이전 포스팅에서 몇번 언급했듯이 나사는 스페이스 셔틀 프로그램을 중단하고 보다 전통적인 방식으로 달과 화성 진출 계획을 세우기로 노선을 변경했다. 그것은 재사용에 집착하지 않고 이전과 비슷한 1회용 로켓으로의 회귀를 의미하는 것인데 이전 포스팅에서 몇번 언급했듯이 우주 왕복선이 저렴한 우주 개발이라는 본래 목적과는 반대로 오히려 돈이 더 드는 발사 수단으로 변질되었기 때문이다.
이 계획은 콘스텔레이션 계획 (Constellation Program) 으로 명명되었으며 이미 이전 포스팅으로 설명드린바 있다. ( http://blog.naver.com/jjy0501/100060331729 참조 ) 아마 이전 포스팅을 먼저 보시는게 내용이해가 좀 더 빠르겠지만 간단히 설명해 본다면 거대한 로켓인 아레스 V 로켓을 이용해 달과 화성에 사람과 물자를 보내는 야심찬 계획이 콘스텔레이션 계획이었다. 그리고 셔틀 퇴역후 유인 우주선을 대신할 오리온 우주선과 이를 올려보낼 아레스 I 로켓도 같이 계획되었다.
(스페이스 셔틀, 아레스 I, V 로켓 ,그리고 인류를 달로 보낸 새턴 V 로켓의 크기 비교 옆에 있는 표시는 저지구궤도까지 페이로드 (톤) 으로 아레스 V 로켓은 완성되었다면 188 톤의 화물을 저 지구 궤도 (LEO : low earth orbit) 까지 보낼 수 있어 역사상 가장 강력한 로켓이 되었을 것이다. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
그러나 수백억 달러에 달하는 막대한 비용이 콘스텔레이션 계획의 발목을 잡기 시작했다. 더구나 개발 일정 자체도 지체되어 비용과 시간이 예상보다 더 들 것이 우려되기 시작하면서 이는 새로운 쟁점이 되었다. 왜냐하면 이 계획이 추진되는 시점이 미국의 국가 예산이 충분한 시기가 아니라 막대한 재정 적자로 인해서 큰 어려움을 겪는 시기이기 때문이다.
따라서 수많은 사업들이 폐기되거나 혹은 취소되는 상황에 이르렀는데 우주 개발 사업 역시 마찬가지였다. 최근 나사의 사업을 보면 기초 과학에 관련된 투자는 그래도 크게 위축되지 않고 유지되고 있지만 우주 개발 사업은 위태위태한 것이 사실이다. 이는 부분적으로 스페이스 셔틀 프로그램이 당초 계획과는 달리 막대한 예산만 잡아먹고 실제 효과는 별로 보지 못했던 것도 하나의 이유가 될 수 있을 것이다. 만약 콘스텔레이션 계획이 셔틀 계획대신 추진되었다면 인류가 벌써 화성에 착륙하지는 못했어도 적어도 달에는 다시 착륙했을 것이다.
아무튼 2010 년 버락 오마바 미국 대통령은 사실상 콘스텔레이션 계획의 취소를 암시하는 내용의 연설을 했고 실제로도 예산 확보가 더 이상 원활하지 않다면 곧 정식으로 취소가 될 가능성이 아주 높아졌다. 따라서 나사는 보다 적은 예산으로도 가능한 대안들을 찾아보게 되었는데 그 중 하나가 바로 HLV (Heavy Lift Vehicle) 계획이라는 약자로 알려진 Shuttle-Derived Heavy Lift Launch Vehicle (SD HLV) 혹은 High Confidence Heavy Lift Launch Vehicle 이다. SD HLV 계획이라고 부르기도 하고 SDV (Shuttle Derived Vehicle) 이라고도 부르는 이 계획은 이름도 꽤 여러개이다.
아직은 통일된 명칭이 없기 때문에 SD HLV, SDV, HLV 중 HLV 로 일단 여기서는 통일 한다.
HLV 계획이란 ?
일단 이 계획은 기본적으로 이미 가지고 있는 것을 활용하는 계획이다. 그렇게 하므로써 새로운 것을 개발하는데 드는 시간과 비용을 절약하는 것이 핵심인 셈이다. 기존에 가지고 있는 것이라면 바로 스페이스 셔틀을 이야기 하는 것인데 여기서는 셔틀을 만드는데 필요한 설비는 물론 셔틀의 발사대, 운반 수단 까지 모두 재활용한다.
사실 이 계획은 과거 1980 년대에서 90년대에 등장했던 셔틀 C (Shuttle C) 계획의 변형이라고 할 수 있다. 당시 나사는 챌린저 호 사고 등으로 가능하면 사람이 타지 않고도 화물을 우주 공간으로 보낼 수 있는 셔틀의 변형 모델을 생각했다. 비록 완성되지는 못했지만 셔틀 C 가 실제로 도입되었다면 나사의 우주 수송 능력은 크게 향상되었을 지도 모른다.
셔틀 C 는 사실 여러개의 스페이스 셔틀 대안 계획 중 하나였다. 2004 - 2005 년 사이 콜럼비아 호 사고 이후 나사는 셔틀을 대신할 계획으로 야심찬 콘스텔레이션 계획을 추진했지만 앞서 이야기 했듯이 예산 상의 문제로 현재 좌초 될 가능성이 매우 커졌다. 그리고 이 콘스텔레이션 계획의 대안 계획으로 다시 셔틀 C 에 기반한 셔틀 대체 계획이 떠오른 셈이다.
위의 개념도는 셔틀과 HLV 의 차이를 말해주고 있다. 결국 이 계획은 기존에 가지고 있던 것을 최대한 재활용한 것이다. 거대한 외부 연료 탱크와 4단계 SRB (Solid Rocket Booster : 고체 연료 부스터) 은 셔틀의 것을 그대로 재활용 한다. 그리고 로켓엔진도 사실 같은 엔진을 사용한다. 새로운 부분은 바로 왕복선 (오비터) 대신 이자리에 1회용의 재활용하지 않는 기체를 사용하고 새로운 회수 모듈을 다는 것이다.
왜 HLV 계획인가 ?
그렇다면 대체 무엇이 셔틀 보다 좋은가 라는 질문이 생길 것이다. 그것은 바로 오비터를 회수하지 않아도 된다는 점이다. (오비터 : Orbiter, 외부 연료 탱크에 매달리는 비행기 같은 부분) 본래 셔틀의 계획은 값비싼 오비터를 회수해서 항공기 처럼 저렴하게 운영한다는 것이었지만 사실 그런 것은 상상속에서나 존재했고 실제로는 오비터의 유지 및 보수에 비용이 천문학적으로 들어가 발사 비용을 늘리는 원인이 되었다.
그 이유로는 오비터가 재활용이 가능하긴 하지만 챌린저 및 콜럼비아호 사고 이후 유지 보수가 매우 철저해져 매번 거의 재조립 하는 수준의 수리가 들어갔기 때문에 유지 보수 비용이 천문학적으로 늘어났기 때문이다. 이 보다 중요한 또 다른 이유는 저 지구 궤도 (LEO) 에 올리는 화물중 오비터의 무게가 거의 대부분 이라는 사실이다.
무슨 이야기인가 하면 오비터는 엔진을 장착한 상태에서 78 톤 정도 했다. 여기에 최대 페이로드는 대략 25톤 정도였다. 대략 화물 + 오비터를 합치면 100 톤이 넘는 오비터는 사실 20 톤이 넘는 화물도 이송하기 힘들었다. (사실은 여기에 오비터에 탑재된 연료를 합치면 120 톤도 넘게 된다 )외부 연료 탱크 + 고체 로켓 X 2 + 오비터 를 합쳐 2000 톤이 넘는데 실제 우송하는 화물은 20 톤에도 미치지 못했다. 즉 만약 1회용이었다면 100 톤이 훨씬 넘는 화물을 저지구 궤도로 나를 수 있는로켓이 오비터를 회수 해야 하기 때문에 사실은 20 톤도 안되는 화물만을 이송한 셈이다.
사실 이 문제도 처음 계획처럼 아주 저렴하게 발사만 가능했다면 쉽게 극복이 가능한 문제였다. 그러나 우숩게도 실제로는 발사 비용이 급상승하면서 차라리 재래식 1회용 로켓이 훨씬 싸지는 문제점이 발생하고 만 것이다. 이 단계에서 셔틀 계획을 빨리 폐기하고 다음 단계로 넘어갔어야 했는데 이걸 30 년이나 끌고 온게 사실 잘못이었다고 할 수 있다.
(발사 준비 중인 STS - 120 : 뒤에 셔틀이 한대 더 보이는 이유는 만약의 경우 구조 미션에 투입하기 위한 목적이다. 결국 안전상의 이유로 인해서 셔틀의 비용은 급상승 했다. This file is in the public domainbecause it was created by NASA. )
아무튼 스페이스 셔틀은 생긴건 멋지지만 사실 더 유용하게 사용될 수 있던 막대한 자원과 시간을 낭비한 셈이 되고 말았다.
HLV 는 사실 셔틀의 변형이지만 오비터를 재활용하지 않기 때문에 훨씬 많은 물량을 우주 공간으로 나를 수 있으며 이를 통해 다시 한번 인류를 달로 착륙시킬 수 있게 된다. HLV 에서 재활용 되는 것은 양쪽의 고체 로켓 외에 엔진 회수 모듈이다. 이를 다시 설명해 보자.
HLV vs Space Shuttle
일단 셔틀은 발사되면 외부 연료 탱크를 버리고 고체 로켓과 오비터를 재사용한다. 고체 로켓은 바닷물에 부식 문제로 (바다에 낙하산으로 착륙) 20 회 정도 재사용이 가능하며 오비터의 경우 본래 100 회 재사용이 가능하게 제조되었으나 실제로 5대가 합쳐서 총 발사 횟수가 135 회였는데다 2대는 사고로 손실하여 퇴역 때까지 평균 27 회 사용한 셈이었다. 이는 물론 정비 보수에 들어가는 시간이 크게 증가하면서 발사 횟수가 줄어들고 결과적으로 비용이 급상승한 것이 원인이었다.
(스페이스 셔틀의 발사 개념도. 재진입 시에도 연료가 필요하기 때문에 오비터를 회수하기 위해 결국 페이로드를 또 양보할 수 밖에 없다. This file is in the public domain because it was created byNASA. )
반면 HLV 는 오비터를 회수 하지 않는다.
HLV 는 고체 로켓과 비싼 로켓 엔진부분만 재회수 하고 다시 재회수 하는 부분이 없다. 이로 인해 비약적으로 1회에 LEO 에 올릴 수 있는 화물의 양이 증가하게 된다. 즉 셔틀은 저지구궤도에 올리는 화물의 대부분이 오비터와 연료라 화물을 별로 운송 못하지만 HLV 는 그런 문제는 없다는 이야기다.
HLV Block I (Block IV 까지 제안되어 있음) 의 경우 저지구 궤도 (LEO) 에 약 170 톤, ISS 에 143 톤, 지구 정지 궤도 (GEO ) 에 70 톤, 달에 23 톤의 화물을 보낼 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이후 더 업그레이드 형의 Block II, Block III 도 제안되기는 하지만 비용 적인 측면에서 과연 가능할 지는 두고봐야 알 것이다.
아무튼 재사용을 포기하는 댓가로 HLV 는 상당한 화물 수송 능력을 확보하게 되었다.
HLV 의 실제 운용
HLV 의 로켓 엔진은 셔틀의 것을 그대로 활용하며 발사대나 기타 설비 역시 새로 만들지 않고 있는 것을 그대로 재활용한다. 이런 재활용이 발사와 개발 비용을 절감할 수 있는 가장 중요한 이유다.
(HLV 의 단면도. 위의 것은 ISS 에 아래 것은 승무원을 탑승시킨 CEV 의 개념도이다. 로켓 엔진은 셔틀의 것을 그대로 재활용한다. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
(달 착륙선 (위) 과 승무원들을 나를 우주선 (아래) 의 단면도 This file is in the public domainbecause it was created by NASA. )
(엔진 리커버리 모듈. 고체 로켓 부스터와 마찬가지로 낙하산으로 회수한다. 이 부분 개발이 가장 힘든 과제가 될 것이다. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
(HLV 를 이용한 달 착륙 미션. 기본적으로 이전에 설명한 콘스텔레이션 계획과 동일하다. This file is in the public domain because it was created by NASA. )
만약 이 계획이 콘스텔레이션 계획 대신 추진된다면 2020 년 정도엔 다시 인류가 달에 착륙하고 2030 년엔 화성에 갈 수 있을 지도 모른다. 하지만 사실 성공 여부는 기술적 문제가 주된 문제라기 보다는 아마도 정치적, 경제적 문제가 더 크게 작용할 것으로 보인다. 사실 기술적으로는 인간이 다시 달에 못갈 이유가 없다. 하지만 언제나 그렇듯 경제, 정치적 문제가 실제 실행 여부를 좌우할 것으로 보인다.
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