우주 왕복선

우주왕복선

우주 왕복선은 미국의 항공우주국(NASA)이 1981년부터 2011년까지 운영한 부분적으로 재사용이 가능한 저궤도 우주 비행 프로그램의 일부였습니다. 이 프로그램의 공식 명칭은 우주 수송 시스템(STS)으로, 1969년에 계획된 재사용 가능한 우주선 시스템에 대한 자금 지원 계획에서 유래했습니다. STS-1, 즉 첫 번째 궤도 시험 비행은 1981년에 실시되었고, 이어 1982년부터 정규 운용 비행(STS-5)이 시작되었습니다. 총 5대의 우주 왕복선이 제작되어 1981년부터 2011년까지 플로리다의 케네디 우주 센터(KSC)에서 발사되어 총 135회의 임무를 수행했습니다. 이들의 임무는 위성 발사, 행성 간 탐사선 발사, 허블 우주 망원경(HST)의 발사 및 유지 관리, 궤도 실험 수행, 러시아와의 셔틀-미르 프로그램 참여, 국제 우주 정거장(ISS)의 건설 및 유지 관리 등 다양했습니다.

 

우주 왕복선의 총 임무 기간은 1,323일에 달했습니다. 우주 왕복선 시스템은 3개의 RS-25 주 엔진이 장착된 궤도선(OV), 재사용 가능한 고체 로켓 부스터(SRB) 한 쌍, 그리고 액체 수소와 액체 산소를 담은 한 번 사용하는 외부 연료 탱크(ET)로 구성되어 있습니다. 발사 시 우주 왕복선은 기존 로켓과 같이 수직으로 발사되었으며, 두 개의 SRB는 궤도선의 주 엔진과 함께 연료를 공급받아 작동했습니다. SRB는 궤도 달성 전에 분리되고, 주 엔진은 계속 작동하여, ET는 궤도 삽입 직전에 분리되었습니다. 임무 완료 후, 궤도선은 대기권으로 재진입하여 열 보호 타일로 보호받으며, 플로리다의 KSC 또는 캘리포니아의 에드워드 공군 기지에 위치한 로저스 드라이 호수에 착륙했습니다. 최초의 궤도선인 '엔터프라이즈'는 1976년에 제작되었으나, 궤도 비행 기능이 없이 접근 및 착륙 테스트에만 사용되었습니다. Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis 등 총 4대의 우주 왕복선이 운용 되었고, 이 중 Challenger와 Columbia는 임무 중 사고로 인해 총 14명의 우주비행사가 사망했습니다. Challenger의 대체 차량으로 Endeavour가 1991년에 제작되었습니다. 남은 세 대의 우주 왕복선은 2011년 7월 21일 아틀란티스의 마지막 비행을 끝으로퇴역했습니다. 이후 미국은 2020년 5월 크루 드래곤 데모-2 임무가 발사될 때까지 국제 우주 정거장(ISS)으로의 우주비행사 수송을 위해 러시아의 소유즈 우주선을 이용해 왔습니다. 우주 왕복선 프로그램은 미국 우주 탐사 역사에서 중요한 장을 차지하며, 그 기술적 성취와 우주 과학에 대한 기여는 여전히 높이 평가되고 있습니다. 

 

역사적 배경

1930년대 후반, 독일 정부는 전략적 장거리 폭격기 개발 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트의 일환으로 오이겐 생어(Eugen Sänger)와 수학자 아이린 브레트(Irene Bredt)는 '실버보겔(Silbervogel, 독일어로 "은새")'이라는 아이디어를 제안했습니다. 실버보겔은 재사용 가능한 날개 달린 로켓으로, 대기권 밖으로 발사된 후 지구를 반 바퀴 돌아 미국에 도달할 수 있도록 설계되었습니다. 이 아이디어는 당시 기술적 한계로 인해 실현되지 못했습니다. 1950년대에 들어서, 미국 공군은 재사용 가능한 우주 비행 기술에 관심을 가지기 시작했습니다. 이러한 관심은 정찰, 위성 공격, 공대지 무기 운용 등 다양한 군사 작전을 수행할 수 있는 재사용 가능한 조종 글라이더의 사용을 제안하게 되었습니다. 1950년대 후반, 공군은 X-20 Dyna-Soar 프로그램을 시작했으며, 이는 부분적으로 재사용 가능한 우주 글라이더의 개발을 목표로 했습니다. 공군은 Dyna-Soar 프로그램에 대해 NASA와 협력하여 1961년 6월에 조종사 훈련을 시작했습니다. 그러나 개발 비용 상승과 Project Gemini의 우선 순위로 인해 1963년 12월에 프로그램이 취소되었습니다. 한편, 1957년에 공군은 재사용 가능한 부스터의 타당성을 테스트하기 위한 연구를 수행했습니다. 이 연구는 나중에 완전히 재사용 가능한 우주선인 항공우주비행기의 초기 설계 단계의 기초가 되었습니다. 그러나 이 프로젝트 역시 초기 설계 단계 이후에는 개발되지 않았습니다. 1950년대 초부터 NASA와 공군은 날개 대신 동체에서 주로 양력을 생성하는 항공기, 즉 양력체 개발에 협력했습니다. 이 협력을 통해 여러 양력체 프로토타입이 테스트되었습니다. 이러한 테스트는 NASA M2-F1, Northrop M2-F2, Northrop M2-F3, Northrop HL-10, 마틴 마리에타 X-24A, 마틴 마리에타 X-24B 등을 포함하며, 높은 고도 및 속도에서의 무동력 착륙을 포함하여 나중에 우주 왕복선 설계에 통합될 공기 역학적 특성을 테스트했습니다. 이러한 초기 연구와 실험은 후에 우주 왕복선 프로그램의 개발에 중요한 기반이 되었습니다. 

 

항공기와 우주선의 공기 역학적 특성

항공기와 우주선의 공기 역학적 특성은 그들이 대기 중을 이동할 때 발생하는 힘과 흐름의 패턴을 설명합니다. 이러한 특성은 항공기와 우주선이 공기 중을 효율적으로, 안전하게 이동하고 조종할 수 있도록 하는 데 중요합니다. 다음은 항공기와 우주선의 주요 공기 역학적 특성입니다: 양력(Lift): 항공기나 우주선이 공중에 떠 있을 수 있게 하는 힘입니다. 양력은 날개와 공기 흐름 간의 상호 작용으로 생성되며, 이는 항공기의 경우 날개의 형태와 각도(공격 각)에 크게 의존합니다. 우주선에서는 대기 재진입 시에 양력을 활용하여 궤적을 조정하기도 합니다. 항력(Drag): 항공기나 우주선이 공기 중을 이동할 때 마주치는 저항력입니다. 항력은 속도와 공기 밀도에 비례하여 증가하며, 항공기의 형태(공기역학적 형상)가 스트림라인을 이루도록 설계되어 항력을 최소화합니다. 추력(Thrust): 항공기나 우주선을 전진시키는 힘입니다. 엔진이나 로켓에서 발생하며, 이 힘을 통해 항공기나 우주선은 항력을 극복하고 원하는 속도로 이동할 수 있습니다. 중량(Weight): 중력에 의해 항공기나 우주선에 작용하는 힘입니다. 양력이 이 중량을 극복해야 항공기나 우주선이 떠오를 수 있습니다. 이 외에도 안정성(Stability)과 조종성(Maneuverability) 같은 특성이 있으며, 이는 항공기나 우주선이 예측 가능하고 제어 가능한 방식으로 움직이게 하는 데 중요합니다. 안정성은 항공기나 우주선이 자동으로 균형 상태로 돌아가려는 성질을 말하고, 조종성은 조종사의 제어 입력에 대한 항공기나 우주선의 반응을 의미합니다. 항공기와 우주선의 공기 역학적 설계는 이러한 특성들을 최적화하여 성능을 극대화하고 연료 소비를 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다. 우주선의 경우, 대기 재진입 시 고온과 고압에 대응하는 열 보호 시스템과 공기역학적 안정성도 중요한 설계 요소입니다.

 

설계과정

NASA와 공군은 재사용 가능한 우주선의 필요성을 인식하고, 이에 따라 공동으로 우주 왕복선 개발 프로젝트를 진행했습니다. 초기에 다양한 설계와 아이디어가 제안되었으며, 여러 단계를 거쳐 최적의 설계를 결정하기 위한 노력이 이루어졌습니다. 이 과정에서 공군과 NASA는 각각의 요구 사항에 부합하는 우주선 설계를 위해 협력했습니다. 공군은 우주 왕복선을 통해 대형 위성을 발사할 수 있는 능력을 요구했으며, 이를 위해 상당한 탑재 능력과 넓은 페이로드 베이가 필요함을 강조했습니다. NASA는 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 엔진과 설계 옵션을 검토하고, 최종적으로 RS-25 엔진 개발에 착수했습니다. 우주 왕복선의 설계 결정 과정에서 비용 절감과 재사용 가능성이 중요한 고려 사항이었습니다. 이에 따라 NASA는 고체 추진제 부스터의 사용을 결정했으며, 이는 비용 절감뿐만 아니라 재사용을 용이하게 하는 선택이었습니다. 리처드 닉슨 대통령의 승인을 받은 후, NASA는 우주 왕복선의 최종 설계를 결정하고 관련 계약을 체결했습니다. 이 과정에서 북미 Rockwell, Martin Marietta, 그리고 Morton Thiokol과 같은 회사들이 우주 왕복선의 주요 구성 요소 개발에 참여했습니다. 우주 왕복선 프로그램은 아폴로 프로그램 이후 NASA의 주요 우주 탐사 프로젝트 중 하나였으며, 재사용 가능한 우주선 개발을 통해 우주 탐사의 비용 효율성과 지속 가능성을 높이는 데 크게 기여했습니다.