그 중에는 2020년 이후까지 왕복선을 사고 없이 무사하게 운영할 수 있도록 하는 안전 상의 개선사항도 포함되어 있다. 또한 새로운 왕복선에 대한 계획도 보류되었다. NASA에서는 SLI가 단순하고 상대적으로 저렴하고 재사용 가능한 궤도 우주선(OSP:Orbital Space Plane) 제작에 초점을 맞출 것이라고 발표했다. 이 궤도 우주선은 대부분 소규모의 정원만 탑승(또한 우주선 자체도 소규모)시킬 수 있으며 소모성 로켓에 의해 발사되는 우주선이다. NASA는 OSP가 2010년에는 준비가 완료돼 차세대 왕복선을 제작하기 전까지 과도기에 ‘우주 택시’로 사용할 수 있기를 희망한다.
NASA의 결정은 고육지책으로 이해해야 할 것이다. 새로운 왕복선을 설계하고 제작하기 위해 추정한 예산은 60억 달러에서 350억 달러로 턱없이 불어나고 말았다.
NASA의 차세대 발사 기술 프로그램 매니저인 게리 라일스(Gary Lyles)는 이 금액이 늘어날 수 있음을 시사했다. 라일스는 이러한 수치상의 차이는 NASA의 예산 추정의 어려움을 반증하는 것이라고 설명했다. “비용 산출을 위해서 정확한 데이터를 제공하는 기술 프로그램을 개발할 필요가 있습니다.” SLI의 비용을 둘러 싼 불확실한 요소들이 너무 많지만 확실한 것은 우주왕복선의 발사비용이 1회 당 약 5억 달러가 소요된다는 것이다. 결과적으로 NASA의 공식적인 입장은 별다른 대책없이 30년이나 된 시스템에 또 다시 모든 것을 걸어 보겠다는 것이었다.
그러나 이로부터 3개월 후 콜롬비아호가 재진입 과정에서 폭발하는 사고가 발생해 승무원 7명이 사망함에 따라 신규 왕복선 제작 계획을 보류키로 한 결정은 또 다른 난관에 봉착했다. 남아 있는 세 대의 우주 왕복선은 현재 지상에서 대기 중이며 다시 날게 되더라도 지금까지 보다 더 많은 비용이 필요하게 될 것이다. 안전, 유지 관리 및 검사 규정이 추가되고 비행 총 횟수를 소화하기 위해 투입되던 4 대 중 한 대가 줄어들었음에도 인력과 인프라를 동일하게 유지하는 비용은 변함이 없을 것이다. 우주 왕복선에 대한 엔지니어링 측면과 경제적인 측면에서의 의문점이 더욱 더 증가하고 있는 가운데 NASA에서 20년간 구형 왕복선을 계속 비행시키려는 계획은 맹목적인 낙천주의로만 보인다.
따라서 NASA는 왕복선을 교체할 새로운 무언가를 예상보다도 빨리 찾아야 하는 문제에 직면했다. 그렇다고 아이디어가 부족한 것은 아니다. 새로운 시스템이 그냥 보다 효율적이거나 비용절감을 하는 게 아니라 근본적인 개선을 해야 한다고 NASA가 주장했기 때문에 SLI와 지금까지의 왕복선 교체 프로그램은 실질적으로 종료됐다고 볼 수 있다.
이러한 커다란 개선을 이루려면 엄청난 많은 비용과 노력이 필요한 프로젝트가 수행돼야 한다는 것. 그러나 개선안들 중 상당수는 NASA가 마지노선으로 여기는 350억 달러 이하의 예산으로도 보다 견고하고 덜 복잡한 재사용 가능한 우주 왕복선(개선된 로켓 엔진성능, 합리화된 지상지원 절차, 그리고 현대적 안전진단프로그램을 갖춘)의 가능성을 시사하는 기술적 정보들을 담고 있다. “처음으로 우주 왕복선이 발사된 이래로 거의 매년 새로운 우주 발사 시스템에 대한 제안이 나오고 있습니다.” 이미 폐기되어 버린 브리티시 에어스페이스에서 1980년대에 추진했던 재사용 가능한 발사체 프로젝트인 ‘호톨(HOTOL)’을 담당했던 밥 파킨슨은 이렇게 말했다. “사실 그것들이 지금 사용되고 있는 것들 보다 나았을지도 모르죠.”
재사용 가능한 우주선의 개념
우주 왕복선에서 무엇이 문제인지를 알려면 먼저 어떻게 동작하고 있는지를 이해하는 게 중요하다. 궤도선(orbiter)은 날개가 있고 승무원이 탑승하며 탑재물까지 운반할 수 있는 형태로 고체 연료 로켓 부스터가 양측에 부착된 거대한 외부 연료 탱크에 실려 발사되며, 사실 공식적으로는 ‘우주 수송 시스템(Space Transportation System)’으로 알려져 있다.
점화 시에 양측의 고체 로켓 부스터는 발사대에서 왕복선을 추진시키는 거의 대부분의 힘을 제공하며 궤도선에 장착된 3개의 주 엔진도 점화가 된다. 로켓 부스터 모터는 자체의 연료통에서 제공받는 과염소산암모늄과 알루미늄의 혼합물로 이루어진 고체 연료로 작동되며 궤도선의 엔진은 외부로부터 수소와 산소를 공급받아 작동된다. 발사 2분 후 왕복선은 우주 공간 바로 아래라고 할 수 있는 45km의 상공에 이르게 되고 이때 고체 로켓 부스터는 연료가 완전히 고갈되어 외부 탱크에서 분리된다.
이 로켓들은 낙하산으로 바다에 떨어지며 재사용 임무를 위해 다시 복원된다. 궤도선과 외부 탱크는 7분 간 더 상승한 후에 외부 탱크는 상층 대기권에서 분리되어 분해된다. 궤도선의 엔진은 왕복선을 지구 표면을 기준으로 241km~ 482km 높이 내에 위치시킬 수 있다. 임무가 끝나면 왕복선은 일반 비행기처럼 착륙하게 된다.
우주 왕복선이라는 개념은 1970년대 초반에 설계되었을 때만 하더라도 엄청난 진보를 의미하는 것이었다. 이것은 최초로 재사용 가능한 우주선이었으며 아폴로 시대에 널리 사용된 거대한 발사 시스템 위의 작은 우주선이라는 낭비요인을 크게 개선시킨 것이었다. 또한 약 23t에 달하는 탑재물을 적재할 수 있기 때문에 다른 어떠한 유인 우주선보다도 많은 장비와 승무원, 화물을 수송할 능력을 가지고 있었다.
그러나 우주 왕복선은 시간이 지날 수록 심각한 문제가 드러나기 시작했다. 먼저 NASA에서 원래 계획했던 것보다 운영상에 비효율성이 발생했으며 비용도 많이 필요했다. 사실 왕복선에는 초기에 엔지니어들이 문제가 있다고 증명한 기술적인 선택을 그대로 적용했기 때문에 왕복선을 비행시키기 위해서는 수 천명의 사람들이 동원되어야 한다. 즉, 수많은 컴퓨터들이 탑재되어 있고 전기, 엔진, 항공전자, 통신 등등의 시스템이 독립적인 구성 요소로 지상에 있는 개개인에 의해 모니터링 되어야 하는 것이다. 더군다나 사용되는 고체 연료는 한 번 점화되면 중단할 수가 없어서 문제가 발생하지 않도록 비행 전에 굳혀야 하기 때문에 구형 고체 로켓 부스터에서부터 왕복선이 재진입시에 불타지 않도록 하기 위한 손상되기 쉬운 타일 시스템에 이르기까지 수백 명의 유지 보수 인력들이 필요하다.
궤도선의 지나친 무게와 크기도 문제. 이 시스템이 제작되었을 당시 미국방부가 고장난 위성을 회수해서 지구로 가져오는 기능을 적용시켜야 한다고 주장하는 바람에 크고 튼튼한 궤도선이 필요했던 것이다. 그러나 왕복선이 이러한 작업을 위해 사용되었던 적은 거의 없다. 또한 NASA의 목표는 공공과 민간 분야에 대한 과학 및 위성 발사, 수리를 수행하기 위해 연간 30~50회의 비행을 수행하는 것이었다. NASA에서는 거대한 화물 수송을 유지하는 비용을 계산했으며 큰 궤도선을 이용함으로써 많은 고객들을 유치하고 따라서 빈번한 비행으로 그 비용을 상쇄시키려 했었다. 그러나 실제로는 돈을 지불하는 고객도 거의 없고 한 해 평균 5회 정도의 비행만 수행되었을 뿐이다. 다시 말해 NASA에서 기대했던 규모의 경제 효과는 좌절되었다. “사실 첨단 기술이 바로 돈이 되는 것은 거의 없죠.” Nasawatch.com의 편집자인 케이스 코잉은 이렇게 말했다. “사람들은 현재 순간에 확정된 설계만 가지고 살아가게 되죠.”
1986년 미행정부는 국가 항공우주 비행선(NASP)라고 하는 비행선으로 왕복선을 교체하려는 시도를 하기도 했다. 이 날렵한 비행기는 비행기처럼 보였으며 초음속 연소 램제트, 또는 스캠제트라고 하는 공기 흡입 엔진으로 궤도에 진입하는 것을 목표로 했다. 그러나 이 계획은 스크램제트 기술을 실용화하기에는 아직 해결해야 하는 난제가 많은 것이 분명해진 1993년에 취소되었다. 그 이후로 수많은 아이디어들이 고려됐지만(47페이지 기사 참고) SLI(Space Launch Initiative)는 미래의 왕복선이 어떠해야 한다는 완성된 형태의 그림을 최초로 제시했다. 개념은 록히드 마틴, 노드롭 그루먼, 보잉 및 오비털 사이언스에서 설계되었다. 이러한 모든 개념들에서는 탑재물을 궤도로 진입시키기 위해 부스터를 사용하지만 이 부분에서 바로 서로 다른 면이 드러난다.
예를 들어 보잉사의 재사용 가능 발사체(RLV: Reusable Launch Vehicle) ‘바이메스(bimese)’는 가장 복잡한 설계로 거의 동일한 두 개의 날개 달린 로켓이 연결되어 있고 상단 로켓의 끝 부분에 궤도선 또는 탑재 컨테이너가 달려 있는 형태이다. 재사용 가능한 발사체는 모든 엔진이 점화되어 수직으로 날아 오르며 각 부스터의 연료가 고갈되면 RLV에서 분리되어 지구의 활주로에 안착한다. 이러한 설계 방식의 장점은 두 개의 로켓이 거의 구분하기 힘들기 때문에 하나의 부스터 설계만 제작, 테스트 운용, 유지 보수할 있다는 점이다. 하나의 엔진, 착륙 장치, 제어 기능, 기타 시스템만으로 우주 왕복선 보다 간단하게 관리할 수 있다.
노드롭 그루먼사는 특별히 SLI에 대해 많은 시간을 보냈다. 이 회사에서는 부스터를 12.19km 상공까지 보내서 부스터가 분리된 후 궤도 진입을 위한 마지막 분사를 할 수 있도록 해 주는 거대한 제트 엔진 및 여섯 개의 엔진, 거대한 날개가 장착된 발사체를 포함해서 여러 비행체를 제안했다. 또한 노드롭은 오비털 사이언스와 함께 궤도선을 수송하는 상단 우주선 아래에 두 개의 동일한 탱크 모양의 부스터가 장착된 RLV를 개발했다. ‘플라이백(flyback)’ 부스터라고 하는 이러한 개념은 대기권 상층에서 부스터가 작동한 후에 지구로 귀환하기 위한 동력을 제공하는 제트 엔진에 적합하게 설계돼 있다.
이번호 앞 표지에서 볼 수 있는 비행체는 앤드류 스페이스 & 테크놀러지에서 개발한 그리폰(Gryphon)컨셉으로 한 층 더 발전한 형태이다. 비행기처럼 생긴 발사체가 궤도선을 고공에서 발사하기 전에 마하 6의 속도로 가속시킨다. 또한 그리폰의 혁신적인 추진 시스템은 연료로 공기 중에서 얻어서 압축시킨 액체 산소를 사용한다.
SLI 경쟁 컨셉들에서 가장 중요한 것은 개발자들이 현재 왕복선 설계에서의 문제점들을 해결하기 위한 작업을 하고 있다는 점. 예를 들어 매번 재 사용 시에 엄청난 재구축 작업이 필요한 구형 고체 로켓 부스터가 폐기돼 버렸고 수소나 등유를 사용하는 현대적인 액체 연료 로켓 엔진이 채택됐다. 또한 이러한 액체 로켓은 점화 후에도 차단 또는 출력을 감소시킬 수 있기 때문에 보다 안전하다. 오랫동안 개선을 기다려 왔던 다른 사항은 SLI 엔지니어들이 허약하고도 불완전했던 방열 타일 시스템을 없애 버렸다는 것이다. 그 대신 세라믹 섬유 단열 담요 위에 가벼운 니켈 합금 표면을 깔아서 재진입시의 위험으로부터 궤도선과 상단 부스터를 보호한다. 부서지기 쉬운 타일과는 달리 금속 표면을 가지는 이 패널은 구조적으로 구조체에 바로 나사로 고정할 수 있다.
차세대 왕복선의 컴퓨터 역시 완전히 교체됐다. 임무 중에 지상에서 담당해야 할 수많은 사소한 사건까지 일일이 감시하기 위해 수많은 인력이 필요한 상황을 해결하기 위해서 SLI 비행체에서 사용되는 다른 요소와 함께 온도, 압력, 장력, 진동을 측정하는 각 계기는 자체적인 컴퓨터를 내장하고 있어서 RLV를 통한 네트워크 상의 노드가 두 배로 증가되었다.
또한 이 네트워크는 전문가 시스템을 구성하게 된다. 이 프로그램들은 지속적으로 네트워크 상의 각 컴퓨터로부터 신호를 읽어서 실시간으로 문제를 인식하고 오류를 예측하게 된다. 동시에 컴퓨터들은 현재의 왕복선에서 부족한 탈출 시스템을 보완해서 사고 발생시에 언제 비상탈출을 할것인지 알리거나 승무원 캡슐을 위험한 다른 RLV 모듈과 분리시켜서 승무원의 인명을 구하게 된다. “안전 문제에 대해서는 세 가지 레벨이 마련되어 있습니다.” 노드롭 그루먼의 우주 시스템을 감독하고 있는 더그 영은 이렇게 말했다. “첫번째는 비행체를 보다 신뢰성있게 제작하는 것이고 두 번째는 탈출 시스템을 마련하는 것이며 세 번째는 승무원들이 언제 탈출할 것인지를 알리는 것입니다.”
왕복선에서 가장 큰 파격이라고 할 수 있는 새로운 발사체와 궤도선 설계는 NASA의 실제 요구, 즉, 날렵한 크기와 무인으로 동작 가능한 재사용 가능 발사체 등에 보다 적합하다. 현재 왕복선은 최대 탑재물 적재 용량까지 적재해 본 적이 거의 없으며 몇몇 경우 승무원도 필요하지 않았다. SLI 개념에는 위성을 궤도상에 진입시키거나 과학 실험을 원격으로 수행하는 것과 같은 임무를 위해서 승무원 없이 여행할 수 있는 자동화된 소형 궤도선 개념이 포함된다.
NASA가 당면한 재정 문제
NASA에서 지금의 왕복선을 새로운 비행체로 교체할 것인지의 여부는 자금 조달 능력에 달려 있다. 작년 9월에 나온 SLI 보고서에 따르면 미의회의 일반 회계 검사국은 NASA에 대해 현대적인 재정 관리 능력이 부족하다고 비판했다. 그러자 NASA가 왕복선 개체 프로그램에 돈이 너무 들어서가 아니라 어떻게 비용을 산정해야 될지 몰라서 프로그램 자체를 취소한 것이 그리 놀랄만한 일은 아니다. “SLI는 믿을 수 없을 정도로 간단했습니다.” 보잉사의 팬텀 웍스에서 첨단 우주 발사 시스템을 담당하고 있는 케빈 니퍼트는 이렇게 말했다. “하지만 안전과 신뢰성에 대해 목표가 매우 공격적이었고, 운영비용도 문제였습니다.”
NASA는 왕복선 교체를 제안하면서 경영 대학원에서 가르치는 기본 원칙, 즉 ‘품질, 속도, 비용’ 중 두 가지를 선택하라는 법칙을 교묘하게 우회했다. 10년 내에 새로운 우주선을 예상하는 프로그램에 대한 NASA의 벤치마크 하에서 현재 구상 중인 왕복선의 성능에 비해서는 40~70배 정도 수준이며, 지금까지 결과에 비해서는 180배 수준인 1만회 비행 중에 사망하는 승무원의 비율이 1명 이하로 되는 것을 목표로 하고 있다.
또한 NASA에서는 몇 주 마다 3~4 대의 비행체를 발사시키기 위한 연간 운영 비용이 5억 달러 정도에서 결정되도록 원하고 있다. 이것은 사실상 왕복선의 일회 비행에 소요되는 수준으로 거의 불가능하다. “비용을 100배로 감소시키는 일은 사실 상 엄청난 것이죠.” SLI가 중단 되기 전에 오비털 사이언스에서 총책임을 맡았던 안토니오 엘리어스는 이렇게 말했다. “NASA에서 연간 30억 달러 (왕복선 예산)를 15억달러로만 절감시킬 수 있다면 새로운 재사용 가능 발사체의 비용을 정당화시킬 수 있을 겁니다.”
항공 전문가들은 만일 NASA에서 사업 모델을 변경하고 새로운 왕복선의 경제성에 대한 이해를 향상시킬 수만 있다면 RLV 설계상의 거품을 제거하는 것이 가능해져 현재 예상하고 있는 350억 달러 이하에도 제작이 가능할 것이라고 주장한다. 예를 들어 RLV의 가격을 천문학적인 숫자로 올려 놓은 비현실적인 완전성과 지나친 신뢰성을 추구하는 비행체 개발을 주문하는 대신에 훨씬 저렴하고 관리하기 편한 컴퓨터화 된 승무원 탈출 시스템을 도입할 수도 있다. 이렇게 하면 현재 왕복선 보다도 RLV가 안전해지며 가격 또한 저렴해 진다.
사실 NASA는 컬롬비아호 사고의 후유증에 시달리고 있으며 왕복선 교체프로그램에 대해 말을 돌리고 있는 실정이다. 담당자는 내년까지는 왕복선 교체 일정에 대한 결론이 결정될 것이라고 했다. 그 중 하나는 보다 가벼운 연료 탱크와 보다 개선된 로켓 엔진과 같은 핵심적인 구성 요소를 제작하기 위한 5년 계획이다. 그 후에 2009년에는 NASA에서 이러한 기술에 기초해서 실물 크기의 RLV 제작을 진행할 것인지 결정하게 될 수 있을 것이며 그후 교체된 왕복선이 2015년에는 실제로 이용될 수도 있다. 또한 다른 방법으로 NASA에서 새로운 RLV를 더 연기한다면 개선된 합성 물질과 스크램제트와 같은 ‘광범위한 장거리 ’ 기술과 같은 과도기형 기술을 개발하기 위해 시간을 투자할 수도 있을 것이다.
그러나 NASA는 장기적인 관점에서 지금까지 오랜 시간 동안 결실을 보지 못했던 기술, 즉, 공기 흡입식 스크램제트로 추진되며 단일 기체로 궤도까지 오를 수 있는 형태로 교체하고자 한다. 그러나 초음속을 훨씬 넘는 범위(극초음속)에서 추진력을 유지하고 이렇게 높은 스트레스가 적용되는 환경을 견딜 수 있는 합성 물질을 개발하는 것과 같은 핵심적인 기술적 난제들을 해결하기에는 아직까지는 너무 이른 것이 사실이다. NASA에서 다음 번에 제작할 RLV가 스크램제트 방식을 채택할 확률이 매우 낮기 때문에 전문가들은 NASA에서 재사용 가능한 우주선을 확보하지 못한 채 빈 손으로 앉아서 기다릴 만한 여유가 없다고 주장한다. “NASA는 이제 그냥 재미만 보는 건 그만 둬야 합니다.” 1950년대부터 극초음속 비행기와 우주선을 설계해 온 세인트 루이스 대학의 교수인 폴 세치츠는 이렇게 말했다. “이제는 진짜 무언가 만들어야죠.”
시행 착오
NASP, 1986
1986년에 챌린저 호 사고가 발생하고 난 직후 레이건 대통령은 국가 항공우주 비행선(NASP) 프로젝트를 출범했다. 이것은 기존의 활주로에서 일반 비행기 같은 비행체를 이륙시키고 절반쯤 얼어 있는 ‘슬러시’ 상태인 수소를 혁신적인 새로운 초음속
연소 램제트(스크램제트) 엔진에서 연소시켜서 궤도로 바로 날아간다는 것이었다. 1992년에 스크램제트 아이디어가 시대를 훨씬 앞서는 생각이라는 것이 증명되었으며 NASP이 작동하기 위해서는 필수적인 요건, 즉, 음속을 훨씬 초과하는(하이퍼소닉) 속도에서 이 엔진이 작동할 지의 여부는 아무도 모른다. 그 후 이 프로젝트는 축소를 거쳐서 1993년에 취소되었다.
델타 클리퍼, 1991
맥도널 더글라스는 1980년대 후반에 이 프로젝트를 시작했다. 델타 클리퍼는 재사용 가능한 우주선을 제작한다는 계획에 추가적으로 우주 미사일 방위 시스템(‘스타워즈’ 프로젝트)에서 핵심적인 역할을 담당하는 개념이었다. 아이스크림 콘을 거꾸로 세워 놓은 듯한 이 재사용 가능한 로켓은 수직으로 이착륙하게 된다. 실험을 위해서 저속으로 동작하는 테스트 기체가 제작되었으나 우주 방위 계획이 축소됨에 따라 자금 지원이 중단됐다. 테스트 기체는 1996년에 사고로 파손되었다.
X-33, 1996
록히드 마틴에서는 1996년에 X-33을 개발할 권리를 획득했다. 이것은 쐐기 모양의 ‘발사체’로 로켓처럼 수직으로 이륙한 후에 비행기처럼 착륙하게 된다. 또한 여기에는 독특한 ‘선형 에어로스파이크’ 로켓 엔진이 꼬리 부분에 일렬로 장착되어 있다. 문제점은 궤도에 도달하기 위해 필요한 연료로 인해 탑재물 적재 중량을 확보하려면 기체의 중량을 줄여야 한다는 점이었다. 이렇게 하기 위해서 록히드 마틴에서는 액화 산소 탱크를 탄소 섬유 화합물 재질로 제작했다. 하지만 현재 기술로서는 매우 어렵다는 것이 증명이 되었으며 몇 가지 문제가 더 발생함에 따라서 2001년 초에 계획이 취소되었다.
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
