우주왕복선 설계 프로세스

Space Shuttle design process
미국의 초기 우주왕복선 개념

1969년 아폴로 11호 달 착륙 전에 NASA는 1968년 10월에 우주왕복선 설계에 대한 연구를 시작했다.초기 연구는 "A상"으로 표기되었고, 1970년 6월에는 "B상"으로 표기되었다.우주왕복선의 주된 목적은 미래의 우주정거장을 지원하는 것으로, 최소 4명의 승무원과 약 20,000파운드 (9,100 kg)의 화물을 나르고, 미래의 비행을 위해 빠르게 회항할 수 있었다.

두 가지 디자인이 선두 주자로 떠올랐다.하나는 유인 우주 비행 센터의 엔지니어들에 의해 설계되었고, 특히 조지 뮬러가 옹호했다.이것은 델타 날개가 달린 우주선을 가진 2단계 시스템이었고, 일반적으로 복잡했다.재심플화 시도는 DC-3의 형태로 이루어졌는데, 그는 다른 차량들 중에서 수성 캡슐을 설계한 Maxime Faget에 의해 설계되었다.다양한 상업 회사들의 수많은 제품들도 제공되었지만, 각 NASA 연구소가 자체 버전을 추진함에 따라 일반적으로 중단되었다.

이 모든 것은 아폴로호나 그 이상의 비용이[citation needed] 드는 다양한 포스트 아폴로호 미션을 제안하는 다른 NASA 팀들 사이에서 일어나고 있었다.이 프로젝트들이 자금을 마련하기 위해 싸우는 동안 NASA의 예산은 동시에 심각하게 제한되었습니다.1969년 결국 세 개가 애그뉴 부통령에게 수여되었다.셔틀 프로젝트는 주로 지지자들의 끊임없는 선거[citation needed] 운동 덕분에 정상에 올랐다.1970년까지 셔틀은 아폴로 이후의 단기적인 기간 동안 하나의 주요 프로젝트로 선정되었습니다.

이 프로그램에 대한 자금 지원이 문제가 되었을 때, 프로젝트가 취소될 수도 있다는 우려가 있었다.이것은 미 공군이 그들의 임무에 셔틀을 사용하는 것에 관심을 가지려는 노력으로 이어졌다.공군은 약간 관심을 보였지만 원래 개념보다 훨씬 더 큰 더 큰 자동차를 요구했고, NASA는 그것이 그들 자신의 계획에도 이롭기 때문에 이를 받아들였다.결과적으로 발생하는 설계의 개발 비용을 낮추기 위해, 부스터를 추가하고, 일회용 연료 탱크를 채택했으며, 재사용 가능성을 크게 낮추고, 차량과 운영 비용을 크게 증가시키는 다른 많은 변경이 이루어졌다.공군의 지원으로 그 시스템은 운용 형태로 등장했다.

의사결정 과정

1969년, 미국 부통령 스피로 애그뉴는 아폴로 이후의 인간 우주 활동에 [1]대한 선택권을 논의한 미국 항공 우주 위원회의 의장을 맡았다.의회의 권고는 행정부의 결정에 큰 영향을 미칠 것이다.위원회는 네 가지 주요 옵션을 고려했다.

닉슨 대통령은 우주평의회의 조언에 따라 지구궤도 저궤도 인프라 옵션을 추진하기로 결정했다.이 프로그램은 주로 우주 정거장 건설과 우주 왕복선의 개발로 이루어졌다.그러나 자금 제한으로 인해 두 프로그램을 동시에 개발할 수 없었다.NASA는 먼저 우주왕복선 프로그램을 개발하기로 선택했고, 그 후 우주정거장을 건설하고 서비스를 제공하기 위해 우주왕복선을 사용할 계획을 세웠다.

셔틀 설계에 관한 토론

오리지널 북미 록웰 셔틀 델타 윙 디자인, 1969년: 완전히 재사용 가능, 플라이백 유인 부스터 포함
Maxime Faget의 DC-3 컨셉은 기존의 스트레이트 윙을 채용했습니다.

초기 셔틀 연구 동안, 최고의 균형 기능, 개발 비용 및 운영 비용에 대한 최적의 셔틀 설계에 대한 논쟁이 있었습니다.처음에는 완전히 재사용 가능한 설계가 선호되었습니다.이것은 작은 날개 달린 유인 궤도선을 운반하는 매우 큰 날개 달린 유인 우주선을 포함했다.부스터 차량은 궤도선을 특정 고도와 속도로 들어올린 후 분리될 것이다.우주선이 지구 저궤도로 계속 진입하는 동안, 이 부스터는 다시 수평으로 돌아와 착륙할 것이다.임무를 마친 후, 날개 달린 궤도선은 활주로에 수평으로 재착륙할 것이다.그 아이디어는 완전한 재사용이 운영 비용 절감을 촉진한다는 것이었습니다.

하지만, 더 많은 연구들은 원하는 탑재 능력을 가진 궤도선을 들어올리기 위해 거대한 추진기가 필요하다는 것을 보여주었다.우주 및 항공 시스템에서, 비용은 무게와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 이것은 전체적인 비행 비용이 매우 높을 것이라는 것을 의미했다.부스터와 궤도선 모두 로켓 엔진과 대기권 내에서 사용하기 위한 제트 엔진, 그리고 각 추진 모드에 대한 별도의 연료와 제어 시스템을 갖출 것이다.또한 프로그램 개발에 얼마나 많은 자금을 사용할 수 있는지에 대한 논의가 동시에 이루어졌다.

또 다른 경쟁적인 접근법은 새턴 V 생산 라인을 유지하고 많은 작은 우주왕복선 탑재체보다 몇 개의 탑재체 안에 우주정거장을 발사하기 위해 그것의 큰 탑재체 용량을 사용하는 것이었다.이와 관련된 개념은 "빅 제미니"라고 불리는 더 큰 제미니 캡슐을 발사하기 위해 공군의 타이탄 III-M을 사용하여 우주 정거장을 정비하는 것이었다. 주 엔진이 없고 15피트 × 30피트 (4.6m × 9.1m)의 페이로드 베이가 있는 작은 "글라이더" 버전의 우주 왕복선을 발사하는 것이다.

우주왕복선 지지자들은 충분한 발사가 이루어진다면 재사용 가능한 시스템은 일회용 로켓보다 전반적인 비용이 더 적게 들 것이라고 대답했다.주어진 발사 횟수에 걸쳐 총 프로그램 비용을 나눌 경우 셔틀 발사율이 높으면 출시 전 비용이 절감됩니다.이는 결국 셔틀이 소모품 발사대에 비해 비용 경쟁력을 갖췄거나 더 우수하게 만들 것이다.일부 이론적 연구들은 연간 55회의 셔틀 발사를 언급했지만, 최종 선택된 디자인은 그 발사 속도를 지원하지 않았다.특히 미항공우주국(NASA)의 미후드 조립시설에서는 연간 최대 외부 탱크 생산량이 24대로 제한됐다.

우주정거장과 공군의 탑재체 요건은 모두 합쳐진 우주왕복선 발사 속도에 도달하기에 충분하지 않았다.그러므로, 그 계획은 우주 정거장, 공군, 상업 위성, 그리고 과학 연구 같은 미래의 모든 미국의 우주 발사들이 오직 우주 왕복선만을 사용하도록 하는 것이었다.대부분의 다른 소모성 지지자들은 단계적으로 폐지될 것이다.

재사용 가능한 추진기는 결국 높은 가격(제한된 자금 조달과 결합), 기술적 복잡성 및 개발 위험 등 여러 가지 요인으로 인해 포기되었습니다.대신, 각 발사마다 외부 추진제 탱크를 폐기하고, 부스터 로켓과 셔틀 궤도선을 재사용할 수 있도록 개조하는 부분(완전하지는 않음) 재사용 설계가 선택되었다.

처음에, 궤도선은 자체 액체 추진체를 운반할 예정이었다.그러나 외부 탱크로 추진제를 운반하는 연구는 훨씬 더 작은 우주선에 더 큰 적재 베이를 허용한다는 것을 보여주었다.이는 또한 발사 후 탱크를 버리는 것을 의미하기도 했지만, 이는 운용 비용의 비교적 적은 부분을 차지했습니다.

초기 설계에서는 날개 달린 궤도선이 재진입 후 대기 중 조종을 돕기 위해 제트 엔진을 탑재할 것으로 가정했다.그러나 NASA는 X-15와 같은 이전의 로켓-그때-활공체 및 인양체에서의 경험을 바탕으로 궁극적으로 활공 궤도선을 선택했다.제트 엔진과 그 연료를 생략하는 것은 복잡성을 줄이고 탑재량을 증가시킬 것이다.

또 다른 결정은 승무원의 규모였다.일부는 우주왕복선이 4개 이상 실려서는 안 된다고 말했는데, 이는 이젝트 시트를 사용할 수 있는 최대량이다.모든 임무에는 사령관, 조종사, 임무 전문가 및 페이로드 전문가가 충분했습니다.NASA는 더 많은 우주 비행 참가자들을 페이로드 전문가로 실어 나르기를 기대했고, 그래서 [2]더 많은 것을 실어 나르도록 그 우주선을 설계했다.

마지막 남은 논쟁은 지지자들의 성격에 관한 것이었다.NASA는 이 문제에 대한 네 가지 해결책을 조사했다: 기존의 토성 하부 단계, 새로운 디자인의 단순한 압력 공급 액체 연료 엔진, 대형 단일 고체 로켓 또는 두 개 이상의 작은 엔진.NASA의 마셜 우주 비행 센터의 엔지니어들은 특히 유인 임무를 위한 견고한 로켓 신뢰성에 대해 우려했다.

공군의 관여

1960년대 중반 미 공군은 X-20 다이나-쏘어와 유인 궤도 연구소라는 주요 파일럿 우주 프로젝트를 모두 취소했다.이것은 군 우주 비행사들을 궤도에 올려놓기 위해 NASA와 협력할 필요성을 보여주었다.결과적으로, 공군의 요구를 충족시킴으로써, 셔틀은 모든 군용과 민간용 [3]화물을 실어 나르는 진정한 국가 시스템이 되었다.

NASA는 이 우주왕복선에 대한 공군의 지원을 요청했다.6일 전쟁과 소련의 체코슬로바키아 침공으로 미국 위성 정찰망의 한계가 드러난 후, 공군은 반덴버그 AFB에서 남쪽으로 첩보 위성을 발사할 수 있는 능력을 강조했다.이것은 낮은 기울기 궤도에 비해 높은 에너지를 필요로 했다.공군은 또한 왕복선이 소련 위성을 회수하여 신속하게 착륙할 수 있기를 희망했다.따라서, 지구는 궤도 궤도 아래에서 1,000마일 회전하고 있음에도 불구하고, 그것은 한 궤도 후에 반덴버그 발사 지점에 착륙할 수 있는 능력을 원했다.이것은 이전의 단순한 "DC-3" 셔틀보다 더 큰 델타 윙 크기를 필요로 했다.그러나 NASA는 DC-3 셔틀 설계에 당초 예상하지 못했던 한계가 있다는 추가 연구 결과가 나왔기 때문에 이러한 기동 능력의 향상을 희망하기도 했다.공군은 1959년에서 1970년 사이에 200개 이상의 위성 정찰 임무를 수행했고, 군의 다량의 탑재물은 우주왕복선의 [4]: 213–216 경제성을 높이는데 가치가 있을 것이다.

공군의 잠재적인 이점에도 불구하고, 군대는 소모성 부스터에 만족했고 NASA만큼 셔틀을 필요로 하거나 원하지 않았다.우주국은 외부의 지원이 필요했기 때문에 국방부와 국가 정찰국이 설계 과정을 일차적으로 통제하게 되었다.예를 들어, NASA는 40x12피트(12.2x3.7m)의 화물칸을 계획했지만, NRO는 미래의 첩보위성이 더 커질 것으로 예상했기 때문에 60x15피트(18.3x4.6m)의 화물칸을 지정했다.파젯이 다시 12피트(3.7m) 폭의 적재 공간을 제안했을 때, 군 당국은 거의 즉시 15피트(4.6m) 폭의 유지를 주장했다.공군은 또한 우주왕복선의 개발이나 건설 비용을 지불하지 않았음에도 불구하고 우주왕복선 중 하나를 무료로 사용하는 것과 맞먹는 가치를 얻었다.NASA의 양보를 대가로 공군은 1971년 [4]: 216, 232–234 [5]3월 우주왕복선을 대신해 상원 우주위원회에 증언했다.

보도에 따르면 미 의회는 국방부에 셔틀을 사용하기 위한 또 다른 유인책으로 셔틀 [6]화물칸에 들어가지 않도록 설계된 인공위성에 대한 비용을 지불하지 않을 것이라고 말했다.NRO는 우주왕복선을 위해 기존 위성을 재설계하지는 않았지만, 이 차량은 정비하기 위해 궤도에서 KH-9 헥사곤과 같은 대형 화물을 회수할 수 있는 능력을 유지했고, 이 기관은 위성을 우주에서 [7]재보급하는 것을 연구했다.

공군은 자체 우주왕복선을 보유할 계획을 세우고 원래 반덴버그의 취소된 유인궤도연구소 프로그램인 우주발사단지 6호(SLC-6)에서 파생된 별도의 발사시설을 다시 지었다.그러나 여러 가지 이유로 1986년 1월 28일 우주왕복선 챌린저호의 상실로 인해 SLC-6에 대한 작업은 결국 중단되었고, 그 장소에서 셔틀 발사는 이루어지지 않았다.SLC-6은 결국 1999년 9월 IKONOS 상업용 지구 관측 위성을 포함한 록히드 마틴이 제작한 아테나 소모성 발사체 발사에 사용되었고, 이후 다시 새로운 세대의 보잉 델타 IV를 다루도록 재구성되었다.SLC-6에서 델타 IV를 처음 발사한 것은 2006년 6월로 미 국가정찰국(NRO)의 기밀위성 NROL-22를 발사했다.

최종 설계

일회용 외부 연료 탱크와 회수 가능한 고체 로켓 부스터를 갖춘 최종 반 재사용 설계

NASA가 설계를 완전히 통제했다면 액체 부스터를 선택했을 가능성이 높지만, 관리 예산 사무소는 낮은 [4]: 416–423 [8]개발 비용 때문에 덜 비싼 고체 부스터를 고집했다.액체 연료 부스터 설계는 성능 향상, 비행당 비용 절감, 환경 영향 감소 및 개발 위험 감소를 제공했지만, 견고한 부스터는 셔틀 프로그램이 제한된 개발 자금을 위해 경쟁하는 많은 다른 요소들을 가지고 있을 때 개발에 더 적은 자금을 필요로 하는 것으로 간주되었습니다.액체 연료 엔진 3개, 액체 추진제를 탑재한 대형 소모성 외부 탱크, 재사용 가능한 고체 로켓 부스터 2개를 갖춘 날개 달린 궤도선으로 선정된 최종 설계.

1972년 봄, 맥도넬 더글라스, 그루먼, 그리고 북미 록웰은 셔틀을 건설하기 위한 제안서를 제출했다.NASA 선정 그룹은 록히드 우주왕복선이 너무 복잡하고 비싸며 유인 우주선을 만든 경험이 없다고 생각했다.맥도넬 더글라스는 너무 비싸고 기술적인 문제가 있었다.Grumman은 너무 비싸 보이는 훌륭한 디자인을 가지고 있었다.북미 우주왕복선은 가장 낮은 비용과 가장 현실적인 비용 예상치를 가지고 있었고, 그 설계는 지속적인 유지보수에 가장 쉬웠으며, 북미의 지휘 및 서비스 모듈과 관련된 아폴로 13호 사고는 전기 시스템 고장 경험을 입증했다.NASA는 1972년 [4]: 429–432 7월 26일 북미 지역 선택을 발표했다.

우주왕복선 프로그램은 HAL/S 프로그래밍 [9]언어를 사용했습니다.최초로 사용된 마이크로프로세서는 8088이었고, 이후 80386이었다.우주왕복선 궤도선 항전 컴퓨터는 IBM AP-101이었다.

30년 후의 회고

다음 항목도 참조하십시오.우주왕복선 프로그램 및 우주왕복선 은퇴에 대한 비판
우주왕복선의 서비스 방법에 대한 초기 개념

셔틀의 교훈에 대한 의견은 다르다.원래 개발 비용과 시간 견적을 리처드 M. 사장에게 제시하여 개발되었습니다.1971년 [10]닉슨은 1971년 67억4천400만 달러의 비용을 들여 당초 [11]추정치 51억5천만 달러를 지출했다.그러나 [10]운영 비용, 비행 속도, 페이로드 용량 및 신뢰성은 예상과 달랐다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Report of the Space Task Group, 1969". NASA. Retrieved 6 August 2009.
  2. ^ Pincus, Walter (1986-03-05). "NASA's Push to Put Citizen in Space Overtook Fully 'Operational' Shuttle". Washington Post. ISSN 0190-8286. Retrieved 2020-07-14.
  3. ^ Dwayne A. "빅 블랙과 새로운 새: NRO와 초기 우주왕복선" The Space Review, 2010년 1월 11일.
  4. ^ a b c d Heppenheimer, T. A. (1998). The Space Shuttle Decision. NASA.
  5. ^ 데이, 드웨인 A. "스푸크와 칠면조" The Space Review, 2006년 11월 20일.
  6. ^ Aldridge, E. C. Pete Jr. (Fall 2005). "Assured Access: "The Bureaucratic Space War"" (PDF). 16.885j, "Aircraft Systems Engineering". Massachusetts Institute of Technology. Retrieved September 17, 2012.
  7. ^ Day, Dwayne (2017-02-13). "Black ops and the shuttle (part 1)". The Space Review.
  8. ^ NASA-CR-134338, 미드, L. M. 등 우주왕복선 시스템 프로그램 정의 단계 B 확장 최종 보고서.워싱턴 DC: 미항공우주국, 1972년.
  9. ^ "Infio" (PDF). www.sqlite.org.
  10. ^ a b "Columbia Accident Investigation Board public hearing". NASA. 2003-04-23. Archived from the original on 2006-08-12. Retrieved 2008-09-26.
  11. ^ Wade, Mark. "Shuttle". Astronautix.com. Archived from the original on July 12, 2016. Retrieved 12 November 2017.

추가 정보

외부 링크