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2012년 9월 16일 일요일

나사의 차세대 우주 발사체 SLS (Space Launch System)





 과거 나사에서 추진하던 콘스텔레이션 계획 ( Constellation program) 의 핵심 로켓인 아레스 V (Ares V) 는 수백억 달러에 달하는 막대한 개발비로 인해 사실상 원안대로는 시행되기 힘들게 되었습니다. (나사의 콘스텔레이션 계획과 아레스 V 로켓에 대해서는 이전 포스트 http://blog.naver.com/jjy0501/100060331729 를 참조) 그로 인해 2010 년에서 2011 년 사이 이런 저런 기술적 대안들이 나왔는데 이전에 소개한 HLV 가 그 대안 중 하나입니다. (  http://blog.naver.com/jjy0501/100135497192 참조)  (아마도 이 포스트의 내용을 이해하기 위해서는 이전에 쓴 포스트 들을 읽어보시는 것이 좋으실 듯 합니다. ) 


 스페이스 셔틀을 기반으로한 HLV 의 경우 본래 콘스텔레이션 계획에서 생각한 아레스 5 로켓에 비해 4.5 배 저렴한 66 억 달러 정도의 개발비가 소요될 것으로 추정되면서 관심을 끌었으나 기술적 타당성을 검토한 결과 보다 단순한 해결책으로 등장한 것이 지금 소개할 SLS (Space Launch System) 입니다. 이 계획은 2011 년 9월 14일 나사에 의해서 발표되었으며 사실상 현재는 콘스텔레이션 계획 보다 비용은 줄이면서 비슷한 일을 할 수 있는 대안적 방안으로 개발 중에 있습니다.


 즉 Ares V 로켓이나 셔틀 기반 HLV 등 여러 기술적 제안 가운데 결국 현재 시점에서 선택된 방안이 SLS 라고 할 수 있습니다. 이전에 콘스텔레이션 계획 및 HLV 관련 포스트를 보셨던 분들은 지금은 대체 어떻게 되가는 지 궁금해 하실 수 있는데 오늘 포스트가 그 답변이라고 할 수 있습니다.  


 SLS 는 그냥 우주 발사 시스템이라는 뜻인데 이름이야 어찌되었든 간에 비용을 줄이고 기술적으로 신뢰할 수 있는 대형 발사체를 빨리 개발하기 위해 기존에 개발된 기술을 바탕으로 진행되고 있습니다. 따라서 과거의 SSTO 같은 혁신적인 디자인이나 셔틀 기반의 HLV 같은 기발한 아이디어는 존재하지 않습니다. 


 SLS 는 기본적으로 대형 로켓의 양측면에 셔틀에서도 사용된 고체 로켓 부스터 (Solid Rocket Booster) 2기를 탑재한 디자인 입니다. 다만 고체 로켓 부스터는 스페이스 셔틀의 것을 그대로 사용하는 것이 아니라 콘스텔레이션 계획을 위해 개발된 5 segment 로켓 부스터를 사용합니다. 따라서 부스터의 크기는 이전 셔틀 때보다 더 커졌습니다. SLS 의 초기 모델들은 4/5 segment 고체 로켓 부스터를 모두 선택할 수 있습니다. 


 코어 스테이지 (Core Stage) 로 불리는 1 단 로켓은 과거에 스페이스 셔틀에 사용된 거대 연료 탱크를 기반으로 만들어지며 여기에 4개의 RS-25D 엔진을 탑재할 예정이나 (Block I) 이후 개발 모델 (Block IA & II) 에서는 5기의 RS-25E 엔진을 탑재할 계획도 존재합니다. 다만 아직 개발 초기 단계라 언제든지 변화는 가능합니다. 1단 위에 올라가는 2단 로켓은 다양한 모듈 방식으로 조합이 가능하며 임무에 따라 그 형태가 달라지게 됩니다. 


 쉽게 말해 SLS 란 셔틀에서 사용된 연료 탱크에 엔진을 달고 양쪽에 고체 로켓 부스터를 단 후 그 위에 로켓을 올리는 것입니다. 이런 식으로 만드는 이유는 나사의 예산이 간당간당하기 때문에 최대한 비용을 줄이기 위해서 기존에 있던걸 다 재활용 하는 것이죠. 다만 말이 쉽지 이런식으로도 실제 개발하는데는 꽤 많은 비용과 시간이 필요합니다. 



(SLS 의 블록 및 형태별 차이   Source  : NASA   ) 



(발사되는 SLS 의 컨셉 아트   Source :  NASA) 


 일단 SLS 는 저 지구 궤도 (LEO : Low Earth Orbit) 에 올려놓을 수 있는 페이로드에 따라서 70 톤, 105톤, 130 톤 모델로 나눌 수 있습니다. (이 구체적인 페이로드는 사실 개발 단계에서 바뀔 가능성이 있음) 2단 로켓은 블록 별로 차이가 나게 됩니다. 

 Block 0 : 개발 버전으로 2단 로켓이 없음

 Block I :  DCCS (Delta Cryogenic Second Stage) 는 본래 델타 III/IV (Delta III/IV) 로켓에 사용된 2단으로 역시 재활용의 정신을 살려 iCPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage ) 로 이름을 바꿔 70 metric ton 로켓에 사용될 예정입니다. 이를 통해 개발비는 물론 시간을 크게 단축시킬 수 있습니다. 길이 13.7 미터에 지름 5 미터로 RL10B-2 엔진 하나를 사용합니다. 

 Block IA : 이전 iCPS 보다 훨씬 큰 버전으로 105 metric ton 로켓에 사용됩니다.   

 Block II :  이전에 아레스 로켓을 위해 개발된 Earth Departure State 를 사용하며 J-2X 엔진 3기를 탑재합니다. 이는 130 metric ton 로켓 버전을 위해 존재합니다. 



(현재 1주기를 맞은 SLS 계획의 소개 영상. 이전에도 그랬지만 초기엔 순조로운 편이라고 합니다.  Source : NASA )


 고체 로켓 부스터 2 기를 제외하면 나머지는 모두 액체 수소와 산소를 연료로 사용합니다. 화물 수송 버전외 승무원 탑재형은 이전의 Ares I 로켓을 대신하는 것으로 사람이 탈 우주선은 이전에 개발된 오리온 우주선 (Orion Spacecraft) 을 계속 개발할 예정입니다. (Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) 이라고 부르기도 함  )  





(오리온 우주선. 향후 나사의 달 재착륙 미션의 핵심 우주선으로 우주 비행사를 달까지 수송하는 임무를 담당. 여기에도 다양한 버전이 존재   Source : NASA    ) 


(달 착륙선 Altair 와 도킹하는 오리온 우주선. 본래 순조롭게 콘스텔레이션 계획이 진행되었다면 2020 년 경에 볼 수 있었던 그림.   Source : NASA ) 


 나사는 SLS 계획 1주기를 맞아서 현재까지는 순조롭게 계획이 진행된다고 이야기 하고 있는데 사실 현재는 초기 단계라 성패 여부를 말하기는 어려울 것으로 보입니다. 일단 고체 로켓 부스터 지상 테스트 및 풍동 실험등은 순조롭게 진행되는 듯 합니다. 이미 콘스텔레이션 계획에서 설명했듯이 나시는 SLS 를 통해 결국 달 재착륙은 물론 화성 착륙이라는 거대한 과제를 생각하고 있습니다. 이를 위해 궁극적으로는 130 톤 급 페이로드를 가진  Block II 까지 순조롭게 개발이 되어야 합니다. 


 사실 기술적으로야 1969 년에도 달착륙이 가능했기 때문에 기술적 문제로 인해 지금 까지 미뤄졌다기 보다는 역시 예산 문제로 인해 갈수록 달 재착륙 및 유인 달기지 건설, 인간의 화성 착륙 등 미래 우주 개발이 늦어지고 있습니다. 콘스텔레이션 계획이 사실상 과거 스페이스 셔틀과 비슷하게 본래 컨셉과는 다르게 크게 변해서 SLS 계획이 된 이유는 바로 한가지 예산 문제입니다. 


 2017 년까지 SLS 를 진행하는데 필요한 예산은 180 억 달러로 생각되며 이중 100 억달러는 SLS 로켓 자체, 60 억 달러는 오리온 우주선, 그래고 20 억 달러는 발사대 및 기타 부대 비용에 들어갈 것으로 보입니다. 일단 2014 년까지 SLS 및 오리온 우주선의 비행 테스트가 시작되어야 하며 2017 년에 실제 SLS (Block I ) 이 발사되어야 합니다.   


 하지만 현재 예상으로는 진짜 비용은 이 이후에 발생해서 2025 년까지 총 프로그램 코스트가 410 억 달러에 육박할 것으로 보입니다. 그리고 계속해서 추가 비용을 투자 130 톤급 Block II 는 2030년에 발사가 가능할 것으로 내다보고 있습니다. 따라서 인간의 달 재착륙은 2030 년까지 기다려야 할 가능성이 높습니다. 이것도 예산이 삭감되지 않는다는 전제하에서 그렇습니다. 


 지금까지 그래왔듯이 위에 설명한 계획이 다시 다른 대안적 방안으로 바뀌게 되는 가능성 역시 배제할 수 없는데 자꾸만 예산 문제로 인해 개발 계획이 틀어지면서 나사의 우주 개발 계획은 산으로 가는 듯 한 상황입니다. 스페이스 셔틀 역시 사실 예산 부족 문제로 본래 계획과는 상당히 다른 엉뚱한 물건이 나오는 바람에 최종적으로는 막대한 예산을 쏟어 부었으나 거둔 성과는 그에 비해 충분치 못했습니다. 아예 아폴로 계획 후에 콘스텔레이션 계획과 비슷한 계획을 셔틀 대신 진행했다면 지금쯤 화성은 몰라도 유인 달기지는 가능하지 않았을까 하는 아쉬움이 있습니다. 


 사실 콘스텔레이션 계획도 셔틀이 너무 비싸다는 문제점 때문에 진행되었는데 도중에 콘스텔레이션 계획이 너무 비싸다고 다시 계획이 변경되면서 자꾸만 본래 우주 개발의 이상과 목표는 간데 없고 예산만이 모든 것을 지배하는 상황에 놓이는 것이 현실입니다. 물론 이는 미국의 재정 적자가 상당히 위험한 수준에 이르렀기 때문이죠.


 다만 솔직히 러시아제 1단 로켓을 들여와서 소형 위성이라도 하나만 자력으로 쏘기를 희망하는 우리 입장에서 미국을 불쌍히 여길 이유는 없겠죠. 다만 우주 개발이란 미국이나 우리나 역시 어렵다는 것을 알려주는 한가지 사례라고 생각합니다.   



 참고 

SLS 시스템의 공식 사이트 : http://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/index.html




       

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