우주왕복선 개요와 구성 및 개발 역사 각국 우주왕복선 목록

개요

우주왕복선(Space Shuttle)은 미국 항공우주국(NASA)이 개발한 재사용 가능한 유인 우주선입니다. 1981년부터 2011년까지 운용되었으며, 총 135회의 임무를 수행했습니다. 우주왕복선은 발사체, 궤도선, 고체로켓 부스터 등으로 구성되어 있으며, 화물과 승무원을 우주로 운송하고 지구로 귀환시키는 역할을 담당했습니다.

우주왕복선의 구성

우주왕복선은 크게 세 부분으로 구성됩니다.

궤도선(Orbiter)

궤도선은 승무원과 화물을 실어나르는 우주왕복선의 본체입니다. 길이 37m, 높이 17m, 폭 24m의 크기로, 최대 7명의 승무원과 25톤의 화물을 운반할 수 있습니다. 궤도선에는 승무원 구역, 화물칸, 로봇팔 등이 있습니다.

외부 탱크(External Tank)

외부 탱크는 궤도선에 연료를 공급하는 역할을 합니다. 액체수소와 액체산소를 저장하고 있으며, 발사 시 궤도선 엔진에 연료를 공급합니다. 길이 47m, 직경 8.4m의 크기로, 발사 후 대기 중에서 분리되어 바다에 떨어집니다.

고체로켓 부스터(Solid Rocket Booster)

고체로켓 부스터는 발사 시 추진력을 제공합니다. 알루미늄 재질로 만들어졌으며, 길이 45m, 직경 3.7m의 크기입니다. 왼쪽과 오른쪽에 하나씩 장착되며, 발사 후 분리되어 낙하산으로 바다에 착수합니다. 이후 회수되어 재사용됩니다.

발사와 착륙

우주왕복선은 케네디 우주 센터의 발사 복합 시설에서 수직으로 발사됩니다. 발사 시에는 고체로켓 부스터와 궤도선 엔진의 추진력으로 상승합니다. 고도 약 45km에서 고체로켓 부스터가 분리되고, 궤도선은 계속해서 상승합니다. 고도 약 100km에서 외부 탱크가 분리되고, 궤도선은 자체 엔진을 사용하여 궤도에 진입합니다.

임무를 마친 우주왕복선은 지구로 귀환합니다. 대기권 재진입 시에는 궤도선의 열차폐 타일이 마찰열을 견디며 궤도선을 보호합니다. 궤도선은 활공을 통해 속도를 줄이고, 활주로에 착륙합니다. 착륙 시에는 길이 4.5km 이상의 활주로가 필요합니다.

재사용

우주왕복선의 가장 큰 특징은 재사용이 가능하다는 점입니다. 기존의 일회용 우주선과 달리, 우주왕복선은 임무 종료 후 지구로 귀환하여 정비를 거친 뒤 다시 발사될 수 있습니다. 이를 통해 우주 비행의 비용을 절감하고 효율성을 높이고자 했습니다.

재사용의 장점

우주왕복선의 재사용은 여러 장점을 가져다주었습니다.

비용 절감

우주선을 재사용함으로써 새로운 우주선을 매번 제작해야 하는 비용을 절약할 수 있습니다. NASA는 우주왕복선의 재사용을 통해 발사 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대했습니다.

발사 주기 단축

우주선을 재사용하면 새로운 우주선을 제작하는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있습니다. 이를 통해 발사 주기를 단축하고, 우주 임무의 빈도를 높일 수 있습니다.

기술 발전

우주왕복선의 재사용 기술은 우주 비행 기술 발전에 기여했습니다. 재사용 우주선 개발을 통해 열차폐 기술, 추진 기술, 항법 기술 등 다양한 분야의 기술이 향상되었습니다.

재사용의 한계

그러나 우주왕복선의 재사용에는 한계도 있었습니다.

정비의 어려움

우주왕복선은 재사용을 위해 복잡한 구조로 설계되었습니다. 이로 인해 임무 후 정비 과정이 매우 까다로웠으며, 많은 시간과 인력이 소요되었습니다. 예상보다 정비에 드는 비용이 커지면서 재사용의 경제성이 떨어졌습니다.

안전성 우려

우주왕복선은 재사용을 위해 많은 부품들이 반복적으로 사용되었습니다. 이는 부품의 노후화와 피로도 누적으로 이어져 안전성 우려를 낳았습니다. 실제로 우주왕복선은 챌린저호와 컬럼비아호의 사고로 인해 큰 타격을 받았습니다.

기술적 한계

우주왕복선은 1970년대의 기술로 설계되었기 때문에 한계가 있었습니다. 특히 열차폐 타일은 손상되기 쉬웠고, 이는 컬럼비아호 사고의 원인이 되기도 했습니다. 기술적 한계로 인해 우주왕복선의 성능 향상에도 제약이 있었습니다.

위상

우주왕복선은 미국 우주 개발의 상징으로 여겨졌습니다. 1970년대 아폴로 계획 종료 이후, 우주왕복선은 미국의 우주 개발을 이끌어가는 핵심 프로젝트였습니다. 우주정거장 건설, 인공위성 발사, 우주 실험 등 다양한 임무를 수행하며 우주 개발의 중추적인 역할을 담당했습니다.

우주 실험실로서의 우주왕복선

우주왕복선은 궤도상에서 다양한 과학 실험을 수행하는 우주 실험실로서의 역할도 했습니다. 스페이스랩(Spacelab)이라는 실험 모듈을 탑재하여 재료 과학, 생명 과학, 천문학 등 여러 분야의 실험을 진행했습니다. 이를 통해 우주 환경이 각종 현상에 미치는 영향을 연구하고, 새로운 기술을 개발할 수 있었습니다.

국제 협력의 상징

우주왕복선은 국제 우주 협력의 상징이기도 했습니다. 유럽우주국(ESA), 일본우주항공연구개발기구(JAXA), 캐나다우주국(CSA) 등 여러 나라와 협력하여 우주 임무를 수행했습니다. 특히 스페이스랩 프로그램은 ESA와의 대표적인 협력 사례였습니다. 이는 우주 개발이 한 국가의 노력만으로는 이루어질 수 없으며, 국제 협력이 필수적임을 보여주었습니다.

우주 왕복선의 유산

우주왕복선은 퇴역했지만, 그 유산은 현재까지 이어지고 있습니다. 우주왕복선 개발을 통해 축적된 기술과 경험은 이후 우주 개발에 활용되었습니다. 또한 우주왕복선이 수행한 임무들은 우주 과학과 기술 발전에 크게 기여했습니다. 우주왕복선은 미국 우주 개발의 한 시대를 상징하는 존재로 기억될 것입니다.

비행 원리

우주왕복선은 발사체에 실려 수직으로 발사됩니다. 고도 약 100km에 도달하면 궤도선이 분리되어 우주 공간에 진입하고, 임무를 수행합니다. 임무 종료 후에는 지구 대기권으로 재진입하여 활공을 통해 착륙합니다. 이때 우주왕복선의 열차폐 타일이 대기와의 마찰열을 견디는 역할을 합니다.

발사 단계

우주왕복선의 발사 단계는 다음과 같습니다.

주 엔진 점화: 발사 6.6초 전, 궤도선의 세 개의 주 엔진이 점화됩니다. 이때 엔진의 추력은 외부 탱크의 연료 공급에 의해 점차 증가합니다.
고체로켓 부스터 점화: 발사 0초에 좌우 고체로켓 부스터가 점화되며, 우주왕복선이 발사대를 떠나 상승하기 시작합니다.
최대 동압(Max Q): 발사 후 약 1분 경, 우주왕복선은 대기 밀도와 속도의 곱이 최대가 되는 최대 동압 지점을 통과합니다. 이때 우주왕복선은 가장 큰 공기역학적 응력을 받습니다.
고체로켓 부스터 분리: 발사 후 약 2분 경, 고체로켓 부스터는 연료를 모두 소진하고 궤도선에서 분리됩니다. 분리된 부스터는 낙하산을 펼쳐 바다에 착수하며, 이후 회수되어 재사용됩니다.
주 엔진 종료(MECO): 발사 후 약 8분 30초 경, 궤도선의 주 엔진이 종료됩니다. 이때 우주왕복선은 고도 약 105km의 타원 궤도에 진입합니다.
외부 탱크 분리: 주 엔진 종료 후, 외부 탱크는 궤도선에서 분리되어 대기권으로 재진입합니다. 외부 탱크는 대부분 대기 중에서 연소되며, 잔해는 인도양에 떨어집니다.

궤도 운용

우주왕복선은 발사 후 타원 궤도에 진입하며, 이후 원형 궤도로 전이합니다. 우주왕복선의 궤도 고도는 일반적으로 185km에서 643km 사이였으며, 임무에 따라 달라졌습니다. 궤도상에서 우주왕복선은 화물 운반, 위성 수리, 우주 정거장 건설 등의 임무를 수행했습니다.

재진입 및 착륙

임무를 마친 우주왕복선은 지구로 귀환합니다. 재진입 시에는 궤도선의 자세를 바꿔 대기권으로 진입합니다. 이때 열차폐 타일이 대기와의 마찰열로부터 궤도선을 보호합니다. 우주왕복선은 초음속 비행 중 S자 방향 전환을 하며 속도를 줄입니다. 약 25km 상공에서 음속 이하로 속도가 떨어지면, 착륙 기어를 내리고 활주로에 접근합니다. 착륙 시에는 활주로 끝에서 약 610m 거리의 접지점을 향해 활공하며, 약 346km/h의 속도로 바퀴를 지면에 댑니다. 이후 활주로에서 감속하여 멈춥니다.

개발 역사

개발 배경

우주왕복선 개발은 1960년대 후반부터 구상되기 시작했습니다. 아폴로 계획 이후의 우주 개발 방향을 모색하던 NASA는 재사용 가능한 우주선 개발에 착목했습니다. 1972년, 닉슨 대통령은 우주왕복선 개발을 공식 승인했습니다.

성과 경제성

NASA는 우주왕복선의 재사용을 통해 발사 비용을 대폭 절감하고, 우주 비행 빈도를 높일 수 있을 것으로 기대했습니다. 당시 일회용 로켓의 발사 비용은 매우 높았기 때문에, 재사용 가능한 우주선 개발은 경제적으로 매력적인 대안이었습니다.

다목적 우주선

우주왕복선은 다양한 임무를 수행할 수 있는 다목적 우주선으로 구상되었습니다. 인공위성 발사, 우주 정거장 건설, 우주 실험 등 다양한 역할을 수행할 수 있는 만능 우주선을 목표로 했습니다.

설계 변경

초기 우주왕복선 설계안은 완전한 재사용을 목표로 했으나, 예산 문제로 인해 설계가 변경되었습니다. 액체로켓 부스터가 고체로켓 부스터로 바뀌었고, 궤도선의 크기도 축소되었습니다. 이러한 설계 변경은 우주왕복선의 성능과 안전성에 영향을 미쳤습니다.

액체로켓 부스터의 포기

초기 설계에서는 궤도선과 부스터 모두 재사용하는 것으로 계획되었습니다. 액체로켓 부스터를 사용하여 발사 후 착륙시켜 재사용한다는 구상이었습니다. 그러나 개발 비용 문제로 액체로켓 부스터는 포기되고, 대신 일회용 고체로켓 부스터를 사용하게 되었습니다.

궤도선 크기 축소

예산 삭감으로 인해 궤도선의 크기도 축소되었습니다. 당초 계획보다 작아진 화물칸은 우주왕복선의 임무 수행 능력을 제한했습니다. 또한 축소된 설계는 열차폐 타일의 면적을 증가시켰고, 이는 이후 안전성 문제로 이어졌습니다.

활공 시험

우주왕복선의 대기권 재진입과 활공 능력을 검증하기 위해 활공 시험이 수행되었습니다. 엔터프라이즈호를 개조한 시험선을 보잉 747에 실어 높은 고도에서 분리한 뒤, 활공 및 착륙 과정을 시험했습니다. 이를 통해 우주왕복선의 비행 성능과 조종 특성을 확인할 수 있었습니다.

ALT(Approach and Landing Test)

ALT는 1977년 2월부터 10월까지 수행된 우주왕복선의 대기 비행 시험입니다. 총 5차례의 시험이 이루어졌으며, 엔터프라이즈호가 사용되었습니다.

캡티브 비행: 747에 엔터프라이즈호를 고정한 채로 이륙, 비행, 착륙하는 시험입니다. 엔터프라이즈호의 공기역학적 특성을 확인했습니다.
자유 활공: 엔터프라이즈호를 747에서 분리하여 자유 활공 및 착륙시키는 시험입니다. 조종사의 조종 하에 엔터프라이즈호는 활주로에 접근하여 착륙했습니다.

ALT를 통해 우주왕복선의 저속 비행 특성과 착륙 성능이 검증되었습니다. 이는 이후 실제 우주왕복선 개발에 많은 도움이 되었습니다.

비행

STS-1

STS-1은 우주왕복선 컬럼비아호의 첫 비행입니다. 1981년 4월 12일 발사되어 이틀간의 임무를 수행한 뒤 4월 14일 귀환했습니다. 이 비행을 통해 우주왕복선의 실용성이 입증되었고, 본격적인 운용이 시작되었습니다.

승무원

STS-1의 승무원은 다음과 같습니다.

존 영(John W. Young), 선장: 아폴로 16호 달 착륙 임무를 수행한 베테랑 우주인입니다.
로버트 크리펜(Robert L. Crippen), 조종사: STS-1이 첫 우주 비행이었습니다.

임무

STS-1의 주요 임무는 다음과 같습니다.

우주왕복선 시스템의 궤도 성능 검증
열차폐 타일의 성능 검증
화물칸 도어 개폐 검증
컬럼비아호의 조종 및 제어 특성 평가

STS-1은 성공적으로 임무를 수행하고 귀환함으로써, 우주왕복선 시대의 막을 열었습니다.

STS-135

STS-135는 우주왕복선의 마지막 비행입니다. 2011년 7월 8일 발사된 애틀랜티스호는 국제우주정거장에 물자를 보급하고 실험 장비를 회수하는 임무를 수행했습니다. 7월 21일 착륙한 이 비행을 끝으로 우주왕복선 프로그램은 종료되었습니다.

승무원

STS-135의 승무원은 다음과 같습니다.

크리스토퍼 퍼거슨(Christopher Ferguson), 선장
더글러스 헐리(Douglas Hurley), 조종사
샌드라 매그너스(Sandra Magnus), 임무 전문가
렉스 월하임(Rex Walheim), 임무 전문가

네 명의 승무원 모두 우주 비행 경험이 있는 베테랑이었습니다.

임무

STS-135의 주요 임무는 다음과 같습니다.

국제우주정거장에 보급품과 실험 장비 전달
경량 다목적 실험 모듈(MPLM) 회수
로봇팔을 이용한 우주정거장 외부 점검
우주왕복선 프로그램 종료에 따른 의식 거행

STS-135는 성공적으로 임무를 마치고 지구로 귀환했습니다. 우주왕복선의 마지막 비행은 프로그램의 종료를 알리는 동시에, 30년간의 우주왕복선 역사를 마무리하는 의미 깊은 순간이었습니다.

퇴역한 이유

경제적 문제

우주왕복선은 당초 기대와 달리 경제성을 확보하지 못했습니다. 발사 비용이 높고 정비에 많은 시간과 비용이 소모되었습니다. 또한 상업 우주 산업의 발달로 인해 경쟁력이 약화되었습니다.

높은 운용 비용

우주왕복선은 재사용을 위해 복잡한 구조로 설계되었기 때문에, 발사 준비와 정비에 많은 비용이 들었습니다. 당초 계획했던 것보다 훨씬 높은 비용이 소모되었고, 이는 우주왕복선의 경제성을 떨어뜨렸습니다.

상업 우주 산업의 발달

2000년대 들어 스페이스X, 오비탈 사이언스 등 민간 우주 기업들이 등장하면서, 우주왕복선의 경쟁력은 약화되었습니다. 이들 기업은 일회용 로켓을 사용하여 저렴한 가격에 위성을 발사할 수 있었기 때문입니다.

위험성

우주왕복선은 두 차례의 참사를 겪었습니다. 1986년 챌린저호 사고와 2003년 컬럼비아호 사고로 인해 우주왕복선의 안전성에 대한 우려가 제기되었습니다. 이는 우주왕복선 퇴역을 결정하는 데 주요한 요인으로 작용했습니다.

챌린저호 사고

1986년 1월 28일, 챌린저호는 발사 직후 폭발하여 7명의 승무원 전원이 사망했습니다. 사고 원인은 로켓 부스터의 O링 실 문제였습니다. 이 사고로 인해 우주왕복선 프로그램은 2년 반 동안 중단되었고, NASA의 안전 관리 체계에 대한 대대적인 개선이 이루어졌습니다.

컬럼비아호 사고

2003년 2월 1일, 컬럼비아호는 재진입 중 공중 분해되어 7명의 승무원 전원이 사망했습니다. 사고 원인은 발사 시 단열재 파편이 날아가 좌익 전연부를 손상시킨 것이었습니다. 이 사고는 우주왕복선의 열차폐 시스템 설계상의 문제점을 드러냈고, 우주왕복선 프로그램의 종료를 재촉했습니다.

관료주의-보신주의 문화? 우주 탐험의 로망?

NASA 내부의 관료주의와 보신주의 문화도 우주왕복선 프로그램에 영향을 미쳤다는 지적이 있습니다. 안전성 문제가 제기되었음에도 불구하고 기존 체제를 유지하려는 경향이 있었다는 것입니다. 한편, 우주왕복선이 추구했던 우주 탐험의 로망이 현실적인 한계에 부딪혔다는 평가도 있습니다.

관료주의와 보신주의

챌린저호 사고 당시, 기술자들은 추운 날씨로 인한 O링 실의 위험성을 지적했지만, NASA 경영진은 이를 무시하고 발사를 강행했습니다. 이는 NASA 내부의 관료주의와 보신주의 문화를 보여주는 사례로 지적됩니다.

우주 탐험의 한계

우주왕복선은 본래 달과 화성을 향한 우주 탐험을 위한 발판으로 구상되었습니다. 그러나 현실적인 기술적, 경제적 한계로 인해 이러한 구상은 실현되지 못했습니다. 우주왕복선은 지구 저궤도에 머무르는 한계를 극복하지 못한 채 퇴역하게 되었습니다.

우주왕복선 목록

미국

엔터프라이즈(시험선)
컬럼비아
챌린저
디스커버리
애틀랜티스
엔데버

소련

부란(시험선)
부란 2.01(시험선)
부란 2.02(시험선)
부란 2.03(시험선)

소련은 1980년대 중반 에네르기아-부란 프로그램을 통해 우주왕복선을 개발했습니다. 그러나 소련 해체 이후 프로그램이 취소되면서, 실제 우주 비행을 수행한 적은 없습니다.

유럽

헤르메스(계획 중단)

유럽우주국(ESA)은 1980년대 중반부터 자체 우주왕복선인 헤르메스 개발을 추진했습니다. 그러나 예산 문제와 기술적 난항으로 인해 1993년 프로그램이 취소되었습니다.

아시아

HOPE-X(일본, 계획 중단)

일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 1980년대 후반부터 HOPE-X라는 우주왕복선 개발을 추진했습니다. 그러나 예산 문제로 인해 2003년 프로그램이 취소되었습니다.

후계자

X-37

X-37은 우주왕복선의 축소판으로 볼 수 있는 무인 우주선입니다. 보잉사에서 개발했으며, 2010년부터 운용 중입니다. 우주공간에서 장기간 임무를 수행할 수 있으며, 실험 장비 등을 운반하는 역할을 합니다.

드림 체이서

드림 체이서(Dream Chaser)는 시에라 네바다 사(Sierra Nevada Corporation)에서 개발 중인 소형 우주왕복선입니다. 국제우주정거장에 인력과 물자를 수송하는 것을 목표로 하고 있습니다. 드림 체이서는 기존 우주왕복선보다 작고 경제적이며, 활주로 착륙이 가능합니다. 2022년 첫 비행을 목표로 개발이 진행 중입니다.

스타십 시스템

스페이스X사의 스타십(Starship)은 완전 재사용 우주선을 목표로 개발되고 있습니다. 초대형 로켓인 슈퍼 헤비와 함께 운용되며, 화물과 승객을 달과 화성까지 운송할 수 있을 것으로 기대됩니다. 스타십은 기존 우주왕복선과 달리 수직 착륙이 가능하며, 대기권 내 추진을 위해 몸체 전면에 열차폐 타일을 장착하고 있습니다. 2020년대 중반 실용화를 목표로 시험 비행이 진행되고 있습니다.

SSTO(Single Stage to Orbit)

SSTO는 단일 단계로 지구 저궤도에 도달할 수 있는 우주선을 말합니다. 로켓단과 우주선이 일체형으로 설계되어, 발사 후 전체가 귀환하여 재사용됩니다. 이는 우주왕복선이 추구했던 완전 재사용 개념의 연장선상에 있습니다. 현재 스카이론(Skylon), 로툴란(Rotulan) 등의 개념설계가 제안되고 있지만, 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있습니다.

대중문화 속의 우주왕복선

우주왕복선은 대중문화 속에서도 자주 등장했습니다. 영화 ‘아폴로 13’, ‘스페이스 카우보이’, ‘그래비티’ 등에서 우주왕복선이 핵심 소재로 활용되었습니다. 또한 수많은 다큐멘터리와 교육 자료를 통해 우주왕복선의 활약상이 대중에게 알려졌습니다. 이는 우주왕복선이 단순한 우주선을 넘어 시대를 대표하는 아이콘으로 자리매김했음을 보여줍니다.

영화 속 우주왕복선

‘아폴로 13′(1995): 달 탐사 임무 중 사고를 당한 아폴로 13호를 구출하기 위해 투입된 우주왕복선이 등장합니다.
‘스페이스 카우보이'(2000): 노후한 인공위성을 수리하기 위해 우주왕복선이 발사되는 장면이 나옵니다.
‘그래비티'(2013): 우주 왕복선 엑스플로러가 우주 파편과 충돌하면서 발생하는 재난을 다룹니다.

교육과 홍보

우주왕복선은 NASA의 주력 홍보 수단이기도 했습니다. 우주인 선발, 발사 중계, 과학 실험 등 우주왕복선과 관련된 각종 이벤트는 대중의 우주 관심을 높이는 데 크게 기여했습니다. 또한 각종 교육 프로그램을 통해 학생들에게 과학과 우주 탐험의 꿈을 심어주기도 했습니다.

맺음말

우주왕복선은 인류의 우주 개발 역사에서 중요한 한 페이지를 장식했습니다. 재사용이라는 혁신적인 개념을 도입하여 우주 비행의 경제성을 높이고자 했으며, 다양한 임무를 수행하며 우주 개발의 지평을 넓혔습니다. 비록 완벽하지는 않았고 안타까운 사고도 있었지만, 우주왕복선은 인류의 우주 진출에 큰 발자취를 남겼습니다.

우주왕복선의 퇴역 이후, 우주 개발은 새로운 전기를 맞이하고 있습니다. 상업 우주 시대의 도래, 국제 협력의 확대, 달과 화성을 향한 새로운 도전 등 우주 탐험의 미래는 더욱 다양해지고 있습니다. 우주왕복선이 남긴 유산을 바탕으로, 인류는 우주라는 무한한 미지의 세계를 향해 나아가고 있습니다.

개요