우주왕복선의 구조

우주왕복선의 구조

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우주왕복선 각 부분의 명칭. 왼쪽 위에서부터: 전방 반응 제어 시스템, 비행 갑판, 화물 구획, 궤도 기동 시스템 (OMS), 반응 제어 시스템, OMS 엔진, 주 엔진. 오른쪽 위에서부터: 외부 탱크, 고체 로켓 부스터.

우주왕복선은 세 개의 큰 부분으로 이루어진 부분적인 재사용 발사 시스템이다. 세 구성 요소는 각각 우주왕복선 본체(Orbiter), 소모성의 우주왕복선 외부 탱크, 두 개의 재사용 가능한 우주왕복선 고체 로켓 부스터이다. 탱크와 부스터는 상승 도중에 버려지게 되므로, 궤도로 올라가는 것은 본체 뿐이다. 발사체는 일반 로켓과 마찬가지로 수직으로 발사되며, 임무 후에는 비행기처럼 활공하여 수평 착륙을 하게 된다. 착륙 이후에는 재사용을 위해 정비를 받는다. 우주왕복선 본체는 삼각 날개를 지닌 일반 비행기와 비슷하게 생겼다. 승무원실은 비행 갑판, 중간 갑판, 설비 영역의 세 층으로 구성된다. 가장 높이 위치한 비행 갑판은 지휘자, 조종사, 뒤 쪽으로는 두 명의 임무 전문가가 위치한다. 중간 갑판은 나머지 승무원을 위한 세 개의 추가 좌석이 마련되어 있다. 요리실, 화장실, 수면실, 사물함, 출입구 역시 중간 갑판에 위치하며, 또한 화물 구획으로의 에어록 역시 중간 갑판에 있다. 우주왕복선 본체는 18 m × 4.6 m (60 ft × 15 ft)라는 큰 화물 구획을 지니고 있으며, 이는 대부분의 기체 영역을 차지한다. 화물 구획의 문 안쪽으로는 방열기가 있기 때문에, 우주왕복선이 궤도 상에 있을 동안은 열 제어를 위해 열어두게 된다. 또한 우주왕복선의 지구 및 태양에 대한 방향을 조정함으로서 열을 제어하기도 한다. 화물 구획 내부에는 Canadarm이라고 불리는 원격 조종 시스템이 있는데, 이는 화물을 내리고 가져오는데 쓰이는 로봇 팔이다. 컬럼비아 호의 사고 이전까지는 로봇 팔은 필요할 때만 장착이 되었었다. 하지만 사고 이후, 매 비행시에 열 보호 시스템이 문제가 있는지 검사하는 것이 필요하게 되었고, 검사시에 로봇 팔이 필요하기 때문에, 앞으로의 매 비행에는 항상 장착될 것으로 생각된다. 세 개의 우주왕복선 주 엔진(SSME)은 우주왕복선 본체의 뒤 편에 달려 있다. 이는 상승 과정에서의 추진력을 제공해 준다. 궤도 기동 시스템(OMS)은 궤도 변경, 랑데부, 궤도 이탈 등과 같은 궤도 기동 능력을 제공한다. 반응 제어 시스템(RCS)은 궤도 운동 및 재돌입시의 자세 제어 및 3차원 상의 각 축을 따른 이동을 가능하게 한다. 열 보호 시스템(TPS)은 우주왕복선의 외부를 덮고 있으면서 재돌입 과정시의 초고온으로부터 본체를 보호해준다. 열의 양에 따라 다양한 재료가 사용된다. 가장 뜨거운 부분은 날개의 앞쪽 끝 부분과 왕복선의 머리 부분으로, 이 부분은 강화 탄소/탄소(reinforced carbon/carbon)로 보호된다. 아래쪽 및 기체 옆면의 대부분은 실리카 타일로 보호된다. 낮은 온도를 보이는 위 표면은 flexible thermal blanket으로 보호된다. 우주왕복선 이전의 우주선은 재돌입시 산화하던 단열재로 보호되었지만 이는 재사용 불가능하였다. 이와는 대조적으로 우주왕복선의 열 보호 장치는 약간 수리만 한다면 100번 이상 사용될 수도 있다. 우주왕복선 본체는 주로 알루미늄 합금으로 이루어져 있으며, 엔진은 티타늄으로 만들어진다. 우주왕복선 외부 탱크(ET)는 200만 리터(528,000 갤런)의 액체 수소와 액체 산소 추진체를 지니고 있으며, 우주왕복선 주 엔진에 공급해주는 역할을 수행한다. 이륙후 8.5 분이 지나서 111 km 고도에 이르면 본체와 분리되어 낙하하며, 재돌입 과정중에 불타버리게 된다. 외부 탱크는 알루미늄-리튬 합금으로 만들어진다. 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)는 고체 연료로 구성되어 있으며, 이륙시 71%의 추진력을 공급해준다. 이륙후 2분 정도가 지나 67 km의 고도에 이르게 되면 외부 탱크와 분리되며, 이후 낙하산을 이용해 바다에 떨어지고, 회수된다. 로켓 부스터의 외부는 1.27 cm (1/2 인치) 두께의 강철로 이루어져 있다. [수정]   컴퓨터에 의한 fly-by-wire 디지털 비행 제어 우주왕복선은 컴퓨터에 의한 fly-by-wire 디지털 비행 제어 시스템을 채용한 초기 비행기의 하나이다. 이는 비행사의 조종대로부터 조종면 또는 반응 제어 시스템(RCS) 분사구로 제어 명령을 전달해주는 기계식 연동 장치나 유압 연동 장치가 없다는 의미이다. fly-by-wire 디지털 시스템에서의 가장 중요한 문제는 안정성이다. 우주왕복선 컴퓨터 시스템을 위해 많은 연구가 행해졌다. 우주왕복선은 다섯 개의 동일한 IBM 32비트 범용 컴퓨터(AP-101)를 사용하며, 이른바 내장형 시스템(embedded system)을 구성한다. 이 중 4 개는 Primary Avionics Software System (PASS)라는 프로그램을 수행하며 비행 제어를 담당한다. 다섯 번째의 컴퓨터는 만약을 위한 백업용 시스템이며, Backup Flight System (BFS)이라는 프로그램을 수행한다. 이 다섯 개의 컴퓨터를 모아서 우주왕복선 자료 처리 시스템(Shuttle Data Processing System, DPS)라고 한다. DPS 설계의 목적은 fail operational/fail safe에 대한 안정성을 확보하는 것이다. 하나가 고장나더라도 임무를 계속할 수 있으며, 두 개가 고장나더라도 무사히 착륙해야만 한다. 네 개의 범용 컴퓨터는 서로를 검증하는 방식으로 역할을 수행한다. 만약 하나의 컴퓨터가 고장나면, 나머지 세 개의 컴퓨터는 고장난 컴퓨터를 시스템에서 추방한다. 이후, 고장난 컴퓨터는 비행 제어에서 제외 된다. 나머지 세 개 가운데 또 다른 컴퓨터가 고징이 난다면, 나머지 두 컴퓨터가 동일한 방식으로 고장난 컴퓨터를 축출한다. 드문 경우로, 네 개 중 두 개의 컴퓨터가 동시에 고장나서 2 대 2로 나뉜다면, 두 그룹 가운데 아무것이나 선택된다. BFS는 다섯번째의 컴퓨터에서 독립적으로 수행되며, 나머지 네 개의 컴퓨터가 모두 고장났을때에만 사용된다. 비록 컴퓨터가 네 개이며 이는 필요 이상으로 많은 개수지만, 모두 동일한 프로그램을 수행하며, 일반적인 프로그램 문제로 인해 모두가 동시에 고장날 수 있기 때문에, 이를 대비해 BFS가 개발되었다. 물론 상용 프로그램과는 전적으로 다른 환경에서 비행 프로그램이 개발되었으므로, 이러한 일은 절대 일어나서는 안된다. 예로, 비행 프로그램의 줄 수는 일반 상용 운영 체제에 비해 매우 짧으며, 프로그램의 변경은 극히 드물게 이루어지고, 그것조차도 수많은 실험과 함께 이루어진다. 또한 수많은 개발 및 시험 인력이 짧은 프로그램에 매달려 있다. 하지만 이론상, 오류가 발생할수도 있으며, 이를 대비해 BFS가 존재한다. 우주왕복선 컴퓨터 프로그램은 PL/I와 유사한 HAL/S라는 고급 언어로 작성된다. HAL/S는 실시간 시스템을 위해 개발된 언어이다. IBM AP-101 컴퓨터는 원래 약 424 킬로바이트의 자기 코어 메모리를 가지고 있다. CPU는 초 당 약 400,000 명령어를 수행할 수 있다. 하드디스크는 없으며, 프로그램은 테이프 카트리지로부터 읽어들인다. 1990년 원래의 컴퓨터는 개선된 모델인 AP-101S로 교체되었으며, 이는 원래보다 2.5 배 정도 많은 메모리(1 메가바이트)에 3 배 빠른 연산(초 당 120만 명령어)을 수행할 수 있다. 메모리는 자기 코어 형에서 배터리 백업이 있는 반도체로 바뀌었다. [수정]   기타 개선 사항 현재의 우주왕복선은 내부적으로 원래의 설계와 거의 유사하긴 하지만, 비행 제어 컴퓨터는 많이 개선되었다. 컴퓨터 자체의 성능 향상에 덧붙여, 원래의 벡터 그래픽 모노크롬 화면은 에어버스 A320과 같은 현대 여객기에서 쓰이는 래스터(raster) 컬러 화면으로 바뀌었다. 이러한 화면을 글래스 칵핏이라고 한다. 아폴로-소유주 시험 계획의 전통에 따라, 프로그램 가능한 계산기도 가지고 가게 된다(초기에는 HP-41C를 가지고 갔었다). 우주정거장이 등장함에 따라, 우주왕복선의 내부 에어록(airlock) 은 외부 도킹 시스템으로 바뀌게 되었으며, 이는 우주왕복선의 우주정거장 보급 임무시에 중간 갑판에 보다 많은 양의 보급품을 싣기 위해서이다.

2 우주왕복선 및 주 엔진

우주왕복선 주 엔진은 안정성 및 출력을 높이기 위해 많은 개선이 행해졌다. 이러한 이유로 "주 엔진 출력 104%"와 같은 용어가 사용되는 것이다. 이는 엔진이 안전 범위를 넘어서 과열된다는 것을 의미하는 것이 아니다. 여기서의 100%는 원래 설계에 의거한 최대 출력 수준을 의미한다. 오랜 개발 계획 동안, Rocketdyne은 엔진이 원래 계획했던 출력의 104%까지도 안전하고 안정되어있다는 것을 확인하였다. 이 때, 현재의 104%를 100%로 변환시키면서 출력 수치를 표시하는 방법을 재조정할 수도 있었다. 하지만 이를 위해서는 이전의 수 많은 문서 및 프로그램을 수정해야했기 때문에, 104%라는 표현을 그대로 쓰기로 하였다. 주 엔진의 개선 사항은 "block number"에 의해 block I, block II, block IIA 같은 식으로 표시된다. 개선을 통해서 엔진의 안정성, 유지보수성, 효율성을 높여왔다. 2001년의 block II 엔진에서는 109%의 출력 수준까지도 달성할 수 있었다. 일반적인 최대 출력은 104%이며, 106% 및 109% 역시도 비상시에 사용 가능하다. STS-1과 STS-2의 최초 두 임무에서 우주왕복선 외부 탱크는 탱크를 뒤덮고 있는 단열재를 보호하기 위해 흰색으로 칠해두었었다. 하지만 개선 및 시험을 통해 색칠은 필요 없다는 것이 밝혀졌다. 색칠을 안 함으로서 약 300 킬로그램 정도의 무게를 절약할 수 있었으며, 이는 직접적으로 궤도로 올릴 수 있는 하중을 추가해 주었다. 또한 수소 탱크의 일부 내부 지지대가 필요없다는 것이 밝혀져서 제거하게 되었고, 역시 추가의 유효 하중을 얻을 수 있었다. 대신 경량의 외부 탱크가 대부분의 임무에 사용된다. STS-91은 초경량 외부 탱크를 사용한 최초의 비행이었다. 초경량 탱크는 2195 알루미늄-리튬 합금으로 제조되었고, 이전의 경량 탱크에 비해 3.4 톤(7,500 파운드) 가볍다. 우주왕복선이 무인 비행이 불가능하기 때문에, 이상의 개선사항들은 모두 실제 임무에서 "시험"되었다. 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB) 역시도 많이 개선 되었다. 가장 두드러진 것은 세번째의 O링이 이음 부분에 추가되었다는 것이다. 이는 챌린저 호의 사고 이후에 개선된 사항이다. 몇몇의 다른 개선점 역시도 성능 및 안정성을 위해서 계획되었었지만, 실제 구현되지는 않았다. 기존 설계에 비해 상당히 단순하며, 더 싸고, 또한 안전하고 성능도 좋은 향상된 고체 로켓 부스터(ASRB)를 계획했었으며, 이는 1990년대 중반 이전에 생산에 들어갈 계획이었다. 하지만, 22억 달러를 쓴 이후에 돈을 절약하기 위해 계획은 취소되었다. ASRB 계획의 중단은 초경량 외부 탱크의 개발을 가져오게 되었다. 초경량 외부 탱크는 유효하중은 증가시키지만, 안전에 대한 개선 사항은 제공하지 않는다. 미 공군도 보다 가벼운 일체형의 로켓 부스터를 개발하려 했지만, 역시 취소되었다. 1980년대 이후로, 짐만 싣도록 설계된 무인형의 우주왕복선 역시 제안되었었지만 거부되었다. 이러한 설계 제안은 Shuttle-C라고 불리며, 재사용성 대신 화물의 유효 하중을 늘리도록 한 것이다. [수정]   기술 자료

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아틀란티스 우주왕복선을 운반하는 보잉 747 우주왕복선 수송기(Shuttle Carrier Aircraft), 1998년 (NASA) 전체 길이 : 56.14 미터 (184.2 피트) 왕복선 길이 : 37.236 미터 (122.17 피트) 날개 길이: 23.79 미터 (78.06 피트) 이륙시 전체 하중 : 2,040,000 킬로그램 (450만 파운드) 외부 연료 탱크: 751,000 킬로그램 (170만 파운드) 고체 로켓 부스터: 각 590,000 킬로그램 (130만 파운드) (x 2) 왕복선: 109,000 킬로그램 (240,000 파운드) 이륙시 전체 추력: 3480만 뉴턴 (782만 lbf) 우주왕복선 주엔진(SSME): 각 180만 뉴턴 (400,000 lbf) (x 3) = 530만 뉴턴 (120만 lbf) 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB): 각 1470만 뉴턴 (330만 lbf) (x 2) = 2940만 뉴턴 (661 만 lbf) 최대 착륙 하중: 104,000 킬로그램 (230,000 파운드) 이론상 최대 탑재 하중: 28,800 킬로그램 (63,500 파운드) 역대 최대 탑재 하중: 약 22,680 킬로그램 (50,000 파운드) 운영 고도: 185-1000 킬로미터 (100-520 nmi) 역대 최대 고도: 630 킬로미터 (340 nmi) 속도: 7,743 미터/초 (27,875 km/h, 25,404 피트/초, 17,321 mi/h) 탑승 인원: 최소 2, 최대 8 명 (일반적으로는 5-7명)

상승 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 참사 이후, 중단 방식에 대대적인 개편이 있었다.

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2001년 해질녘의 아틀란티스 우주왕복선의 발사 모습. 태양은 카메라 뒤로 있으며, 증기의 그림자가 달과 만나고 있다.

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 평평해지는 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 1 보다 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 못미치는데, 이는 궤도가 대기와 접하기 때문이다. 이후 궤도 기동 시스템(OMS) 엔진을 가동하여 궤도를 원형으로 만들면서 재돌입을 막는다. [수정]   하강

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우주왕복선의 외부는 재돌입 과정 동안 2,500 도 이상으로 가열된다

우주왕복선은 궤도 운동의 반대 방향으로 OMS 엔진을 3 분간 분사함으로서 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 있다. 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, 착륙시의 속도는 340-410 km/h (213-255 mph)로 통상 제트 여객기의 260 km/h (160 mph)에 비해 매우 높다. 착륙 후, 기체는 하강시 사용된 유독성의 히드라진 증기가 사라질 때 까지 활주로에서 기다린다.

우주왕복선 목록, 사용처, 통계 및 사고 [수정]   우주왕복선 6

각 우주왕복선은 배와 유사한 방식으로 이름지어졌으며, 미항공우주국의 Orbiter Vehicle Designation 체계를 따라 번호가 매겨진다. 각 우주왕복선의 외관은 매우 유사하지만, 내부는 약간 차이가 난다. 이는 서로 돌아가며 수선하는 동안 새로운 장비가 장착되게 되기 때문이다.또한, 새로운 우주선이 구조적으로 보다 가볍다. 우주비행 능력이 없는 조종 시험체: 패스파인더 우주왕복선 (우주왕복선 시뮬레이터, 일련번호 없음) 우주비행 능력이 없는 주 추진력 시험체(MPTA, main propulsion test article): MPTA-ET (외부 탱크), 현재는 패스파인더에 부착 됨 MPTA-098, 엔진 실패로 치명적인 피해를 겪음 우주비행 능력이 없는 구조 시험체(STA, structural test article): STA-099, 이후 챌린저 호가 되었음 활공/착륙 시험만 통과한 시험 기체. 많은 정비가 있어야 우주비행이 가능(OV, Orbiter Vehicle): 엔터프라이즈 우주왕복선 (OV-101) 사고로 손실 챌린저 우주왕복선 (OV-099, ex-STA-099) - 1986년 1월 28일 발사 직후 사고 컬럼비아 우주왕복선 (OV-102) - 2003년 2월 1일 재돌입 도중 사고 사용중: 아틀란티스 우주왕복선 (OV-104) 디스커버리 우주왕복선 (OV-103) 인데버 우주왕복선 (OV-105) [수정]   사용처 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 자재 보급품 인공 위성과 부스터를 함께 수송, 이후 부스터를 이용하여 위성을 다음 두 궤도로 올림 지구 고궤도 찬드라 X선 망원경

다수의 TDRS 위성 한 번에 두 개의 DSCS-III(방위 위성 통신 시스템) 통신 위성 Defense Support Program 인공 위성 행성간 궤도 마젤란 탐사선 갈릴레오 우주선 율리시즈 탐사선 [수정]   비행 통계(2005년 8월 25일 현재) 아래 비행 통계표의 값은, 각 우주왕복선이 제작되어진 이래로 참가한 모든 임무에서의 통계를 합한 값이다

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 26 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   * 최대 비행일수는 STS-80이 1996년 11월에 세운 기록이다. [수정]   사고

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 참사을 참조하기 바란다.) 컬럼비아 우주왕복선 — 2003년 2월 1일 재돌입 과정 중에 사고(컬럼비아 우주왕복선 참사를 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. 1) 두 경우 모두 계획된 비행이 아니었다. 2) 초급 기술자들은 문제가 발생할 가능성에 대해 알고 있었지만, 이러한 염려가 수석 관리자에게 적절히 전달되지 못했다. 3) 기체는 이미 이상 징후를 나타내고 있었으나, 관료적인 조직 문화가 필요한 조치를 취하기 어렵게 하였다. 4) 수석 관리자는, 문제점이란존재하기 때문에 발견되는 것이 아니라, 객관적으로 증명되지 않으면 존재하지 않는 것이라고 생각하였다. 챌린저 우주왕복선의 경우, 전혀 부식되지 말아야 할 O링이 이전까지의 발사에 의해 부식되어 있었다. 그럼에도 불구하고 관리자들은 이제까지 30% 이상 부식되지 않았기 때문에 앞으로도 3배의 여유가 있으므로 안전할 것이라고 생각해 버렸다. 발사 전 NASA와의 회의 때, 우주왕복선 고체 로켓 부스터를 설계하고 제작한 Morton Thiokol의 경험 많은 O링 기술자는 발사를 취소하거나 일정을 조정해달라고 몇 번이고 요청하였다. 그는 비정상적으로 낮은 온도가 O링을 딱딱하게 하여, 완전한 밀봉 역할을 하지 못할 것이라고 주장하였다. 애석하게도, NASA 및 Thiokol의 수석 관리자들은 그의 말을 무시하였으며 발사를 허가하였다. 챌린저 우주왕복선의 O링은 완전히 부식하였으며, 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 받아들여진 것과 같은 과정이다. 컬럼비아 사고 조사 위원회는 이러한 현상을 "비정상의 일반화", 즉 비정상적인 사건이 아직 재앙을 일으키지 않았다는 이유로 점차 익숙해지고 받아들여지는 현상이라고 정의하였다. [수정]   계획과 현재의 비교 분석 [수정]   비용 분석 우주왕복선이 어느정도 성공적인 발사체이기는 하지만, 근본적으로 발사 비용을 줄이겠다는 목표를 달성하지는 못하였다[1]. 2005년 초를 기점으로 총 비용은 1450억 달러(이 중 1120억 달러가 운영시에 소모되었다) 정도이며, 2010년 퇴역 때에는 1740억 달러가 될 것으로 추정된다. 퇴역시까지 134회 정도의 비행을 하게되므로, 평균 발사 비용은 13억 달러(13 조 원)정도가 되는데, 이는 초기 목표였던 1000만 내지 2000만 달러에 비해 엄청나게 큰 금액이다. 미항공우주국의 2005년 예산 중 30%인 50억 달러가 우주왕복선 계획에 사용된다[2].

우주왕복선의 원래의 계획은 자주, 싸게, 높은 재사용성을 지니며 운영하는 것이다. 우주왕복선은 이전의 단일 사용 유인/무인 우주선을 크게 개선할 목적이었다. 비록 세계 최초로 재사용되는 우주선이기는 하지만, 이전의 우주선을 혁신적으로 개선한 것은 아니며, 혹자는 원래 목적에 대해 실패했다고 하기도 한다. 현재의 설계가 원래의 개념과는 완전히 다르지만, 계획은 여전히 향상된 USAF 목표를 맞추기 위해서, 또한 비행 비용을 낮추기 위해 노력 중이다. 명백한 실패의 한 이유는 인플레이션이다. 1970년대에 미국은 심각한 인플레이션을 겪었으며, 1980년에 이르러서는 200%의 비용 상승을 가져왔다. 이에 비해, 1990년과 2000년 사이의 비용 상승은 34%에 그쳤다. 이러한 현상은 우주왕복선 개발 비용을 수 배 증가시켰다. 우주왕복선 제조를 각지에 나누려는 정치/기업적인 압력으로 인한 업체 선정 과정 역시 비용 상승을 가져왔다. 예를 들어, 단일 조각으로 된 고체 로켓 부스터는 고려하지도 않았는데, 이는 Aerojet 한 회사만이 발사장소 근처에 있다는 이유여서였다. 대신, 유타 주에 기반한 Morton Thiokol이 계약을 맺었으며, 이 회사는 모듈 기반으로 설계를 하였으며, 이 설계 방식이 바로 챌린저 우주왕복선의 사고 원인이었다. 아이러니하게도, 1990년대 대규모의 합병은 우주왕복선 협력업체 대부분을 보잉 사로 모아버렸다. 하지만 이러한 설명은 현재의 높은 운용 비용을 설명하지 못한다. 인플레이션을 고려하고라도, 원래 계획상의 발사 비용은 현재 가치로 1억 달러정도여야만 한다. 나머지 4억 달러는 유지보수 비용으로 들고 있으며, 이는 기대했던 것 보다 훨씬 많은 금액이다. 10년이라는 기대 수명 이상으로 운영되는 까닭에 비용이 증가되는 측면도 있다. 비용이 높은 이유는 다음 때문이다. 재돌입 타일은 매우 비싸다. 하나의 타일을 교체하는데 한 명이 일 주일 가량 걸리는데, 한 번의 발사마다 수 백개가 부서진다. 엔진은 매우 복잡하며, 매 비행 후 분리 후 유지보수하는 것이 필요하다. 발사 회수는 계획보다 훨씬 낮다. 연구에 따르면 일 년에 50회 발사 한다면 비용이 급격히 감소할 것이라고 한다. 현재는 일 년 당 4회 정도 발사하며, NASA는 일년에 12번 이상 발사할 수 있는 시설을 계획한 적이 없다. [수정]   임무 분석 원래 우주왕복선은 여객기와 비슷하게 운영될 계획이었다. 착륙후, 우주왕복선 본체는 점검만 거친 뒤, 외부 탱크와 로켓 부스터라는 기타 추진체를 부착하고, 2 주 내로 다시 발사 준비가 되도록 할 예정이었다. 하지만 실제로 이러한 과정은 수 개월이 걸린다. 단기적으로 개발 비용을 줄이려는 결정이, 결국은 장기적이고 지속적인 운용비의 지출을 유발한 것이다. 문서 요구사항은 극도로 복잡해졌다. 발사에 필요한 인력 또한 크게 증가하였으며, 이는 비용을 증대시켰다. 이러한 현상은 챌린저 참사 이후에 더욱 심화되었다. 단순한 변화 조차도 방대한 양의 문서를 필요로 한다. 이러한 문서 작업은 우주왕복선이 유인 우주선이며 탈출 장치가 없다는 것에 기인한다. 즉, 부스터에 손상을 입힐 사고는 결국 승무원 전원의 목숨을 앗아간다는 것이다. 승무원 희생은 절대 불가하므로, 우주왕복선 계획의 주 목적은 승무원을 무사히 지구로 귀환시키는 것이며, 이는 보다 싸게 발사하겠다는 등의 다른 모든 사항에 우선한다. 치명적인 고장이 일어나기 이전에 중단 시킬 수 있는 방식이 전무하기 때문에, 모든 하드웨어는 완전하게 오류 없이 동작해야 하며, 매 비행 전에 면밀히 점검되어야 한다. 결과적으로 25,000명이라는 수많은 인력이 필요하며, 매년 10억 달러 정도의 인건비를 유발한다. 초기에 미항공우주국은 우주왕복선이 스카이랩 혹은 새턴 5호가 운반한 스카이랩 2 등지로 사람을 나르는 이른바 "우주 택시"가 되기를 기대하였다. 거대한 모듈 기반의 프리덤 우주정거장이 제안됨에 따라, 우주왕복선은 6 내지 10명의 승무원을 나르는 역할을 수행할 수 있을 것으로 생각되었다. 하지만 1990년대 우주정거장 계획이 축소되었고, 승객 운송체로서의 우주왕복선은 더이상 사용되지 않는다. 무인 탐사선을 발사하는 임무로 우주왕복선을 사용하겠다는 계획 역시 더이상 사용되지 않는다. 챌린저 우주왕복선 참사 이후, 항성간 탐사선에 필요한 강력한 로켓 단계(다단계 로켓에서의 단계)인 켄타우르스가 더이상 사용되지 않게 되었다. 하지만, 최근의 기술 발전으로 탐사선이 더 작고 가벼워졌으며, 결과로 상대적으로 싸고 안정적인 델타 로켓을 이용하여 화성에 다다를 수 있다. 우주왕복선 계획에의 또 다른 장애물은 정치적인 것으로, 미공군이 참가해야 했었다는 것이다. 재정적 지원을 받기 위해, 미국 의회는 경비절감 차원에서 우주왕복선이 미국에 있는 모든 다른 발사체를 대체하도록 명령하였다. 이러한 결정으로 말미암아 우주왕복선 계획은 미공군의 군사적 사용을 뒷받침하도록 대대적인 수정이 가해지게 되었다. 하지만 결과적으로, 우주왕복선은 NASA도, 미공군도 원했던 정확한 설계가 아니었으며, 결국 미공군은 우주왕복선을 이용한 국방 계획(Vandenberg 우주왕복선 계획)을 포기하고, 기존의 발사체 방식으로 돌아가게 되었다. 하지만 미공군이 요구한, 그러면서도 한번도 사용되지 않은 우주왕복선의 능력은 여전히 전체 시스템을 부적절하게 만들고 있다.

우주왕복선의 교훈에 대해서는 의견이 분분하다. 하지만 기본적으로, 많은 설계자들은 보다 작고 단순화 된, 단지 사람을 궤도상에 올릴 수 있는 기능만 있는 발사체가 필요하다고 주장한다. 우주 임무에서 가장 위험한 부분은 발사 및 재돌입이며, 이 과정은 2% 정도의 높은 사고율, 그것도 모든 승무원을 잃는 수준의 최악의 사고율을 보인다. 그러므로, 이러한 발사 및 귀환 과정을 최소화 하는 것이 필요한데, 이는 (1) 사람을 가능한 안전하게 궤도로 올리며 (2) 한 번 올린 뒤에는 무인 로켓 등을 이용하여 보급품을 제공하면서 최대한 오래 궤도에 머무르게 하며 (3) 최대한 안전하게 귀환시키는 단계를 통해서 달성할 수 있을 것이다. 사람만이 가능한 임무가 있고, 이러한 임무를 위해서는 위험을 무릅쓰는 것이 당연하지만, 단순한 화물 운반 등을 위해서 위험을 무릅쓸 필요는 없다는 것이다. 군용 혹은 민간 항공 기준에 의하면, 현재까지도 모든 우주왕복선은 실험 단계이며, 승무원은 시험 비행사에 해당한다. 이들 기준에 의하면 일반 비행기가 실제 사용이 허가되기 위해서는 수백번의 시험 비행을 거쳐야하는데, 비록 기준은 다를지라도 우주왕복선 역시도 일정 수준의 기준을 통과하기 위해서 상당한 수준의 성공적인 임무를 달성해야한다. 또 다른 미래의 유인 우주선에 대한 관심사는 "우주 비행기"의 제작 및 운용이다. 우주 비행기는 대기의 끝자락까지 날아올라서 이후 로켓을 이용해 지구 궤도 올라서는 것이다. 따라서 일반 로켓이나 우주왕복선에 비해 훨씬 효율적이며, 보다 많은 임무가 가능할 것으로 생각된다. [수정]   우주왕복선에 관한 사실들

우주왕복선 초기 임무에는 최초의 휴대용 컴퓨터 중 하나로 알려진 GRiD Compass를 가지고 갔었다. 해당 컴퓨터는 매우 적게 팔렸는데, 이는 최소 8000 달러나 한 반면에, 무게나 크기에 비해 형편없는 성능을 보였기 때문이다. NASA는 주 고객 가운데 하나였다. 발사를 지켜본다면, "끄덕임" 현상을 찾아보라. 주 엔진이 가동되고, 반면 고체 로켓 부스터는 발사대에 아직 고정되어 있을 때, 우주왕복선의 세 개의 주 엔진에서 나오는 추진력은 전체 발사체(부스터, 연료 탱크, 왕복선)를 기울어지게 하며, 높은 곳에 위치한 조종실은 앞으로 2 미터 가량 기울어지게 된다. 이후, 발사체는 다시 원위치로 서서히 튕겨지듯 돌아오게 되며, 이 과정은 6초 가량 걸린다. 완전히 수직이 되는 시점에서, 부스터는 점화되며, 발사가 시작된다. 우주왕복선 기체의 단열 타일이 부서졌다거나 떨어져 나갔다거나 하는 문제는 2003년 컬럼비아 우주왕복선의 재돌입시의 참사 이후에서야 문제시되었다. 사실, 우주왕복선은 20개나 되는 단열 타일이 떨어져나갔음에도 문제 없이 귀환한 적이 있다. STS-1, STS-16, STS-41은 모든 승무원이 볼 수 있는 궤도 기동 시스템(OMS) 포드의 타일이 떨어져나간 채로 귀환하기도 했다. NASA 영상은 STS-1 OMS 포드에 얼마나 많은 타일이 떨어졌는 있는지를 보여준다[3]. 컬럼비아 우주왕복선의 문제는 탄소-탄소로 이루어진 날개 가장자리 판에 피해를 입은 것이었지, 방열 타일에 피해을 입은것이 문제였던 것은 아니다. 또한, 최초의 우주왕복선 임무인 STS-1에서는 방열판 사이에 갭필러가 약간 튀어나와있었는데, 이는 재돌입시에 뜨거운 기체를 오른쪽 바퀴 쪽으로 흐르게하여, 착륙시 오른쪽 주 기어에 문제를 일으키기도 하였다(John Young의 2003년 4월 식후 연설). 1995년 우주왕복선 발사가 연기되었는데, 이는 딱따구리 한 쌍이 거의 200개나 되는 구멍을 디스커버리 우주왕복선의 외부 연료 탱크 단열재에 뚫어 놓은 것이 이유였다. 그 이후로, NASA는 상용 올빼미 장식재 및 올빼미 모양 공기 풍선을 설치해 둔다. 물론 발사 전에는 제거한다. [수정]   지구에서의 우주왕복선 수송 Crawler-Transporter는 조립 공장에서 발사 시설로 우주왕복선을 수송한다. 우주왕복선 수송기는 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 캘리포니아 주의 Vandenburg 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.

같이 보기 [수정]   참고 문헌 Reference manual 우주왕복선이 작동하는 방식 NASA의 1981년 우주왕복선 뉴스(PDF) 우주왕복선 본체 정보 1992년-2002년 우주왕복선 계획의 자금 지원 [수정]   바깥 고리   위키미디어 공용에 “우주왕복선”에 관한 미디어 자료가 있습니다. MSNBC.com, 2006년 1월 27일: 챌린저 사고에 관한 일곱가지 거짓 - 챌린저 호 참사 20주년을 맞아NBC의 우주 전문가 James Oberg가 사건에 관한 일곱가지 거짓을 밝힌다. 컬럼비아 호 참사 NASA 유인 우주선 - 우주왕복선 임무의 현재 상황 NASA TV: 발사 및 임무 보도의 실시간 스트리밍

우주왕복선 착륙 장소 목록 착륙 장소 지도 우주왕복선 항로 우주왕복선 계획의 비판 Washington Monthly: 1981년 우주왕복선 비평 문서 The Atlantic Monthly, 2003년 11월. 컬럼비아의 마지막 비행 - 사고와 조사에 관한 글 SpaceDaily.com: 30년간의 속임수: 어떻게 우주왕복선 계획은 국회를 통과했으며, 매 파운드 당 18 달러라는 비용이 어떻게 산출되었는가 무인 우주왕복선 제안