우주 발사 시스템
1. 개요
우주 발사 시스템(SLS)은 미국 항공우주국(NASA)이 개발한 차세대 대형 발사체로, 우주왕복선 퇴역 이후 심우주 유인 탐사 능력을 확보하기 위해 시작되었다. 2010년 법안에 따라 개발이 시작되었으며, 오리온 우주선을 탑재하여 달 탐사 및 심우주 임무를 수행하는 것을 목표로 한다. SLS는 블록 1, 1B, 2의 세 가지 버전으로 구성되며, 코어 스테이지, 고체 로켓 부스터, 상단 스테이지를 조합하여 다양한 탑재 중량을 지구 저궤도 및 달 전이 궤도로 수송할 수 있다. 개발 과정에서 비용 증가와 지연, 상업적 발사체와의 경쟁, 우주왕복선 부품 사용 의무화 등 비판과 논란이 있었으며, 발사 비용 절감과 과학 임무 활용 방안을 모색하고 있다.
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| 기능 | 초중량 발사체 |
|---|---|
| 제작사 | 에어로젯 로켓다인 보잉 노스롭 그루먼 유나이티드 론치 얼라이언스 |
| 원산지 | 미국 |
| 상태 | 운용 중 |
| 발사 장소 | 케네디 우주 센터, LC-39B |
| 최초 발사 | 2022년 11월 16일, 06:47:44 UTC (오전 1:47:44 EST) |
| 발사 횟수 | 1회 |
| 성공 횟수 | 1회 |
| 탑재체 | 오리온 |
| 파생 모델 | 아레스 V 델타 IV 스페이스 셔틀 |
| 비교 대상 | 에네르기아 팰컨 헤비 창정 9호 N1 새턴 V 스타십 |
| 회당 발사 비용 (2023년 회계 연도) | (FY23) |
| 높이 | 블록 1: 약 98.15m 블록 1B/2: 약 111.25m |
|---|---|
| 지름 | 약 8.41m |
| 총 질량 | 약 2.27kg |
| 단수 | 2.5단 |
| 추력 | 블록 1: 8800000 블록 1B: 8900000 블록 2: 9500000 |
|---|---|
| 탑재량 (저지구 궤도, LEO) | 고도: 200km 경사: 28.5° 블록 1: 70000kg 블록 1B: 105000kg 블록 2: 130000kg |
| 탑재량 (달 궤도 진입, TLI) | 블록 1: >약 26988.72kg 블록 1B: 약 41957.26kg 블록 2: >약 45994.23kg |
| 종류 | 고체 로켓 부스터 |
|---|---|
| 개수 | 2개 |
| 모델 | 5분절 고체 로켓 부스터 |
| 길이 | 약 53.95m |
| 지름 | 약 3.66m |
| 추진제 질량 | 약 0.45kg |
| 추력 (해수면) | 3 |
| 추력 (진공) | 3 |
| 총 추력 (해수면) | 6 |
| 총 추력 (진공) | 7 |
| 비추력 | 269 |
| 연소 시간 | 126초 |
| 연료 | PBAN, APCP |
| 이름 | 코어 |
|---|---|
| 길이 | 64.6m |
| 지름 | 8.4m |
| 공허 질량 | 약 97.52kg |
| 총 질량 | 약 1085404.83kg |
| 추진제 질량 | LH2: 약 143788.66kg LOX: 약 843681.12kg |
| 엔진 | 4 × RS-25 |
| 추력 (해수면) | 1 |
| 추력 (진공) | 2 |
| 비추력 (해수면) | 366 |
| 비추력 (진공) | 452 |
| 연소 시간 | 480초 |
| 연료 | LH2 / LOX |
| 이름 | ICPS |
|---|---|
| 길이 | 13.7m |
| 지름 (LH2 탱크) | 5m |
| 지름 (LOX 탱크) | 3.2m |
| 공허 질량 | 3490kg |
| 총 질량 | 32066kg |
| 엔진 | 1 × RL10 |
| 추력 | 110.1 |
| 비추력 | 465.5 |
| 연소 시간 | 1,125초 |
| 연료 | LH2 / LOX |
| 이름 | EUS |
|---|---|
| 길이 | 17.3m |
| 지름 (LH2 탱크) | 8.4m |
| 지름 (LOX 탱크) | 5.5m |
| 추진제 질량 | 129000kg |
| 엔진 | 4 × RL10C-3 |
| 추력 | 97360 |
| 비추력 | 460.1 |
| 연소 시간 | 1,275초 |
| 연료 | LH2 / LOX |
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제안된 우주발사체 -
RPS-420
RPS-420은 문재인 정부에서 시작된 로켓 개발 계획으로, 초기에는 위성 발사와 달 탐사를 목표로 했으나 윤석열 정부 출범 후 소형 위성 발사체 개발 및 민간 주도 우주 개발 생태계 구축 지원으로 계획이 수정되었으며, 직경 0.5m, 길이 6.8m, 이륙 질량 1,800kg의 4단식 로켓으로 개발될 예정이었다. -
제안된 우주발사체 -
마야크 (로켓)
마야크 로켓은 러시아 RD-120 엔진 기술을 활용하고 우크라이나 엔진의 영향을 받아 개발될 액체 로켓으로, 단계식 연소 사이클 기술을 핵심으로 하며 대한민국과의 기술 협력 및 한국형 발사체 개발과도 관련이 있다. -
NASA의 우주발사체 -
타이탄 로켓
타이탄 로켓은 마틴 회사에서 개발한 일련의 발사체로, 타이탄 I부터 IV까지 다양한 모델이 존재했으며, ICBM 및 우주 발사체로 사용되다가 2005년에 퇴역했다. -
NASA의 우주발사체 -
머큐리-레드스톤 로켓
머큐리-레드스톤 로켓은 머큐리 계획의 일환으로 미국 육군의 레드스톤 미사일을 개조하여 준궤도 유인 우주 비행에 사용되었으며, 앨런 셰퍼드와 거스 그리섬을 우주로 보낸 발사체로 추진력 증강 및 안전 시스템 추가 등의 개선이 이루어졌다. -
루나 게이트웨이 -
아르테미스 3호
아르테미스 3호는 아르테미스 계획의 일환으로 4명의 우주인이 오리온 우주선을 타고 SLS 로켓에 실려 발사되어 달 남극을 탐사하며, 인류 최초의 여성 및 유색 인종 우주비행사가 달에 착륙하고 한국계 미국인 조니 킴이 탑승할 경우 한국계 최초의 달 착륙 기록을 세울 예정이다. -
루나 게이트웨이 -
오리온 (우주선)
NASA의 아르테미스 계획에서 핵심적인 역할을 수행할 오리온은 심우주 탐사를 목표로 개발 중인 다목적 유인 우주선으로, 유럽 우주국과의 협력을 통해 개발된 유럽 서비스 모듈을 탑재하고 SLS 로켓으로 발사될 예정이다.
2. 역사적 배경
2010년 NASA 승인 법안에 따라, NASA는 우주왕복선 퇴역으로 상실된 발사 능력을 대체하기 위해 우주 발사 시스템(SLS)을 개발하게 되었다. 이 법안은 저궤도에 70~100톤을 발사하고, 2016년 12월 31일까지 완전 가동을 목표로 했으며, 우주왕복선과 Ares I의 기존 부품, 하드웨어 및 인력을 최대한 활용하도록 지시했다.
2011년 9월 14일, NASA는 새로운 발사 시스템용으로 선택된 설계안을 공표했다. NASA는 이 설계안이 이전보다 더 멀리 떨어진 우주로 우주 비행사를 운송할 수 있으며, 미래의 미국 우주 탐사 활동을 위한 기초를 제공한다고 밝혔다. 초기에는 블록 0, 블록 I, IA, 그리고 II의 3가지 형식이 제안되었다. 각 형태는 다른 제1단, 부스터, 그리고 제2단을 사용했다.
2011년 5월 24일, NASA는 컨스텔레이션 계획에서 진행되던 오리온 우주선의 개발이 다목적 유인기(Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)로 계속 진행될 것이라고 발표했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
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2.1. 개발 배경
SLS는 2010년 NASA 승인 법안에 따라 만들어졌다. 이 법안은 우주왕복선 퇴역으로 인해 미국이 잃어버린 심우주 유인 탐사 능력을 되찾기 위한 것이었다. 이 법안은 2016년 12월 31일까지 시스템을 완전히 가동하는 것을 목표로, 70~100톤을 저궤도에 올리고, 130톤까지 발전 가능한 능력을 갖추도록 했다. 또한, 우주왕복선과 Ares I의 기존 부품, 하드웨어 및 인력을 최대한 활용하도록 지시했다.
2011년 9월 14일, NASA는 이러한 요구 사항을 충족하기 위한 계획을 발표하고, 오리온 우주선을 탑재체로 하는 SLS의 설계를 공개했다.
SLS는 여러 가지 잠재적 발사 구성과 로켓 블록의 발전을 고려하여 설계되었으며, 계획은 여러 번 수정되었다. 3개의 주 엔진을 가진 블록 0, 5개의 주 엔진을 가진 변형, 개선된 2단계 대신 업그레이드된 부스터를 갖춘 블록 1A, 그리고 최대 3개의 J-2X 엔진이 있는 지구 이탈 단계와 5개의 주 엔진을 가진 블록 2 등 다양한 옵션이 고려되었다.
NASA는 SLS 블록 2에 사용될 부스터를 선택하기 위해 "첨단 부스터 경쟁"을 발표했다. 여러 회사가 경쟁에 참여했지만, NASA는 2014년 4월에 블록 1A와 경쟁을 취소하고, 우주왕복선의 고체 로켓 부스터에서 수정된 Ares I의 5개 세그먼트 고체 로켓 부스터를 사용하기로 결정했다. 이는 첨단 부스터가 너무 강력하여 높은 가속도를 유발하고, 케네디 우주 센터 발사 단지 39B, 화염 도랑 및 이동식 발사대를 수정해야 했기 때문이다.
2013년 7월 31일, SLS는 예비 설계 검토를 통과했으며, 2014년 8월 7일에는 주요 의사 결정 포인트 C를 통과하고 전면적인 개발에 들어갔다.
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2010년 NASA 인가 법안은 아레스 I과 아레스 V형 기체 설계를 유인용과 화물용으로 사용할 수 있는 단일 발사체로 변형시키는 것을 상정했다. 초기 계획은 상단 부분을 제거한 제1단 부분의 능력은 70t(블록 0 형태. SSME 파생형 제1단 엔진 3기 및 부분적으로 연료가 충전된 제1단 부분)에서 100t(블록 I 형태. 엔진 4기 및 완전히 연료가 충전된 제1단 부분)을 지구의 저궤도(LEO)로 보내는 것이었다. 지구 이탈 스테이지를 상단에 탑재하고 5기로 엔진을 증가시켰을 경우 발사 능력 총량은 130t에 달했다.
2011년 9월 14일, NASA는 신규 발사 시스템용으로 선택된 설계안을 공표했다. 이 발표 이후 발사체에는 블록 0을 제외한 블록 I, IA, 그리고 II가 등장했다. 각 형태에는 다른 제1단, 부스터, 그리고 제2단이 이용되었다. 소수의 기기에는 우주 왕복선에서 개발된 장치가 직접 계승되었으며, 다른 것들은 SLS용으로 특별히 개발되었다. 후기 형식에서는 5기의 RS-25E 엔진과 강화된 부스터를 채용했으며, 직경 8.4m의 제2단 스테이지에는 3기의 J-2X 엔진이 사용되었다. 5m급 페어링은 10m 또는 그 이상의 길이를 가지며, 심우주 임무를 위한 중량급 탑재물을 수용할 수 있다고 여겨진다. 첫 번째 블록 I의 2단형은 70,000kg에서 77,000kg의 발사 능력을 가졌다. 2011년 11월, NASA는 풍동 시험을 위해 5종의 로켓 형태를 선정하고, 3종의 저궤도급을 그렸다. 70t, 95t, 그리고 140t급이다.
2011년 5월 24일, NASA는 컨스텔레이션 계획에서 진행되던 오리온 우주선의 개발이 다목적 유인기(Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)로 계속 진행될 것이라고 공표했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IA의 대안으로, 제1단의 엔진 기수와 부스터의 변경을 동반하지 않는 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
2.2. 초기 계획 및 변경
2010년 NASA 승인 법안 (Public Law 111–267)에 따라, NASA는 우주왕복선 퇴역으로 상실된 발사 능력을 대체하기 위해 우주 발사 시스템(SLS)을 개발하게 되었다. 이 법안은 저궤도에 70~100톤을 발사하고, 2016년 12월 31일까지 완전 가동을 목표로 하며, 우주왕복선과 Ares I의 기존 부품, 하드웨어 및 인력을 최대한 활용하도록 지시했다.
2011년 9월 14일, NASA는 이러한 요구 사항을 충족하기 위한 SLS의 설계를 발표하고, 오리온 우주선을 탑재체로 확정했다. SLS는 여러 단계의 개발을 거칠 예정이었으며, 초기에는 다음과 같은 다양한 구성이 제안되었다:
* 블록 0: 3개의 주 엔진, 최소 탑재량
* 블록 1: 5개의 주 엔진
* 블록 1A: 개선된 2단계 대신 업그레이드된 부스터
* 블록 2: 최대 3개의 J-2X 엔진이 있는 지구 이탈 단계와 5개의 주 엔진
NASA는 블록 2에 사용될 부스터를 선정하기 위한 "첨단 부스터 경쟁"도 발표했다. 여러 회사가 경쟁에 참여했으나, 2014년 4월 NASA는 블록 1A와 경쟁 계획을 취소하고, 우주왕복선 고체 로켓 부스터를 기반으로 자체 수정된 Ares I의 5단 고체 로켓 부스터를 사용하는 방향으로 선회했다.
2013년 7월 31일, SLS는 예비 설계 검토를 통과했으며, 2014년 8월 7일에는 주요 의사 결정 포인트 C를 통과하고 본격적인 개발에 착수했다. 초기 발사 예정일은 2018년 11월이었다.
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2010년 NASA 인가 법안은 아레스 I과 아레스 V형 기체 설계를 유인용과 화물용으로 사용할 수 있는 단일 발사체로 변형시키는 것을 상정했다. 초기 능력은 70t(블록 0 형태. SSME 파생형 제1단 엔진 3기 및 부분적으로 연료가 충전된 제1단 부분)에서 100t(블록 I 형태. 엔진 4기 및 완전히 연료가 충전된 제1단 부분)을 지구의 저궤도로 보내는 것이었다. 지구 이탈 스테이지를 상단에 탑재하고 5기로 엔진을 증가시켰을 경우 발사 능력 총량은 130t에 달했다.
2011년 9월 14일, NASA는 신규 발사 시스템용으로 선택된 설계안을 공표했으며, 이는 이전보다 더 멀리 떨어진 우주로 우주 비행사를 운송할 수 있으며, 미래의 미국인 우주 탐사 활동을 위한 기초를 제공한다고 밝혔다. 초기에는 블록 0을 제외한 블록 I, IA, 그리고 II 3가지 형식이 등장했다. 각 형태에는 다른 제1단, 부스터, 그리고 제2단이 이용되었다.
2011년 5월 24일, NASA는 컨스텔레이션 계획에서 진행되던 오리온 우주선의 개발이 다목적 유인기(Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)로 계속 진행될 것이라고 공표했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
3. 기술적 특징
SLS(우주 발사 시스템)는 시간이 지남에 따라 더욱 강력하게 업그레이드될 수 있도록 설계되었다. 2010년 NASA 인가 법안은 아레스 I과 아레스 V의 설계를 유인 및 화물용으로 사용할 수 있는 단일 발사체로 변형시키는 것을 상정했다. 2011년 9월 14일, NASA는 새로운 발사 시스템 설계를 발표했으며, 이는 우주 비행사를 더 멀리 우주로 보내고 미래 우주 탐사의 기초를 제공할 것이라고 밝혔다.
초기 계획은 상단 부분을 제거한 제1단 부분의 초기 능력은 70t(블록 0 형태, SSME 파생형 제1단 엔진 3기 및 부분적으로 연료가 충전된 제1단 부분)에서 100t(블록 I 형태, 엔진 4기 및 완전히 연료가 충전된 제1단 부분)을 지구 저궤도(LEO)로 보내는 것이었다. 지구 이탈 스테이지를 상단에 탑재하고 5기로 엔진을 증가시켰을 경우 발사 능력 총량은 130t에 달할 것으로 예상되었다.
발표 이후 블록 0을 제외한 블록 I, IA, II 등 3가지 형식이 등장했다. 각 형식에는 다른 제1단, 부스터, 제2단이 사용되었다. 일부 기기는 우주왕복선에서 개발된 장치를 직접 계승했으며, 다른 것들은 SLS용으로 특별히 개발되었다. 2011년 11월, NASA는 풍동 시험을 위해 5종의 로켓 형태를 선정하고, 70t, 95t, 140t급의 3종 저궤도급 로켓을 구상했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IA의 대안으로, 제1단의 엔진 기수와 부스터 변경을 동반하지 않는 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
SLS는 여러 블록으로 구성되며, 각 블록은 코어 엔진, 부스터, 상단 로켓, 이륙 추력, 탑재체 질량에 따라 구분된다.
SLS 블록 1, 1B는 5단 고체 로켓 부스터(SRB) 두 개를 사용한다. 이 부스터는 우주왕복선 SRB보다 약 25% 더 많은 총 추력을 제공하며, 추가적인 중앙 세그먼트, 새로운 항공 전자 장치, 더 가벼운 단열재를 갖추고 있지만, 발사 후 회수하지 않으므로 낙하산 회수 시스템은 없다.
SLS 블록 1, 1B 부스터의 재고는 우주왕복선 프로그램에서 남은 케이스의 수로 제한되어 8번의 발사가 가능하다. 2019년 3월 2일, SLS 블록 2를 위한 새로운 고체 로켓 부스터 개발을 목표로 하는 부스터 노후화 및 수명 연장 프로그램(BOLE)이 발표되었다. 이 부스터는 노스롭 그러먼 우주 시스템에서 제작될 예정이며, 블록 2의 탑재량을 저궤도 (LEO)로 130MT 이상, 달 전이 궤도로 최소 46MT까지 증가시킬 것으로 예상된다.
3.1. 코어 스테이지
고체 로켓 부스터와 함께, 코어 스테이지는 상단 및 탑재체를 대기권 밖으로 밀어내 궤도 속도에 가깝게 만드는 역할을 한다. 여기에는 상승 단계에 필요한 액체 수소 및 액체 산소 탱크, 전방 및 후방 고체 로켓 부스터 부착 지점, 항공 전자 장치, 4기의 RS-25 엔진, 관련 배관 및 유압 짐벌 액추에이터, 차량 탱크의 자체 가압을 위한 장비로 구성된 주 추진 시스템(MPS)이 포함되어 있다. 코어 스테이지는 발사 시 차량 추력의 약 25%를 제공하며, 나머지는 고체 로켓 부스터에서 나온다.
이 스테이지는 길이 65m에 직경 8.4m이며, 시각적으로 우주왕복선 외부 탱크와 유사하다. 이는 대부분 2219 알루미늄 합금으로 만들어졌으며, 배럴 섹션의 마찰 교반 용접 및 스트링거의 통합 밀링을 포함하여 제조 공정에 많은 개선 사항이 적용되었다. 처음 4번의 비행에서는 우주 왕복선 임무에서 이전에 사용되었던 남은 16개의 RS-25D 엔진 중 각각 4개를 사용하고 소모할 것이다. 에어로제트 로켓다인(Aerojet Rocketdyne)은 이러한 엔진에 현대화된 엔진 컨트롤러, 더 높은 스로틀 제한, 고체 로켓 부스터에 인접한 위치로 인해 엔진 섹션이 경험하게 될 고온에 대한 단열재를 장착한다. 이후 비행에서는 사용 후 폐기에 최적화된 RS-25 변형 모델인 RS-25E로 전환하여 엔진당 비용을 30% 이상 절감할 것이다. 각 RS-25D 엔진의 추력은 우주 왕복선에서 2188kN에서 16개의 현대화된 엔진에서는 2281kN로 증가했다. RS-25E는 엔진당 추력을 2321kN로 더욱 증가시킬 것이다.
SLS의 제1단은 모든 기체 형태에서 공통적으로 사용되며, 기본적으로 개조된 우주왕복선 외부 연료 탱크의 후방 구획에 로켓 주 추진 시스템(MPS)을 수용하여 구성된다. 또한 상단은 단과 단 사이의 구조물을 받기 위해 교체된다. 이 단에서는 사용되는 형태에 따라 다양한 수와 형식의 RS-25 엔진이 사용된다.
* 블록 0: 제1단에 연장이 가해지지 않고 3기의 RS-25D 엔진을 탑재하는 형식이 당초 계획되었다.
* 블록 I: 연장된 제1단에 4기의 RS-25D 엔진을 탑재한다.
* 블록 IB: 연장된 제1단에 4기의 RS-25D/E 엔진을 탑재한다.
* 블록 IA 및 II: 연장된 제1단에 5기의 RS-25E 엔진을 탑재한다.
3.2. 고체 로켓 부스터 (SRB)
SLS의 블록 1과 1B는 5단 고체 로켓 부스터(SRB) 두 개를 사용한다. 이 부스터는 4단 우주왕복선 고체 로켓 부스터를 우주왕복선 임무에 사용했던 케이싱(casing) 세그먼트를 활용하여 개량한 것으로, 우주왕복선 SRB보다 약 25% 더 많은 총 추력을 제공한다. 추가적인 중앙 세그먼트, 새로운 항공 전자 장치, 더 가벼운 단열재를 갖추고 있지만, 발사 후 회수하지 않으므로 낙하산 회수 시스템은 없다.
고체 로켓 부스터의 추진제는 반응성이 매우 높은 알루미늄 분말과 강력한 산화제인 과염소산 암모늄을 폴리부타디엔 아크릴로니트릴(PBAN) 결합제로 섞은 것이다. 이 혼합물은 고무 지우개와 같은 형태이며 각 세그먼트에 채워진다.
SLS 블록 1, 1B 부스터는 우주왕복선 프로그램에서 남은 케이스를 사용하므로 SLS는 8번 발사할 수 있다. 2019년 3월 2일, SLS 블록 2용 신규 고체 로켓 부스터 개발을 위한 부스터 노후화 및 수명 연장 프로그램(BOLE)이 발표되었다. 이 부스터는 노스롭 그러먼 우주 시스템이 제작하며, 취소된 오메가 발사체용으로 개발 중이던 복합 케이스 고체 로켓 부스터에서 파생될 예정이다. 블록 2의 탑재량을 저궤도(LEO)로 130MT 이상, 달 전이 궤도로 최소 46MT까지 늘릴 것으로 예상된다.
컨스텔레이션 계획에 따라 5단 고체 로켓 부스터의 전 연소 기간 정적 연소 시험이 세 차례 실시되었으며, 극저온 및 고온 성능 검증 시험이 포함되었다. 노스롭 그러먼 이노베이션 시스템스는 5단 고체 로켓 부스터의 전 연소 기간 정적 연소 시험을 완료했다. 인증 모터 1은 2015년 3월 10일에, 인증 모터 2는 2016년 6월 28일에 성공적으로 시험되었다.
3.3. 상단 스테이지
블록 1은 델타 IV 로켓의 상단을 개조한 임시 극저온 추진 스테이지(ICPS)를 사용한다. 블록 1B와 블록 2는 탐사 상단(EUS)을 사용하며, 4기의 RL10C-3 엔진으로 구동될 것이다. EUS는 아르테미스 4호에서 처음 발사될 예정이며, 탑재체를 지구 저궤도 너머의 목적지로 보내는 역할을 수행한다.
3.4. 블록 구성
SLS의 블록 1과 1B는 두 개의 5단 고체 로켓 부스터를 사용한다. 이 부스터는 4단 우주왕복선 고체 로켓 부스터의 부품으로 우주왕복선 임무에 사용된 케이싱(casing) 세그먼트를 사용한다. 이 부스터는 추가적인 중앙 세그먼트, 새로운 항공 전자 장치 및 더 가벼운 단열재를 갖추고 있지만, 발사 후 회수하지 않기 때문에 낙하산 회수 시스템은 없다. 고체 로켓 부스터의 추진제는 매우 반응성이 높은 알루미늄 분말과 강력한 산화제인 과염소산 암모늄이다. 이들은 폴리부타디엔 아크릴로니트릴(PBAN)이라는 결합제로 함께 결합된다. 이 혼합물은 고무 지우개와 같은 일관성을 가지며 각 세그먼트에 채워진다. 5단 고체 로켓 부스터는 우주왕복선 고체 로켓 부스터보다 약 25% 더 많은 총 추력을 제공한다.
4. 개발 및 운영
2010년 NASA 인가 법안은 아레스 I과 아레스 V형 기체 설계를 유인용과 화물용으로 사용할 수 있는 단일 발사체로 변형하는 것을 상정했다. 초기에는 제1단 부분만으로 70t(블록 0 형태)에서 100t(블록 I 형태)을 지구 저궤도(LEO)로 보낼 수 있으며, 지구 이탈 스테이지와 5기 엔진을 탑재하면 총 130t의 발사 능력을 갖출 것으로 예상되었다.
2011년 9월 14일, NASA는 새로운 발사 시스템 설계를 발표하며, 우주 비행사를 더 멀리 우주로 보내고 미래 미국 우주 탐사의 기초를 제공할 것이라고 밝혔다. 블록 0을 제외한 블록 I, IA, II 등 3가지 형식이 등장했으며, 각 형식은 다른 제1단, 부스터, 제2단을 사용했다. 일부 기기는 우주왕복선에서 개발된 장치를 계승했고, 다른 기기는 SLS용으로 특별히 개발되었다. 후기 형식은 5기의 RS-25E 엔진, 강화된 부스터, 3기의 J-2X 엔진을 사용하는 직경 8.4m의 제2단 스테이지를 채용했다. 5m급 페어링은 10m 이상의 길이를 가지며, 심우주 임무를 위한 중량급 탑재물을 수용할 수 있다고 여겨진다. 첫 번째 블록 I의 2단형은 70,000kg에서 77,000kg, 제안된 블록 II의 마지막 형식은 새턴 V형 로켓과 유사한 발사 능력 및 전고를 갖는다. 2011년 11월, NASA는 풍동 시험을 위해 5종의 로켓 형태를 선정하고, 70t, 95t, 140t급의 3종 저궤도급을 그렸다.
2011년 5월 24일, NASA는 컨스텔레이션 계획에서 진행되던 오리온 우주선의 개발이 다목적 유인기(Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)로 계속 진행될 것이라고 발표했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IA의 대안으로, 제1단의 엔진 기수와 부스터 변경을 동반하지 않는 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
4.1. 개발 과정
2010년 NASA 승인 법안에 따라 미국 의회는 NASA에 우주왕복선 퇴역으로 상실된 우주 발사 능력을 대체할 시스템을 만들도록 지시했다. 이 법안은 2016년 12월 31일을 목표 가동일로 설정하고, 저궤도에 70~100톤을, 발전 시 130톤까지 운반 가능한 능력을 갖추며, 우주왕복선과 Ares I의 기존 부품, 하드웨어 및 인력을 "실현 가능한 범위 내에서" 사용하도록 명시했다.
2011년 9월 14일, NASA는 이러한 요구 사항을 충족하는 계획을 발표하고, 오리온 우주선을 탑재체로 하는 SLS 설계를 공개했다. NASA는 SLS의 블록 2에 사용될 부스터를 선택하기 위한 "첨단 부스터 경쟁"도 발표했다. 여러 회사가 경쟁에 참여했으나, 2014년 4월 NASA는 블록 1A와 경쟁을 취소하고, 우주왕복선 고체 로켓 부스터에서 수정된 Ares I의 5단 고체 로켓 부스터를 사용하는 것을 선호했다.
SLS는 여러 차례의 개발 경로 수정을 거쳤다. 3개의 주 엔진을 가진 블록 0, 5개의 주 엔진을 가진 변형, 개선된 2단계 대신 업그레이드된 부스터를 갖춘 블록 1A, 최대 3개의 J-2X 엔진을 가진 지구 이탈 단계와 5개의 주 엔진을 가진 블록 2 등이 고려되었다.
2013년 7월 31일, SLS는 로켓, 부스터, 지상 지원 및 물류 배치를 포함하는 예비 설계 검토(PDR)를 통과했다. 2014년 8월 7일, SLS 블록 1은 주요 의사 결정 포인트 C(KDP-C)를 통과하고 본격적인 개발에 착수했으며, 2018년 11월 발사가 예정되었다.
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2010년 NASA 인가 법안은 아레스 I과 아레스 V형 기체 설계를 유인용과 화물용으로 사용할 수 있는 단일 발사체로 변형하는 것을 상정했다. 초기에는 제1단 부분만으로 70t(블록 0 형태)에서 100t(블록 I 형태)을 지구 저궤도(LEO)로 보낼 수 있으며, 지구 이탈 스테이지와 5기 엔진을 탑재하면 총 130t의 발사 능력을 갖출 것으로 예상되었다.
2011년 9월 14일, NASA는 새로운 발사 시스템 설계를 발표하며, 우주 비행사를 더 멀리 우주로 보내고 미래 미국 우주 탐사의 기초를 제공할 것이라고 밝혔다. 블록 0을 제외한 블록 I, IA, II 등 3가지 형식이 등장했으며, 각 형식은 다른 제1단, 부스터, 제2단을 사용했다. 일부 기기는 우주 왕복선에서 개발된 장치를 계승했고, 다른 기기는 SLS용으로 특별히 개발되었다. 후기 형식은 5기의 RS-25E 엔진, 강화된 부스터, 3기의 J-2X 엔진을 사용하는 직경 8.4m의 제2단 스테이지를 채용했다. 5m급 페어링은 10m 이상의 길이를 가지며, 심우주 임무를 위한 중량급 탑재물을 수용할 수 있다고 여겨진다. 첫 번째 블록 I의 2단형은 70,000kg에서 77,000kg, 제안된 블록 II의 마지막 형식은 새턴 V형 로켓과 유사한 발사 능력 및 전고를 갖는다. 2011년 11월, NASA는 풍동 시험을 위해 5종의 로켓 형태를 선정하고, 70t, 95t, 140t급의 3종 저궤도급을 그렸다.
2011년 5월 24일, NASA는 컨스텔레이션 계획에서 진행되던 오리온 우주선의 개발이 다목적 유인기(Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)로 계속 진행될 것이라고 발표했다.
2012년에는 105t급 능력을 가진 블록 IA의 대안으로, 제1단의 엔진 기수와 부스터 변경을 동반하지 않는 블록 IB가 제안되었고, 이후 채택되었다.
SLS 블록 1과 1B는 5단 고체 로켓 부스터를 사용한다. 이 부스터는 우주왕복선 임무에 사용된 케이싱 세그먼트를 사용하며, 추가적인 중앙 세그먼트, 새로운 항공 전자 장치, 더 가벼운 단열재를 갖추고 있지만, 발사 후 회수하지 않기 때문에 낙하산 회수 시스템은 없다. 추진제는 알루미늄 분말과 과염소산 암모늄이며, 폴리부타디엔 아크릴로니트릴(PBAN) 결합제로 결합된다. 5단 고체 로켓 부스터는 우주왕복선 고체 로켓 부스터보다 약 25% 더 많은 총 추력을 제공한다.
4.2. 제작
NASA의 미쇼 조립 시설(MAF)에서 코어 스테이지 및 주요 구성 요소들이 제작되었다. 2015년과 2017년 사이에는 SLS에 사용될 RS-25 엔진의 시험 발사가 진행되었다.
첫 번째 SLS 코어 스테이지는 보잉(Boeing)에 의해 미쇼 조립 시설에서 제작되었으며, 2019년 11월에 4개의 엔진이 모두 장착되었고, NASA는 2019년 12월에 이 작업이 완료되었다고 발표했다. 이후 2020년 1월, 스테니스 우주 센터에서 종합적인 테스트를 위해 미쇼 조립 시설을 떠났다. 스테니스 우주 센터에서는 그린 런(Green Run)으로 알려진 정적 발사 시험 프로그램이 진행되었으며, 이 프로그램은 처음으로 모든 코어 스테이지 시스템을 동시에 작동시키는 시험이었다. 2020년 12월에는 습식 예행 연습(8번의 시험 중 7번째)이 수행되었고, 2021년 1월 16일에는 발사 시험(8번째)이 진행되었으나, 추력 벡터 제어 시스템의 보수적인 시험 기준 때문에 예상보다 일찍 종료되었다. 그러나 코어 스테이지나 엔진에는 손상된 징후가 없었다. 2021년 3월 18일에 완료된 두 번째 발사 시험에서는 4개의 엔진이 모두 점화되고, 스로틀 조절 및 짐벌링 프로파일을 따르는 등 비행 중 조건을 성공적으로 시뮬레이션했다. 이후 코어 스테이지는 아르테미스 1호를 위해 케네디 우주 센터로 운송되어 2021년 4월 27일에 도착했다.
아르테미스 1호 발사 이후, NASA와 보잉은 아르테미스 II, 아르테미스 III, 아르테미스 IV를 위한 로켓 제작을 진행하고 있다. 아르테미스 II의 경우, 분사 단열재 공정이 자동화되어 일정이 단축되었고, 2023년 9월 25일에는 코어 스테이지가 기능적으로 완료되어 모든 섹션이 조립되고 4개의 RS-25 엔진이 설치되었다. 아르테미스 III의 경우, 추력 구조의 구성 요소 조립이 2021년 초에 미쇼 조립 시설에서 시작되었다.
4.3. 발사
아르테미스 1호는 2022년 11월 16일에 무인 시험 비행으로 발사되어 성공적으로 임무를 완수했다. 이 비행은 SLS의 첫 비행이자 오리온 캡슐의 첫 번째 작동 비행이었다. 큐브위성 10개와 큐브 퀘스트 챌린지 3개를 포함한 탑재체는 달 전이 궤도 궤도로 전송되었다.
아르테미스 2호는 2026년 4월에 블록 1 승무원 구성으로 발사될 예정이며, 유인 달 플라이바이 임무를 수행할 것이다. 아르테미스 3호는 2027년 중반에 블록 1 승무원 구성으로 발사될 예정이며, 유인 달 랑데부 및 착륙 임무를 수행할 것이다.
아르테미스 4호는 2028년 9월에 블록 1B 승무원 구성으로 발사될 예정이다. 루나 게이트웨이로의 유인 임무를 수행하고, 국제 거주 모듈 (I-HAB)을 게이트웨이에 인도 및 통합한 후 유인 달 착륙을 수행할 것이다.
| 비행 번호 | 날짜, 시간 (UTC) | 구성 | 탑재체 | 궤도 | 결과 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2022년 11월 16일, 06:47 | 블록 1 | 아르테미스 I (오리온 및 ESM) | TLI | 성공 |
| SLS의 무인 처녀 비행, 오리온 캡슐의 첫 번째 작동 비행. 큐브위성 10개 (ArgoMoon, BioSentinel, CuSP, EQUULEUS, LunaH-Map, Lunar IceCube, LunIR, NEA Scout, OMOTENASHI, Team Miles) 및 큐브 퀘스트 챌린지 3개 탑재. 탑재체는 달 전이 궤도 궤도로 전송. | |||||
| 2 | 2026년 4월 | 블록 1 승무원 | 아르테미스 II (오리온 및 ESM) | TLI | 예정 |
| 유인 달 플라이바이. | |||||
| 3 | 2027년 중반 | 블록 1 승무원 | 아르테미스 III (오리온 및 ESM) | 월심 궤도 | 예정 |
| 유인 달 랑데부 및 착륙. | |||||
| 4 | 2028년 9월 | 블록 1B 승무원 | 아르테미스 IV (오리온 및 ESM), I-HAB | 월심 궤도 (NRHO) | 예정 |
| 루나 게이트웨이로의 유인 임무. 국제 거주 모듈 (I-HAB)을 게이트웨이에 인도 및 통합 후 유인 달 착륙. | |||||
| 5 | 2030년 3월 | 블록 1B 승무원 | 아르테미스 V (오리온 및 ESM), ESPRIT | 월심 궤도 (NRHO) | 예정 |
| 루나 게이트웨이로의 유인 임무. 최초의 루나 탐사 운송 서비스(LETS) 착륙선과 랑데부하여 달에 착륙. ESPRIT 모듈을 게이트웨이에 인도 및 통합. | |||||
4.4. 발사 비용
미국 항공우주국(NASA)는 SLS의 비행당 공식 비용 추정치를 제공하는 것을 꺼려왔다. 하지만 백악관 예산관리국(OMB)과 NASA 감사관실(OIG)과 같은 독립 기관들은 자체 추정치를 제시했다.
2019년 10월 백악관 예산관리국이 상원 세출위원회에 보낸 서한에 따르면 SLS의 총 비용은 발사당 "20억 달러 이상"으로 추정되었다. 한 기자가 질문했을 때 NASA 대변인은 이 비행당 비용 추정치를 부인하지 않았다.
NASA 감사관실은 SLS 프로그램에 대한 여러 차례 감사를 실시했다. 2021년 11월 보고서에 따르면, 최소한 아르테미스 계획의 처음 4번의 발사에 대해, 발사당 생산 및 운영 비용은 SLS의 경우 2200, 탐사 지상 시스템(Exploration Ground Systems)의 경우 568로 추정되었다. 또한, 오리온의 탑재체는 1000, 유럽 서비스 모듈(European Service Module)은 300가 소요될 것이다. 2023년 10월 보고서에 따르면 개발 및 통합 비용을 제외한 SLS의 반복 생산 비용은 발사당 최소 2500로 추정된다.
NASA는 보잉(Boeing)과 협력하여 SLS 발사 비용을 낮추고 있으며, 발사 빈도가 높아지면 규모의 경제를 실현할 수 있고 고정 비용을 더 많은 발사 횟수로 분산할 수 있다고 밝혔다. 그러나 NASA 감사관실은 NASA의 비용 절감 목표가 매우 비현실적이라고 지적했으며, 다른 잠재적 정부 고객들은 SLS 사용에 관심이 없음을 분명히 했다.
4.5. 아르테미스 계획 외 활용
NASA는 SLS를 활용하여 해왕성 오디세이, 유로파 착륙선, 엔셀라두스 궤도선 등 다양한 과학 탐사 임무를 수행하는 방안을 연구해 왔다. 그러나 SLS 프로그램 관계자는 아르테미스 임무의 발사 빈도와 공급망 제약으로 인해 2020년대 후반 또는 2030년대 초반까지는 과학 임무를 지원하기 어려울 것이라고 지적했다.
또한, 대형 고체 로켓 부스터는 민감한 과학 장비를 손상시킬 수 있는 상당한 진동을 발생시킨다는 문제점이 있다. 풍동 시험에서 비틀림 하중 값(비틀림 및 진동 측정)은 초기 추정치의 거의 두 배였다.
아르테미스 IV 발사 이후, NASA는 SLS의 생산 및 발사 운영을 딥 스페이스 트랜스포트 LLC로 이전할 계획이다. NASA는 이 회사들이 로켓 비행의 더 많은 구매자를 찾아 비행당 비용을 1까지 낮출 수 있기를 바란다.
5.1. 과도한 비용 및 개발 지연
SLS 프로그램은 초기부터 과도한 비용과 잦은 개발 지연으로 인해 많은 비판을 받아왔다. 특히, 우주왕복선 부품 사용 의무화와 비경쟁적인 계약 방식이 비용 상승의 주요 원인으로 지적되었다.
2011년 9월 상원-NASA 공동 발표에서 SLS 프로그램의 예상 개발 비용은 2017년까지 180억 달러로 책정되었다. 이는 SLS 로켓에 100억 달러, 오리온 우주선에 60억 달러, 케네디 우주 센터 발사대 및 기타 시설 업그레이드에 20억 달러가 포함된 금액이었다. 그러나 부즈 앨런 해밀턴이 실시한 독립적인 비용 평가 보고서에서 이 비용과 일정은 낙관적인 것으로 간주되었다. 2011년 NASA 내부 문서는 4번의 95ton 발사 (무인 1회, 유인 3회)에 대한 2025년까지의 프로그램 총 비용을 최소 410억 달러로 추정했다.
2012년 9월, SLS 부프로젝트 매니저는 SLS 프로그램의 적절한 목표 평균 비행 비용은 5억 달러라고 말했다. 그러나 2013년, 스페이스 리뷰는 발사 속도에 따라 발사 비용을 50억 달러로 추산했다.
2018년 10월, NASA 감사관실은 보잉 코어 스테이지 계약이 2018년 8월 기준으로 SLS에 지출된 119억 달러의 40%를 차지했다고 보고했다. 2021년까지 코어 스테이지 개발 비용은 당초 계획 금액의 두 배인 89억 달러가 될 것으로 예상되었다.
2019년 3월, 도널드 트럼프 행정부는 NASA에 대한 2020 회계 연도 예산 요청에서 SLS의 블록 1B 및 블록 2 변형에 대한 자금 지원 중단을 제안했지만, 의회의 조치로 결국 예산에 포함되었다.
2020년 5월 1일, NASA는 에어로젯 로켓다인에 18개의 RS-25 엔진과 관련 서비스를 17억 9천만 달러에 제조하는 계약 연장을 체결하여 총 RS-25 계약 가치를 거의 35억 달러로 늘렸다.
2009년 우주 왕복선 프로그램 종료 후, 오바마 행정부는 오거스틴 위원회를 소집하여 NASA의 미래 유인 우주 비행 사업을 평가했다. 위원회는 달과 화성 임무를 위해 설계된 NASA의 아레스 V 로켓은 지속 불가능하며 취소해야 한다고 결론 내렸다.
이에 2011년, 의회는 SLS 개발을 의무화했다. 이 프로그램은 다양한 지역과 이익이 혜택을 받도록 보장하고 기존 우주 왕복선 계약자에게 일자리와 계약을 유지하는 복잡한 정치적 타협의 결과였다.
거의 즉시, 하원 의원 톰 맥클린톡은 미국 정부 책임 감사원에 SLS에 우주 왕복선 부품을 사용해야 한다는 요구 사항이 비경쟁적이며 기존 공급업체에 계약을 보장한다고 주장하며 계약 경쟁법 위반 가능성을 조사할 것을 요구했다.
오바마 행정부의 2014년 예산은 SLS를 취소하고 우주 수송을 상업 회사에 넘길 것을 요구했다. 백악관은 NASA 부국장 로리 가버, 우주 비행사 샐리 라이드 및 기타 전문가를 보내 SLS 프로그램이 너무 느리고 낭비적이라고 주장했지만, 쉘비와 넬슨 상원 의원은 프로그램을 삭감하려는 노력을 막았다. NASA에서 은퇴한 후 가버는 SLS 취소를 권고했다.
트럼프 행정부 동안 NASA 행정관 짐 브라이든스타인은 상원 위원회에 SLS 대신 팰컨 헤비 또는 델타 IV 헤비 로켓을 사용하여 오리온을 발사하는 것을 고려하고 있다고 제안했다가, 쉘비 상원 의원과의 회의에 소환되어 사임 압력을 받았다고 한다.
2019년, 미국 정부 회계 감사원(GAO)은 NASA가 계약업체 보잉의 성과를 긍정적으로 평가했지만, 프로젝트는 비용 증가와 지연을 겪었다고 지적했다. NASA 감사관실의 2020년 3월 보고서에 따르면 NASA는 SLS 부스터와 관련된 8억 8,900만 달러의 비용을 이전했지만, SLS 예산을 이에 맞춰 업데이트하지 않아 2019 회계 연도에 예산 초과가 15%로 유지되었다.
5.2. 대안 부재 및 상업적 발사체와의 경쟁
2009년, 오거스틴 위원회는 달 탐사를 위해 상업용 75ton 발사체를 제안했다. 2011년부터 2012년까지 우주 접근 협회, 우주 프론티어 재단, 행성 협회는 SLS가 NASA 예산에서 다른 프로젝트의 자금을 소모할 것이라고 주장하며 이 프로젝트의 취소를 요구했다. 미국 하원의 다나 로라바커 의원 등은 SLS 프로그램의 대안으로 궤도 추진제 저장소 개발 및 상업 승무원 개발 프로그램의 가속화를 제안했다.
공개되지 않은 NASA 연구와 조지아 공과대학교의 연구는 이러한 접근 방식이 비용을 절감할 수 있다고 밝혔다. 2012년, 유나이티드 런치 얼라이언스 역시 필요에 따라 궤도 조립 및 추진제 저장소를 갖춘 기존 로켓을 사용할 것을 제안했다. 2019년, 전 ULA 직원은 보잉이 궤도 연료 보급 기술을 SLS에 대한 위협으로 간주하고 이 기술에 대한 투자를 막았다고 주장했다. 2010년, 스페이스X의 CEO 일론 머스크는 그의 회사가 잠재적인 상단 업그레이드를 포함하지 않고, 140ton 탑재량 범위의 발사체를 25억 달러, 즉 발사당 3억 달러(2010년 기준)에 건설할 수 있다고 주장했다.
전 NASA 관리자 찰리 볼든은 2020년 9월 폴리티코와의 인터뷰에서 SLS가 미래에 대체될 수 있다고 밝혔다. 볼든은 "SLS는 사라질 것입니다... 왜냐하면 언젠가 상업적 기업들이 따라잡을 것이기 때문입니다."라고 말했다. 볼든은 또한 "그들은 NASA가 SLS로 할 수 있는 것보다 훨씬 저렴한 가격으로 비행할 수 있는 SLS와 유사한 대형 발사체를 실제로 만들 것입니다. 그렇게 작동하는 방식입니다."라고 말했다.