우주왕복선

우주왕복선(宇宙往復船, 문화어: 우주연락선) 또는 스페이스 셔틀(영어: Space Shuttle, Space Transportation System, STS)은 미국 항공우주국(NASA)의 우주와 지구를 반복해서 왕복하도록 설계된 우주선이며 1980년대 초반부터 사용되다가 2011년 7월 21일 퇴역했다. 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 체로 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 인공 위성 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 되었으며, 그 이후에는 상업용 궤도 운송 서비스를 거쳐, 2014년경 개발이 완료될 것으로 보이는 오리온이 그 역할을 대체할 예정이다.
2011년 7월 9일, 아틀란티스 우주왕복선을 끝으로 추가적인 STS 발사 프로그램이 종료되었다.

개발

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 우주 정거장과 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

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 못미치는데, 이는 궤도가 대기와 접하기 때문이다. 이후 궤도 기동 시스템(OMS) 엔진을 가동하여 궤도를 원형으로 만들면서 재돌입을 막는다.

하강

우주왕복선은 궤도 운동의 반대 방향으로 OMS 엔진을 3 분간 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 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 하이드라진 증기가 사라질 때까지 활주로에서 기다린다.