HTV-1

HTV-1, 또는 HTV 기술 실증기(, )은 일본 우주항공연구개발기구가 2009년 9월 11일 쏘아올린 첫 번째 우주 스테이션 보급기(HTV)이다. 9월 17일 국제우주정거장에 도킹해 물자를 수송한 후, 10월 30일에 국제우주정거장에서 분리하여 11월 2일 대기권에 재진입하여 분해되었다. HTV의 애칭이 결정된 후엔 고노토리 초호기(), 고노토리 1호기()라고도 불린다.
임무 내용.
목적.
HTV-1은 H-IIB를 처음으로 사용한 임무임과 동시에, 국제우주정거장의 보급 물품을 HTV-1로 수송한 임무이다. 또한 아래와 같은 기술검증을 진행했다.
탑재품.
HTV의 보급량은 최대 6톤이지만, HTV-1은 ISS 도킹 전 운용 검증을 위해 평소보다 더 많은 추진제와 배터리를 탑재했다. 그래서 HTV-1의 보급량은 가압부 3.6톤과 비가압부 0.9톤으로 총 4.5톤이었다.
비가압부 보급 캐리어에는 키보 모듈과 초전도 서브 밀리미터파 림 복사 사운더(SMILES, 475kg), 미 항공우주국의 연안해역용 하이퍼 스펙트럼 영상장치, 대기권/전리층 원격감지 시스템 실험장치(HREP, 381kg)를 탑재했으며, 가압부 보급 캐리어에는 HTV보급 랙(HRR)을 7대, 키보 모듈 보관 랙(PSRR)을 1대 탑재하여 내부에는 식량(33%), 과학기술용물자(20%), 키보 모듈의 보조 팔(18%), 의류, 세면용 화장품, 편지, 사진, 형광등, 쓰레기통 같은 크루원용 보급품(10%), 기타(19%)가 실렸다.
임무 성공 기준.
JAXA는 HTV-1 임무 성공 정도의 기준을 3개로 나눠 판정했다.
완전한 성공과 더불어 아래의 조건들 중 어느 하나라도 달성할 경우:
운용.
발사 전.
4월 22일, HTV-1의 본체(전기 모듈+추진 모듈), 가압/비가압 보급 캐리어, 선외실험장치탑재용 팔레트를 다네가섬 시마마항을 통해 다네가시마 우주 센터에 반입했다.
이와 같은 절차를 거친 다음, 추진계통과 전기계통의 점검(6/25 ~ 7/22), 추진제 충전(7/28 ~ 8/10)을 마치고, 8월 18일 다네가시마 우주 센터에 반입하여 조립 후 시험 결과를 거쳐, 8월 21일에 HTV-1이 제조업체로부터 납품되었다.
그 후 HTV·페이로드 분리부 결합(8/21 ~ 8/22), 페어링 장착(8/23 ~ 8/24), 대형 로켓 조립동으로 이동(8/30)하여 8월 31일 H-IIB 로켓과 결합되었다.
9월 3일부터 9월 4일까지 발사하기 직전, 마지막으로 실험시료와 같은 화물들을 가압 보급 캐리어에 실음으로써 발사를 위한 준비를 마쳤다.
H-IIB 로켓의 시험.
HTV-1의 발사에는 H-IIB의 첫 기체가 사용되었다.
발사하기 전, 실제기체형 탱크스테이지 연소시험(CFT)를 두 번 거쳤다. 첫 번째의 실험은 2009년 3월 27일에 10초간 연소하는 것으로 예정되어 있었는데, 사전에 실행한 극저온점검에서 냉각수공급이상현상이 일어난 것이 확인되어 연기되었다. 냉각수공급이상현상이 일어난 원인을 찾아본 결과 냉각수를 공급하는 밸브(수동밸브)가 잠겨있던 것으로 판명되어 4월 1일에 연소시험을 재개할 수 있도록 했으나, 연소시험 당일 방소화계설비배관에서 누수 현상이 일어나 연소시험이 다시 연기되었다. 그러고나서 다음 날인 4월 2일 14시 00분에 첫 번째 CFT가 무사히 종료되었다.
이어진 두 번째 실험은 4월 20일에 150초간 연소하는 것으로 예정되어 있었다. 그러나 기상 악화가 예상되어 22일로 연기되었고, 22일 13시 00분에 두 번째 CFT가 종료되었다.
7월 11일에는 H-IIB의 지상종합검사를 실시했다.
발사부터 국제우주정거장 랑데부까지.
2009년 7월 8일, HTV-1이 9월 11일에 발사하고 9월 12일부터 9월 30일까지 비행할 것이라 발표되었다.
당초부터 계획되어있던 2009년 9월 11일 02시 01분 46초(JST, 이하 전부 JST)에 다네가시마 우주 센터 제2발사대에서 HTV-1을 탑재한 H-IIB가 발사되었다. 발사로부터 15분 10초 후 HTV-1이 분리되었다. 원지점 고도 299.9km（300.0 km±2km）, 근지점 고도 199.8 km（200.0 km±10km）, 궤도 경사각 51.69°(51.67°±0.15°)으로 HTV-1을 궤도에 안착시켰다.(괄호 안의 수치는 계획 상 수치)
비행 1일차에는 궤도에 진입한 후엔 HTV의 서브 시스템이 자동으로 작동하기 시작했고, 자세 제어, 기체 이상 점검, HTV 운용 통제실과 통신을 시작하고 랑데부용 궤도 제어가 시작되었다.
비행 3일차에는 충돌 회피 운용(Collision Avoidance Maneuver: CAM)과 같은 HTV의 운용 검증이 실시되었다. 다양한 검증을 통과한 이후 비행 6일차에 국제우주정거장 임무 관리 희의（Mission Management Team: MMT）에서 HTV-1의 국제우주정거장 최종 접근 운용이 승인 되었다.
비행 7일차인 9월 16일 09시 04분, 비행 8일차인 9월 17일 18시 26분, 21시 28분에 고도 조정 매뉴버를 실시하여, 국제우주정거장 후방 5km인 접근개시점(Approach Initiainon: AI)에 도착하여 국제우주정거장에 대해 상대정지 상태에 돌입했다.
비행 9일차인 9월 18일 00시 31분에 접근개시점을 이탈하여 국제우주정거장을 향한 접근을 재개했다. GPS 상대 항법으로 국제우주정거장의 하부 500m 지점인 R바 개시점(R-bar Initiation: RI)으로 이동하여 01시 38분에 도착했다. 이후 랑데부 센서(Rendezvous Sensor:RVS)에서 조사한 레이저 광선을 키모 모듈 선내 실험실 하부에 설치된 반사기에 반사시키는 방법으로 위치를 확인하면서 1~10m/s정도의 속도로 국제우주정거장에 접근했다. 01시 48분, 국제우주정거장 하부 300m 지점 홀드포인트에서 자동 정지하고 긴급시 충돌 회피 기동 차원에서 HTV-1의 요(Yaw)축을 기준으로 180도 돌렸다. 이 상태에서 9번 추진기의 주입기 온도가 상한에 가깝게 오르는 현상이 발생하여, 원격조작으로 주계(主系)와 용장계(冗長系) 교대로 전환하며 비행을 계속했다. 추진기는 예정된 횟수만큼 작동했기에 온도 상승 현상이 일어난 것은 예상 밖이였다고 한다.
같은 날 02시 55분 홀드포인트에서 출발하여, 03시 44분 국제우주정거장 하부 30m 지점의 파킹포인트에 자동 정지했다. 04시 05분 버씽포인트를 출발하여, 04시 27분, 국제우주정거장 하부 10m 버씽포인트에 도착하여, 국제우주정거장에 대한 상대 정지가 확인되자 자동으로 추진기를 정지시켰다. 국제우주정거장 최종 도킹 절차 중 긴급시엔 국제우주정거장 크루원이 탑승원용 명령 패널(HCP)에서 접근의 일시중지나 후퇴, 접근 중단과 같은 명령을 내려 HTV를 제어할 수 있었으나, 이런 기능은 기능 시험에서만 사용되었다.
04시 51분, 니콜 스콧이 캐나다암2를 이용해 HTV-1을 포획하여, 국제우주정거장과 완전히 고정시켰다. HTV가 포획되기 직전 국제우주정거장에 대한 상대속도가 2mm/s 였는데 이에 대해 니콜 스콧은 "자유롭게 떠다니는 물체를 잡는 것이라고 생각되지 않을 정도로 멈춰있어 보였다"라고 후일담을 남겼다.
06시 41분, HTV-1의 국제우주정거장 도킹 작업이 시작되어 07시 26분, 하모니 모듈의 공통 정박 장치(CBM)와 도킹했다. 로봇 팔을 이용해 우주선에 도킹하는 방식(캡쳐·버씽 방식)이 세계 최초로 이용된 사례이기도 하다.
또한 캐나다암2를 조작했던 스톳이 첫 번째 HTV의 성공을 축하하는 의미에서 쓰쿠바 우주 센터에 초밥을 선물했다고 한다. 서프라이즈였기에, 관제실을 감도는 긴장의 기운이 그제서야 풀렸다고 한다.
도킹 중의 작업.
비행 9일차인 9월 18일 09시 36분, 하모니 쪽 해치를 열어, 엑스퍼디션 20의 크루가 하모니 쪽 도킹포트의 정비를 실시했다. 10시 49분경 작업을 끝내 국제우주정거장에 다시 도킹했다.
비행 10일차인 9월 19일 03시 23분, 가압 보급 캐리어의 해치를 열어, 순환 팬 유닛으로 하모니의 공기를 환기시켰다. 또한 03시 25분, 국제우주정거장 크루가 HTV-1의 가압부에 들어가, 가압부의 공기 검사, 긴급절차서 배치, 소화품, 산소 마스크 등을 장착했다.
비행 13일차, 가압 보급 캐리어 내부의 탑재품의 수송작업이 본격적으로 시작되었다.
비행 14일차인 9월 23일 06시 06분, 캐나다암2를 이용해 선외실험장치탑재용 팔레트를 비가압 보급 캐리어에서 꺼낸 후, 20시 13분 캐나다암2에서 키보 모듈의 로봇 팔(JEM-RMS)으로 옮겨 22시 33분에 선외실험 플랫폼에 선외실험장치탑재용 팔레트를 장착했다.
비행 15일차인 9월 24일 18시 21분, 로봇 팔을 이용해 HREP를 선외실험장치탑재용 파레트에서 꺼내, 20시 15분에 선외실험 플랫폼 장치교환기구(EFU) 6번에 장착했다. 23시 23분엔 SMILES를 로봇 팔로 꺼내 EFU 3번에 장착했다.
비행 16일차인 9월 25일 18시 07분, 사용 중지된 선외실험장치탑재용 팔레트를 선외실험 플랫폼에서 뜯어내, 키보 모듈 로봇 팔에서 캐나다암2로 옮기고, 22시 20분 HTV의 비가압 보급 캐리어에 실었다.
비행 20일차엔 가압 보급 캐리어에 탑재되어있던 물자의 반출작업이 전부 종료도어, 이후 국제우주정거장에서 필요 없어진 물건들을 HTV 안에 적재했다.
국제우주정거장의 승무원.
HTV-1이 국제우주정거장에 도착할 때는 엑스퍼디션 20의 멤버들이 있었다.
HTV-1이 국제우주정거장을 떠날 때는 엑스퍼디션 21의 멤버들이 있었다.
또한 HTV-1가 국제우주정거장에 도킹되어 있는 동안 기 랄리베르테가 국제우주정거장에 들렸다.
HTV-1의 분리와 대기권 재돌입.
엑스퍼디션 21의 크루들은 HTV를 분리하기 전, HTV가 가져온 화재경보기와 가압 보급 캐리어 내부의 형광등을 떼어내는 작업을 했다. 형광등은 국제우주정거장이 사용하는 형광등과 같은 부품이기 때문에 예비 부속품으로 사용했고, 화재경보기는 앞으로 발사될 HTV에서 재사용하기 위해 떼어내 보관했다.
HTV-1의 가압 보급 캐리어에 폐기품을 싣는 과정은 10월 29일까지 완료되어, 728kg의 폐기물자와 896kg의 빈 랙, 총 1,624kg을 실었다.
10월 30일 02시 32분에 가압 보급 캐리어의 해치를 닫았다. 그리고 나서 도킹포트의 배선 케이블을 끊고, 모듈 간 통풍 환기(IMV)를 정지했다.
캐나다암2에 의해 국제우주정거장으로부터 분리되는 것은 10월 30일 22시 30분, 최종적으로 캐나다암2로부터 분리될 시각은 10월 31일 01시 05분 경으로 예정되어 있었지만, 예정대로 그 시각에 분리할 경우 우주 쓰레기(코스모스 2421호)가 HTV-1에 접근 및 충돌 할 가능성이 있다고 판단되어 분리 작업을 90분 늦췄다. 국제우주정거장에 직접적으로 충돌하는 것은 아니였기에 국제우주정거장의 궤도 변경은 없었다.
10월 31일 00시 02분, HTV-1이 캐나다암2에 의해 국제우주정거장과 분리되었다. 캐나다암2를 이용해 방출 포인트(국제우주정거장 하부 12m)까지 옮겨 태평양 상공을 지나던 10월 31일 02시 32분에 HTV-1이 최종적으로 국제우주정거장과 분리되었다.
10월 31일 02시 38분, 국제우주정거장 근방에서 이탈하기 위해 분사를 시작했다.
11월 1일 09시 00분, 3개의 CPU가 전부 에러를 일으키는 현상이 일어나, 궤도이탈 매뉴버를 실시할 수 없게 되었으나, 모든 CPU를 리셋하고, 나아가 항법 유도 제어계를 재설정함으로서, 20시 45분에 복구되었다.
그리고 난 후 궤도이탈 매뉴버를 11월 1일 23시 55분(8분간), 11월 2일 01시 25분(9분간), 11월 2일 05시 53분(8분간) 총 세번 작동시켰다. 세 번째 매뉴버를 작동 시킨후의 궤도는 335×56km였으며, 11월 2일 06시 26분경, 뉴질랜드 상공 120km에서 대기권에 재돌입하여 임무를 종료했다.
본체의 대부분은 대기와의 마찰열로 인해 연소했으나, 타고 남은 일부가 06시 38분부터 06시 58분 사이 뉴질랜드 동쪽 남태평양(스페이스크래프트 세메터리)에 낙하했다고 추정된다.
임무에 대한 평가.
임무이 종료된 뒤 2010년 9월 15일, 우주개발위원회로부터 임무에 대한 평가를 하라는 지시가 내려와, JAXA는 우주개발위원회 추진부에서 우주정거장 보급기 기술 실증기 프로젝트의 평가(성과, 성공, 실패, 효율성 등에 대한 분석)를 진행했다. 성과에 대해서는 결과, 효과, 파급 효과의 3개로 분류하고 평가되었다.
성과.
결과.
예정했던 비행계획이 모두 성공하고, 임무 성공 기준에 따라 최소한의 성공, 완전한 성공을 달성했다. 또한,
로서, 추가적인 성공을 한 것으로 평가된다.
이외에도 일본 정부의 요구조건과 JAXA의 "유인 우주 환경 이용 임무 본부 사업 계획서"의 요규를 모두 달성했다고 평가된다.
효과.
이번 HTV-1 임무가 성공함으로서, 국제우주정거장에 대한 일본의 보급 의무를 이행했고, HTV는 국제우주정거장 유지에 필수불가결한 보급 수단이 되었다.
또한 HTV는 인공위성, 로켓, 우주스테이션의 기술을 통합한 일본 최초의 유인 시설 대응 수송기인 만큼, 일본의 우주개발기술유지·발전 및 인재 육성에 기여하게 되었다.
파급 효과.
HTV-1을 이용해 세계최초로 캡쳐방식을 이용한 도킹(버씽)을 실증하고, 이 캡쳐·버씽방식을 미국 상업용 궤도 운송 서비스(COTS/CRS)가 채용했다. 게다가 당시 개발 중이였던 시그너스가 HTV와 같은 통신기기(PROX)를 미쯔비시로부터 구입했다.(9대 분, 약 60억엔)
대중매체에서도 HTV-1의 개발에 참여한 기업들이 개발 실적을 선전하는데 HTV-1을 이용했다.
경제 파급 효과로는 HTV의 파급률이 2.53이였으며 이를 계산해본 결과 약 1568억엔 정도 나왔다고 한다.
운용 중 발생한 문제에 대한 분석.
설계, 제조과정의 실수도 없었기에 확실한 운용을 할 수 있었다고 평가 된다. 사용 불능이 될 정도의 큰 고장은 일어나지 않았지만, 운용 중 여러 가지 문제가 발생했다.
프로젝트의 효율성에 대한 분석.
1997년, 프로젝트 계획을 착수할 당시에는 키보 모듈이 조립 완료된 후 3개월 되는 시점인 2001년도에 HTV-1 발사할 것으로 계획했다. 그러나 러시아의 서비스 모듈이 지연되어 발사되고, 컬럼비아 우주왕복선 공중분해 사고의 영향으로 인해 국제우주정거장의 조립 전체가 지연되자 키보 모듈의 조립 완료 시점이 2009년으로 밀려나면서 최종적으로 HTV-1 계획도 2009년 말로 연기되었다. 초기 계획과 다르게 8년의 시간이 더 생긴 만큼, 이 개발 기간을 활용해 HTV의 안전성과 신뢰성을 더욱 높일 수 있었다.
프로젝트를 착수할 당시인 1997년에는 총 개발 비용으로 280억엔이 책정되었으나, 당시에는 태양 전지가 없고, GPS는 국제우주정거장의 정보를 이용한다는 등 현재와 기능이 많이 달랐다. 그러나 국제우주정거장에 접근하는 무인기를 개발한 적이 없다는 점과 1997년 4월에 일어난 프로그레스 M-34의 충돌사고로 인해 NASA가 안전장치의 추가를 요구했다. 이러한 이유로 2002년엔 총 개발 비용이 394억엔까지 증가했다. 이후에도 해외 조달 부품의 가격 상승, 추가 검증 시험들으로 인해 2006년엔 총 개발 비용이 677억엔으로 설정되었다. 추가적인 설계 변경이나 발사 연기가 있었지만 프로젝트 완료시 개발비는 677억엔을 초과하지 않아, 문부과학성독립행정법인평가위원회로부터 S 평가를 받기도 했다. 1997년 당시 계획상 개발 예산보다 약 2.4배 증가했지만, 비슷한 시기 ESA에서 개발한 쥘 베른 ATV 또한 예산이 3.24배 증가하는 모습을 보였기 때문에 이는 타당한 결과하고 여겨졌다.
HTV의 1톤 당 수송 비용은 47억엔으로 평가되었는데, 쥘 베른 ATV의 약 58억엔(134엔/유로), 우주왕복선의 약 76억엔(94엔/달러)에 비해 우위성이 있다고 평가된다.