우주왕복선
우주왕복선(宇宙往復船)은 미국 항공우주국(NASA)의 우주와 지구를 반복해서 왕복하도록 설계된 우주선이며 1980년대 초반부터 사용되다가 2011년 7월 퇴역했다. 스페이스 셔틀(Space Shuttle, Space Transportation System, STS)이라고도 한다.
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개요[편집]
NASA에서 아폴로 계획으로 대표되는 1960년대 말~1970년대의 달 탐사 계획 이후, 후속 우주 탐사를 위해 등장한 우주선이다. 본래는 유인 화성탐사 프로젝트에서 우주정거장 건설을 위한 재활용 발사체 연구에서 유래했으며, 지구 주변 궤도를 왕복할 수 있도록 설계되었다.
우주왕복선은 한 마디로 거대한 우주선이 타이탄 로켓의 등에 올라탄 형식의 비행체며, 세 부분으로 되어 있다. 최종적으로 위성궤도에 도달하는 궤도선(軌道船), 여기에 액체연료를 공급하는 거대한 연료탱크, 이 모두를 강력하게 지상에서 쏘아올리는 고체연료로켓으로 되어 있다.
이들 가운데서 가장 큰 것이 연료탱크로써 길이가 46.94m, 지름이 8.41m이며, 여기에 채워질 연료는 액체수소(연료)와 액체산소(산화제)이다. 이것을 사용하는 궤도선의 주기관(主機關)은 3개이며, 추력(推力)을 규정 값의 50~109 %의 범위 안에서 자유롭게 조정할 수 있다. 그리고 기관은 수명이 7.6시간(종래의 것은 몇 분)이라는 획기적인 성능을 가졌다.
연료탱크 양쪽에 달려 있는 부스터(booster)는 지름 3.71m, 길이 45.4m의 고체연료로켓이다. 이것은 상승비행을 촉진하기 위한 것으로써 각각 약 1,200 t의 추력을 낼 수 있으며, 발사 후 2분이 지나면 본체에서 분리되어 발사지점에서부터 180km 떨어진 바다 위에 낙하산으로 떨어진다. 이것은 회수하여 약 20회 반복하여 사용할 수 있다.
궤도선은 연료탱크의 등쪽에 고정설치되어있는데, 이것은 중형(中型) 제트여객기인 DC-9형의 크기로써 길이는 37.28m, 동체의 지름은 4.6m 정도이다. 위성궤도까지 올라가는 데는 강력한 로켓기관을 사용하지만, 궤도에서 떠나 지구로 귀환할 때는 글라이더와 같이 기관 없이 활공비행하면서 내려온다. 이 때문에 너비가 23.77m나 되는 대형 삼각날개가 달려 있다.
위와 같이 세 부분을 모두 부착시킨 우주왕복선의 전체의 길이는 56.88m이고, 연료탱크의 하부에서부터 궤도선의 꼬리날개 높이까지는 23.23m나 된다. 이륙직전의 무게는 약 2,000 t이며, 이 중 85%가 연료의 무게이다. 궤도선 자체의 무게는 68t이며, 여기에 적재능력화물의 무게 29.5t을 합치면 100t 정도지만, 전체의 무게에 비하면 5%에 불과하다.
우주왕복선은 이륙할 때는 보통 우주로켓처럼 수직으로 올라가지만, 2분 후에 2개의 부스터를 떼어 버리고 난 뒤에는, 서서히 지구표면과 평행하게 수평비행을 한다. 궤도선이 320km 고도에 이르는 데 필요로 하는 탈출속도인 초속 7.7km에 도달하기 전에 로켓기관의 작용을 멈추고 연료탱크를 분리시켜 지상으로 떨어뜨린다. 우주왕복선은 약 100회 정도 반복하여 사용할 수 있다.
날개가 달려있는 궤도선은 수직으로 발사되며, 보통 5-7명의 우주인과 22,700킬로그램 (50,000 lbs) 정도의 하중을 지구 저궤도로 실어 나른다. 임무가 끝나면, 지구 대기권에 재돌입하며, 재돌입시에는 동력이 없는 채로 활공을 통해 감속 후 착륙하는데, 대개는 케네디 우주 센터의 활주로에 착륙하게 된다.
궤도선 자체는 현재 보잉 사의 일원인 북아메리카 록웰이 제조하였다. 우주왕복선 외부 연료 탱크는 현재 록히드 마틴사에 합병된 마틴 마리에타사가 설계하였으며, 우주왕복선 고체 로켓 부스터는 현재 알리안트 테크시스템의 일원인 모턴 티오콜이 만들었다.
우주왕복선은 재사용이 가능하도록 설계한 최초의 궤도 우주선이다. 다양한 궤도로 많은 하중을 실어 나를 수 있으며, 국제우주정거장의 승무원을 교체해 주기도 하고, 또한 수리 임무를 수행하기도 한다. 우주왕복선은 인공위성 및 궤도 상의 다른 물체를 가지고 지구로 돌아올 수도 있도록 설계되었으나, 실제로 그 역할은 많이 수행하지 않는다. 하지만 이러한 회수 임무는 국제우주정거장에 있어 매우 중요한데, 이는 소유즈 우주선은 국제우주정거장의 실험 물질이나, 수리해야 할 장치, 쓰레기들 중 일부만을 가져올 수 있기 때문이다. 각 우주왕복선은 100번의 발사 및 10년 동안의 사용을 목표로 설계되었다.
우주왕복선 계획은 1960년대 말 시작되었으며, 1970년대 중반 이래 미국 항공우주국 유인 우주선 사업의 거의 대부분을 차지하게 되었다. 우주 탐사 비전에 따르면, 현행의 우주왕복선은 2010년까지 국제우주정거장의 조립을 주목적으로 사용 되었다.
2011년 7월 9일, 아틀란티스호의 33번째 우주비행을 마지막으로 1981년부터 2011년까지 30년 동안 진행되어온 미국의 우주왕복선 프로그램이 막을 내렸다.
개발[편집]
1972년 아폴로 계획이 성공리에 끝난 뒤, 미국 항공우주국(NASA)은 앞으로의 유인 우주선에 관한 계획을 세웠다. 이후, 우주왕복선을 만드는 것이 미국의 국익에 도움이 될 것이라고 리처드 닉슨 대통령에게 조언했다.
우주왕복선 계획은 1972년 1월 5일, 닉슨 대통령이 'NASA는 앞으로 재사용이 가능하며, 저렴한 우주왕복선을 개발할 것'을 선언하면서 시작되었다. 여러 대의 우주왕복선 가운데 처음 만들어진 것이 가장 유명하다. 원래 이 기체에는 컨스티튜션(Constitution, 헌법)이라는 이름을 붙일 예정이었다. 하지만 《스타 트렉》의 팬들이 백악관에 대규모의 투고 운동을 벌여서, 결국 엔터프라이즈 우주왕복선이라는 이름이 붙었다(스타 트렉의 모선 이름이 엔터프라이즈이다). 열렬한 환호 속에 엔터프라이즈는 1976년 9월 17일 출고되었으며, 이후 최초의 설계 검증 작업인 활공 및 착륙 시험을 거치게 되었다.
처음으로 완전하게 동작한 우주왕복선은 캘리포니아주 팜데일에서 생산된 컬럼비아 우주왕복선이다. 이는 1979년 3월 25일 케네디 우주센터로 옮겨졌고, 1981년 4월 12일, 유리 가가린의 우주 비행 20주년 기념일에 두 명의 승무원을 태우고 최초로 발사되었다. 챌린저 우주왕복선은 1982년 7월 운반되었으며, 디스커버리 우주왕복선은 1983년 11월, 애틀랜티스 우주왕복선은 1985년 4월에 각각 우주 센터로 이송되었다. 원래 우주왕복선은 프리덤 우주 정거장에 들를 계획이었다. 하지만 우주정거장 계획은 너무 웅대했기 때문에 일정이 크게 지연되었고, 마침내는 규모가 축소되어 국제 우주정거장과 통합되었다. 1986년 1월 28일 챌린저 우주왕복선이 발사 직후 폭발하여, 7명의 승무원 전원이 사망한 사고가 일어났다. 인데버 우주왕복선은 챌린저 호를 대신하기 위해 계획되었고, 다른 우주왕복선의 여분의 부품을 이용해서 1991년 5월 완성되었다. 컬럼비아 우주왕복선 역시 2003년 2월 1일 재돌입 도중 7명의 승무원과 함께 폭발하였으며, 이를 대체할 우주왕복선 계획은 없는 상태이다.
상승[편집]
우선 우주왕복선 주 엔진(SSME)이 점화되며, 컴퓨터는 몇 초간 기능을 점검한다. 모두 정상이면, 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)가 점화되며, 기체는 이륙이 허가된다. 고체 로켓 부스터는 한번 점화되면 정지할 수 없으므로, 점화가 일단 되면 우주왕복선은 어떤 일이 일어나든 반드시 이륙해야만 한다. 상승 과정에서 일어날 수 있는 여러가지 실패 시나리오에 대한 긴급 처리 방식(우주왕복선 중단 방식)이 다수 존재한다. 주 엔진이 가장 복잡하면서도 매우 압력을 받는 부위이므로, 많은 부분은 주 엔진의 문제에 관한 것이다. 챌린저 우주왕복선 폭발사고 이후, 중단 방식에 대대적인 개편이 있었다.
이륙시, 추진력의 많은 부분(~71%)을 고체 로켓 부스터가 담당한다. 발사대를 떠나고 잠시 후, 우주왕복선은 회전하여 외부 탱크와 로켓 부스터 아래에 놓이게 된다. 우주왕복선은 외부 탱크 및 로켓 부스터가 연료를 소비해가면서 가벼워짐에 따라, 점점 편평해지는 호를 그리며 상승하게 된다. 지구 궤도에 올라서기 위해서는 사실 수직 방향에 비해 수평 방향의 에너지가 훨씬 더 필요하다. 하지만 실제로 눈으로 볼 때는 이러한 사실을 알 수 없는데, 수직으로 올라가는 것만 보일 뿐이지, 실제 수평으로 가속하는 것은 시야 밖에서 일어나는 일이기 때문이다. 국제우주정거장이 위치한 지상 380 킬로미터 (236 마일)에서의 궤도 속도는 7.68 킬로미터/초 ( 17,180 mph), 다시 말해 마하 23이나 된다.
상승 중에는 "max-q"라고 불리는 지점이 존재하는데, 최대 출력이 이루어지는 지점이며, 너무 가속하여 선체에 무리를 주지 않기 위해서 일시적으로 감속하는 지점이다.
이륙 후 126초가 지나서, 폭발 볼트가 폭발하면서 고체 로켓 부스터를 분리하게 된다. 이후 로켓 부스터는 바다에 떨어져서 재사용된다. 이후, 우주왕복선은 주 엔진에 의지하여 가속하고 궤도에 오르게 된다. 이 시점에서 선체는 1보다 낮은 추력 대 중량비를 지니게 된다. 즉, 주 엔진은 실제로는 중력을 극복하기에 불충분한 추력을 지니게 되며, 로켓 부스터가 있을 때에 비해 수직 속도는 일시적으로 감소하게 된다. 하지만, 계속 연료를 소모함에 따라, 추진체의 무게가 감소하며, 다시금 추력 대 중량비가 1을 넘어서게 되고, 계속 가속할 수 있다.
선체는 계속 상승하여, 이후 수평으로 기수를 향한다. 주 엔진은 계속 가동하며, 고도를 유지하면서 수평으로 궤도를 돌기 위한 속도를 얻기 위해 가속한다.
마지막으로, 주 엔진이 가동되는 마지막 10초 동안은 기체의 질량이 충분히 낮아진 상태이며, 3g의 가속도로 제한하기 위해 엔진 출력을 낮춰야 할 정도이다. 가속도의 제한은 대개 우주인의 건강 및 편안함을 위해서이다.
추진제를 완전히 소진하기 전에, 주 엔진은 꺼지며(완전히 소모할 경우 엔진은 손상될 우려가 있다), 빈 외부 탱크는 볼트가 폭발하면서 떨어져 나간다. 탱크는 대기에서 거의 타버리게 되며, 일부 잔해는 인도양에 떨어진다.
이 시점에서도 우주왕복선은 여전히 궤도에 약간 못 미치는데, 이는 궤도가 대기와 접하기 때문이다. 이후 궤도 기동 시스템(OMS) 엔진을 가동하여 궤도에 진입한다.
하강[편집]
우주왕복선은 궤도 운동의 반대 방향으로 OMS 엔진을 3분간 분사함으로써 재돌입을 시작한다. 역분사는 속도를 감소시키며, 따라서 궤도를 지구 대기권으로 낮춘다. 역분사는 대략 착륙장소의 지구 반대편에서 이루어진다. 전체 재돌입 과정은 착륙장치의 전개를 제외하고는 모두 컴퓨터 제어에 의존한다. 하지만 수동으로도 가능하며, 수동으로 한 경우도 한 번 존재한다.
이후, 기체는 120 킬로미터 (400,000 피트) 정도의 고도에서 마하 25의 속도로 대기로 진입하기 시작한다. 기체는 공기 저항을 최대로 하기 위해 상향 40도의 자세를 취한다.
재돌입의 목표는 고도와 속도를 착륙에 맞도록 서서히 낮추어가는 과정이다. 이를 위해서 S-형태의 선회 기동을 하며, 이때의 선회 각도(뱅크 각도)는 최대 70도이다.
자세 제어는 RCS 분사 및 날개 조종면을 이용하여 이루어진다.
대기 하부에서, 우주왕복선은 일반 비행기의 활공 비행과 매우 유사한 비행을 하는데, 차이점은 훨씬 빠르게 하강한다는 것이다. 매 분 3 킬로미터 (10,000 피트)정도 하강하며, 이는 일반 항공기의 20배 정도의 수치이다. 4:1의 활공각으로 착륙하며, 착륙 시의 속도는 340–410 km/h (213-255 mph)로 통상 제트 여객기의 260 km/h (160 mph)에 비해 매우 높다. 착륙 시 에어브레이크와 감속 낙하산을 사용하여 속도를 줄인다.
착륙 후, 기체는 하강 시 사용된 유독성의 하이드라진 증기가 사라질 때까지 활주로에서 기다린다.
우주왕복선 목록, 사용처, 통계 및 사고[편집]
우주왕복선[편집]
각 우주왕복선은 배와 유사한 방식으로 이름 지어졌으며, 미국 항공우주국의 Orbiter Vehicle Designation 체계를 따라 번호가 매겨진다. 각 우주왕복선의 외관은 매우 유사하지만, 내부는 약간 차이가 난다. 이는 서로 돌아가며 수선하는 동안 새로운 장비가 장착되기 때문이다. 또한, 새로운 우주선이 구조적으로 더 가볍다.
- 우주비행 능력이 없는 주 추진력 시험체(MPTA, main propulsion test article):
- MPTA-ET (외부 탱크), 현재는 패스파인더에 부착되어 전시중
- MPTA-098, 엔진 실패로 치명적인 피해를 겪음. OV-098(패스파인더)과 혼동하지 말 것.
- 우주비행 능력이 없는 구조 시험체(STA, structural test article):
- STA-099, 이후 챌린저 호의 주프레임으로 사용됨
- 우주비행 능력이 없는 조종 시험체:
- 패스파인더 우주왕복선 (OV-098)
- 활공/착륙 시험만 통과한 시험 기체. 많은 정비가 있어야 우주비행이 가능(OV, Orbiter Vehicle):
- 엔터프라이즈 우주왕복선 (OV-101)
- 사고로 손실:
- 챌린저 우주왕복선 (OV-099) - 1986년 1월 28일 발사 직후 사고
- 컬럼비아 우주왕복선 (OV-102) - 2003년 2월 1일 재돌입 도중 사고
- 퇴역:
- 디스커버리 우주왕복선 (OV-103)
- 아틀란티스 우주왕복선 (OV-104)
- 인데버 우주왕복선 (OV-105)
사용처[편집]
- 국제우주정거장의 승무원 교체
- 허블 우주망원경의 수리와 같은 유인 수리 임무
- 지구 저궤도에서의 유인 실험
- 지구 저궤도로의 수송
- 허블 우주망원경과 같은 거대한 인공 위성
- 국제우주정거장의 건설 자재와 보급품
- 인공 위성과 부스터를 함께 수송, 이후 부스터를 이용하여 위성을 다음 두 궤도로 올림
- 지구 고궤도
- 찬드라 엑스선 관측선
- 여러 개의 TDRS 위성
- 한 번에 두 개의 DSCS-III(방위 위성 통신 시스템) 통신 위성
- DSP 인공 위성
- 행성간 궤도
- 마젤란 탐사선
- 갈릴레오 호
- 율리시즈 탐사선
비행통계(2005년 8월 25일 기준)[편집]
우주왕복선 비행일 지구 회전 회수 비행 거리 -mi- 비행 거리 -km- 비행 회수 최대 비행 일수 승무원 기체 외부 활동 Mir/ISS 도킹회수 위성 배치 컬럼비아 우주왕복선 300.74 4,808 125,204,911 201,497,772 28 17.66 160 7 0 / 0 8 챌린저 우주왕복선 62.41 995 25,803,940 41,527,416 10 8.23 60 6 0 / 0 10 디스커버리 우주왕복선 255.84 4,027 104,510,673 168,157,672 31 13.89 192 28 1 / 5 26 아틀란티스 우주왕복선 220.40 3,468 89,908,732 144,694,078 33 12.89 161 21 7 / 6 14 인데버 우주왕복선 206.60 3,259 85,072,077 136,910,237 19 13.86 130 29 1 / 6 3 총합 1,045.99 16,557 430,500,333 692,787,174 114 17.66 703 91 9 / 17 61
사고[편집]
114회의 임무를 수행하는 도중 두 대의 우주왕복선이 사고를 당했으며, 두 경우 모두 승무원 7명 전원의 목숨을 앗아갔다.
- 챌린저 우주왕복선 — 1986년 1월 28일 이륙 후 73초만에 사고(챌린저 우주왕복선 폭발 사고를 참조하기 바란다.)
- 컬럼비아 우주왕복선 — 2003년 2월 1일 재돌입 과정 중에 사고(컬럼비아 우주왕복선 공중분해 사고를 참조하기 바란다.)
위의 두 사고로 인해 우주왕복선은 매 비행 당 대략 2%의 사망률을 보여준다.
두 사고에 있어 기술적인 구체사항은 다르지만, 조직에 있어서의 문제는 놀라울 정도의 유사성을 보여준다.
- 두 경우 모두 계획된 비행이 아니었다.
- 초급 기술자들은 문제가 발생할 가능성에 대해 알고 있었지만, 이러한 염려가 수석 관리자에게 적절히 전달되지 못했다.
- 기체는 이미 이상 징후를 나타내고 있었으나, 관료적인 조직 문화가 필요한 조치를 취하기 어렵게 하였다.
- 수석 관리자는, 문제점이란 존재하기 때문에 발견되는 것이 아니라, 객관적으로 증명되지 않으면 존재하지 않는 것이라고 생각하였다.
챌린저 우주왕복선의 경우, 발사 전 NASA와의 회의 때, 우주왕복선 고체 로켓 부스터를 설계하고 제작한 모튼 치오콜사의 경험 많은 O링 기술자는 발사를 취소하거나 일정을 조정해 달라고 몇 번이고 요청하였다. 그는 추운 날씨의 낮은 온도가 O링의 탄성을 잃게 하여, 완전한 밀봉 역할을 하지 못할 것이라고 주장하였다. 애석하게도, NASA 및 모튼 치오콜사의 수석 관리자들은 그의 말을 무시하였으며 발사를 허가하였다. 얼어붙은 O링이 제 역할을 하지 못해 그 틈으로 새어 나온 고온, 고압의 연료에 불이 붙었고, 최악의 결과가 발생하고 말았다.
컬럼비아 우주왕복선의 사고는 상승 도중에 우주왕복선 외부 연료 탱크로부터 떨어져 나온 파편에 열 보호막이 깨어진 것이 원인이었다. 그러한 파편은 원래부터 탱크로부터 떨어지도록 설계된 것도 아니고 예상된 일도 아니었다. 하지만 이전부터도 별다른 이유가 없는데도 떨어지는 것이 관측되어왔다. 원래의 우주왕복선 명세서를 참고하면, 왕복선 본체의 단열 타일은 어떠한 파편에도 맞아서는 안된다고 되어 있다. 시간이 지남에 따라, NASA 기술자들은 점차 타일의 피해에 무감각 해졌는데, 이는 O링의 부식이 받아 들여진 것과 같은 과정이다. 컬럼비아 사고 조사 위원회는 이러한 현상을 "비정상의 일반화", 즉 비정상적인 사건이 아직 재앙을 일으키지 않았다는 이유로 점차 익숙해지고 받아 들여지는 현상이라고 정의하였다.
지구에서의 우주왕복선 수송[편집]
- 크롤러-트랜스포터는 조립 공장에서 발사 시설로 우주왕복선을 수송한다.
- 우주왕복선 수송기(SCA, en:Shuttle Carrier Aircraft)는 보잉 747을 개조하여 제작한 것으로, 우주왕복선이 다른 착륙지점에 착륙할 경우, 케이프 커내버럴(Cape Canaveral)로 수송해오는 역할을 수행한다.
- 36개의 바퀴를 지닌 수송 트레일러는 우주왕복선을 격납고에서 발사대로 운반한다. 이 트레일러는 원래 캘리포니아주의 반덴버그 공군 기지에 있는 미 공군 발사 시설에 사용되려고 설계되었던 것이다. 이 트레일러가 있기 전에는 우주왕복선은 자신의 착륙 장치를 이용해서 이동하였으며, 외부 탱크 및 로켓 부스터에 장착될 때에서야 수직으로 세워지게 되었다. 하지만 트레일러가 도입되고 나서는 발사전부터 착륙 장치에 부담을 주는 일을 하지 않아도 되었다.
드림 체이서[편집]
드림 체이서는 우주왕복선의 후계 유인 우주비행선으로 보이는 우주선이다. 시에라 네바다에서 개발중인 미국의 RLV 리프팅 바디 우주선으로 사람이 탑승하는 것으로 의도된 드림 체이서는 안전성을 고려해 국제우주정거장에 보낼 화물을 싣는 용으로 만들어진 드림 체이서가 먼저 사용된 후에 생산된다. 승무원용 우주선은 7명을 태울 수 있고 지구 저궤도를 돌 수 있다.
화물용 드림 체이서는 국제우주정거장에 가압 및 비가압 화물을 공급하도록 설계되었다. 벌컨 로켓에서 수직으로 발사하고 기존 활주로에 수평으로 자동 착륙한다. ESA가 제안한 안은 아리안 5에서 발사하는 것이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
