우주왕복선 외부 연료 탱크

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1. 개요

우주왕복선 외부 연료 탱크(ET)는 우주왕복선의 세 가지 주요 구성 요소 중 하나로, 액체 산소 탱크, 중간 탱크, 액체 수소 탱크로 구성된다. NASA는 우주왕복선의 효율성을 높이기 위해 ET의 무게를 줄이는 노력을 지속해왔으며, 초기에는 표준 중량 탱크(SWT)가 사용되었고 이후 경량 탱크(LWT)와 초경량 탱크(SLWT)가 개발되었다. SLWT는 알루미늄-리튬 합금을 사용하여 무게를 줄였으며, 우주왕복선이 국제 우주 정거장(ISS)에 더 많은 탑재체를 운송하는 데 기여했다. ET는 열 보호 시스템을 갖추고 있지만, 폼 단열재 탈락 문제로 인해 궤도선 손상 및 컬럼비아호 참사와 같은 사고가 발생하기도 했다. 우주왕복선 퇴역 이후에는 아레스 I, 아레스 V, 우주 발사 시스템(SLS) 등 차세대 발사체에 ET 기술이 활용될 예정이다.

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우주왕복선 외부 연료 탱크
개요
외부 탱크 No. 124는 STS-117 미션을 위해 솔리드 로켓 부스터를 부착하기 전에 수직 조립 빌딩의 하이 베이 1로 내려지고 있다.
제조사	NASA 미슈 조립 시설, 계약자: 마틴 마리에타, 이후 록히드 마틴
국가	미국
로켓	스페이스 셔틀
높이	46.9 m
직경	8.4 m
질량	762,000 kg
스페이스 셔틀 ET
엔진	3 RS-25 (궤도선에 장착)
추력	12,540 kN
연소 시간	510초
연료	액체 수소(LH₂)/액체 산소(LOX)

2. 역사

STS-1 발사. 처음 두 번의 발사에서는 ET가 흰색으로 도색되었지만, STS-3부터는 중량 감소를 위해 오렌지색으로 변경되었다.

우주왕복선 외부 연료 탱크(ET)는 우주왕복선을 구성하는 가장 큰 부품이자, 연료와 산화제를 탑재했을 때 가장 무거운 부분이다. ET는 발사 시 우주왕복선의 "척추" 역할을 하며, 고체 로켓 부스터(SRB)와 궤도선을 지지한다.

ET는 다음과 같은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

전방 액체 산소 탱크
전자 장비 대부분을 탑재하는 중간부 비가압 탱크
후방 액체 수소 탱크

NASA는 우주왕복선의 효율성을 높이기 위해 ET의 무게를 줄이는 데 힘썼다. ET의 무게를 약 0.45kg 줄일 때마다 우주왕복선의 탑재 능력이 약 약 0.45kg 향상되었다.^[6] 초기에는 자외선으로부터 탱크를 보호하기 위해 흰색 페인트가 칠해졌으나, STS-3부터는 무게를 약 272kg 줄이기 위해 칠하지 않았다.^[9]

2. 1. 초기 개발

초기 우주왕복선 외부 연료 탱크는 STS-1과 STS-2에 사용되었는데, 발사 전 발사대에 있는 동안 자외선으로부터 탱크를 보호하기 위해 흰색으로 칠해졌다.^[7] 그러나 NASA 엔지니어 파루크 후네이디는 페인트가 실제로 폼을 보호하지 않는다고 말했다.^[8] STS-3부터 제작사인 록히드 마틴은 녹슨 색상의 살포 단열재를 칠하지 않아 약 272kg을 절약했다.^[9]

원래의 외부 연료 탱크는 비공식적으로 표준 중량 탱크(Standard Weight Tank, SWT)로 알려졌으며, 항공우주 분야에 사용되는 고강도 2219 알루미늄 합금으로 제작되었다.

STS-4 이후에는 방지저선(anti-geyser line)이 제거되어 추가적인 경량화가 이루어졌다. 방지저선은 산소 공급 라인과 평행하게 위치하여 액체 산소의 순환 경로를 제공하는 역할을 했다. 이는 발사 전 탱크 충전(LOX 로딩) 중 공급 라인에 가스 상태 산소가 축적되는 것을 줄여주었다. 지상 시험 및 초기 우주 왕복선 임무에서 추진제 로딩 데이터를 평가한 후, 이후 임무를 위해 방지저선은 제거되었다. 외부 연료 탱크의 전체 길이와 직경은 변경되지 않았다. STS-7에서 사용된 마지막 SWT의 불활성 상태 중량은 약 35000kg이었다.

2. 2. 경량화 노력

NASA는 우주왕복선의 효율성을 높이기 위해 외부 연료 탱크(ET)의 무게를 줄이기 위해 노력했다. ET의 무게 감소는 우주왕복선의 화물 수송 능력을 거의 동일하게 증가시키는 결과를 가져왔다.^[6]

STS-6 임무부터 경량 탱크(LWT)가 도입되었다. 이 탱크는 대부분의 우주왕복선 비행에 사용되었으며, 컬럼비아 우주왕복선 참사를 일으킨 STS-107 임무 발사 때 마지막으로 사용되었다. LWT는 각각 약 30000kg의 불활성 질량을 가졌다.

LWT의 무게를 줄이기 위해 수소 탱크의 수직재(구조적 보강재) 일부를 제거하고, 보강 링의 수를 줄였으며, 주요 프레임을 수정했다. 또한, 탱크의 상당 부분을 밀링 방식으로 처리하여 두께를 줄였고, 더 강하고 가벼운 티타늄 합금을 사용하여 ET 후방 고체 로켓 부스터 부착 장치의 무게를 줄였다.

1998년 STS-91에서 처음 비행한 초경량 탱크(SLWT)는 STS-99와 STS-107을 제외한 모든 후속 임무에 사용되었다.^[10] SLWT는 LWT와 기본적으로 동일한 설계를 가졌지만, 탱크 구조의 상당 부분을 알루미늄-리튬 합금(Al 2195)을 사용했다. 이 합금은 LWT보다 탱크 무게를 약 3175kg 줄였다. 제조에는 마찰 교반 용접 기술이 적용되었다. SLWT 도입 이후 생산된 모든 ET는 이 구성이었지만, 셔틀 시대가 끝날 때까지 요청 시 사용하기 위해 하나의 LWT가 재고로 남아 있었다. SLWT는 셔틀이 국제 우주 정거장에 도달하는 데 필요한 성능 향상의 50%를 제공했으며,^[11] 무게 감소로 인해 궤도선은 ISS의 고경사 궤도로 더 많은 탑재체를 운송할 수 있었다.

3. 구조 및 구성 요소

외부 연료 탱크(ET)는 우주왕복선에서 가장 큰 부피를 차지하며, 연료가 가득 찼을 때는 가장 무거운 구성 요소이다. 외부 연료 탱크는 다음 세 가지 주요 구성 요소로 구성된다.

전방의 액체 산소 탱크
대부분의 전자 장비를 포함하는 비가압 중간 탱크
후방의 액체 수소 탱크 (가장 큰 부피를 차지하지만, 액체 수소의 매우 낮은 밀도 때문에 비교적 가볍다.)

외부 연료 탱크는 발사 시 우주왕복선의 "척추" 역할을 하며, 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)와 궤도선에 구조적 지지대를 제공한다. 탱크는 각 SRB에 중간 탱크를 통과하는 가로보를 사용하여 전방 부착 지점 하나와 후방 브래킷 하나로 연결되었으며, 전방 부착 바이포드 하나와 후방 바이포드 두 개로 궤도선에 연결되었다. 후방 부착 영역에는 탱크와 궤도선 사이에서 유체, 기체, 전기 신호 및 전력을 전달하는 엄빌리컬 케이블이 있었다. 궤도선과 두 개의 고체 로켓 부스터 간의 전기 신호 및 제어도 이러한 엄빌리컬 케이블을 통해 이루어졌다.

외부 연료 탱크는 액체 산소 탱크, 중간 탱크, 액체 수소 탱크의 세 가지 주요 구조로 구성된다. 두 탱크는 모두 필요에 따라 지지 프레임이나 안정 프레임을 갖춘 알루미늄 합금 외피로 제작된다. 중간 탱크 알루미늄 구조는 안정 프레임이 있는 스킨 스트링거를 사용한다. 세 구조 모두에 사용되는 주요 알루미늄 재료는 2195 및 2090 합금이다. AL 2195는 극저온 물질 저장용으로 록히드 마틴과 레이놀즈가 설계한 Al-Li 합금이며, ET의 SLW 버전에 사용되었고, 이전 버전에서는 Al 2219를 사용했다.^[13] Al 2090은 상업적으로 이용 가능한 Al-Li 합금이다.

3. 1. 액체 산소 탱크 (LOX 탱크)

액체 산소 탱크는 외부 연료 탱크(ET)의 상단에 위치하며, 공기 저항 및 공기역학적 열역학적 온도 상승을 방지하기 위해 아치형 모양을 하고 있다. 아치형 노즈 부분은 평평한 탈착식 덮개판과 노즈 콘으로 덮여 있다. 노즈 콘은 추진 및 전기 시스템 구성 요소의 공기역학적 페어링 역할을 하는 탈착식 원추형 어셈블리로, 가장 앞쪽 요소는 주조 알루미늄 피뢰침 역할을 한다.

액체 산소 탱크의 부피는 22psi에서 약 -182.8°C (극저온)이다.

탱크는 지름 약 43.18cm의 공급 라인으로 연결되며, 이 라인은 액체 산소를 인터탱크를 통해 ET 외부의 후방 오른쪽에 있는 ET/궤도선 분리 엄빌리컬로 운반한다. 지름 약 43.18cm의 공급 라인은 RS-25가 104%로 작동할 때 약 로 액체 산소가 흐르도록 하거나 최대 의 유량을 허용한다.

공기역학적 하중을 제외한 모든 하중은 볼트 체결된 플랜지 연결 인터페이스에서 액체 산소 탱크에서 인터탱크로 전달된다.

액체 산소 탱크에는 또한 유체 슬로싱을 억제하기 위한 내부 슬로시 배플과 소용돌이 배플이 포함되어 있다. 소용돌이 배플은 슬로싱으로 인한 유체 소용돌이를 줄이고 공급되는 액체 산소에 가스가 갇히는 것을 방지하기 위해 액체 산소 공급구 위에 장착된다.

3. 2. 탱크 간 구조체 (Intertank)

탱크 간 구조체는 액체 산소 탱크와 액체 수소 탱크를 연결하는 구조물이다. 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)에서 발생하는 모든 추력을 받아 분산시키고, 두 탱크 사이에서 하중을 전달하는 중요한 역할을 한다.

SRB 전방 부착 장치는 탱크 간 구조체에 180° 간격으로 두 곳에 위치한다. 빔은 탱크 간 구조체를 가로질러 뻗어 있으며, 부착 장치에 기계적으로 고정된다. SRB가 점화되면 빔은 높은 응력으로 인해 휘어지고, 이 하중은 부착 장치로 전달된다.

SRB 부착 장치 옆에는 주요 링 프레임이 있다. 하중은 부착 장치에서 링 프레임으로 전달되고, 링 프레임은 접선 방향 하중을 탱크 간 구조체 외피로 분산시킨다. 추력 패널이라고 불리는 두 개의 탱크 간 구조체 외피 패널은 집중된 축 방향 SRB 추력을 액체 산소 탱크, 액체 수소 탱크 및 인접한 탱크 간 구조체 외피 패널로 분산시킨다. 이 인접 패널은 6개의 스트링거(stringer)로 보강된 패널로 구성된다.

또한, 탱크 간 구조체는 작동 계측 장비를 보관하는 보호 구획 역할도 한다.^[3]

3. 3. 액체 수소 탱크 (LH₂ 탱크)

우주왕복선 외부 연료 탱크(ET)의 하단에 위치한 액체 수소(LH₂) 탱크는 4개의 원통형 배럴 섹션과 전방 돔, 후방 돔으로 구성된다. 배럴 섹션은 5개의 주요 링 프레임으로 연결되어 하중을 받고 분산한다. 전방 돔-배럴 프레임은 중간 탱크 구조를 통해 가해지는 하중을 분산시키며, LH₂ 탱크를 중간 탱크에 부착하기 위한 플랜지 역할도 한다. 후방 주요 링은 후방 궤도선 지지 스트럿으로부터 궤도선 유도 하중을 받고, 후방 SRB 지지 스트럿으로부터 SRB 유도 하중을 받는다. 나머지 3개의 링 프레임은 궤도선 추력 하중과 LOX 공급관 지지 하중을 분산시킨다. 프레임으로부터의 하중은 배럴 스킨 패널을 통해 분산된다. LH₂ 탱크는 29.3psi에서 약 1514611.49L³의 부피를 가지며, 온도는 약 -252.8°C (극저온)이다.

NASA 로켓 공장에서 조립 중인 액체 수소 탱크 내부 (사람 크기로 규모를 짐작할 수 있다)

전방 및 후방 돔은 동일한 변형된 타원체 형상을 갖는다. 전방 돔에는 LH₂ 벤트 밸브, LH₂ 가압 라인 피팅 및 전기 피드스루 피팅에 대한 장착부가 통합되어 있다. 후방 돔에는 LH₂ 공급관 스크린에 접근하기 위한 맨홀 피팅과 LH₂ 공급관을 위한 지지 피팅이 있다.

LH₂ 탱크에는 슬로싱(sloshing)으로 인한 와류를 줄이고 전달된 LH₂에 가스가 갇히는 것을 방지하기 위한 와류 배플(baffle)이 있다. 배플은 LH₂ 탱크의 후방 돔 바로 위에 있는 사이펀 출구에 위치한다. 이 출구는 액체 수소를 탱크에서 약 43.18cm 라인을 통해 왼쪽 후방 엄빌리컬 케이블까지 전달한다. 액체 수소 공급관 유량은 주 엔진이 104%일 때 465lb/s이며, 최대 유량은 이다.

4. 열 보호 시스템

외부 연료 탱크(ET)의 열 보호 시스템은 주로 분무식 폼(SOFI) 단열재, 사전 성형된 폼 조각 및 사전 성형된 ablation 재료로 구성된다. 이 시스템에는 공기 액화를 방지하기 위해 페놀 수지 열 절연체가 사용된다. 열 절연체는 액체 수소 탱크 부착 부위에 노출된 금속에 공기가 액화되는 것을 방지하고 액체 수소로의 열 흐름을 줄이기 위해 필요하다. 더 따뜻한 액체 산소는 열 요구 사항이 적지만, 액체 산소 탱크 전방 부분의 알루미늄은 공력 가열로부터 보호해야 한다. 한편, 후방 표면의 단열은 액화된 공기가 탱크 사이에 모이는 것을 방지한다. 산소 탱크의 중간 실린더와 추진제 라인은 습도로부터 응축된 서리의 예상 깊이를 견딜 수 있었지만, 우주왕복선은 얼음이 떨어져 나가는 피해를 견딜 수 없었다.

ET의 표면은 대부분 폴리이소시아네이트 및 폴리우레탄 발포 단열재로 도장되어 있으며, 주황색으로 보이는 것은 단열재 자체의 색상이다.^[39] 또한 성형된 단열재 조각이나 가공된 아블레이터로 구성되어 있다. 공기 중의 수분이 응결하여 얼음이 되어 기체에 붙는 것을 방지하기 위해 페놀 수지 단열재도 사용된다. 액체 수소 탱크의 단열재는 노출된 금속 부분이 얼거나 극저온 액체 수소 (끓는점은 -259.2℃)에 외부 공기의 열이 전달되는 것을 막아야 한다. 이에 비해 액체 산소는 끓는점이 높으므로 (-183℃) 알루미늄 탱크는 주로 공기역학적 가열로부터 보호해야 한다. 또한 액체 산소 탱크 후면 표면의 단열재는 공기 중의 수분이 물방울이 되어 탱크 간 구조물에 고이는 것을 방지한다. 액체 산소 탱크의 원통부와 공급관은 얼음 부착을 예상하여 충분히 견딜 수 있도록 설계되었지만, 궤도선은 발사 시 충격으로 떨어지는 얼음 조각과 충돌할 위험을 완전히 피할 수 없다.

4. 1. 폼 탈락 문제

외부 연료 탱크(ET)의 열 보호 시스템 개발은 문제가 많았다. 폼 적용 시 이상 현상이 너무 빈번하여 안전 사고가 아닌 변수로 취급되었다. NASA는 프로그램 전체 역사 동안 비행 중 폼 조각이 떨어지는 것을 막는 데 어려움을 겪었다. 폼 탈락은 STS-107 (우주왕복선 컬럼비아 참사)의 주요 원인으로 지목되기도 했다.

다음은 폼 탈락과 관련된 주요 사건들이다.

비행	연도	궤도선	사건 내용
STS-1	1981	컬럼비아	승무원은 궤도선-외부 탱크 비행 중 창문을 지나 하얀 물질이 흘러가는 것을 보고했다. 크기는 주먹 크기로 추정했다. 착륙 후 보고서에는 알 수 없는 위치에서 폼이 손실되었을 가능성이 있으며, 다양한 원인으로 인해 300개의 타일을 완전히 교체해야 한다고 설명했다.
STS-4	1982	컬럼비아	PAL 램프 손실; 40개의 타일을 완전히 교체해야 했다.
STS-5	1982	컬럼비아	타일 손실률이 계속 높았다.
STS-7	1983	챌린저	50by 바이포드 램프 손실이 촬영되었고 수십 개의 얼룩 손실이 발생했다.^[14]
STS-27	1988	아틀란티스	불확실한 기원에서 한 번의 큰 손실로 인해 타일이 완전히 손실되었다. 수백 개의 작은 손실.
STS-32	1990	컬럼비아	바이포드 램프 손실이 촬영되었다. 직경이 최대 70cm인 5개의 얼룩 손실과 타일 손상.^[15]
STS-50	1992	컬럼비아	바이포드 램프 손실. 20x 타일 손상.^[15]
STS-52	1992	컬럼비아	바이포드 램프, 잭패드 일부 손실. 총 290개의 타일 자국, 16개가 1인치보다 컸다.
STS-62	1994	컬럼비아	바이포드 램프 일부 손실.

1995년, 환경 보호국의 청정 대기법 610조에 따른 클로로플루오로탄-11(CFC-11) 사용 금지로 인해, 대면적, 기계 분무 폼에서 CFC-11은 철수하기 시작했다. 그 대신 HCFC-141b로 알려진 하이드로클로로플루오로카본이 사용 인증을 받고 우주왕복선 프로그램에 단계적으로 도입되었다. 남아 있는 폼, 특히 손으로 분무한 세부 조각은 프로그램 종료 시까지 CFC-11을 계속 사용했다. 이러한 영역에는 문제가 있는 바이포드 및 PAL 램프, 일부 피팅 및 인터페이스가 포함되었다. 특히 바이포드 램프의 경우 "1993년 이후 탱크의 해당 부분에 폼을 적용하는 프로세스는 변경되지 않았다."^[16]

STS-107 발사 중, 폼 단열재 조각이 탱크의 바이포드 램프 중 하나에서 떨어져 컬럼비아호의 날개 앞쪽 가장자리를 수백 mph의 속도로 쳤다. 충격으로 인해 왼쪽 날개의 앞쪽 가장자리에 있는 비교적 큰 강화 탄소-탄소 패널이 농구공 크기로 손상되었으며, 며칠 후 재진입 중에 초고온 가스가 날개 상부 구조로 들어갈 수 있게 된 것으로 보인다. 이로 인해 ''컬럼비아''의 파괴와 승무원 전원이 사망했다. 보고서에 따르면 외부 연료 탱크 ET-93은 "CFC-11을 팽창제로 사용하고 새로운 HCFC 141b가 아닌 BX-250으로 제작되었다."^[17]

STS-114에서 탱크에 장착된 추가 카메라가 상승 중 탱크의 케이블 트레이와 가압 라인 아래의 불안정한 공기 흐름을 방지하도록 설계된 Protuberance Air Load(PAL) 램프 중 하나에서 폼 조각이 분리되는 것을 기록했다. PAL 램프는 수동으로 분무된 폼 층으로 구성되어 있으며 잔해의 원인이 될 가능성이 더 컸다. 폼 조각은 궤도선에 영향을 미치지 않았다.

STS-114 임무와 동시에 발행된 보고서는 개조 및 업그레이드 중 ET의 과도한 취급이 ''디스커버리''의 귀환 비행 임무에서 폼 손실에 기여했을 수 있음을 시사했다. 그러나 3번의 우주왕복선 임무(STS-121, STS-115, STS-116)가 나중에 수행되었으며 모두 "허용 가능한" 수준의 폼 손실을 보였다. STS-118에서 약 100mm 직경의 폼(및/또는 얼음) 조각이 탱크의 공급 라인 부착 브래킷에서 분리되어 후방 스트럿 중 하나에서 튕겨져 날개 하단에 부딪혀 두 개의 타일을 손상시켰다. 하지만, 이 손상은 위험한 것으로 간주되지 않았다.

5. 기술 사양 (SLWT 기준)

초경량 탱크(Super Lightweight Tank, SLWT)는 1998년 STS-91에서 처음 비행했으며, STS-99와 STS-107 두 임무를 제외한 모든 후속 임무에 사용되었다.^[10] SLWT는 알루미늄-리튬 합금을 사용하여 탱크 구조의 상당 부분을 제작, LWT와 기본적으로 동일한 설계를 가졌지만 LWT보다 무게를 약 3175kg 줄였다. 제조에는 마찰 교반 용접 기술이 적용되었다. SLWT 도입 이후 생산된 모든 ET는 이 구성이었지만, 셔틀 시대가 끝날 때까지 요청 시 사용하기 위해 LWT 하나가 재고로 남아 있었다. SLWT는 셔틀이 국제 우주 정거장에 도달하는 데 필요한 성능 향상의 50%를 제공했으며,^[11] 무게 감소로 궤도선은 ISS의 고경사 궤도로 더 많은 탑재체를 운송할 수 있었다.

구분	제원
전체 길이	46.9m
직경	8.4m
공허 중량	26500kg
총 이륙 중량	760000kg

'''액체 산소 탱크'''

구분	제원
전체 길이	16.6m
직경	8.4m
부피 (22 psig 시)	553358 l
액체 산소 중량 (22 psig 시)	629340kg
작동 시 압력	20psi ~ 22psi (140kPa ~ 150kPa)

'''탱크 간 구조체'''

구분	제원
전체 길이	6.9m
직경	8.4m

'''액체 수소 탱크'''

구분	제원
전체 길이	29.6m
직경	8.4m
부피 (29.3 psig 시)	1497440 l
액체 수소 중량 (29.3 psig 시)	106261kg
작동 시 압력	32psi ~ 34psi (약 220kPa ~ 230kPa)
작동 시 온도	-252.8°C^[38]

6. 기타

외부 연료 탱크(ET)에는 궤도선 연결을 위한 부착 및 엄빌리컬 피팅, 전기 시스템 등이 포함되어 있으며,^[3] 무게는 약 4127.69kg이다.^[3] ET는 발사 시 우주왕복선의 "척추" 역할을 하며, 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)와 궤도선을 지지한다. SRB는 전방 연결점 및 후방 지지 빔으로, 궤도선과는 기수부 1곳 및 미익부 2곳의 지주로 연결된다. 후방 지지 빔 안에는 연료, 가스, 전기 신호, 전력을 주고받는 코드와 파이프가 있으며, 궤도선과 SRB 간 전기 신호 케이블도 이 안을 통과한다.^[3]

연료 및 전력 공급선은 탱크 하부 플레이트에 궤도선과 일치하도록 배치되어 폭발 볼트로 고정되며, GPC 명령으로 분리된다. ET와 궤도선 연결 공급관에는 산소용 2개, 수소용 3개, 총 5개의 밸브가 있다.

ET에는 궤도선 전력을 ET 본체 및 SRB에 공급하고, ET와 SRB 데이터를 궤도선으로 전송하는 두 개의 전선이 있다.

초읽기 대기 중 ET 정상에는 정비 타워 암이 지지하는 캡이 씌워져 증발된 산소 가스를 배출한다. 캡은 발사 2분 전 제거되며, ET 전방 연결부 카메라는 분리 후에도 궤도선 중계기에 동영상 데이터를 전송한다.

각 추진제 탱크 앞쪽 끝에는 통풍구와 릴리프 밸브가 있어, 지상에서는 통풍구로, 비행 중에는 탱크 압력 조절용으로 사용된다.^[18]^[45]

ET에는 궤도선 엄빌리컬과 연결되는 5개의 추진제 엄빌리컬 밸브(산소 탱크용 2개, 수소 탱크용 3개)가 있다. 추진제 고갈 센서는 연료와 산화제에 각각 4개씩 총 8개 설치되어 있다. 연료 고갈 센서는 연료 탱크 바닥, 산화제 센서는 궤도선 액체 산소 공급 라인 분배기에 장착된다. RS-25 추력 중 궤도선 범용 컴퓨터는 추진제 사용량에 따라 차량 질량을 계산하며, 주 엔진 차단은 속도 기준이나 센서 감지에 의해 이루어진다.^[19]

액체 산소 센서는 공동 현상 방지 및 최대 산화제 소비를 위해 위치하며, 약 498.95kg의 액체 수소가 추가되어 연료 과다 상태 차단을 보장한다. 산화제 과다 엔진 정지는 엔진 손상 및 승무원 손실을 유발할 수 있다.^[19] 연료 고갈 센서 오류는 우주왕복선 발사 지연의 원인이 되기도 했으며, STS-122가 대표적이다. 2007년 12월 18일 테스트 결과 오류 원인은 센서 고장이 아닌 배선 커넥터 결함으로 밝혀졌다.^[19] 액체 산소 및 수소 탱크 상단 4개 압력 변환기는 빈 공간 압력을 모니터링한다.

초기 ET에는 비상시 연료 살포용 비행 안전 시스템이 있었으나,^[1]^[2] STS-79 이후 미사용, STS-88에서 제거되었다.^[2]

6. 1. 계약 업체

록히드 마틴(이전 마틴 마리에타)이 우주왕복선 외부 연료 탱크 제조를 담당했으며, 루이지애나 주 뉴올리언스의 미추드 조립 시설에서 제작되었다.^[6] 탱크는 바지선으로 케네디 우주 센터까지 운송되었다.

6. 2. 하드웨어

ET에는 궤도선과의 연결을 위한 부착 피팅, 엄빌리컬 피팅(umbilical fitting), 전기 시스템 등이 포함되어 있다.^[3] 외부 하드웨어, ET-우주왕복선 부착 피팅, 엄빌리컬 피팅 및 전기 및 사정 안전 시스템의 무게는 약 4127.69kg이다.^[3]

ET는 발사 시 우주왕복선의 "척추" 역할을 하며, 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)와 궤도선을 지지한다. SRB는 전방 연결점(중간부 탱크에서 교차 빔 사용) 및 후방 지지 빔으로 연결하고, 궤도선과는 기수부 1곳 및 미익부 2곳의 지주로 연결한다. 후방 지지 빔 안에는 궤도선과의 사이에서 연료, 가스, 전기 신호 및 전력을 주고받는 코드와 파이프가 통과한다. 궤도선과 SRB 사이에서 교환되는 전기 신호를 전달하는 케이블도 이 안을 통과한다.^[3]

연료 및 전력 공급선은 탱크 하부의 플레이트 위에 정렬되어 배치되어 있으며, 궤도선의 것과 정확히 일치하도록 되어 있다. 양쪽의 플레이트는 폭발 볼트로 단단히 고정되어 있으며, GPC의 명령을 받으면 순식간에 분리된다. ET와 궤도선을 연결하는 공급관에는 5개의 밸브가 있으며, 그 중 2개는 산소용이고 나머지 3개는 수소용이다. 산소용 중 1개는 ET에서 SSME로 액체 산소를 보내기 위한 것이고, 다른 1개는 SSME에서 기화된 산소의 일부를 되돌려 보내 탱크에 가압하기 위한 것이다. 마찬가지로 수소에도 액체용과 가스용 2개의 밸브가 있지만, 나머지 1개는 지상에서 발사 준비 작업 시 수소를 냉각시키기 위해서만 사용된다.

ET에는 두 개의 전선이 있으며, 궤도선에서 발생한 전력을 ET 본체 및 SRB에 공급하고, ET와 SRB가 발신한 데이터를 궤도선으로 전송한다.

초읽기 대기 중에는, ET의 정상에는 정비 타워에서 뻗어 있는 암에 의해 지지되는 캡이 씌워진다. 탱크 내에서 증발된 산소 가스가 궤도선 기체에 달라붙으면 심각한 피해를 초래할 수 있으므로, 가스는 여기서 기체 밖으로 배출된다. 캡은 발사 2분 전에 제거된다. ET의 전방 연결부에는 카메라가 설치되어 있어, 분리된 후에도 궤도선의 중계기에 동영상 데이터를 계속 보낼 수 있게 되어 있다.

6. 3. 통풍 및 릴리프 밸브

각 추진제 탱크의 앞쪽 끝에는 통풍구와 릴리프 밸브가 있다. 이 이중 기능 밸브는 발사 전에 지상 지원 장비에 의해 통풍구 기능으로 열릴 수 있으며, 비행 중 액체 수소 탱크의 얼리지 (빈 공간) 압력이 38psi에 도달하거나 액체 산소 탱크의 얼리지 압력이 25psi에 도달하면 열릴 수 있다.^[18]

각 연료 탱크 상단에는 배기구와 압력 개방 밸브가 있다. 이 이중 구조 밸브는 지상에서 발사 준비 작업 동안 원격 조작으로 열 수 있으며, 비행 중 액체 수소 탱크의 빈 공간 압력이 262kPa (38psig)가 되거나, 액체 산소 탱크의 빈 공간 압력이 172kPa (25psig)가 되었을 경우 자동으로 해제된다.^[45]

6. 4. 센서

외부 연료 탱크(ET)에는 궤도선 엄빌리컬과 인터페이스하는 5개의 추진제 엄빌리컬 밸브가 있다. 액체 산소 탱크용 2개와 액체 수소 탱크용 3개이다. 액체 산소 탱크 엄빌리컬 밸브 중 하나는 액체 산소용이고 다른 하나는 기체 산소용이다. 액체 수소 탱크 엄빌리컬에는 액체용 밸브 2개와 기체용 밸브 1개가 있다. 중간 직경의 액체 수소 엄빌리컬은 발사 전 액체 수소 냉각 시퀀스 중에만 사용되는 재순환 엄빌리컬이다.^[18]

추진제 고갈 센서는 8개로, 연료와 산화제에 각각 4개씩 설치되어 있다. 연료 고갈 센서는 연료 탱크 바닥에 설치되어 있고, 산화제 센서는 궤도선 액체 산소 공급 라인 분배기에 장착되어 공급 라인 분리 지점에 위치한다. RS-25 추력 중에는 궤도선 범용 컴퓨터가 추진제 사용량에 따라 차량의 순간 질량을 지속적으로 계산한다. 일반적으로 주 엔진 차단은 미리 결정된 속도를 기준으로 하지만, 연료 또는 산화제 센서 중 두 개 이상이 건조 상태를 감지하면 엔진이 정지된다.^[19]

액체 산소 센서의 위치는 산화제 펌프가 공동 현상을 일으키기 전에 엔진을 차단할 충분한 시간을 확보하면서, 엔진에서 최대량의 산화제를 소비할 수 있도록 한다. 또한, 6:1 산화제-연료 엔진 혼합 비율에 필요한 것보다 약 498.95kg의 액체 수소가 더 채워진다. 이는 고갈 센서에 의한 차단이 연료 과다 상태로 이루어지도록 보장한다. 산화제 과다 엔진 정지는 엔진 구성 요소의 연소 및 심각한 침식을 유발하여 차량과 승무원의 손실로 이어질 수 있다.^[19]

연료 고갈 센서에서 설명할 수 없는 잘못된 판독값으로 인해 여러 차례의 우주왕복선 발사가 지연되었으며, 특히 STS-122가 가장 두드러진다. 2007년 12월 18일, 탱크 테스트를 통해 오류의 원인이 센서 자체의 고장이 아닌 배선 커넥터의 결함으로 밝혀졌다.^[19]

액체 산소 및 액체 수소 탱크 상단에 위치한 4개의 압력 변환기가 빈 공간(얼리지)의 압력을 모니터링한다.

6. 5. 비행 안전 시스템 (Range Safety System)

초기형 ET에는 비상시 연료를 공중에 살포하기 위한 비행 안전 시스템이 설치되어 있었다. 이 시스템은 배터리 전원, 수신기/디코더, 안테나 및 폭발물로 구성되었다.^[1]^[2] 1996년 9월 16일에 발사된 STS-79 이후에는 사용되지 않았다.^[2] 1998년 12월 4일 STS-88에서는 자폭 장치가 완전히 제거되어, 고체 로켓 부스터(SRB) 분리 후 상승 중에 기체를 파괴할 수 없게 되었다.^[2]

7. 향후 활용 (퇴역 이후)

우주왕복선 퇴역 후, 외부 연료 탱크(ET)는 NASA의 새로운 발사 시스템에 활용될 예정이었다.

NASA는 취소된 컨스텔레이션 계획에서 유인 발사체인 아레스 I과 대형 화물 운송 발사체인 아레스 V 등 두 종류의 우주왕복선 파생 발사체를 사용할 계획이었다. 아레스 V의 1단계와 아레스 I의 2단계는 ET 기술을 기반으로 제작될 예정이었다.^[22]

우주 발사 시스템(SLS) 로켓의 코어 스테이지는 직경 8.4m이며, RS-25 엔진 4개를 장착한 주 추진 시스템(MPS)을 갖추고 있다.^[23]^[24] 이 코어 스테이지는 우주왕복선 외부 연료 탱크와 구조적으로 유사하며,^[25]^[26] 초기 비행에는 우주왕복선 프로그램에서 남은 개조된 RS-25D 엔진이 사용될 예정이다.^[27] 이후에는 더 저렴한 버전의 엔진으로 교체될 예정이다.^[28]

7. 1. 컨스텔레이션 계획 (Constellation Program)

2011년 우주왕복선 퇴역과 함께, NASA는 오리온 우주선을 특징으로 하는 취소된 컨스텔레이션 계획에서 두 개의 우주왕복선 파생 발사체를 선보일 예정이었다. 이들은 유인 인증을 받은 아레스 I 승무원 발사체와 대형 화물 운송 아레스 V 발사체였다.^[22]

아레스 I과 아레스 V는 모두 1단계에 수정된 5단 고체 로켓 부스터를 사용할 예정이었지만, ET는 아레스 V의 1단계와 아레스 I의 2단계의 기본 기술로 사용되었을 것이다. 아레스 I의 2단계는 약 26000USgal의 액체 산소를 담을 수 있었던 반면, ET는 146000USgal을 담아 그 양의 5배 이상을 수용할 수 있었다.

RS-68 로켓 엔진 5개 (델타 IV 로켓에 사용된 동일한 엔진)를 장착할 예정이었던 아레스 V 1단계는 새턴 V 로켓의 S-IC 및 S-II 단계와 마찬가지로 직경이 였다. 내부 ET 구성 (LH₂와 LOX를 격벽 구조로 분리)을 사용했을 것이지만, LH₂ 및 LOX 채우기 및 배출을 직접 수용하도록 구성되었을 것이며, LH₂의 경우 셔틀에 사용된 것과 같은 인입식 암에 LOX 배출을 할 수 있었을 것이다.

아레스 I의 2단계는 현재 ET에 사용되는 스프레이식 단열 폼만 사용했을 것이다. 원래 아레스 V 및 셔틀 ET처럼 구성되었지만, NASA는 2006년 설계 검토를 완료한 후, 무게와 비용을 절감하기 위해 새턴 V 로켓의 S-II 및 S-IVB 단계에서 성공적으로 사용된 공통 격벽으로 추진제를 분리하는 LH₂/LOX 탱크를 사용하여 2단계의 내부 구조를 재구성하기로 결정했다. 셔틀에 사용된 것과 동일한 채우기/배출/배출 구성을 사용했을 아레스 V와 달리, 아레스 I 시스템은 새턴 IB 및 새턴 V 로켓에 사용된 전통적인 채우기/배출/배출 시스템을 사용했지만, 아레스 I이 SRB 점화 시 기대하는 "도약" 속도로 인해 빠르게 후퇴하는 암을 사용했을 것이다.

원래 구상했던 대로, 아레스 I과 아레스 V는 모두 수정된 "일회용" 버전의 RS-25 엔진을 사용했을 것이지만, R&D 비용을 절감하고 NASA 행정부 마이클 D. 그리핀이 설정한 2011년까지 아레스와 오리온을 발사하려는 일정을 유지해야 할 필요성 때문에, NASA는 (2006년 검토 후) 아레스 V에 더 저렴한 RS-68 엔진과 아레스 I에 개선된 J-2 엔진으로 전환하기로 결정했다. 덜 효율적인 RS-68로 전환했기 때문에, 아레스 V는 추가 추진제를 수용하기 위해 에서 확장되었고, 아레스 I은 새로운 엔진이 원래 RS-25보다 추력이 적기 때문에 J-2X 상단 단계와 함께 다섯 번째 고체 로켓 세그먼트를 통합하도록 재구성되었다. 이러한 절충안으로 인해 NASA는 단순화되고 추력이 더 높은 RS-68 엔진 (SSME처럼 발사 및 작동하도록 재구성됨)을 사용하여 약 3500만달러를 절약하는 동시에 아레스 I에 대한 공기 시동 가능한 RS-25에 필요한 비용이 많이 드는 테스트를 제거할 수 있었다.

7. 2. 우주 발사 시스템 (Space Launch System, SLS)

우주 발사 시스템(SLS) 로켓의 코어 스테이지는 직경 8.4m이며, RS-25 엔진 4개를 통합한 주 추진 시스템(MPS)을 장착한다.^[23]^[24] 코어 스테이지는 우주왕복선 외부 연료 탱크와 구조적으로 유사하며,^[25]^[26] 초기 비행에는 우주왕복선 프로그램에서 남은 개조된 RS-25D 엔진이 사용된다.^[27] 이후 비행에서는 재사용을 염두에 두지 않은 더 저렴한 버전의 엔진으로 전환될 예정이다.^[28]

참조

_[1] 웹사이트 RS-25 Engine https://www.rocket.c[...] 2014-07-22
_[2] 웹사이트 External Tank http://science.ksc.n[...] NASA 2014-01-19
_[3] 웹사이트 STS External Tank Station http://www.astronaut[...] 2015-01-07
_[4] 웹사이트 The Very Large Space Telescope (VLST) http://optics.nasa.g[...] NASA
_[5] 웹사이트 D. Portree - Space Shuttle with Aft Cargo Carrier - Beyond Apollo (wired.com) https://www.wired.co[...]
_[6] 웹사이트 External Tank http://science.ksc.n[...] NASA 2010-11-25
_[7] 웹사이트 Columbia's White External Fuel Tanks http://www.space.com[...] Space.com 2006-04-12
_[8] 뉴스 Local man takes first-hand pride in space program https://www.columbia[...] 2024-04-08
_[9] 간행물 NASA Takes Delivery of 100th Space Shuttle External Tank. http://www.msfc.nasa[...] National Aeronautics and Space Administration 1999-08-16
_[10] 문서 "FACT SHEET SPACE SHUTTLE EXTERNAL TANK" Lockheed Martin 2007-04
_[11] 웹사이트 External Fuel Tank by the Numbers http://www.lockheedm[...] Lockheed Martin
_[12] 웹사이트 NASA's Barge Pegasus – Transportation for the Space Launch System Core Stage http://www.nasa.gov/[...] 2022-10-25
_[13] 웹사이트 Super Lightweight External Tank http://www.nasa.gov/[...] NASA 2013-12-12
_[14] 웹사이트 STS-7 http://www.astronaut[...] Astronautix.com 2010-11-25
_[15] 웹사이트 Insulation problems seen before http://www.floridato[...]
_[16] 뉴스 Foam called a concern on flight before Columbia http://findarticles.[...] Deseret News (Salt Lake City) 2003-03-22
_[17] 문서 Columbia Accident Investigation Board Report, Volume 2, Appendix D http://www.nasa.gov/[...] Columbia Accident Investigation Board
_[18] 웹사이트 The Ground Umbilical Carrier Plate http://www1.nasa.gov[...] NASA
_[19] 웹사이트 NASA eyes faulty gauge wires as source of shuttle problems http://afp.google.co[...] AFP 2007-12-18
_[20] 논문 Lunar habitat concept employing the space shuttle external tank
_[21] 웹사이트 SHUTTLE'S THROWAWAY EXTERNAL TANK -- INSTEAD, COLLECTING AND USING THEM IN ORBIT http://www.permanent[...] 2014-02-27
_[22] 웹사이트 NASA launch schedule http://www.nasa.gov/[...] 2009-09-23
_[23] 웹사이트 space launch system http://www.nasa.gov/[...] 2012
_[24] 웹사이트 SLS trades lean towards opening with four RS-25s on the core stage http://www.nasaspace[...] 2011-10-04
_[25] 뉴스 NASA to set exploration architecture this summer http://spaceflightno[...] Spaceflight Now 2011-05-26
_[26] 웹사이트 SLS finally announced by NASA – Forward path taking shape http://www.nasaspace[...] 2012-01-26
_[27] 웹사이트 NASA ready to power up the RS-25 engines for SLS http://www.nasaspace[...] 2015-03-10
_[28] 웹사이트 NASA conducts 13th test of Space Launch System RS-25 engine http://www.spaceflig[...] SpaceflightInsider.com 2017-04-29
_[29] 서적 Remove before flight : memoir of a space shuttle team member Tate Publishing & Enterprises 2014
_[30] 웹사이트 The California Science Center's External Tank http://californiasci[...] californiasciencecenter.org 2015-05-29
_[31] 웹사이트 Space Shuttle External Tank Completes Road Trip to CA Science Center https://www.space.co[...] 2024-03-31
_[32] 웹사이트 California Science Center press release https://californiasc[...] 2024-02-22
_[33] 웹사이트 Completed SD HLV assessment highlights low-cost post-shuttle solution http://www.nasaspace[...] Nasaspaceflight.com 2010-11-25
_[34] 웹사이트 Downstream shuttle planning: CLFs, AMS noted, MAF working on extra ETs http://www.nasaspace[...] Nasaspaceflight.com 2010-11-25
_[35] 웹사이트 アーカイブされたコピー http://www.astronaut[...] 2015-01-07
_[36] 간행물 NASA Takes Delivery of 100th Space Shuttle External Tank. http://www.msfc.nasa[...] National Aeronautics and Space Administration 1999-08-16
_[37] 문서 FACT SHEET SPACE SHUTTLE EXTERNAL TANK http://www.lockheedm[...] 2007-04
_[38] 웹사이트 External Fuel Tank by the Numbers http://www.lockheedm[...] Lockheed Martin 2010-04-01
_[39] 웹사이트 3.2 The External Tank and Foam https://www.lizard-t[...] 2024-10-31
_[40] 웹사이트 勧告3.2-1 外部燃料タンク(ET)の熱防護システムの改良(JAXA) https://iss.jaxa.jp/[...]
_[41] 웹사이트 STS-7 http://www.astronaut[...]
_[42] 웹사이트 Insulation problems seen before http://www.floridato[...]
_[43] 뉴스 Foam called a concern on flight before Columbia http://findarticles.[...] Deseret News (Salt Lake City) 2003-03-22
_[44] 문서 Columbia Accident Investigation Board Report, Volume 2, Appendix D http://www.nasa.gov/[...] Columbia Accident Investigation Board
_[45] 웹사이트 NASA eyes faulty gauge wires as source of shuttle problems http://afp.google.co[...] AFP 2007-12-18
_[46] 웹사이트 NASA launch schedule http://www.nasa.gov/[...] 2009-09-23

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