
이 사고 이후, NASA는 남아있는 우주왕복선인 디스커버리, 아틀란티스, 엔데버의 내열 시스템에 대해 여러 차례 점검과 개선 작업을 수행했다.
2005년 STS-114 임무는 컬럼비아호 사고 이후 첫 우주왕복선 비행이었다. NASA는 ''디스커버리''호의 내열 시스템 손상 여부를 확인하기 위해 여러 단계를 추가했다. 원격 조작 시스템에 새로 장착된 약 15.24m 길이의 우주왕복선 붐 센서 시스템을 이용해 내열 시스템 표면의 레이저 이미지를 촬영하여 손상을 검사했다. 또한 국제 우주 정거장(ISS)과 도킹하기 전에, ''디스커버리''호는 360도 회전하는 랑데부 피치 기동을 수행하여 ISS에 머무는 우주비행사들이 우주왕복선 하부를 포함한 모든 표면을 사진으로 촬영하고 분석할 수 있도록 했다.
이 점검 과정에서 우주왕복선 하부의 내열 타일 사이에서 튀어나온 간극 충전재 두 개가 발견되었다. NASA는 이 충전재들이 재진입 시 추가적인 열 문제를 일으킬 수 있다고 판단하여 제거하기로 결정했다. 각 충전재는 3cm 미만으로 돌출되었지만, 그대로 둘 경우 재진입 시 해당 부위의 온도를 25%까지 높일 수 있는 위험이 있었다. 우주비행사 스티븐 K. 로빈슨은 ISS의 로봇 팔인 캐나다암2에 탑승하여 우주 유영을 통해 직접 손으로 이 충전재들을 성공적으로 제거했다. 이는 내열 타일 자체의 손상 위험을 감수하면서도 더 큰 재앙을 막기 위한 신중한 결정이었다.
3. 재료
우주왕복선 내열 시스템(Thermal Protection System, TPS)은 궤도선 전체 표면을 덮고 있으며, 각 부위가 견뎌야 하는 열의 정도에 따라 서로 다른 7가지 종류의 재료로 구성되었다.[1] 각 재료는 필요한 열 보호 능력, 충격 저항성, 무게 등을 고려하여 최적의 위치에 사용되었다.
우주왕복선 TPS는 이전 우주선에서 사용된 삭마 방식 방열판과 비교하여 다음과 같은 세 가지 주요 특징을 가졌다.3. 1. 타일 TPS
우주왕복선 내열 시스템(TPS)은 크게 타일 형태의 TPS와 비(非)타일 형태의 TPS로 나눌 수 있다.[1] 어떤 종류의 보호 시스템을 사용할지 결정하는 주요 기준은 특정 부위의 열을 감당하면서도 무게가 가장 가벼운 시스템을 선택하는 것이었다. 다만, 충격 저항성이 더 중요하게 요구되는 경우에는 더 무거운 시스템이 사용되기도 했다.
우주왕복선 표면의 상당 부분은 매우 순수한 석영 모래로 만들어진 LI-900 규산질 타일로 덮여 있었다.[1] 이 타일들은 단열재 역할을 하여 대기권 재돌입 시 발생하는 높은 열이 우주왕복선의 알루미늄 동체 구조로 전달되는 것을 막았다. 이 타일들은 열 전도율이 매우 낮아서, 한쪽 면이 뜨겁게 달아오른 상태에서도 다른 쪽 가장자리를 손으로 잡을 수 있을 정도였다.[3] 우주왕복선 한 대에는 약 24,300개의 개별 타일이 사용되었으며, 이 때문에 "날아다니는 벽돌 공장"이라는 별명이 붙기도 했다.[5][6]
타일은 매우 가볍게 만들어졌지만, 그만큼 깨지기 쉬운 단점이 있었다. 1970년대 초반 기술로는 필요한 단열 성능과 가벼운 무게를 동시에 만족시키는 유일한 방법이었으나, 이로 인해 타일은 손으로도 쉽게 부술 수 있을 정도로 취약했다.
이처럼 깨지기 쉬운 타일은 우주왕복선 동체가 비행 중 미세하게 변형되거나 열에 의해 팽창할 때 함께 휘어질 수 없었다. 따라서 타일을 동체에 직접 붙이지 않고, 노멕스 펠트로 만들어진 변형 절연 패드(Strain Isolation Pad, SIP) 위에 RTV 실리콘 접착제로 먼저 붙인 다음, 이 SIP를 다시 우주왕복선 동체에 접착하는 방식을 사용했다. 이를 통해 타일은 우주왕복선의 구조적 변형이나 팽창으로부터 격리되어 파손 위험을 줄일 수 있었다.[1]
타일 TPS에는 HRSI, LRSI, FRCI, TUFI 등 여러 종류가 있으며, 각기 다른 온도 환경과 요구 조건에 맞춰 개발되고 사용되었다.[1]
3. 1. 1. 고온 재사용 표면 단열재 (HRSI)
고온 재사용 표면 단열재(High-temperature reusable surface insulation, HRSI)는 검은색을 띠는 단열재 타일이다.[1] 주로 우주왕복선의 하부 표면, 예를 들어 랜딩기어 도어 등에 부착되었으며, 한 왕복선당 약 20,548장이 사용되었다.
HRSI는 대기권 재돌입 시 온도가 1260°C 미만인 영역을 보호하기 위해 설계되었으며, 최대 1260°C까지의 온도를 견딜 수 있다. 이 타일의 주 재료는 코팅된 LI-900 규산질 세라믹이다.[1] 시간이 지나면서 일부 HRSI 타일은 강도, 내구성, 코팅 균열 저항성을 개선하고 무게를 줄인 섬유질 내화 복합 단열재(FRCI) 타일로 대체되기도 했다.
3. 1. 2. 저온 재사용 표면 단열재 (LRSI)
저온 재사용 가능 표면 단열재(Low-temperature Reusable Surface Insulation, LRSI)는 흰색 타일 형태의 단열재로, 649°C까지의 온도를 견딜 수 있다. 초기 우주왕복선에서는 동체 상부에 주로 사용되었으나, 이후 대부분 유연 단열 담요(Flexible Insulation Blankets, FIB)로 대체되었다. LRSI는 FIB와 거의 비슷한 온도 범위에서 사용되었다.
3. 1. 3. 섬유질 내화 복합 단열재 (FRCI)
섬유질 내화 복합 단열재(Fibrous Refractory Composite Insulation, FRCI) 타일은 기존의 HRSI 타일의 성능을 개선하기 위해 개발되었다. FRCI 타일은 HRSI 타일보다 강도와 내구성, 그리고 코팅의 균열에 대한 저항성이 더 우수하며, 무게는 더 가볍다는 장점을 가진다.[1] 이러한 개선점을 바탕으로, 우주왕복선에 사용되던 일부 HRSI 타일은 FRCI 타일로 대체되었다. FRCI 타일은 일반적으로 검은색을 띤다.
3. 1. 4. 강화된 일체형 섬유 단열재 (TUFI)
Toughened unipiece fibrous insulation|강화 유니피스 섬유 단열재영어 (TUFI) 타일은 1996년부터 우주왕복선에 사용되기 시작한, 기존 타일보다 더 강하고 내구성이 뛰어난 단열재이다.[1] 이 타일은 고온 영역과 저온 영역 모두에서 사용될 수 있도록 개발되었다.
고온 환경에 노출되는 하부에는 검은색 TUFI 타일이, 상대적으로 온도가 낮은 상부에는 흰색 TUFI 타일이 사용되었다.[1] TUFI 타일은 다른 종류의 타일보다 외부 충격에 더 강하다는 장점을 가졌다.[1] 하지만 흰색 TUFI 타일은 검은색 타일보다 열을 더 잘 전달하는 특성(높은 열전도율) 때문에 상부의 플랩이나 주 엔진 주변 등 일부 영역에서만 제한적으로 사용되었다.[1] 검은색 TUFI 타일은 하부의 고온을 견딜 만큼 단열 성능이 우수했지만, 다른 타일보다 무게가 더 나갔다.[1] 이러한 무게와 열전도율 등의 특성 때문에 TUFI 타일은 우주왕복선 전체가 아닌 특정 부위에만 적용되었다.[1]
3. 2. 비타일 TPS
우주왕복선의 내열 시스템(TPS)은 고온을 견뎌야 하는 세라믹 타일 외에도, 특정 부위의 요구 조건에 맞춰 다양한 형태의 비타일(Non-tile) 재료들을 활용했다. 이러한 비타일 재료들은 타일과 함께 우주왕복선 동체 전체를 대기권 재진입 시 발생하는 극심한 열로부터 보호하는 중요한 역할을 수행했다.
주요 비타일 TPS 구성 요소는 다음과 같다.
이러한 비타일 내열재들은 각각의 고유한 특성(내열성, 내충격성, 무게, 유연성 등)을 바탕으로 우주왕복선의 특정 부위에 최적화되어 적용되었다. 각 재료에 대한 더 자세한 설명은 해당 하위 섹션에서 다룬다.
3. 2. 1. 강화 탄소-탄소 복합재 (RCC)
강화 탄소-탄소 복합재(Reinforced Carbon-Carbon, RCC)는 밝은 회색을 띠는 내열 소재로, 대기권 진입 시 최대 1510°C의 고온을 견딜 수 있도록 설계되었다. 주로 재진입 온도가 1260°C를 초과하는 부위에 사용되었으며, 우주왕복선에서는 노즈 캡(노즈콘), 노즈 캡과 앞쪽 랜딩 기어 도어 사이의 턱 부분, 앞쪽 랜딩 기어 도어 뒤의 화살촉 모양 부분, 그리고 양쪽 날개의 앞전(leading edge)에 적용되었다.
각 우주왕복선 날개에는 두께 약 6.4mm에서 12.7mm 사이인 RCC 패널 22개가 부착되었다. 이 패널들 사이에는 T자형 실(seal)이 설치되어, 극심한 온도 변화로 인한 패널과 날개 구조물 간의 열팽창 차이를 흡수하고 측면 이동을 허용하는 역할을 했다.
RCC는 탄소 섬유에 페놀 수지를 함침시킨 후 고온에서 경화시키고, 이후 열분해 과정을 통해 수지를 순수한 탄소로 변환시켜 제작한다. 다음으로 푸르푸랄 알코올을 진공 상태에서 함침시키고 다시 경화 및 열분해하는 과정을 세 번 반복하여 원하는 탄소-탄소 특성을 구현한다.
RCC의 외부 층은 탄화규소(SiC)로 코팅되어 산화로부터 내부의 탄소 복합재를 보호한다. 이 코팅 덕분에 RCC는 여러 번의 임무에 재사용될 수 있었다. 하지만 1510°C 이상의 온도에서는 탄화규소 코팅 자체의 산화 및 열분해 현상이 발생할 수 있어 사용에 한계가 있었다. RCC는 우주왕복선 내열 시스템(TPS) 재료 중 유일하게 공기역학적 형상의 일부로서 구조적 지지 역할도 수행했으며, 일반적인 타일 형태의 단열재보다 강도가 높고 상승 및 재진입 시 발생하는 피로 하중에도 강한 내구성을 지녔다.
이러한 초내열 소재의 성능을 검증하기 위해서는 우주왕복선이 대기권으로 재진입할 때 겪는 극한 환경, 즉 약 2000°C에서 3000°C에 달하는 온도에서 3~5분간 견딜 수 있는지 실험해야 했다. 이러한 조건을 지상에서 구현할 수 있는 거의 유일한 설비는 태양로였다. 미국은 프랑스 오데이오에 위치한 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)의 1000㎾급 오데이오 태양로를 독점적으로 활용하는 계약을 통해 RCC와 같은 초내열 타일의 성능을 시험할 수 있었다. 반면, 구소련은 초기에는 태양로 개발에 상대적으로 소홀했으나, 나중에 그 중요성을 인식하고 프랑스 모델을 참고하여 우즈베키스탄에 대형 태양로를 건설함으로써 자체 우주왕복선 개발에 속도를 낼 수 있었다.[19]
RCC 패널의 손상은 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 2003년 컬럼비아 우주왕복선 공중분해 사고는 발사 과정에서 외부 연료 탱크에서 떨어져 나온 단열재 조각이 왼쪽 날개의 RCC 패널을 타격하여 손상을 입혔고, 이후 대기권 재진입 시 이 손상된 부위로 고온의 가스가 유입되면서 결국 기체가 공중분해되는 비극으로 이어졌다.[18]
3. 2. 2. 펠트 재사용 가능 표면 단열재 (FRSI)
펠트 재사용 가능 표면 단열재(Felt Reusable Surface Insulation, FRSI)는 흰색 노멕스(Nomex) 펠트로 만들어진 내열재이다. 우주왕복선의 상부 페이로드 베이 도어, 동체 중간 부분과 뒷부분의 측면 일부, 상부 날개 표면 일부, 그리고 OMS/RCS 포드 일부 등 비교적 온도가 낮은 부위에 사용되었다. FRSI는 우주선이 재진입할 때 온도가 371°C 미만으로 유지되는 영역을 보호한다.
FRSI의 주 재료인 노멕스는 듀폰(DuPont)사가 1967년에 개발한 아라미드 섬유의 한 종류이다.
3. 2. 3. 유연 단열 담요 (FIB)
유연 단열 담요(Flexible Insulation Blankets, FIB)는 퀼트 처리된 유연한 담요 형태의 표면 단열재이다.[10] 우주왕복선이 재진입할 때 온도가 649°C 미만으로 유지되는 영역에 사용되었다.
FIB는 흰색의 저밀도 섬유질 실리카 솜 소재로 만들어졌으며, 겉모습이 퀼트와 비슷하다. 이 단열재는 1981년 컬럼비아호가 처음 인도된 이후 개발되었으며, 챌린저호의 OMS 포드에 처음으로 적용되었다.[10]
기존에 사용되던 LRSI 타일과 열을 견디는 능력은 거의 비슷했지만, FIB는 유지보수가 훨씬 간편하다는 장점이 있었다. 이 때문에 디스커버리호부터는 LRSI 타일이 사용되던 상부 동체 등 더 넓은 영역에 FIB가 사용되기 시작했다. 특히 1986년 챌린저호 사고 이후에는 컬럼비아호에 남아있던 많은 LRSI 타일도 FIB로 교체되었다.
3. 2. 4. 틈새 충전재
틈새 충전재는 우주왕복선의 문이나 각종 움직이는 표면 사이에 발생하는 틈에 배치되어 공기의 소용돌이 발생을 막고 이로 인한 가열을 최소화하는 역할을 했다. 이러한 틈은 내열 시스템으로 보호해야 하는 취약 지점이었으며, 특히 표면 압력 차이로 인해 공기 흐름이 불안정해질 수 있는 부분에서 중요했다.
틈새 충전재의 재료로는 흰색 AB312 섬유 또는 검은색 AB312 천(알루미나 섬유 포함)이 사용되었다. 이 재료는 노즈 캡 앞쪽 가장자리, 앞 유리창 주변, 측면 해치, 날개, 승강타 뒷전, 수직 안정판, 방향타/스피드 브레이크, 동체 플랩 및 주 엔진 주변의 열 차폐막 등 다양한 부위에 적용되었다.
STS-114 임무에서는 이 틈새 충전재 중 일부가 비행 중 떨어져 나가는 문제가 발생하여 안전에 대한 우려를 낳았다. 이탈한 충전재 조각이 동체 하부의 공기 흐름을 방해하여 난기류를 유발하고, 이로 인해 국소적으로 온도가 비정상적으로 높아져 우주왕복선 동체에 손상을 줄 수 있는 잠재적 위험이 제기되었다. 결국 해당 임무 수행 중 우주 유영을 통해 문제가 된 틈새 충전재를 제거하는 작업이 이루어졌다.
4. 무게 고려
강화 탄소-탄소(RCC)는 1510°C까지 견딜 수 있어 가장 높은 내열 성능을 가졌지만, 밀도가 1986kg/m3(124lb/cuft)에 달해 매우 무거웠다. 이 때문에 필요한 내열 성능(예: 1260°C 미만)을 만족하면서도 훨씬 가벼운 LI-900 실리카 타일(밀도 144kg/m3, 9lb/cuft) 등 다른 경량 소재들을 함께 사용해야만 했다.
우주왕복선 내열 시스템(TPS)의 주요 특징 중 하나는 경량성이었다. 날개가 있어 이전 우주선보다 표면적이 훨씬 넓었던 우주왕복선에게 경량 TPS는 필수적인 요소였다. 참고로 이전 아폴로 사령선의 절제형 방열판은 차량 무게의 약 15%를 차지할 정도로 무거웠다.
강화 탄소-탄소는 최고의 열 보호 특성을 가지고 있었지만, 다른 타일이나 단열 담요(FIB)보다 훨씬 무거웠기 때문에 노즈콘이나 날개 앞부분처럼 극심한 고온에 노출되는 비교적 작은 영역에 제한적으로 사용되었다. 일반적으로 필요한 열 보호 성능을 만족시키는 가장 가벼운 단열재를 사용하는 것이 목표였다. 각 TPS 재료의 밀도는 다음과 같다.
| 재료 | 밀도 | |
|---|---|---|
| (kg/m³) | (lb/cu ft) | |
| 강화 탄소-탄소 | 1986 | 124 |
| LI-2200 타일 | 352 | 22 |
| 섬유 내화 복합 단열 타일(FRCI) | 192 | 12 |
| LI-900 타일 (검정 또는 흰색) | 144 | 9 |
| 유연한 단열 담요(FIB) | 144 | 9 |
오비터 102(컬럼비아호) 기준으로 각 TPS 유형이 차지하는 면적과 무게는 다음과 같다 (1996년 이전 기준).
| TPS 유형 | 색상 | 면적 (m2) | 면적 밀도 (kg/m2) | 무게 (kg) |
|---|---|---|---|---|
| 펠트 재사용 표면 단열재(FRSI) | 흰색 | 332.7 | 1.6 | 532.1 |
| 저온 재사용 표면 단열재(LRSI) | 옅은 흰색 | 254.6 | 3.98 | 1014.2 |
| 고온 재사용 표면 단열재(HRSI) | 검정 | 479.7 | 9.2 | 4412.6 |
| 강화 탄소-탄소(RCC) | 밝은 회색 | 38.0 | 44.7 | 1697.3 |
| 기타 | 918.5 | |||
| 합계 | 1105.0 | 8574.4 |
5. 초기 문제점
내열 타일의 부착 문제는 심각하여, 최초의 우주왕복선 임무인 STS-1의 발사가 크게 지연되는 주요 원인이 되었다. 당초 1979년으로 예정되었던 발사는 결국 1981년 4월에야 이루어졌다. 당시 NASA는 프로그램 지연에 익숙하지 않았고, 정부와 군으로부터 빠른 발사를 요구하는 상당한 압박을 받고 있었다. 이러한 상황 속에서 NASA는 1979년 3월, 아직 31,000개의 타일 중 7,800개가 부착되지 않은 미완성 상태의 ''컬럼비아''호를 캘리포니아주 팜데일의 록웰 인터내셔널 공장에서 플로리다주의 케네디 우주 센터로 이송하는 결정을 내렸다. 이는 프로그램이 진척되고 있다는 인상을 주는 동시에, 궤도선의 다른 부분을 준비하는 동안 타일 부착 작업을 마무리하려는 의도였으나 결과적으로 실수였다. 록웰의 숙련된 타일 부착 작업자 중 일부는 플로리다 근무 환경에 불만을 품고 캘리포니아로 돌아갔으며, 제조 시설이 아닌 궤도선 처리 시설은 400명에 달하는 작업자를 수용하기에 비좁고 부적합했다.
각 타일은 경화하는 데 16시간이 걸리는 시멘트를 사용했다. 타일을 시멘트에 부착한 후, 잭이 다른 16시간 동안 제자리에 고정시켰다. 1979년 3월에는 각 작업자가 타일 하나를 설치하는 데 40시간이 걸렸고, 여름 동안 젊고 효율적인 대학생들을 활용하여 속도가 작업자당 주당 1.8개의 타일로 빨라졌다. 수천 개의 타일이 응력 테스트에 실패하여 교체해야 했다. 가을이 되자 NASA는 타일 부착 속도가 발사 날짜를 결정할 것이라는 것을 깨달았다. 타일은 매우 문제가 많아서 관계자들은 다른 열 보호 방법으로 전환하려 했지만, 다른 방법은 존재하지 않았다.[12]
모든 타일을 부착하지 않은 채로 수송해야 했기 때문에, 수송 중 우주왕복선의 공기역학을 유지하기 위해 틈새를 재료로 채웠다.[13]
5. 1. "지퍼 효과"에 대한 우려
TPS 타일은 우주왕복선 개발 과정에서 접착 신뢰성에 대한 우려가 제기된 부분이었다. 일부 엔지니어들은 타일 하나가 떨어져 나갈 경우, 이로 인해 발생하는 공기역학적 압력이 주변의 다른 타일까지 연쇄적으로 떨어뜨리는 지퍼 효과(zipper effect|지퍼 이펙트eng)가 발생할 수 있다고 우려했다. 이러한 고장 모드는 우주왕복선의 발사 중이나 재진입 중에 발생할 경우 재앙적인 결과를 초래할 수 있는 심각한 문제로 여겨졌다.5. 2. 파편 충돌에 대한 우려
발사 중 얼음이나 기타 파편이 내열 타일에 충돌하여 손상을 입힐 수 있다는 점은 또 다른 문제였다. 이러한 파편 발생을 완전히 제거하는 것은 불가능했고, 타일 자체가 충격 손상에 취약했기 때문에 이 문제는 근본적으로 해결되기 어려웠다.[1] 실제로 ''컬럼비아''호 사고 이전에도, 원래 발사 중에는 파편 충격을 받지 않도록 설계되었던 내열 시스템 타일이 실제로는 상승 과정에서 불가피하게 발생하는 손상으로 인해 매 임무 후 착륙 시 면밀한 검사와 수리가 필요했다.[1] 이 문제를 완화하기 위해 NASA는 비행 임무 사이에 지상에서 철저한 검사를 수행하는 것 외에도, 재진입 전에 궤도 상에서 발생 가능한 모든 손상을 적극적으로 검사하고 평가하며 필요한 조치를 취하는 전략을 최종적으로 채택했다.[1]6. 컬럼비아호 사고와 그 이후
2003년 2월 1일, 컬럼비아호는 STS-107 임무를 마치고 지구 대기권으로 재진입하던 중 텍사스주 상공에서 공중분해되는 참사가 발생했다. 조사 결과, 발사 과정에서 외부 연료 탱크에서 떨어져 나온 단열재 거품 조각이 좌측 날개 앞부분의 강화 탄소-탄소 복합재(RCC) 패널에 부딪혀 손상을 입힌 것이 주요 원인으로 밝혀졌다. 이 손상된 부분을 통해 재진입 시 발생하는 고온의 가스가 날개 내부로 유입되었고, 내부 구조가 녹아내리면서 결국 우주선이 통제 불능 상태에 빠져 파괴된 것으로 결론 내려졌다.
우주왕복선의 열 보호 시스템(TPS)은 이 사고 이후 여러 차례의 점검과 수정을 거쳤다. 이러한 조치는 이후 우주 임무 발사를 준비하기 위해 남은 세 척의 우주왕복선, 디스커버리호, 아틀란티스호 및 엔데버호에 적용되었다.
2005년 STS-114 임무에서 디스커버리호는 컬럼비아호 사고 이후 처음으로 비행을 수행했으며, NASA는 열 보호 시스템(TPS)의 손상 여부를 확인하기 위해 여러 단계를 거쳤다. 원격 조작 시스템의 새로운 연장선인 약 15.24m 길이의 우주왕복선 붐 센서 시스템(OBSS)을 사용하여 TPS의 레이저 이미지를 촬영하여 손상 여부를 검사했다. 국제 우주 정거장(ISS)과의 도킹 전에, 디스커버리호는 우주선의 모든 영역을 ISS에서 촬영할 수 있도록 360° 뒤집는 기동인 랑데부 피치 기동(RPM)을 수행했다.
이 검사 과정에서 두 개의 '갭 필러(gap filler)'가 규정된 허용 거리를 초과하여 우주왕복선 하단에서 돌출된 것이 발견되었다. 갭 필러는 타일 사이의 틈을 메워 공기 흐름을 원활하게 하는 부품인데, 이것이 돌출되면 재진입 시 주변 공기 흐름을 방해하여 국소적인 과열을 유발할 수 있었다. NASA는 신중한 검토 끝에, 3cm 미만으로 돌출되었음에도 이를 그대로 둘 경우 재진입 시 해당 부위의 열이 25% 증가할 수 있다고 판단하여 제거하기로 결정했다.
우주왕복선 하단에는 우주비행사가 몸을 고정할 손잡이가 없었기 때문에 작업이 매우 까다로웠다. 또한, TPS 타일 자체가 매우 약해서 작업 중 추가 손상을 입힐 위험도 있었다. 그럼에도 NASA는 갭 필러를 방치하는 것이 더 큰 위험이라고 판단했고, 우주 비행사 스티븐 K. 로빈슨이 ISS의 로봇 팔인 캐나다암2에 탑승하여 우주 유영을 통해 돌출된 갭 필러를 손으로 직접 제거하는 데 성공했다. 이 결정과 성공적인 수리는 이후 우주왕복선 임무의 안전성을 확보하는 데 중요한 계기가 되었다.
7. 타일 기증
2010년 기준으로 우주왕복선 퇴역이 임박하면서, NASA는 학교, 대학교, 박물관에 TPS 타일을 배송비인 개당 23.4달러에 기증했다.[15] 약 7,000개의 타일이 선착순으로 제공되었지만, 기관당 1개로 제한되었다.[15]
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