컨스텔레이션 계획
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1. 개요
컨스텔레이션 계획은 2004년 조지 W. 부시 대통령이 발표한 미국의 유인 우주 탐사 계획으로, 국제 우주 정거장 완공과 우주왕복선 퇴역 이후를 대비하여 오리온 우주선, 아레스 I, 아레스 V 발사체, 알테어 달 착륙선 등을 개발하는 것을 목표로 했다. 그러나 2010년 버락 오바마 대통령에 의해 예산 초과, 일정 지연, 기술적 문제 등을 이유로 중단되었으며, 이후 오리온 우주선 개발은 지속되었고, 스페이스 론치 시스템(SLS)이 개발되어 아르테미스 계획의 일부로 부활했다. 이 계획은 지구 저궤도 임무, 달 탐사 임무를 포함했으며, 아폴로 계획과 유사하게 달 궤도 랑데부와 지구 궤도 랑데부를 혼합하여 사용하려 했다.
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| 컨스텔레이션 계획 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 국가 | 미국 |
| 조직 | NASA |
| 목적 | 유인 궤도 비행 유인 달 탐사 유인 화성 탐사 |
| 상태 | 취소됨 |
| 비용 | 2300억 달러 (2004년 기준) |
| 기간 | 2004년–2010년 |
| 첫 비행 | MLAS 2009년 6월 8일 |
| 마지막 비행 | 아레스 I-X 2009년 10월 28일 |
| 성공 횟수 | 2회 |
| 발사 장소 | 케네디 우주 센터 발사 시설 39 화이트 샌즈 |
| 유인 우주선 | 알타이르 오리온 |
| 발사체 | 아레스 I 아레스 V |
| 상세 정보 | |
| 영어 명칭 | Constellation program |
| 관련 정보 | |
| 관련 | 미국 우주 정책 |
2. 역사
컨스텔레이션 계획은 크게 초기 역량 확보 단계와 달 역량 확보 단계로 나뉜다.[62][69] 각 단계는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다.
컨스텔레이션 계획은 2004년 1월 14일, 조지 W. 부시 대통령이 발표한 새로운 우주 탐사 계획에서 시작되었다.[37] 당시 미국의 주요 유인 우주 탐사 활동은 국제 우주 정거장(ISS) 건설과 우주왕복선 운용이었으나, ISS는 완공을 앞두고 있었고 우주왕복선은 2010년 퇴역이 예정되어 있어[62] 그 뒤를 이을 유인 우주 탐사 계획이 필요했다. 부시 행정부는 이 계획을 통해 달에 인간의 장기적인 주둔 기반을 마련하고, 이를 통해 얻은 경험과 기술로 미래의 심우주 탐사 비용을 절감하고자 했다.[37][38]
계획의 핵심은 새로운 유인 우주선인 오리온과 이를 발사할 아레스 I(승무원 수송용) 및 아레스 V(화물 수송용) 발사체 개발이었다. 또한 달 착륙을 위한 알테어 달 착륙선과 EDS(Earth Departure Stage, 지구 출발단) 개발도 포함되었다.[62] NASA는 비용 절감을 위해 아폴로 계획과 우주왕복선 계획에서 사용된 개념과 기술을 상당 부분 재활용하려 했다.[25] 예를 들어, 오리온 우주선의 기본 형태는 아폴로 사령선과 유사했고,[26] 아레스 로켓 설계에도 아폴로 계획의 개념이 반영되었다. 아레스 V에 사용될 J-2X 엔진은 초기에는 아폴로 시대의 새턴 V 로켓과 새턴 IB 로켓에 쓰인 J-2 엔진을 기반으로 설계되었으나,[27] 개발 과정에서 안전 요구 사항 강화와 중량 증가 문제로 인해 완전히 새로운 설계가 필요하게 되었다.[28] 임무 수행 방식은 아폴로 계획처럼 달 궤도 랑데부(LOR)를 기본으로 하되, 승무원과 착륙선을 각각 다른 로켓(아레스 I, 아레스 V)으로 발사하여 지구 궤도 랑데부(EOR)를 추가로 수행하는 방식이었다. 알테어 착륙선은 전체 승무원을 태우고 달 표면에 착륙하며, 오리온 우주선은 무인 상태로 달 궤도에 대기하는 점이 아폴로 계획과의 차이점이었다.
NASA는 달 복귀의 이유로 달에서의 과학 활동 추진, 미래 우주 탐사를 위한 기술 시험, 경제적 영역 확장, 첨단 기술 인력 양성 등을 제시했다.[33] 당시 NASA 국장이었던 마이클 D. 그리핀은 "목표는 단지 과학적 탐사만이 아니"라며, "시간이 지남에 따라 지구에서 태양계로 인간의 서식 범위를 확장하는 것"의 중요성을 강조하며 장기적으로 인류 생존을 위해 다른 행성 정착이 필요하다고 주장했다.[34]
초기 계획의 총 비용은 970억달러 이상으로 예상되었고, 이 중 49억달러가 오리온과 아레스 I 개발에 투입될 예정이었다.[63] 그러나 NASA는 2009년까지의 비용을 2025년까지 2300억달러(2004년 달러 기준)로 추산하기도 했으나, 기술 및 설계 문제가 해결되지 않아 최종 비용 추정은 불확실했다.[39]
2009년 출범한 버락 오바마 행정부는 컨스텔레이션 계획이 "예산 초과, 일정 지연, 혁신 부족" 상태에 있다고 평가했다.[47][48][49][40] 오바마 대통령이 의뢰한 어거스틴 위원회 검토 결과, 원래 일정대로 계획 목표를 달성하려면 약 1500억달러가 추가로 필요하며,[41] NASA의 현재 예산으로는 달 복귀나 유인 화성 탐사 모두 불가능하다는 결론이 나왔다.[42] 위원회는 달과 심우주 탐사, 다양한 초대형 발사체 개발, 추진제 저장소 연구 등 여러 대안을 제시했다.[43]
결국 2010년 2월 1일, 오바마 대통령은 2011년 회계연도 예산안에서 컨스텔레이션 계획의 중단을 발표했다.[64][45][46] 이미 약 90억달러가 투입되었지만,[64] 아레스 I과 오리온 우주선 개발 지연이 NASA의 다른 분야에 부담을 주고 있었고, 서브프라임 모기지 사태 이후 악화된 재정 상황도 주요 원인이었다.[64][59] 2010년 10월, NASA 권한 부여 법안이 통과되면서 계획은 공식적으로 취소되었다.[52]
계획 중단으로 우주왕복선 후계기 개발은 백지화되었고, 미국은 당분간 유인 우주 비행 능력을 상실하여 러시아의 소유스 우주선에 의존해야 하는 상황에 놓였다.[66] 이 결정에 대해 미국 내에서는 우주 개발 리더십 약화를 우려하는 목소리와, 예산을 신기술 개발에 돌리는 것을 환영하는 목소리가 엇갈렸다.[66][61] 미국의 우주 개발 방향은 기초 기술 개발 및 무인 탐사 등 지속 가능한 활동에 중점을 두는 쪽으로 전환되었다.[65][60]
한편, 오바마 대통령은 계획 중단 발표 후인 2010년 4월 15일, 플로리다 우주 회의에서 2030년대 중반을 목표로 하는 유인 화성 탐사 계획을 새롭게 발표했다.[67][68][50][51] 이 새로운 계획에 따라 오리온 우주선은 ISS 비상 탈출용 및 다목적 우주선으로 개발이 계속되었고, 아레스 로켓 대신 새로운 대형 발사체인 SLS(Space Launch System) 개발이 시작되었다.[62][51] 컨스텔레이션 계획의 일부 요소와 목표는 이후 아르테미스 계획으로 계승되었다.
3. 구성
이 계획의 주요 목표 중 하나는 우주왕복선을 대체할 새로운 우주선과 발사체를 개발하는 것이었다. NASA는 아폴로 계획과 우주왕복선 계획에서 사용된 기술과 개념을 일부 재활용하여[25] 아레스 I과 아레스 V 발사체, 오리온 우주선, 알테어 달 착륙선 등을 설계했다.[27] 임무 수행 방식은 지구 궤도 랑데부와 달 궤도 랑데부를 결합하는 방식을 채택하여, 아레스 V로 발사된 알테어 및 지구 이탈 단계와 아레스 I으로 발사된 오리온이 지구 궤도에서 먼저 도킹한 후 함께 달로 향하도록 계획되었다.
3. 1. 오리온 우주선
오리온 우주선은 컨스텔레이션 계획 초기에는 CEV(Crew Exploration Vehicle)라는 이름으로 개발되었다.[70] 처음에는 국제 우주 정거장(ISS) 유인 탐사뿐만 아니라, 유인 달 탐사와 차후 심우주 탐사까지 가능하도록 설계될 예정이었다. 록히드 마틴은 2006년 8월 31일에 오리온 프로젝트의 주 계약자로 선정되었고,[15] 보잉은 2006년 9월 15일에 주요 열 보호막 제작 업체로 선정되었다.[16]
오리온의 설계는 크게 세 부분으로 구성된다. 첫째는 4명에서 6명의 승무원을 수용할 수 있는 승무원 모듈(CM, Crew Module)이다. 이는 아폴로 계획의 사령선과 유사한 형태지만, 크기가 더 크고 수용 인원도 많으며, 10회 정도 재사용이 가능하도록 설계되었다. 둘째는 주요 추진 시스템과 소모품(산소, 물 등)을 탑재하는 원통형 서비스 모듈(SM, Service Module)이다. 셋째는 발사 중 문제가 발생했을 때 우주비행사와 승무원 모듈을 안전하게 분리시키는 발사 탈출 시스템(LAS, Launch Abort System)이다.[70]
초기 NASA는 임무에 따라 다른 오리온 캡슐을 개발할 계획이었다. 블록 I 오리온은 국제 우주 정거장 및 기타 저궤도 임무에 사용하고, 블록 II 및 III 변형은 심우주 탐사를 위해 설계될 예정이었다.
컨스텔레이션 계획이 취소된 이후에도 오리온 우주선의 개발은 계속되었다. 명칭은 MPCV(Multi-Purpose Crew Vehicle)로 변경되었고, 서비스 모듈은 유럽 우주국(ESA)의 ATV 기반 우주선으로 변경되는 등 일부 변화가 있었다.[70] 오리온은 2014년 12월 5일에 첫 시험 발사를 성공적으로 마쳤으며, 2022년 아르테미스 계획의 첫 임무인 아르테미스 1호에 탑재되어 무인 비행을 완료했다. 향후 아르테미스 2호(2026년 예정) 및 그 이후의 유인 달 탐사 임무에 투입될 예정이며, 스페이스 론치 시스템(SLS) 로켓에 탑재되어 발사될 계획이다.
3. 2. 아레스 I
아레스 I(Ares Ieng)은 컨스텔레이션 계획의 일환으로 개발된 유인 우주선 발사체이다. 주로 오리온 우주선을 지구 저궤도(LEO)에 투입하기 위해 설계되었으며,[18][19][20] 이전에는 유인 발사체(Crew Launch Vehicleeng, CLV)라고 불렸다. 화성을 뜻하는 그리스 신의 이름 'Ares'와 1960년대 새턴 로켓에 대한 경의를 표하는 로마 숫자 'I'을 결합하여 명명되었다.
아레스 I은 총 2단으로 구성되었다. 1단은 우주왕복선에서 사용된 고체 로켓 부스터(SRB)를 기반으로 성능을 향상시킨 단일 고체 로켓을 사용했으며,[18][19][20] 알리안트 테크시스템스(Alliant Techsystems)가 개발에 참여했다. 2단은 새턴 V 로켓의 J-2 엔진을 현대적으로 개량한 J-2X 액체 연료 로켓 엔진을 사용했으며,[28] 로켓다인(Rocketdyne)과 보잉(Boeing)이 개발에 참여했다.[18][19][20] NASA는 이러한 설계가 전반적인 안전성, 신뢰성, 비용 효율성 측면에서 유리하다고 판단했다.[21]
개발 방식은 아폴로 계획의 새턴 IB와 유사하게 각 단계를 개별적으로 시험 발사하는 방식을 채택했다. 이는 새턴 V 개발 당시 조지 뮬러가 주장했던 모든 단계를 한 번에 시험하는 '올업(all-up)' 방식과는 다른 접근이었다. 이 계획에 따라 2009년 10월 28일, 실제 1단과 유사한 형태와 무게를 가진 모의 2단을 결합한 시험 발사체 아레스 I-X의 발사가 성공적으로 이루어졌다.[62][69]
그러나 아레스 I 계획은 여러 비판에 직면했다. 기존 우주왕복선 부품 등을 활용하는 방식이 1970년대 기술의 재탕이며 최신 기술 혁신을 충분히 반영하지 못했다는 지적이 있었다.[25] 또한, 1단에 추력 제어가 어려운 고체 연료 부스터를 사용하는 것에 대한 안전성 우려도 제기되었다.
결국 2010년2월 1일, 버락 오바마 행정부는 2011년 회계연도 예산안 발표를 통해 컨스텔레이션 계획 전체의 중단을 선언했다.[59] 이는 아레스 로켓과 오리온 우주선의 개발 지연, 예산 초과 문제, 그리고 서브프라임 모기지 사태 이후의 재정 악화 등이 복합적으로 작용한 결과였다.[59] 계획 중단으로 아레스 I 개발은 취소되었고, 오리온 우주선은 이후 SLS를 통해 발사하는 것으로 계획이 변경되었다. 이로 인해 우주왕복선 퇴역 이후 미국의 자체적인 유인 우주 발사 능력에 공백이 생기게 되었다.[61]
3. 3. 아레스 V
아레스 V(Ares V)는 컨스텔레이션 계획의 달 탐사 역량 확보 단계(Lunar Capability)의 일부로 계획된 대형 화물 수송용 우주발사체이다.[62][69] 주요 임무는 알테어 달 착륙선과 지구 이탈 단계(Earth Departure Stage, EDS)를 지구 저궤도(LEO)로 운반하는 것이었다.
1. 우주왕복선
2. Ares I
3. 새턴 V
4. Ares V
아레스 V는 지구 저궤도에 약 188ton의 화물을 올릴 수 있도록 설계되어, 새턴 V의 118ton 탑재량을 크게 뛰어넘는 세계 최대 규모의 발사체가 될 예정이었다.[22][23] 달까지는 약 71ton을 운반할 수 있었는데, 이는 새턴 V의 달 탑재량 45ton보다 많았다.[22][23]
아레스 V의 1단은 우주왕복선의 외부 연료 탱크를 기반으로, 초기에는 5~6기의 RS-68B 엔진 또는 5기의 SSME(RS-25)를 사용하는 것으로 구상되었다.[69] 부스터로는 우주왕복선의 고체 로켓 부스터(SRB)를 5.5 분절형으로 개량한 한 쌍을 사용할 예정이었다.[24] 2단에는 지구 이탈 단계(EDS)가 탑재되어, 지구 주차 궤도 진입 및 달 또는 다른 목적지로 화물을 보내는 데 사용될 계획이었다.
엔진 선택 과정에서 초기에는 5기의 RS-25 엔진이 고려되었으나, RS-68 엔진이 SSME(RS-25)보다 더 강력하고 구조가 단순하며 비용이 저렴하다는 이유로 6기의 RS-68 엔진을 사용하는 설계가 진행되었다.[24] 그러나 개발 과정에서 RS-68B 엔진의 연소식 냉각 방식이 발사 시 고체 로켓 부스터의 높은 열을 견디기 어려울 수 있다는 기술적 문제가 제기되었고, NASA는 RS-68 엔진을 재생 냉각 방식으로 개량하는 대신 다시 RS-25 엔진 사용을 검토하기 시작했다.[24]
달 탐사 임무 시나리오에서는 먼저 아레스 V가 지구 이탈 단계(EDS)와 알테어 달 착륙선을 지구 저궤도에 발사하면, 이후 아레스 I 로켓이 오리온 우주선에 탑승한 승무원을 같은 궤도로 발사한다. 두 우주선은 궤도상에서 도킹한 후 함께 달로 향할 예정이었다. 이는 아폴로 계획의 달 궤도 랑데부(LOR) 방식과 지구 궤도 랑데부(EOR) 방식을 결합한 것이다.
Ares라는 명칭은 로마 신화의 화성 신 이름에서 따왔으며, 이는 화성 착륙이라는 계획의 장기 목표를 나타낸다. 숫자 V는 1960년대 새턴 로켓에 대한 경의를 표하기 위해 선택되었다.
아레스 V는 컨스텔레이션 계획 전체가 버락 오바마 행정부에 의해 2010년 취소되면서 개발이 중단되었고[59], 이후 스페이스 론치 시스템(SLS)으로 대체되었다.
3. 4. 알테어 달 착륙선
알테어(eng)는 달 표면 접근 모듈(eng, LSAM)이라는 이름으로도 알려졌던 달 착륙선이다.[58] 아폴로 달 착륙선과 유사한 개념이지만 크기는 훨씬 더 크게 설계되었다.
알테어의 디자인은 이전 모델인 아폴로 달 착륙선보다 상당히 컸다. 총 부피는 약 31714.87L3로, 아폴로 착륙선의 약 6654.46L3에 비해 거의 5배에 달했다. 높이는 약 9.75m였고, 착륙 장치 지지대의 끝에서 끝까지의 너비는 약 14.94m였다.
이전 아폴로 착륙선처럼 알테어도 두 부분으로 구성되었다.
아폴로 달 착륙선과 달리, 알테어는 NASA가 미래 달 기지 건설을 위해 선호했던 달의 남극 지역에 착륙하도록 설계되었다.[17] 알테어는 아폴로 달 착륙선처럼 재사용이 불가능하도록 설계되었으며, 상승단은 임무 완료 후 달 궤도에서 폐기될 예정이었다.
알테어의 하강단은 RL-10 로켓 엔진 4기로 구동될 예정이었다. 이 엔진은 아틀라스 V 로켓의 센타우르 상단에도 사용된 실적이 있는 엔진이다. 다만 알테어에 사용될 RL-10 엔진은 기존 엔진과 달리 정격 추력의 10%까지 출력을 낮출 수 있도록 개량될 계획이었는데(기존 사양은 20%), 이를 통해 알테어는 달 궤도 진입(LOI)과 착륙 단계 모두에서 하강단 엔진을 사용할 수 있었다. 상승단은 단일 엔진으로 구동되며, 오리온 우주선의 서비스 모듈(CSM) 주 엔진과 유사하거나 동일한 자기 점화성 추진제 엔진을 사용할 가능성이 높았다. 상승 후 하강단은 발사대이자 미래 기지 건설을 위한 플랫폼으로 남겨질 예정이었다. 대안으로는, 초기 계획대로 LOX/CH4을 연료로 사용하는 엔진을 오리온 CSM과 알테어 상승단에 모두 사용하는 방안도 고려되었다.
알테어는 컨스텔레이션 계획이 중단되면서 함께 취소되었다.
4. 임무
컨스텔레이션 계획은 미국 항공우주국(NASA)이 21세기 전반에 걸쳐 미국의 우주 탐사 역량을 저지구 궤도에서 달로 확장하고, 궁극적으로는 화성 유인 탐사까지 염두에 둔 계획이었다.[57] 이는 과거 머큐리 계획, 제미니 계획, 아폴로 계획, 우주왕복선 계획과 국제 우주 정거장 운영을 통해 축적된 미국의 우주 기술과 경험을 바탕으로 추진되었다.
계획의 주요 목표 중 하나는 노후화된 우주왕복선을 대체할 새로운 우주선과 발사체 시스템을 개발하는 것이었다. 이를 위해 NASA는 승무원 수송용 아레스 I과 대형 화물 발사용 아레스 V라는 두 종류의 발사체를 설계했다. 이 발사체들은 각각의 임무에 최적화되어 개발될 예정이었다. 아레스(Ares)라는 이름은 로마 신화의 화성 신 이름에서 따왔으며, 이는 계획의 최종 목표인 화성 탐사를 상징한다. 발사체 번호 I과 V는 1960년대 새턴 로켓에 대한 경의를 표하는 의미를 담고 있다.
컨스텔레이션 계획의 임무는 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
- 지구 저궤도 임무: 오리온 우주선을 이용하여 국제 우주 정거장(ISS)에 승무원과 보급품을 수송하는 임무이다. 오리온 우주선은 초기에는 CEV(Crew Exploration Vehicle)라는 이름으로 개발되었으며, 아폴로 사령선과 유사하지만 더 크고 발전된 설계를 적용했다.
- 달 탐사 임무: 오리온 우주선, 알타이르 달 착륙선, 지구 이탈 단계(EDS)를 이용하여 달의 극지방으로 유인 탐사를 수행하는 임무이다. 이는 아폴로 계획의 달 궤도 왕복 방식과 지구 궤도 왕복 방식을 결합한 형태로 계획되었다. 즉, 아레스 I으로 발사된 오리온 우주선과 아레스 V로 발사된 알테어/EDS가 지구 저궤도에서 만나 도킹한 후 달로 향하는 방식이다.
이 외에도 근지구 소행성 유인 탐사 역시 초기 계획 단계에 포함되어 있었다. 그러나 계획이 최종적으로 취소되면서 화성 유인 탐사에 대한 구체적인 계획은 수립되지 못했다.
4. 1. 지구 저궤도 임무
국제 우주 정거장(ISS)이나 기타 지구 저궤도 임무에는 아레스 I 발사체로 발사되는 오리온 우주선이 사용될 예정이었다. 오리온 우주선은 컨스텔레이션 계획 초기에는 CEV(Crew Exploration Vehicle)라는 이름으로 개발되었으며, 국제 우주 정거장을 포함한 지구 저궤도 유인 탐사를 주요 목표로 삼았다.[25] 록히드 마틴이 2006년 주 계약자로 선정되었고,[15] 보잉이 열 보호막 제작을 맡았다.[16] NASA는 초기 계획에서 ISS 임무 등 지구 궤도용인 블록 I 오리온과 심우주 탐사용인 블록 II, III 등 임무별로 다른 오리온 캡슐을 개발하려 했다.
오리온 우주선은 최대 6명의 승무원을 수용할 수 있는 승무원 모듈(CM), 추진 시스템과 소모품을 탑재한 서비스 모듈(SM), 그리고 발사 시 비상 탈출을 위한 발사 탈출 시스템(LAS)의 세 부분으로 구성된다. 이는 아폴로 계획의 사령선과 유사한 형태지만, 더 크고 진보된 기술이 적용되었다. 승무원 모듈은 최대 10회까지 재사용 가능하도록 설계되었다.[69]
오리온 우주선을 지구 저궤도로 발사하기 위해 아레스 I 발사체가 계획되었다. 아레스 I은 총 2단으로 구성되며, 1단은 우주왕복선의 고체 로켓 부스터(SRB)를 개량한 것을 사용하고, 2단은 새턴 V 로켓에 사용된 J-2 엔진을 개량한 J-2X 액체 연료 엔진을 사용할 예정이었다.[18][19][20] NASA는 안전성, 신뢰성, 비용 효율성을 고려하여 아레스 설계를 선택했다.[21] 2009년 10월 28일, 아레스 I의 1단 비행 시험인 Ares I-X 발사가 성공적으로 이루어졌으나,[28] 컨스텔레이션 계획이 취소되면서 아레스 I 개발 역시 중단되었다. 이후 오리온 우주선은 우주 발사 시스템(SLS)으로 발사하는 것으로 계획이 변경되었다.
지구 저궤도 임무 수행 절차는 다음과 같이 계획되었다. 먼저 케네디 우주 센터의 조립동(VAB)에서 오리온 우주선과 아레스 I 발사체를 조립하고, 크롤러-트랜스포터를 이용해 LC-39B 발사대로 운반한다. 발사 준비가 완료되면 최대 6명의 승무원이 오리온에 탑승하고, 휴스턴의 임무 관제 센터의 통제 하에 아레스 I이 발사되어 오리온을 궤도에 진입시킨다.
궤도에 진입한 오리온은 약 이틀간의 궤도 기동을 거쳐 국제 우주 정거장에 도킹한다. 승무원들은 일반적으로 6개월 동안 ISS에서 임무를 수행하며, 이 기간 동안 오리온 우주선은 비상 상황 발생 시 승무원들의 탈출선 역할을 하기 위해 ISS에 도킹된 상태로 대기한다.
임무 완료 후 승무원들은 오리온에 다시 탑승하여 ISS에서 도킹을 해제한다. 안전거리를 확보한 뒤 서비스 모듈의 엔진을 점화하여 궤도를 이탈하고, 이후 서비스 모듈은 분리되어 폐기된다. 승무원 모듈은 대기권 재진입을 시작하며, 방열판을 이용해 재진입 시 발생하는 고열로부터 보호받는다. 속도를 줄이기 위해 먼저 두 개의 감속용 낙하산(드로구 낙하산)을 펼치고, 이어서 약 6096.00m 상공에서 세 개의 주 낙하산을 펼쳐 천천히 하강한다.[69][29] 초기에는 에어백을 이용한 지상 착륙 방식이 고려되었으나, 무게를 줄이기 위해 아폴로 우주선처럼 바다에 착수하는 방식으로 변경되었다.[71][29] 해상에 착수한 오리온 승무원 모듈은 회수되어 정비를 거친 후 다음 임무에 재사용될 예정이었다.[69]
4. 2. 달 탐사 임무
컨스텔레이션 계획의 달 탐사 임무는 아폴로 계획과 유사하게 달 궤도 랑데부 방식을 따르지만, 추가적으로 지구 궤도 랑데부를 활용하는 차이점이 있다. 또한, 아폴로 계획에서는 사령선 조종사 1명이 달 궤도에 남았던 것과 달리, 컨스텔레이션 계획에서는 승무원 4명 전원이 달 표면에 착륙하는 것을 목표로 했다.
임무 수행 절차는 다음과 같이 계획되었다.
# '''발사 준비 및 발사''': 달 탐사에 필요한 알테어 달 착륙선과 지구 이탈 단계(EDS)는 우주선 조립동에서 아레스 V 로켓과 결합된 후 39A 발사대로 옮겨져 먼저 발사된다. 아레스 V의 고체 부스터와 1단 엔진 연소 후, EDS가 점화하여 알테어/EDS 결합체를 360km 고도의 지구 저궤도(주차 궤도)에 올려놓는다. 약 90분 뒤, 오리온 우주선과 4명의 승무원을 실은 아레스 I 로켓이 인접한 39B 발사대에서 발사되어 알테어/EDS와 거의 동일한 궤도로 진입한다.
# '''지구 궤도 랑데부 및 도킹''': 지구 저궤도에서 오리온 우주선은 미리 대기하고 있던 알테어/EDS 결합체와 만나 랑데부 및 도킹을 수행한다. 이를 통해 달 탐사를 위한 완전한 우주선 시스템이 구성된다.
# '''달 전이 및 궤도 진입''':
# '''달 착륙 및 표면 활동''': 달 궤도에 성공적으로 진입한 후, 승무원들은 궤도를 조정하고 오리온 우주선을 무인 비행 상태로 설정한다. 이후 4명의 승무원 전원이 알테어 착륙선으로 이동한다. 미션 통제소의 승인 하에 알테어는 오리온과 도킹을 해제하고, 지상 관제사가 오리온 카메라를 통해 착륙에 문제가 없는지 최종 점검하는 기동을 수행한다. 모든 확인이 끝나면 알테어는 하강 엔진을 점화하여 미리 선정된 착륙 지점을 향해 동력 하강을 시작하고 달 표면에 착륙한다. 착륙 후 승무원들은 우주복을 착용하고 5~7회에 걸쳐 달 표면 EVA 활동을 수행하며, 과학 실험 장비를 설치하고 달 표본을 채취하는 등 탐사 임무를 수행한다.[69]
# '''달 궤도 복귀 및 지구 귀환''': 모든 달 표면 임무를 완료한 승무원들은 알테어의 상승단에 탑승한다. 상승단 엔진을 점화하여 달 표면에서 이륙하며, 하강단은 발사대 역할 및 향후 기지 건설 플랫폼으로 남겨진다. 달 궤도에 도달한 알테어 상승단은 미리 대기하고 있던 오리온 우주선과 다시 랑데부 및 도킹한다. 승무원들은 채취한 달 표본과 함께 오리온 우주선으로 복귀한다. 이후 알테어 상승단은 분리되고, 오리온 우주선의 서비스 모듈 엔진을 사용하여 지구 전이 궤도(TEI) 진입 연소를 수행하여 지구로 귀환을 시작한다. 약 2.5일간의 비행 후, 지구 대기권 재진입 직전에 서비스 모듈을 분리시킨다(서비스 모듈은 대기권에서 연소됨). 오리온 승무원 모듈(CM)은 시속 약 40,200 km의 속도에서 특수 재진입 궤도를 통해 대기권에 진입하여 속도를 시속 약 480 km까지 감속시킨 후 태평양에 착수(Splashdown) 방식으로 착륙한다. 착륙한 승무원 모듈은 회수되어 정비를 위해 케네디 우주 센터로 옮겨지고, 채취된 달 샘플은 분석을 위해 존슨 우주 센터(JSC)의 달 수용 실험실로 보내진다.[69]
5. 컨스텔레이션 계획의 의의 (일본어판 참고)
미국 항공우주국(NASA)은 컨스텔레이션 계획을 21세기 미국의 우주 탐사 역량을 저궤도에서 달로 확장하고, 궁극적으로 화성 탐사로 이어지게 할 중요한 발판으로 여겼다.[57] 특히 유인 우주 비행 분야에서는 머큐리 계획, 제미니 계획, 아폴로 계획, 우주왕복선 계획과 국제 우주 정거장(ISS) 운영을 통해 축적된 기술과 경험을 집대성하는 계획으로 평가되었다.
컨스텔레이션 계획의 핵심 목표 중 하나는 노후화된 우주왕복선을 대체할 새로운 우주선과 발사체를 개발하는 것이었다. 이를 위해 NASA는 아레스 I과 아레스 V라는 두 종류의 발사체 설계를 진행했다. 아레스 I은 승무원을 궤도로 운송하는 데 특화되었고, 아레스 V는 더 무거운 화물(탐사 장비 등)을 발사하는 데 사용될 예정이었다. 이와 함께 오리온 유인 캡슐, 지구 이탈 단계(Earth Departure Stage, EDS), 알타이르 달 착륙선 등 새로운 우주선 개발도 추진되었다.
이 계획은 X-33 등 이전의 우주왕복선 대체 시도와는 달리, 과거 아폴로 계획과 우주왕복선 계획에서 검증된 개념과 기술을 적극적으로 재활용했다는 특징이 있다.[25] 예를 들어, 오리온 캡슐의 기본적인 공기역학적 형태는 아폴로 사령/기계선 모듈과 유사했지만, 내부 시스템에는 최신 기술이 적용되었다.[26] 또한, 승무원 발사체인 아레스 I의 설계에도 아폴로 계획의 여러 개념이 반영되었다.
아레스 V 로켓에 사용될 예정이었던 J-2X 엔진은 초기에는 아폴로 시대의 새턴 V 로켓과 새턴 IB 로켓에 쓰인 J-2 엔진 설계를 기반으로 했으나, 강화된 안전 요구 사항과 늘어난 중량 문제로 인해 완전히 새로운 설계로 변경되었다.[28] 이는 과거의 유산을 계승하면서도 당대의 기술적 요구에 맞춰 발전시키려는 노력을 보여준다. 컨스텔레이션 계획의 관리자였던 제프 핸리(Jeff Hanley)는 "달 착륙과 이륙의 역학은 상당 부분 해결되었다. 그것이 아폴로가 우리에게 남긴 유산이다"라고 언급하며 아폴로 계획의 중요성을 강조했다.[27]
임무 수행 방식에서도 아폴로 계획의 달 궤도 랑데부(Lunar Orbit Rendezvous, LOR) 방식을 따르면서도, 승무원과 화물을 각각 다른 로켓(아레스 I, 아레스 V)으로 발사하여 지구 궤도 랑데부(Earth Orbit Rendezvous, EOR)를 추가하는 차이점을 보였다. 또한, 아폴로 임무와 달리 달 착륙선인 알타이르에는 모든 승무원이 탑승하여 달 표면으로 내려가고, 오리온 우주선은 무인 상태로 달 궤도에 머무는 방식으로 계획되었다. 임무가 끝나면 알타이르 우주선은 달 궤도로 다시 발사되어 오리온 우주선과 도킹한 후, 오리온 캡슐만 지구로 귀환하여 아폴로처럼 바다에 착수(Splashdown)할 예정이었다.
NASA는 웹사이트를 통해 인간의 달 복귀가 필요한 여러 이유를 제시하며 컨스텔레이션 계획의 당위성을 설명했다.[33]
| 목표 | 내용 |
|---|---|
| 인간 거주지 확장 | 달 식민지화 추진 |
| 과학 활동 심화 | 달 과학 분야의 고유한 연구 수행 |
| 기술 개발 및 검증 | 미래 우주 탐사를 위한 새로운 기술, 시스템, 운영 방식 시험 |
| 국제 협력 및 평화 증진 | 공동 목표를 통한 국가 통합 및 평화적 활동 제공 |
| 경제적 이익 및 지구 기여 | 경제 영역 확장 및 지구에 도움이 되는 연구 활동 수행 |
| 미래 인재 양성 | 대중과 학생들의 참여를 유도하여 첨단 기술 인력 양성 |
당시 NASA 행정관이었던 마이클 D. 그리핀은 컨스텔레이션 계획의 궁극적인 목표가 단순한 과학 탐사를 넘어선다고 강조했다. 그는 "시간이 지남에 따라 지구에서 태양계로 인간의 서식 범위를 확장하는 것에 관한 것"이라며, "장기적으로 단일 행성 종은 생존하지 못할 것이다. ... 인류가 수십만 또는 수백만 년 동안 생존하려면 궁극적으로 다른 행성에 정착해야 한다"고 말하며 인류의 장기 생존과 우주 진출의 필요성을 역설했다.[34]
이러한 비전은 외부에서도 일부 지지를 받았다. 2014년 미국 국립 과학 아카데미는 보고서를 통해 NASA의 장기 우주 목표 설정이 필요하다고 지적하며, 화성을 차기 유인 탐사 목표로 삼을 것을 권고했다. 이 보고서는 2037년까지 화성 도달을 위한 여러 경로를 제시하면서, 달 복귀가 그 과정에서 "상당한 이점"을 제공하는 중간 단계가 될 수 있다고 평가했다.[35] 또한, 비영리 민간 단체인 국립 우주 협회(NSS)는 달 탐사가 새로운 산업을 창출하고 추가적인 우주 탐사를 위한 재원을 마련할 잠재력이 있다며 미국의 우주 프로그램에서 달 복귀를 높은 우선순위로 간주해야 한다고 주장했다.[36]
6. 비판 및 논란
컨스텔레이션 계획은 과거 아폴로 계획과 우주왕복선 계획의 개념을 상당 부분 재활용했다는 점에서 '아폴로 계획의 재탕'이라는 비판을 받았다.[25] 예를 들어, 오리온 우주선의 사령선 모듈은 아폴로 사령/기계선 모듈과 공기역학적 형태가 매우 유사했다.[26] 아레스 I 발사체 설계 역시 아폴로 계획의 개념을 많이 활용했으며, 아레스 V에 사용될 예정이었던 J-2X 엔진 개발 초기에는 아폴로 시대의 J-2 엔진 설계를 참고하려는 시도가 있었다. 컨스텔레이션 계획의 관리자 제프 핸리(Jeff Hanley)는 "달에 착륙하고 달에서 이륙하는 역학은 상당 부분 해결되었다"며 "그것이 아폴로가 우리에게 남긴 유산이다"라고 언급하기도 했다.[27] 비록 J-2X는 안전 요구 사항 변경 등으로 결국 완전히 새로운 설계가 되었지만[28], 전체적인 임무 방식도 아폴로 계획의 달 궤도 랑데부를 따르면서 지구 궤도 랑데부를 추가하는 형태였다.
이러한 경향은 경비 절감을 위해 신규 개발을 최소화하고 기존 기술을 조합하려 했기 때문이라는 시각이 지배적이다. 결과적으로 1970년대 우주왕복선에 사용된 기술을 재활용하는 수준에 머물러, 1990년대 이후 축적된 기술 혁신 성과를 충분히 반영하지 못했다는 지적이 제기되었다.
또한, 승무원을 수송하는 아레스 I 로켓의 1단 추진체로 출력 조절이 어려운 고체 연료 부스터를 사용하는 것에 대한 안전성 우려도 꾸준히 제기되었다.
결국 컨스텔레이션 계획은 2010년 2월 1일, 버락 오바마 행정부에 의해 공식적으로 중단되었다. 약 90억달러가 이미 투입되었음에도 불구하고, 로켓과 우주선 개발이 크게 지연되었고 서브프라임 모기지 사태 이후의 재정 악화 속에서 예산 문제가 심각하게 불거졌기 때문이다.[59] NASA의 다른 분야 연구 개발에 악영향을 미친다는 비판도 중단 결정에 영향을 미쳤다. 이 결정으로 미국의 차세대 유인 우주선 개발은 원점으로 돌아갔고, 당분간 러시아 등 외국의 우주선에 의존해야 하는 상황에 놓였다. 계획 중단에 대해서는 미국의 우주 개발 리더십 약화를 우려하는 목소리와, 예산을 보다 효율적인 신기술 개발에 투자해야 한다는 찬성 의견이 엇갈렸다.[61]
7. 계획 중단 이후
2010년 2월 1일, 버락 오바마 미국 대통령은 2011년 회계연도 예산에서 컨스텔레이션 계획의 중단을 공식적으로 발표했다.[64][45][46] 오바마 행정부는 계획이 "예산 초과, 일정 지연, 혁신 부족" 상태에 있다고 평가했으며,[47][48][49][40] 원래 목표 달성을 위해서는 약 1500억달러가 추가로 필요할 것으로 예상되었다.[41] 이미 약 90억달러가 투입되었지만,[64] 아레스 I과 오리온 우주선의 개발 지연이 NASA의 다른 분야에 부담을 주고 있다는 우려와 서브프라임 모기지 사태 이후 악화된 재정 상황이 중단의 주요 원인이었다.[64][59] 2009년 어거스틴 위원회의 검토 결과 역시 NASA의 현재 예산으로는 달 복귀나 유인 화성 비행이 불가능하다는 결론을 내렸다.[42]
계획 중단으로 우주왕복선의 후계기 개발은 백지화되었고, 미국은 당분간 유인 우주 비행을 러시아의 소유즈 등에 의존해야 하는 상황에 놓였다.[66] 이 결정에 대해 미국 내에서는 우주 개발 리더십 약화를 우려하는 목소리와 예산을 신기술 개발에 투입하는 것을 지지하는 목소리가 엇갈렸다.[66][61]
계획 중단 발표 후, 오바마 대통령은 2010년 4월 15일 플로리다 우주 회의에서 새로운 우주 탐사 방향을 제시했다.[50] 그는 2030년대 중반까지 유인 화성 탐사를 목표로 설정하고,[67][68] 어거스틴 위원회가 제안한 "화성으로 가는 유연한 경로"를 따르는 계획을 발표했다.[51] 이에 따라 오리온 우주선 개발은 국제 우주 정거장(ISS)의 비상 탈출용 및 심우주 탐사용 다목적 유인 우주선(MPCV, Multi-Purpose Crew Vehicle)으로 계속 진행하기로 결정되었다.[62] 또한, 아레스 I과 아레스 V 발사체를 대체할 새로운 초중량 발사체인 SLS(Space Launch System) 개발 계획이 2010년 NASA 권한 부여 법안을 통해 확정되었다.[62][52] 오리온 우주선과 SLS는 이후 아르테미스 계획의 핵심 요소로 활용되며 미국의 유인 우주 탐사 계획을 잇고 있다.
한편, NASA는 비용 절감을 위해 저궤도 유인 및 화물 수송을 민간 기업에 맡기는 방식을 적극 추진했다. 상업 승무원 프로그램(Commercial Crew Program)을 통해 스페이스X의 크루 드래곤과 보잉의 스타라이너가 개발되어 국제 우주 정거장으로 우주비행사를 수송하는 임무를 수행하게 되었다.[54][55] 화물 수송 역시 상업 재보급 서비스 프로그램(Commercial Resupply Services)을 통해 민간 기업이 담당하고 있다.
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