맥도넬 더글러스 DC-X

DC-X(), 델타 클리퍼() 또는 델타 클리퍼 익스페리멘탈()은 1991년부터 1993년까지 맥도널 더글러스가 미국 국방부의 전략 방어 구상(SDIO)과 공동으로 제작한 무인 프로토타입 재사용 가능 발사 시스템인 단발 재사용 로켓(SSTO)이다. 1994년부터 1995년까지는 미국 항공우주국(NASA)의 자금 지원을 통해 테스트가 계속되었다. 1996년에는 DC-X 기술이 완전히 NASA로 이전되었으며, 성능 향상을 위해 설계를 업그레이드하여 DC-XA가 제작되었다. 1996년 DC-XA의 테스트 비행 중 화재가 발생한 후 프로젝트는 취소되었다. 프로젝트 취소에도 불구하고 이 프로그램은 이후의 재사용 가능 발사 시스템에 영감을 주었다. 마이클 D. 그리핀은 이 프로그램을 정부 R&D의 정수라고 칭송했다.

블루 오리진의 뉴 셰퍼드와 스페이스X의 팰컨 9 재사용 가능 발사체는 DC-X에서 영감을 받았으며, 많은 동일한 엔지니어들이 참여했다. 일론 머스크는 자신의 프로그램이 "DC-X 프로젝트의 위대한 업적을 이어가는 것뿐"이라고 언급했다.

 배경 
작가 제리 퍼넬에 따르면, "DC-X는 나의 거실에서 구상되었으며, 대니얼 O. 그레이엄 장군, 맥스웰 헌터와 내가 국가우주위원회 의장 댄 퀘일에게 제안하여 성사되었다."고 한다. 그러나 맥스 헌터에 따르면, 그는 은퇴하기 전 몇 년 동안 록히드 마틴에 이 개념의 가치를 설득하기 위해 열심히 노력했었다. 헌터는 1985년에 '기회'라는 논문을 작성하여 저비용 상용 부품과 당시 가용한 기술로 제작된 단단식 재사용 로켓의 개념을 자세히 설명했지만, 록히드 마틴은 그러한 프로그램에 직접 자금을 지원할 만큼 관심을 보이지 않았다.

1989년 2월 15일, 퍼넬, 그레이엄, 헌터는 부통령 댄 퀘일과 만남을 가질 수 있었다. 그들은 어떤 우주 기반 무기 시스템도 우주 왕복선보다 훨씬 신뢰할 수 있고, 더 낮은 발사 비용과 훨씬 더 빠른 회전 시간을 제공하는 우주선에 의해 유지보수되어야 한다는 점을 언급하며 SDIO에 이 아이디어를 성공적으로 제안했다.

설계의 불확실성을 고려하여, 기본 계획은 의도적으로 단순한 시험 기체를 제작하고 완전 재사용 가능한 빠른 회전률을 가진 우주선에 대한 경험을 쌓는 것이었다. 기체에 대한 경험이 쌓이면, 먼저 아궤도 테스트를 위한 대형 프로토타입을 제작한 후 궤도 테스트를 진행할 계획이었다. 마지막으로 이 프로토타입들을 바탕으로 상업적으로 수용 가능한 기체를 개발할 예정이었다. 일반적인 항공 용어에 맞춰 작은 프로토타입은 DC-X라고 불렀으며, 여기서 X는 미국 공군의 실험용 지정을 의미한다. 그 뒤를 이어 사전 생산 테스트 항공기 및 프로토타입에 대한 USAF 지정인 Y를 사용하여 DC-Y(예: YF-16)가 이어질 예정이었다. 마지막으로 생산 버전은 DC-1으로 알려지게 될 것이었다. 델타 클리퍼라는 이름은 더글러스 DC 시리즈 여객기와의 연관성을 끌어내기 위해 약어 DC가 나오도록 선택되었다.

이 기체는 단단식 수직 이착륙(VTOL) 리프터를 우주 여행의 미래로 본 맥도널 더글러스 엔지니어 필립 보노의 설계에서 영감을 받았다. 델타 클리퍼는 보노의 1967년 SASSTO 기체와 매우 유사했다. 보노는 DC-X의 첫 테스트 비행이 있기 3개월도 채 되지 않아 사망했다.

 SDIO 요구 사항 
SDIO는 최대 3,000 lb (1,361 kg)의 탑재체를 150만 ft (457,200 m) 고도까지 들어 올릴 수 있고, 정밀한 연착륙을 위해 발사 지점으로 복귀하며, 3일에서 7일 이내에 다른 임무를 위해 다시 발사할 수 있는 기능을 갖춘 아궤도 회수 가능 로켓(SRR)을 원했다.

 제원 
DC-X 제원:
 높이 12m, 바닥 직경 4.1m, 원뿔형 모양
 공허 중량: 9,100kg. 연료 포함 중량: 추진제 완전 적재 시 18,900kg
 추진제: 액체 산소 및 액체 수소
 추진 시스템: RL10A-5 로켓 엔진 4기, 각 엔진은 6,100 kgf 추력 발생. 각 엔진은 30%에서 100%까지 추력 조절 가능. 각 엔진은 +/-8도 짐벌 작동.
 자세 제어: 440 lb (200 kg) 추력의 기체 산소 및 기체 수소 트러스터 4기
 유도, 항법 및 제어 전자장비: 고급 32비트, 4.5 mips 컴퓨터, 링 레이저 자이로스코프를 갖춘 F-15 항법 시스템. F/A-18 가속도계 및 레이트 자이로 패키지. GPS P(Y) 코드 수신기. 디지털 데이터 텔레메트리 시스템. 레이더 고도계.
 유압 시스템: 비행체의 5개 공력 플랩과 8개 엔진 짐벌 액추에이터(엔진당 2개)를 구동하기 위한 표준 항공기형 유압 시스템.
 건설 재료: 에어로셸 및 베이스 열 차폐막: 특수 실리콘 기반 열 보호 코팅이 된 흑연 에폭시 복합재. 메인 추진제 탱크: 2219 알루미늄 합금. 주요 구조 지지대: 알루미늄. 착륙 장치: 강철 및 티타늄.

 설계 
3분의 1 크기의 스케일 프로토타입으로 제작된 DC-X는 궤도 고도나 속도에 도달하도록 설계된 것이 아니라, 수직 이착륙 개념을 실증하기 위해 설계되었다. 수직 이착륙 개념은 1950년대 공상 과학 영화에서 인기가 있었지만, 실제 세계의 우주선 설계에서는 보이지 않았다. 표준 로켓처럼 수직으로 이륙하지만 기수를 위로 한 채 수직으로 착륙한다. 이 설계는 자세 제어 트러스터와 역추진 로켓을 사용하여 하강을 제어했으며, 기체가 기수부터 대기권 진입을 시작한 다음 몸체를 돌려 바닥의 착륙 지지대로 접지할 수 있게 했다. 기체는 착륙한 곳에서 바로 연료를 보충하고 정확히 같은 위치에서 다시 이륙할 수 있었으며, 이는 전례 없는 회전 시간을 가능하게 하는 특징이었다.

이론적으로 바닥부터 진입하는 프로파일이 준비하기 더 쉬울 수 있다. 기체의 바닥은 엔진 배기 가스에서 살아남기 위해 이미 일정 수준의 열 보호가 필요하므로 더 많은 보호 기능을 추가하는 것이 충분히 쉽기 때문이다. 더 중요한 것은 기체의 바닥이 기수 부분보다 훨씬 크기 때문에 열 부하가 더 넓은 면적에 분산되어 최고 온도가 낮아진다는 점이다. 마지막으로, 이 프로파일은 우주선이 착륙을 위해 몸체를 뒤집을 필요가 없다.

그러나 군사적 역할로 인해 이는 불가능했다. 우주선에 대해 요구되는 안전 요구 사항 중 하나는 단 한 번의 궤도 선회 후 착륙을 위해 복귀하는 능력이였다. 일반적인 지구 저궤도는 약 90분에서 120분이 소요되므로, 지구는 그 시간 동안 동쪽으로 약 20도에서 30도, 즉 미국 남부에서 발사할 경우 약 1,500 mi (2,414 km) 회전한다. 우주선이 동쪽으로 발사된다면 이는 문제가 되지 않지만, 군용 우주선에 필요한 극궤도의 경우 궤도가 완료되었을 때 우주선은 발사 지점에서 훨씬 서쪽 지점 상공을 비행하게 된다. 발사 지점으로 다시 착륙하려면 기체에 상당한 횡적 기동성이 필요한데, 이는 크고 매끄러운 표면으로는 구현하기 어렵다. 따라서 델타 클리퍼 설계는 필요한 횡적 기동 능력을 제공하기 위해 동체의 평평한 측면과 커다란 제어 플랩을 사용하여 기수부터 재진입하는 방식을 사용했다. 이러한 재진입 프로파일 제어에 대한 실험은 시도된 적이 없었으며 이 프로젝트의 주요 초점이었다.

DC-X 프로젝트의 또 다른 초점은 최소화된 유지보수와 지상 지원이었다. 이를 위해 기체는 고도로 자동화되었으며 제어 센터에는 단 세 명(비행 작전용 2명, 지상 지원용 1명)만 필요했다.

 비행 테스트 
오른쪽|섬네일|델타 클리퍼 어드밴스드
섬네일|오른쪽|첫 번째 비행
섬네일|오른쪽|첫 번째 착륙. 노란색 배기는 낮은 온도에서 연소되어 일반적으로 결과적으로 "지저분한" 낮은 스로틀 설정 때문이다.

DC-X의 제작은 1991년 맥도널 더글러스의 헌팅턴 비치 시설에서 시작되었다. 에어로셸은 스케일드 컴포지츠에 의해 맞춤 제작되었지만, 엔진과 비행 제어 시스템을 포함한 우주선의 대부분은 기성 상용 부품으로 제작되었다.

DC-X는 1993년 8월 18일에 59초 동안 처음으로 비행했다. 로켓이 지구에 수직으로 착륙한 것은 이것이 처음이라고 주장되었다. 9월 11일과 9월 30일에 두 차례 더 비행했으나, SDIO 프로그램의 축소로 인해 자금이 바닥났다. 또한 이 프로그램은 비판자들에 의해 터무니없는 것으로 간주되었다. 아폴로 우주비행사 피트 콘래드가 일부 비행의 지상 제어를 담당했다. 이 테스트들은 뉴멕시코주의 화이트 샌즈 미사일 시험장에서 진행되었다.

그러나 NASA와 국방고등연구계획국(ARPA)에 의해 추가 자금이 제공되었다. 테스트 프로그램은 1994년 6월 20일 136초 비행과 함께 재개되었다. 다음 비행인 1994년 6월 27일에는 비행 중 경미한 폭발이 발생했지만, 기체는 성공적으로 중단 및 자동 착륙을 수행했다. 이 손상이 수리된 후 테스트가 재개되었으며 1995년 5월 16일, 6월 12일, 7월 7일에 세 차례 더 비행이 이루어졌다. 마지막 비행에서는 하드 랜딩으로 인해 에어로셸에 균열이 생겼다. 이 시점에서 프로그램의 자금은 이미 삭감된 상태였고 필요한 수리를 위한 자금이 없었다. DC-X의 최고 고도 기록은 DC-XA로 업그레이드되기 전인 1995년 7월 7일 마지막 비행 중에 세운 2,500m였다.

 DC-XA 
NASA는 1995년 마지막 DC-X 비행 이후 프로그램을 맡기로 합의했다. DC-X 실증기의 원래 개념과 대조적으로, NASA는 새로운 기술을 테스트하기 위해 일련의 대대적인 업그레이드를 적용했다. 특히 산소 탱크는 러시아산 경량 알루미늄-리튬 합금 탱크로 교체되었고, 수소 탱크는 흑연 에폭시 복합재 설계로 교체되었다. 제어 시스템 역시 개선되었다. 업그레이드된 비행체는 DC-XA로 불렸으며, 클리퍼 어드밴스드/클리퍼 그레이엄으로 명칭이 변경되어 1996년에 비행을 재개했다.

DC-XA 테스트 비행체의 첫 비행은 1996년 5월 18일에 이루어졌으며, 저속 착륙으로 인해 에어로셸이 과열되어 경미한 화재가 발생했다. 손상은 빠르게 수리되었고 비행체는 6월 7일과 8일에 26시간의 회전 시간을 기록하며 두 차례 더 비행했다. 6월 8일 비행에서 비행체는 3,140m의 고도 기록과 142초의 비행 시간 기록을 세웠다. 또한 6월 8일 비행 중, 비행체는 로켓으로서는 처음으로 계획된 회전 기동을 수행하여 기수 우선 전진 비행에서 제어된 후진 비행으로 전환했다. 이 회전 기동의 정점에서 DC-XA는 후방 방향으로 회전하여 속도를 늦췄고, 메인 엔진의 제어하에 기수를 지평선 아래 10도로 한 채 바닥부터 뒤로 비행했다. 그 후 기수를 위로 하는 자세로 제어된 회전을 수행하고 동력 연착륙을 실시했다. 이 기동은 단단식 궤도선이 전방 자세에서 공력 제동을 사용하여 효율적으로 궤도에서 복귀한 다음 우주 기지에서 바닥부터 동력 착륙으로 회전할 수 있음을 보여주었다.

다음 비행인 1996년 7월 31일 비행이 마지막 비행이 되었다. 이 임무의 발사와 비행 부분은 완벽했으나, 완벽한 접지를 위해 속도를 늦춘 후 4개의 착륙 지지대 중 3개만 펼쳐졌다. 비행체는 3개의 지지대만으로는 균형을 잡을 수 없었고 착륙 패드 위로 천천히 옆으로 넘어졌다. 비행체의 측면이 콘크리트 패드에 부딪히자 메인 액체 산소 탱크에 균열이 생겨 액체 산소(LOX)가 패드 위로 유출되었다. 이 LOX가 바닥 열 차폐막의 작은 빛나는 물질과 접촉하여 화재가 발생했다. 착륙 지지대에 대한 비행 후 조사 결과, 고장 난 지지대로 가는 공압 질소 작동 라인이 분리되어 있었음이 밝혀졌다. 이 라인은 지상 카트에 의해 각 지지대를 펴고 접는 사전 비행 테스트 중에 평소 지지대에서 분리되었다가 다시 연결되는 부분이었다. 일반적으로 이러한 전도로 인한 구조적 손상은 단순한 차질에 불과했겠지만, 유출된 탱크의 LOX가 화재를 키워 DC-XA를 심하게 태웠으며 수리가 불가능할 정도로 광범위한 손상을 입혔다.

사고 후 보고서에서 NASA의 브랜드 위원회는 온앤오프 식의 자금 지원과 지속적인 취소 위협 속에서 운영되던 지친 현장 요원들에게 사고의 책임을 돌렸다. 원래 SDIO 프로그램 출신이 많았던 요원들은 또한 프로그램에 대한 NASA의 냉각 효과와 테스트 체계의 일부로 NASA가 요구한 방대한 서류 작업을 강하게 비판했다.

NASA는 SDIO의 지휘 하에 거둔 매우 공개적인 성공에 수치심을 느낀 후 마지못해 프로젝트를 맡았었다. NASA 내부의 자체 개발 프로젝트인 록히드 마틴 X-33/벤처스타 프로젝트와 경쟁 관계였기 때문에, 이 프로젝트의 지속적인 성공은 NASA 내에서 상당한 정치적 갈등의 원인이 되었다. 피트 콘래드는 새로운 DC-X의 가격을 NASA 기준으로 저렴한 5,000만 달러로 책정했지만, NASA는 예산 제약을 이유로 기체를 재건하지 않기로 결정했다. 대신 NASA는 DC-X에 대한 일부 비판에 답이 된다고 생각한 록히드 마틴 벤처스타 개발에 집중했다. 특히 많은 NASA 엔지니어들이 DC-X의 수직 착륙보다 선호했던 벤처스타의 비행기 같은 착륙 방식이 그 이유였다. 불과 몇 년 후, 벤처스타 프로젝트의 반복된 실패, 특히 복합재 LH2(액체 수소) 탱크의 실패로 인해 프로그램은 취소되었다.

 프로그램 비용 
원래의 DC-X는 21개월 동안 6,000만 달러의 비용으로 제작되었다. 이는 현재 가치로 약 1억 2,000만 달러에 해당한다.

 유산 
DC-X에서 근무했던 여러 엔지니어들이 블루 오리진에 채용되었으며, 그들의 뉴 셰퍼드 비행체는 DC-X 설계에서 영감을 받았다. DC-X는 아르마딜로 에어로스페이스, 마스텐 스페이스 시스템즈, TGV 로켓의 우주선 설계의 많은 요소에 영감을 주었다. 일론 머스크는 스페이스X 팰컨 9 개발이 "... DC-X 프로젝트의 위대한 업적을 이어가는 것"이라고 밝혔다.

일부 NASA 엔지니어들은 DC-X가 유인 화성 착륙선을 위한 해결책을 제공할 수 있다고 언급했다. 만약 지구의 중력권에서 SSTO로 작동하는 DC 유형의 기체가 최소 4-6인승 용량으로 개발되었다면, 그 변형 모델은 화성과 달 임무 모두에서 매우 유능함을 증명했을 수도 있다. 그러한 변형 모델의 기본 운영은 이륙 후 착륙하는 것에서 착륙 후 이륙하는 것으로 "역전"되어야 할 것이다. 하지만 이것이 지구에서 달성될 수 있다면, 화성과 달 모두에서 발견되는 약한 중력은 특히 후자의 목적지에서 극적으로 더 큰 탑재 능력을 가능하게 할 것이다.

제안된 일부 설계 변경 사항에는 DC-X가 활용한 액체 수소 및 액체 산소에 필요한 상대적으로 광범위한 지상 지원이 필요하지 않은 산화제/연료 조합을 사용하고, 착륙 중 및 착륙 후 안정성을 높이기 위해 다섯 번째 다리를 추가하는 것이 포함된다.

 같이 보기 

 외부 링크 

 Astronautix.com의 DC-X 페이지
 DC-X 팩트 시트 및 Nasa.gov의 DC-X 테스트 비행
 GlobalSecurity.org의 DC-X 페이지
 DCX에 대하여 – 1인칭 기록 및 비디오 포함
 우주로 가기 – X 프로그램 및 SSTO 설명
 DC-X의 탄생 – 댄 퀘일에게 DC-X 제안하기
 hobbyspace.com의 DCX 리소스 및 링크
 단단식 로켓 기술 DC-X 테스트 프로그램 환경 평가 1992년 6월, 147페이지

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