우주왕복선 궤도선
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1. 개요
우주왕복선 궤도선은 1977년부터 2011년까지 사용된 우주왕복선의 핵심 구성 요소이다. 총 6대가 제작되었으며, 이 중 시험 비행만 한 엔터프라이즈를 제외한 5대가 총 135번의 우주 비행을 수행했다. 궤도선은 발사 중량 110톤에 24.31톤의 화물을 탑재할 수 있었으며, 컬럼비아와 챌린저는 임무 중 사고로 파괴되었다. 디스커버리, 아틀란티스, 엔데버는 퇴역 후 박물관에 전시되었다.
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- 우주왕복선 - 챌린저 우주왕복선
챌린저호는 NASA의 우주왕복선으로, 구조 시험용 기체를 개조하여 제작되었으며, 향상된 성능과 새로운 시스템을 탑재하고 10차례 임무를 수행했으나, 1986년 발사 직후 폭발 사고로 승무원 7명 전원이 사망하는 비극을 겪었다. - 우주왕복선 - 디스커버리 우주왕복선
디스커버리 우주왕복선은 탐험선의 전통을 잇는 NASA의 우주왕복선으로, 허블 우주 망원경 발사, 국제 우주 정거장과의 최초 도킹 등 39회의 임무를 수행하며 가장 많은 비행 횟수를 기록했고 챌린저호와 컬럼비아호 사고 이후 재비행 임무를 맡았으며, 마지막 임무 후 퇴역하여 현재는 스미스소니언 협회에 전시되어 있다.
| 우주왕복선 궤도선 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 제조사 | 록웰 인터내셔널 (North American Aircraft Operations) |
| 국가 | 미국 |
| 용도 | 유인 및 화물 우주 비행기 |
| 종류 | 유인, 재사용 가능 |
| 운용 기관 | NASA |
| 상태 | 퇴역 |
| 제작 대수 | 6대 |
| 발사 대수 | 5대의 궤도선 135회 임무 |
| 손실 대수 | 2대의 궤도선 |
| 제원 | |
| 성능 | |
| 탑재 용량 | 저궤도 |
| 궤도 | 저궤도 |
| 역사 | |
| 최초 발사 | STS-1 (1981년 4월 12일) |
| 마지막 발사 | STS-135 (2011년 7월 8일) |
| 마지막 퇴역 | STS-135 (2011년 7월 21일) |
2. 역사
우주왕복선은 1977년부터 2011년까지 사용되었으며, 우주왕복선 외부 연료 탱크, 추력 1200톤의 우주왕복선 고체 로켓 부스터 2개로 구성되어 있다.[2] 6대의 궤도선이 제작되었으며, 이 중 2대는 임무 중 폭발했다.
발사 중량은 110톤, 화물 탑재량은 24.31톤이다. 110톤의 인공위성을 지구 저궤도로 발사할 수 있는 우주로켓은 거의 없는데, 닐 암스트롱을 달에 착륙시킨 새턴 5호 로켓이 118톤의 인공위성을 발사할 수 있었다. 이는 우주왕복선 130회 발사가 새턴 5호 130회 발사와 맞먹는 규모임을 보여준다. 참고로 나로호의 1단 엔진 추력은 170톤, 새턴 5호는 3400톤이었다.
궤도선은 8인승이지만 주로 7명이 탑승했다. 2011년 이후 9년 동안 러시아 소유스 우주선을 사용하다가, 2020년 11월 16일 리질리언스 우주선 발사에 성공했다. 리질리언스 우주선은 7인승이지만 4명이 탑승했으며, 팰컨9 블록5 로켓으로 발사했다. 1단 엔진 추력은 760톤이다.
맥도넬 더글러스 DC-9와 비슷한 크기[2]의 우주왕복선 궤도선은 비행기와 유사하게 설계되었으며, 표준적인 동체와 두 개의 이중 삼각익을 가지고 있다. 두 날개는 안쪽 앞전에서 81도, 바깥쪽 앞전에서 45도의 각도로 후퇴익을 이루고 있었다. 궤도선의 수직 안정판은 45도 각도로 후퇴한 앞전을 가지고 있었다. 델타익의 뒷전에는 4개의 승강타가, 수직 안정판의 뒷전에는 방향타와 스피드 브레이크 조합이 부착되어 재진입 후반부에서 궤도선을 제어했다.
궤도선의 주 계약자는 록웰 인터내셔널이었으며, 여러 하청업체들이 부품 제작에 참여했다. 최종 조립은 캘리포니아주 팜데일 근처의 미국 공군 제42공장에서 수행되었다.[5]
NASA에서는 걸프스트림 II를 개조한 셔틀 훈련기로 착륙 훈련을 실시했다.[2]
2. 1. 개발 및 제작
우주왕복선 궤도선은 총 6기가 제작되었으며, 모두 록웰 인터내셔널에서 생산되었다. 록웰 인터내셔널은 남부 캘리포니아를 거점으로 한다.
- ''엔터프라이즈'': 1977년에 보잉 747 여객기를 개조한 셔틀 수송기에 실려 활공 및 착륙 시험에 사용되었다. 실제로 우주 비행을 하지는 않았지만, 다른 우주왕복선의 개발에 기여했다.
- ''컬럼비아'': 1981년에 발사된, 우주 비행을 수행한 최초의 우주왕복선이다. 2003년 대기권 재진입 중 컬럼비아호 공중 분해 사고로 손실되었다.
- ''챌린저'': 1983년에 첫 비행을 했다. 1986년 챌린저호 폭발 사고로 손실되었다.
- ''디스커버리'': 1984년에 첫 비행을 했다.
- ''애틀랜티스'': 1985년에 첫 비행을 했다.
- ''엔데버'': 챌린저호 폭발 사고 이후 챌린저를 대체하기 위해 건조되어 1992년에 첫 비행을 했다.
2. 2. 운용
총 6대의 궤도선이 제작되었다: 엔터프라이즈, 컬럼비아, 챌린저, 디스커버리, 애틀란티스, 엔데버.[2] 이 중 엔터프라이즈는 시험 비행만 수행했고, 나머지 5대는 실제로 우주로 발사되었다.[2]엔터프라이즈는 1977년에 보잉 747 여객기를 개조한 셔틀 수송기에 실려 활공, 착륙 시험에 사용되었고, 실제로 우주 비행을 하는 다른 우주왕복선에 도움이 되었다.
컬럼비아는 1981년에 발사된 우주 비행을 수행한 최초의 우주왕복선이다. 챌린저, 디스커버리, 애틀란티스는 각각 1983년, 1984년, 1985년에 첫 비행을 했다. 1986년 챌린저호 폭발 사고로 챌린저가 손실되었고, 엔데버가 대체기로 건조되어 1992년에 처음 발사되었다. 2003년에는 컬럼비아호 공중 분해 사고로 컬럼비아가 손실되었다.
2011년 7월 8일 STS-135 (애틀란티스) 임무를 마지막으로 우주왕복선 프로그램은 종료되었다.
3. 구조 및 기능
맥도넬 더글러스 DC-9와 비슷한 크기의 우주왕복선 궤도선은 비행기와 유사한 설계에 이중 삼각익을 가지고 있다. 두 날개는 안쪽 앞전에서 81도, 바깥쪽 앞전에서 45도의 각도로 후퇴익을 이루고 있으며, 수직 안정판은 45도 각도로 후퇴한 앞전을 가지고 있다. 델타익의 뒷전에는 4개의 승강타가, 방향타와 스피드 브레이크 조합은 수직 안정판의 뒷전에 부착되어 있다. 이러한 장치들은 주 엔진 아래의 가동식 보디 플랩과 함께 재진입 후반부에서 궤도선을 제어했다.
궤도선의 주 계약자는 록웰 인터내셔널이었으며, 여러 하청업체들이 제작에 참여했다. 최종 조립은 캘리포니아주 팜데일 근처의 미국 공군 제42공장에서 수행되었다.[5]
궤도선의 비행 갑판(조종석)에는 원래 2,214개의 제어 장치와 디스플레이가 있었는데, 이는 아폴로 사령선보다 약 3배 더 많은 수치였다. 승무원 객실은 비행 갑판, 중간 갑판 및 유틸리티 구역으로 구성되었다. 비행 갑판에는 우주왕복선 사령관과 조종사가 영구 고정된 좌석에 앉았고, 최대 2명의 임무 전문가가 그 뒤에 접이식 좌석에 앉았다.[8]
비행 갑판 아래의 중간 갑판에는 최대 3개의 추가 접이식 좌석을 설치할 수 있었다.[9] 갤리(조리시설), 화장실, 수면 공간, 보관함, 궤도선 출입을 위한 측면 해치, 에어록도 중간 갑판에 있었다. 에어록에는 탑재 화물칸으로 이어지는 추가 해치가 있었으며, 우주복 (EMU)을 착용한 2~3명의 우주 비행사가 우주 유영 (EVA) 전후에 감압 및 가압을 할 수 있었다.
유틸리티 구역은 중간 갑판 아래에 위치했으며, 이산화탄소 제거기 시스템, 공기 및 물 탱크가 있었다.
3. 1. 내열 시스템
궤도선은 마하 23으로 대기권을 재진입하기 때문에, 타지 않고 버티는 것이 중요하다. 우주왕복선 내열 시스템 참조.
우주왕복선 궤도선은 궤도선의 외부 표면부터 화물칸까지 내외부에 열 보호 시스템(TPS, 록웰 우주 시스템에서 개발) 재료로 보호되었다.[15][16] 이 시스템은 우주에서의 -121°C의 저온에서부터 재진입 시 1649°C의 고온까지 보호했다. 궤도선의 가장 바깥층을 구성하는 타일 재료는 대부분 순수한 실리카 섬유 내부에 포함된 공기로 이루어져 내화 단열에 효율적이었고, 열을 흡수하여 다시 공중으로 되돌려 보냈으며, 규소 붕소와 붕규산 유리로 덮여 있었다. 더 검은색 타일은 하부 표면을 덮고 있었고, 더 흰색 타일은 꼬리, 상부 날개 일부, 승무원 객실 표면, 그리고 화물칸 도어의 바깥쪽을 덮었다. 노즈 캡, 노즈 랜딩 기어 도어, 그리고 선두 가장자리는 강화 탄소-탄소로 만들어졌으며, 이는 레이온에 흑연 충전 수지를 함침시키고 탄화 규소로 코팅한 것이다.[17] 타일이 아닌 상부의 흰색 재료는 대부분 실리콘이 풍부한 엘라스토머로 코팅된 노멕스 펠트 또는 테플론으로 덮인 직조 실리카 섬유인 베타 천으로 만들어졌다. 이는 특히 화물칸 내부에서 그러했다.[18][19][20][16]
3. 2. 추진 시스템
궤도선은 3개의 우주왕복선 주 엔진(SSME)과 2개의 궤도 기동 시스템(OMS) 엔진을 사용하여 궤도 조정 및 자세 제어를 수행했다. 발사 시에는 2개의 고체 로켓 부스터(SRB)가 추가적인 추력을 제공했다.[10][11]우주왕복선 주 엔진(SSME) 3개는 궤도선 후방 동체에 정삼각형 형태로 장착되었다. 이 액체 연료 엔진 3개는 로켓 추진으로 궤도선이 상승하는 동안 추진력의 방향을 바꾸기 위해 수직으로 10.5도, 수평으로 8.5도 추력 벡터링될 수 있었다. 따라서 이 엔진들은 전체 우주왕복선을 조종했을 뿐만 아니라 궤도를 향한 로켓 추력도 제공했다. 후방 동체에는 보조 동력 장치(APU) 3개도 있었다. APU는 히드라진 연료를 액체 상태에서 기체 상태로 화학적으로 변환하여, 전산화된 비행 제어 하에서 주 액체 연료 로켓 엔진 3개의 방향을 지정하는 유압 하위 시스템을 포함한 모든 유압 시스템에 압력을 공급하는 유압 펌프에 동력을 공급했다. 생성된 유압은 궤도선의 모든 비행 제어면 (엘레본, 방향타, 속도 브레이크 등)을 제어하고, 궤도선의 착륙 장치를 배치하고, 궤도선의 SSME에 외부 탱크에서 액체 수소와 산소를 공급하는 후방 착륙 장치 근처에 위치한 연결 호스 도어를 철회하는 데에도 사용되었다.
궤도 기동 시스템(OMS) 추력기 2개는 궤도선 후방 동체, SSME와 수직 안정 장치 사이에 위치한 탈착식 포드 2개에 각각 장착되었다. OMS 엔진은 삽입, 원형화, 이동, 랑데부, 궤도 이탈, 궤도 이탈 및 1회 공전 후 비상 착륙을 포함한 주요 궤도 기동을 위한 상당한 추력을 제공했다.[10] 발사 시에는 고체 로켓 부스터(SRB) 2개가 사용되어 차량을 약 140,000피트 고도까지 올렸다.[11]
3. 3. 자세 제어 시스템
반응 제어 시스템(RCS)은 44개의 소형 액체 연료 로켓 추력기와 매우 정교한 플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템으로 구성되었으며, 계산 집약적인 디지털 칼만 필터링을 사용했다. 이 제어 시스템은 발사, 궤도 비행 및 재진입의 모든 비행 단계에서 피치, 롤 및 요 축을 따라 일반적인 자세 제어를 수행했다. 또한 이 시스템은 궤도의 고도, 궤도면 및 이심률의 모든 변경을 포함하여 필요한 모든 궤도 기동을 수행했는데, 이는 단순한 자세 제어보다 더 많은 추력과 추력량을 필요로 하는 작업이었다.[6]
우주왕복선 궤도선의 코 근처에 위치한 반응 제어 시스템의 전방 로켓에는 14개의 주 RCS 로켓과 2개의 버니어 추력기 RCS 로켓이 포함되었다. 후방 RCS 엔진은 궤도선 후방의 두 개의 궤도 기동 시스템(OMS) 포드에 위치했으며, 각 포드에는 12개의 주(PRCS) 엔진과 2개의 버니어(VRCS) 엔진이 포함되었다. PRCS 시스템은 궤도선의 방향 제어를 제공했으며, VRCS는 국제 우주 정거장과의 랑데부, 도킹 및 분리 기동 또는 이전의 러시아 미르 우주 정거장과의 기동 중에 미세 기동에 사용되었다. RCS는 또한 공기가 충분히 밀집되어 방향타, 엘레본 및 동체 플랩이 효과를 발휘할 때까지 지구 대기권으로 재진입하는 동안 궤도선의 자세를 제어했다.[6]
궤도선의 OMS 및 RCS 연료는 모노메틸 히드라진(CH3NHNH2)이며, 산화제는 사산화 이질소(N2O4)이다. 이 특정 추진제 조합은 매우 반응성이 높으며 서로 접촉하면 자연 발화하는(초고성능) 특성을 가지고 있다. 이 화학 반응(4CH3NHNH2 + 5N2O4 → 9N2 + 4CO2 + 12H2O)은 엔진의 연소실 내에서 발생하며, 반응 생성물이 엔진 벨에서 팽창 및 가속되어 추력을 제공한다. 이러한 초고성능 특성으로 인해 이 두 화학 물질은 점화원 없이 쉽게 시작하고 다시 시작할 수 있으며, 이는 우주선 기동 시스템에 이상적이다.
궤도선의 초기 설계 과정에서 전방 RCS 추력기는 궤도선이 우주에 도달하면 열리는 개폐식 문 아래에 숨겨질 예정이었다. 그러나 RCS 도어가 열린 상태로 남아 재진입 중에 승무원과 궤도선을 위험에 빠뜨릴 수 있다는 우려로 인해 플러시 장착된 추력기를 선호하여 개폐식 문 설계는 생략되었다.[7]
3. 4. 전력 시스템
우주왕복선 궤도선의 하위 시스템에 대한 전력은 28볼트 직류 전력을 생산하고 115볼트 400 Hz 삼상 교류 전력으로 변환되는( 교류 전력을 사용하는 시스템의 경우) 세 개의 수소-산소 연료 전지 세트로 공급되었다.[12] 이 전력은 T-마이너스 3분 30초부터 임무 종료까지 전체 우주왕복선 스택(SRB 및 ET 포함)에 공급되었다. 연료 전지에 사용되는 수소와 산소는 페이로드 베이 라이너 아래 중간 동체에 있는 한 쌍의 극저온 저장 탱크에 보관되었으며, 임무 요구 사항에 따라 가변적인 수의 탱크 세트(최대 5쌍)를 설치할 수 있었다. 세 개의 연료 전지는 지속적으로 21kW의 전력을 생산할 수 있었으며(또는 15분 동안 36kW의 피크), 궤도선은 해당 전력의 평균 14kW를 소비했다(페이로드에 7kW 할당).또한, 연료 전지는 임무 중 승무원에게 식수를 제공했다.
3. 5. 컴퓨터 시스템
5개의 동일한 IBM AP-101 항공 전자 공학 컴퓨터가 중복 제어 시스템을 구성하여 우주왕복선을 제어했다. 우주왕복선 시스템에는 HAL/S 프로그래밍 언어가 사용되었다.[13][14]3. 6. 조종석 및 승무원 구역
조종석에는 우주왕복선 사령관과 조종사를 위한 좌석이 영구적으로 설치되어 있었고, 그 뒤에 최대 2명의 임무 전문가를 위한 접이식 좌석을 추가로 설치할 수 있었다.[8] 사령관과 조종사 뒤, 그 사이에 있는 4번 좌석에 앉은 임무 전문가는 상승 및 착륙 시 비행 엔지니어 역할을 했으며, CAPCOM으로부터 정보를 추적하고 이정표를 알렸다.비행 갑판 아래에 있는 중간 갑판에는 임무에 따라 최대 3개의 추가 접이식 좌석을 설치할 수 있었다.[9] STS-61-A 임무에는 4개의 좌석이 설치되었고, NASA는 비상 구조의 경우 최대 7개의 좌석을 설치하는 계획을 세웠지만 사용되지는 않았다(STS-400).
중간 갑판에는 갤리(조리시설), 화장실, 수면 공간, 보관함 및 궤도선 출입을 위한 측면 해치와 에어록이 있었다. 에어록에는 탑재 화물칸으로 이어지는 추가 해치가 있었다. 이 에어록을 통해 우주복 (EMU)을 착용한 2~3명의 우주 비행사가 우주 유영 (EVA) 전에 감압을 할 수 있었고, EVA 종료 후 다시 가압하여 궤도선으로 재진입할 수 있었다.
3. 7. 착륙 장치
우주왕복선 궤도선은 방열판의 문을 통해 아래로 나오는 세 세트의 착륙 장치를 가지고 있었다. 무게를 줄이기 위해, 착륙 장치는 일단 펼쳐지면 다시 집어넣을 수 없었다. 착륙 장치의 조기 전개는 (방열판 층을 통해 열렸기 때문에) 치명적인 결과를 초래할 가능성이 매우 높았으므로, 자동 시스템이 아닌 수동 제어 방식으로만 내릴 수 있었다.마찬가지로, 우주왕복선은 고속으로 착륙하며 착륙 시도를 중단할 수 없었기 때문에, 착륙 장치는 매번 첫 시도에서 안정적으로 전개되어야 했다. 착륙 장치는 삼중 중복 유압 시스템에 의해 잠금 해제되고 전개되었으며, 착륙 장치 도어는 착륙 장치 스트럿에 기계적으로 연결되어 작동했다. 세 개의 유압 시스템 모두가 해제 명령 후 1초 이내에 착륙 장치 업록을 해제하지 못하면, 화약 장약이 자동으로 잠금 후크를 잘라내고 스프링 세트가 착륙 장치를 전개했다.
착륙하는 동안, 우주왕복선의 앞바퀴는 조종석의 방향타 페달로 조종할 수 있었다. 더 쉽고 효과적인 앞바퀴 조종이 가능한 개선된 앞바퀴 조종 시스템이 개발되었다. ''엔데버''의 출고 후, 이 시스템은 1990년대 초반에 다른 우주왕복선들의 점검 중에 설치되었다.
3. 8. 항법등 부재
우주왕복선 궤도선은 충돌 방지 등, 항법등, 착륙등을 탑재하지 않았다. 궤도선은 항상 미국 연방 항공국(FAA)과 미국 공군의 특별한 승인을 받은 지역에 착륙했기 때문이다. 궤도선은 캘리포니아주에드워드 공군 기지 또는 플로리다주 케네디 우주 센터우주왕복선 착륙 시설에 착륙했으며, 뉴멕시코주화이트 샌즈 우주 항구에서 이루어진 STS-3 비행만 예외였다. 이와 유사한 특별 승인(비행 금지 구역)은 스페인과 서아프리카와 같은 비상 착륙 가능 지역에서도 모든 발사 동안 적용되었다.궤도선 야간 착륙 시에는 활주로가 지상에 설치된 투광 조명과 탐조등의 강한 빛으로 항상 밝게 비춰졌기 때문에 궤도선에 착륙등이 필요하지 않았고, 불필요한 우주 비행 중량 부하로 작용했다. 총 26번의 야간 착륙이 이루어졌으며, 최초의 야간 착륙은 1983년 9월의 STS-8이었다.[23]
4. 제원 (OV-105, 엔데버 기준)
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 전장 | 37.24m[34] |
| 전고 | 17.25m (착륙 시) |
| 날개폭 | 23.79m[34] |
| 공허 중량 | 약 78000kg (SSME 탑재 시)[34] |
| 최대 이륙 중량 | 110000kg[34] |
| 주 엔진 | 로켓다인 Block 2-A SSME 3기[34] |
| 최대 적재량 | 25060kg[34] |
| 운용 고도 | 190km ~ 960km[34] |
| 속도 | 7743m/s (27870kmh)[34] |
5. 우주왕복선 목록
개별 우주왕복선 궤도선들은 세계 해군의 고대 범선들의 이름을 따서 명명되었다. 테스트 궤도선 ''엔터프라이즈''는 원래 "''컨스티튜션''"으로 명명될 예정이었으나, ''스타 트렉''의 우주선의 이름을 따서 변경되었다. 이 우주선 자체는 일련의 미국 해군 함선의 이름을 따서 명명되었다. NASA 궤도선 차량 지정 시스템을 사용하여 번호가 매겨졌다. 아폴로 우주선에도 세 개의 이름(아폴로 11호 사령선 ''컬럼비아'', 아폴로 15호 사령선 ''엔데버'', 아폴로 17호 달 착륙선 ''챌린저'')이 부여되었다.
모든 궤도선은 외관상 거의 동일했지만, 내부에는 약간의 차이가 있었다. 새로운 궤도선(''디스커버리'', ''아틀란티스'', ''엔데버'')은 ''컬럼비아'' 또는 ''챌린저''보다 약간 더 많은 화물 적재 능력을 가지고 있었다.
우주왕복선 궤도선은 캘리포니아주 팜데일에 있는 록웰의 조립 시설에서 조립되었으며,[41] 연방 소유의 플랜트 42 단지에서 조립되었다.
각 NASA 우주왕복선 명칭은 접두사와 접미사로 구성되었다. 운용 우주왕복선의 접두사는 '''Orbiter Vehicle'''의 약자인 OV이다. 접미사는 시리즈와 차량 번호로 구성된다. 비행 준비가 안된 궤도선에는 "0"이, 비행 준비가 된 궤도선에는 "1"이 사용되었다. 차량 번호는 1부터 시작하여 시리즈 내에서 순차적으로 할당된다.
| 궤도선 차량 | 테스트 아티클 | ||
|---|---|---|---|
| 명칭 | 차량 | 명칭 | 차량 |
| OV-099 | 챌린저 | OV-095 | SAIL 모형 |
| OV-101 | 엔터프라이즈 | STA-096 | ECLSS 구조 테스트 아티클 |
| OV-102 | 콜롬비아 | STA-097 | 진동 음향 구조 테스트 아티클 |
| OV-103 | 디스커버리 | OV-098 | 패스파인더 |
| OV-104 | 아틀란티스 | MPTA-098 | 주 추진 시험 아티클 |
| OV-105 | 엔데버 | colspan="2" | | |
| colspan="4" | |
총 6기, ''엔터프라이즈'', ''컬럼비아'', ''챌린저'', ''디스커버리'', ''애틀랜티스'', ''엔데버''가 있으며, 전 기종이 남부 캘리포니아를 거점으로 하는 록웰 인터내셔널에서 생산되었다.
5. 1. 운용 궤도선
1985년 10월 3일–7일2011년 7월 8일–21일
1983년 4월 4일–9일
1986년 1월 28일
1981년 4월 12일–14일
2003년 1월 16일 – 2월 1일
1984년 8월 30일
2011년 2월 24일
1992년 5월 7일
2011년 5월 16일
