록히드 마틴 X-33

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1. 개요
2. 역사와 제작 배경
3. 설계 및 기술적 특징
4. 참여 기관 및 기업
5. 경쟁 기종
- 5.1. 록웰
- 5.2. 맥도넬 더글러스
6. 상업적 우주 비행으로의 연계 (벤처스타)
참조

1. 개요

록히드 마틴 X-33은 NASA의 SLI 계획에 따라 개발된 재사용 우주 발사체(RLV)의 시험 비행체로, 단일 단계 궤도 진입(SSTO) 기술을 시험하기 위해 설계되었다. 1990년대 중반 록히드 마틴, NASA, 로크웰이 참여하여 개발되었으며, 1999년 첫 시험 비행과 2005년 페이로드 발사를 목표로 했으나, 에어로스파이크 엔진과 연료 탱크 문제로 2001년 개발이 중단되었다. 개발 중단 이후, X-33 개발 자료는 X-34 및 벤처스타 개발에 활용되었으며, 액체 수소 탱크 기술 개발에도 영향을 미쳤다. X-33은 리프팅 보디 형태, 복합 다엽 액체 연료 탱크, 에어로스파이크 엔진을 특징으로 하며, 무인 기체로 에드워드 공군 기지에서 수직 발사 후 활주로에 수평 착륙하는 방식으로 시험 비행이 계획되었다.

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록히드 마틴 X-33
개요
종류	무인 재사용 우주왕복선 기술 시연기
제작사	록히드 마틴
원산지	미국
총 비용	NASA 9억 2,200만 달러 + 록히드 마틴 3억 5,700만 달러
상태	취소됨
기체 정보
X-33 상상도
높이	20m
질량	129,274kg
단수	1단
엔진 정보
엔진	2 XRS-2200 선형 에어로스파이크
추력	1,823kN
연료	LOX/LH2

2. 역사와 제작 배경

1994년 NASA는 우주 왕복선의 후계 기종으로 단일 단계 궤도 투입기(SSTO)인 벤처스타 개발을 검토했다. 벤처스타 개발에는 새로운 로켓 엔진과 내열 소재 연구가 필요했고, 이를 위해 2분의 1 크기의 무인 실험기 X-33을 설계했다.

X-33은 리프팅 보디 형태였기 때문에 주익이 없었고, 수직 꼬리 날개 2개와 V자형 꼬리 날개 2개를 갖추고 있었다. 엔진은 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 리니어 에어로스파이크 엔진이었다. 수직으로 이륙하여 수평 비행으로 착륙하는 방식이었다. 에드워드 공군 기지에 전용 시설을 건설하여 시험 발사를 할 예정이었으며, 15회의 비행이 계획되어 있었다. 실험기였기 때문에 궤도 도달 능력은 갖추지 않을 예정이었다. 또한, 우주 왕복선보다 높은 신뢰성을 목표로 했다.

2. 1. 초기 NASA의 계획 (1994)

1994년, NASA는 SLI 계획의 일환으로 저비용 발사체 개발과 새로운 로켓 개발을 목표로 설정하였다.^[23] 이 계획에 따라 X-33이 최종 후보로 선정되었으며, 록히드마틴, NASA, 로크웰이 개발사로 선정되었다.^[24] NASA는 9.22억달러, 록히드마틴은 3.57억달러를 투자하여 1999년 첫 시험 비행, 2005년 페이로드 발사를 계획하였다.^[25] 각 개발사는 3개의 설계도와 디자인을 제출하였고, 록히드마틴의 설계도와 디자인이 최종 선정되었다.^[26]

2. 2. RLV 프로그램의 목표와 진행 (1996-1999)

1996년 NASA는 록히드 마틴과 X-33 개발 계약을 체결하며, 본격적으로 RLV(Reusable Launch Vehicle, 재사용 발사체) 프로그램을 진행하였다. RLV 프로그램의 주요 목표는 다음과 같았다.^[5]

"상당히 낮은 비용으로 화물을 운송할 수 있는 차세대 우주 부스터로 이어지는 기술을 시연한다"
"미국 항공우주 제조업체가 글로벌 시장에서 더 경쟁력을 갖도록 할 고급 상업용 발사 시스템 개발을 위한 기술 기반을 제공한다"

D. 골딘 NASA 국장은 RLV 프로그램에 대해 "수개월이 아닌 며칠 만에, 수천 명이 아닌 수십 명의 인원으로 운영할 수 있는 차량을 만들고, 현재의 10분의 1 가격으로 발사 비용을 절감하는 것"이 목표라고 밝혔다. 구체적으로 "1파운드의 화물을 궤도에 올리는 비용을 10000USD에서 1000USD로 줄이는 재사용 발사체"를 개발하는 것이었다.^[5]

1999년까지 NASA는 약 80%의 예산을 투자하고, 나머지 예산은 협력 업체가 부담하여 총 10억달러가 투자되었다.^[5]

2. 3. 개발 중단 (2001)

에어로스파이크 엔진과 연료 탱크 문제 등으로 개발에 난항을 겪으면서,^[27]^[28] X-33 계획은 2001년 2월에 공식적으로 취소되었다.^[6] 취소 당시 프로토타입은 약 85% 조립되었고, 부품의 96%와 발사 시설은 100% 완성된 상태였다.^[3]

특히, 복합 액체 수소 연료 탱크는 1999년 11월 시험 중 실패했다. 이 탱크는 무게를 줄이기 위해 벌집 복합 벽과 내부 구조로 제작되었다. 단일 단계 궤도 진입(SSTO) 작전에 필요한 기술을 시연하려면 더 가벼운 탱크가 필요했다. 수소 연료 SSTO 우주선의 추진제 질량비는 연료를 채우지 않은 차량의 건조 중량이 연료를 완전히 채운 무게의 10%가 되어야 했다. 이것은 우주 왕복선에서 사용되는 것과 같은 외부 부스터 및 연료 탱크 없이 차량이 저궤도로 비행할 수 있게 해준다. 그러나 연료 주입 및 압력 테스트 중 시험대에서 복합 탱크가 실패한 후, NASA는 당시의 기술이 그러한 설계에 충분히 진보하지 못했다는 결론을 내렸다. 복합 탱크 벽 자체가 가벼웠지만, 공기역학적 몰드라인 내부에 맞도록 필요한 수소 탱크의 형태는 복잡한 접합부를 초래하여 복합 탱크의 총 질량을 알루미늄 기반 탱크보다 높게 만들었고, SSTO 차량에 너무 무거웠다.^[7]

NASA는 이 프로젝트에 9.22억달러를 투자했고, 록히드 마틴은 3.57억달러를 투자하였으나, 결국 개발은 중단되었다.^[25] 글로벌스타, 텔레데식, 이리듐과 같은 기업이 직면한 과제와 연간 예상 상업 위성 발사 횟수의 감소를 포함한 우주 발사 사업의 변화로 인해, 록히드 마틴은 정부 지원 없이 X-33의 개발을 계속하는 것이 수익성이 없을 것이라고 결론 내렸다.

X-33 개발 자료는 개발 중단 이후 X-34와 벤처스타 개발에 중요한 자료로 활용되었다.^[29]

2. 4. 개발 중단 이후

록히드 마틴은 2009년 2m 크기의 X-33 모델을 만들어 실험했지만 실패했다.^[29]

2004년, 노스롭 그러먼은 컨스텔레이션 프로그램의 초기 작업으로 간단한 원통형 복합 저온 수소 탱크를 성공적으로 제작하고 테스트했다.^[8] 2001년 사업 취소 이후, 엔지니어들은 탄소 섬유 복합재로 작동하는 액체 산소 탱크를 만들 수 있었다.^[12] 시험 결과 복합재가 액체 산소 탱크에 적합한 재료임이 입증되었다.^[13]

3. 설계 및 기술적 특징

X-33은 단일 단계 궤도 진입(SSTO) 설계의 실용성을 시험하기 위해 설계되었다. 미국 항공우주국(NASA)과 록히드 마틴은 리프팅 보디 형태, 복합 다엽 액체 연료 탱크, 에어로스파이크 엔진을 사용하여 단일 단계로 궤도에 도달할 수 있는 우주선의 가능성을 시험하고자 했다. 이러한 설계를 통해 저궤도(LEO)에 도달하기 위해 외부 연료 탱크나 부스터가 필요 없어, 우주왕복선과 같은 기존 발사체보다 더 신뢰성 있고 안전한 우주 발사체가 될 것으로 기대되었다. X-33은 비행기 수준의 안전성에는 미치지 못했지만, 1,000번 발사 중 3번의 사고(0.997 신뢰성)를 목표로 하여, 우주왕복선보다 한 자릿수 더 높은 신뢰성을 갖는 것을 목표로 했다.

1990년대 NASA는 우주 왕복선의 후계 기종으로 단일 단계 궤도 투입기(SSTO)를 구상하여, 벤처스타라고 불리는 우주 왕복기 개발 검토가 이루어졌다. 벤처스타 개발에는 새로운 로켓 엔진과 내열 소재의 신규 연구가 필요했고, 2분의 1 스케일의 무인 실험기를 설계했는데, 이 무인 실험기가 X-33이다.

X-33은 리프팅 보디 형태, 리니어 에어로스파이크 엔진, 수직 이륙 및 수평 착륙 방식을 사용한다.

3. 1. 리프팅 보디

X-33은 주익이 없는 리프팅 보디 형태이며, 수직 꼬리 날개 2개와 V자형 꼬리 날개 2개를 갖추고 있다.^[21] 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 리니어 에어로스파이크 엔진으로 수직 이륙을 하고, 수평 비행으로 착륙한다. 에드워드 공군 기지에 전용 시설을 건설하여 15회의 시험 비행이 계획되어 있었으나,^[21] 실험기이기 때문에 궤도 도달 능력은 없었다. 또한, 우주왕복선보다 높은 신뢰성을 목표로 했다.

3. 2. 추진 시스템: 에어로스파이크 엔진

X-33은 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 리니어 에어로스파이크 엔진 2기를 탑재할 예정이었다.^[21] 이 엔진은 수직 이륙 및 수평 착륙 방식으로 작동될 예정이었다.^[21]

3. 3. 시험 비행 계획

무인 기체는 에드워드 공군 기지에 특별히 설계된 시설에서 수직으로 발사되어, 임무 종료 시 활주로에 수평으로 착륙(VTHL)할 예정이었다. 초기 준궤도 시험 비행은 에드워드 공군 기지에서 솔트레이크시티, 유타 남서쪽에 있는 더그웨이 시험장까지 계획되었다.^[10]

더 높은 속도와 고도에서 기체 가열 및 엔진 성능에 대한 보다 완전한 데이터를 수집하기 위해, 에드워드 공군 기지에서 몬태나주, 그레이트 폴스에 있는 말름스트롬 공군 기지까지 추가 비행 시험이 수행될 예정이었다.

X-33은 75.8 km 고도까지 15번의 준궤도 비행을 할 예정이었다.^[10] 로켓처럼 똑바로 발사되어 직선 비행 경로가 아닌, 비행의 절반은 대각선으로 상승하여 극도로 높은 고도에 도달한 다음, 나머지 비행에서는 활주로로 활공하여 내려올 예정이었다.

X-33은 100 km 이상의 고도로 비행하거나 궤도 속도의 절반보다 빠르게 비행할 의도가 전혀 없었다.

4. 참여 기관 및 기업

참여 기관 및 기업
NASA
록히드 마틴
로크웰

5. 경쟁 기종

NASA, 록히드 마틴, 로크웰, 맥도넬 더글러스를 포함한 다섯 개 회사가 X-33 개념을 제안했다. 이 중 록히드 마틴, 로크웰, 맥도넬 더글러스가 더 자세한 제안서를 제출하도록 선정되었다.^[16]

5. 1. 록웰

NASA, 록히드 마틴, 로크웰 등 다섯 개 회사가 X-33 개념을 제안했다. 이 중 록히드 마틴, 로크웰, 맥도넬 더글러스가 더 자세한 제안서를 제출하도록 선정되었다.^[16]

로크웰은 우주 왕복선에서 파생된 설계를 제안했다.^[17] 이 설계는 우주 왕복선 주 엔진(SSME) 1개와 RL-10-5A 엔진 2개를 사용할 예정이었다.^[18] 이후 궤도 진입을 위한 본격적인 시스템에서는 록웰이 로켓다인 RS-2100 엔진 6개를 사용할 계획이었다.^[18]

5. 2. 맥도넬 더글러스

맥도넬 더글러스는 수직 이착륙 DC-XA 시험 비행체를 기반으로 액체 산소/수소 벨 엔진을 사용하는 설계를 제안했다.^[6] 주 추진 시스템으로는 단일 SSME를 사용할 예정이었다.^[18]^[19]

6. 상업적 우주 비행으로의 연계 (벤처스타)

록히드 마틴은 X-33의 경험을 바탕으로 상업적 수단을 통해 개발 및 운영될 완전한 규모의 단일 단계 궤도 투입기(SSTO) RLV인 벤처스타의 사업 타당성을 확보하고자 했다. NASA는 우주 왕복선처럼 우주 수송 시스템을 직접 운영하는 대신, 민간 기업이 재사용 발사체를 운영하고 NASA는 발사 서비스를 구매하는 방식을 구상했다. 벤처스타는 대륙 간 장거리 비행을 위해 설계되었으며 2012년까지 운행될 예정이었지만, 자금 지원 문제로 인해 실제로 개발되지는 못했다.

참조

_[1] 웹사이트 X-33 http://www.astronaut[...] Encyclopedia Astronautica 2015-02-25
_[2] 문서 Wikisource:X-33 Advanced Technology Demonstrator
_[3] 웹사이트 Lockheed Martin X-33 http://www.nasa.gov/[...] 2016-03-30
_[4] 뉴스 Reusable rocket plane soars in test flight http://www.nbcnews.c[...] NBC News 2009-10-15
_[5] 웹사이트 Reusable Launch Vehicle http://spinoff.nasa.[...]
_[6] 웹사이트 X-33 Proposal by McDonnell Douglas - Computer Graphic https://www.dvidshub[...]
_[7] 웹사이트 X-33/VentureStar — What really happened http://www.nasaspace[...] NASA Space Flight 2006-01-04
_[8] 웹사이트 "Northrop Grumman, NASA Complete Testing of Prototype Composite Cryogenic Fuel Tank" http://news.northrop[...] 2004-09-07
_[9] 웹사이트 X-33 Launch Complex (Area 1-54) http://www.wpafb.af.[...] USAF 2011-06-30
_[10] 웹사이트 Environmental Impact Statement, Notice of Intent 96-118 http://www.hq.nasa.g[...] NASA 1996-10-07
_[11] 웹사이트 The Policy Origins of the X-33 http://www.hq.nasa.g[...] NASA 1998-09-23
_[12] 웹사이트 Subscale Composite Liquid Oxygen Tank Testing https://ntrs.nasa.go[...] 2001
_[13] 웹사이트 Oxygen Compatibility Testing of Composite Materials https://ntrs.nasa.go[...] 2001
_[14] 뉴스 Northrop Grumman, NASA Complete Testing of Prototype Composite Cryogenic Fuel Tank http://news.northrop[...] Northrop Grumman 2004-09-07
_[15] 웹사이트 An update on composite tanks for cryogens http://www.composite[...] 2005-11
_[16] 웹사이트 X-33 http://www.astronaut[...]
_[17] 문서 Rockwell International X-33 Technology Demonstrator Proposal https://www.nasa.gov[...]
_[18] 웹사이트 RAND 1995 Project Air Force Workshop on transatmospheric vehicles - chapter 3 https://www.rand.org[...]
_[19] 문서 Full 1995 RAND TAV workshop proceedings https://www.rand.org[...]
_[20] 웹사이트 X-33 Advanced Technology Demonstrator http://www.nasa.gov/[...] NASA 2012-06-03
_[21] 웹사이트 X-33 Launch Complex (Area 1-54) http://www.wpafb.af.[...] USAF 2011-03-06
_[22] 웹사이트 X-33/VentureStar - What really happened http://www.nasaspace[...] NASASpaceFlight.com 2011-03-06
_[23] 웹인용 Space Access and Technology https://spinoff.nasa[...] 2018-07-26
_[24] 웹인용 X-33 Contractor Design Proposals https://www.dvidshub[...] 2018-07-26
_[25] 웹인용 Space Access and Technology https://spinoff.nasa[...] 2018-07-26
_[26] 웹인용 X-33 Contractor Design Proposals https://www.dvidshub[...] 2018-07-26
_[27] 웹인용 X-33 Proposal by McDonnell Douglas - Computer Graphic https://www.dvidshub[...] 2018-07-26
_[28] 문서 벤처스타도 이 엔진 때문에 발목이 잡혀서 취소된다.
_[29] 웹인용 Space Access and Technology https://spinoff.nasa[...] 2018-07-26

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