첨단 재진입체

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첨단 재진입체

1950년대 후반과 1960년대 초반 초기 미사일 및 우주 프로그램용 비행체에는 방열판과 삭마재가 뭉툭한 동체 형상과 결합되어 사용되었습니다. 그러나 항공우주 엔지니어들은 끊임없이 성능 향상을 추구했습니다. 그들은 더 가벼우면서도 더 빠른 속도를 낼 수 있는 비행체를 원했습니다.

초기 미국 탄도 재진입체는 탄도 계수(베타)가 낮았습니다. 탄도 계수는 물체의 무게, 항력, 단면적을 계산하여 구하는 값입니다. 베타가 낮은 물체는 대기권 상층부의 희박한 공기층에서 대부분의 감속을 하게 됩니다. 따라서 감속에 더 오랜 시간이 걸리고, 열 발생량도 적어 열을 더 오랜 시간 동안 받게 됩니다. 하지만 미사일 설계자들은 베타가 높은 물체를 원했습니다. 이러한 물체는 일반적으로 더 가늘고 매끄러워 항력이 적습니다. 대기권 상층부를 빠르게 통과하면서 감속을 거의 하지 않고 지면에 도달할 때까지 매우 빠른 속도를 유지합니다. 미사일 재진입체(RV)의 경우, 탄두가 목표물에 더 빠르게 접근할수록 적이 요격하기 어렵기 때문에 이러한 특성이 바람직합니다.

아틀라스 ICBM에 사용된 마크 3 재진입체는 다른 대륙에 도달할 수 있는 사거리를 가진 최초의 삭마형 재진입체였습니다. 이전의 뭉툭한 동체 설계보다 베타(재진입체의 무게, 항력, 단면적을 계산한 값)가 높았으며, 앞쪽에는 노즈콘이 있고 뒤쪽에는 나팔 모양의 원통형 구조를 가지고 있었습니다. 그러나 미 공군은 더욱 높은 베타 값을 가진 재진입체를 원했고, 그래서 1959년에서 1960년 사이에 AVCO와 제너럴 일렉트릭(GE) 두 회사와 계약을 맺고 실험용 RVX-2와 RVX-2A 재진입체에 사용할 새로운 삭마 재료를 개발하도록 했습니다. 이 재료들(다양한 형태의 플라스틱)은 높은 베타 값을 가진 재진입체의 고온을 견딜 수 있었습니다. 이러한 시험을 통해 GE는 대형 타이탄 II ICBM용 마크 6 재진입체 개발 계약을 따냈습니다. 마크 6 재진입체는 길이가 3미터(10피트)가 넘고 밑면 너비가 2.3미터(7.5피트)에 달하는 거대한 재진입체로, 성인 남성이 그 아래에 서 있을 수 있을 정도였습니다. 기수 부분에는 페놀 나일론(수지를 함침시킨 나일론 직물)이 사용되었고, 나머지 부분에는 특수 플라스틱이 사용되었습니다. 이 소재는 짧은 대기권 재진입 시간 동안 열을 효과적으로 차단하여 매우 얇게 만들 수 있었습니다. 기수 부분의 두께는 약 5cm였지만, 나머지 열 차폐막은 6.35mm에 불과했습니다.

하지만 미사일 재진입체만이 개발 중이던 유일한 재진입 기술은 아니었습니다. 1960년대 초, 미 공군은 X-20 다이나소어(Dyna Soar, "역동 활공"의 약자)라는 우주 비행기를 제작하고 있었습니다. 다이나소어는 재진입 중 조종이 가능해야 했으며, 초기 미사일 재진입체나 머큐리 우주선처럼 뭉툭한 형태의 기체가 아니었습니다. 재사용이 가능해야 했기 때문에, 타버리는 삭마 재료를 사용할 수 없었습니다. 대신, X-20은 냉각을 위해 복잡한 금속 구조물과 세라믹 기수 덮개를 사용할 계획이었습니다. 그러나 다이나소어는 비행도 하기 전에 1963년에 개발이 취소되었습니다.

아폴로 우주 프로그램에서는 재진입체와 관련된 또 다른 난제가 대두되었습니다. 아폴로 재진입체는 지금까지 우주에서 귀환한 어떤 우주선보다도 훨씬 컸습니다. 더욱 중요한 것은, 달에서 시속 40,234km(25,000마일)의 속도로 지구로 귀환할 때 발생하는 극한의 재진입 온도를 견뎌내야 한다는 점이었습니다. 1962년까지 여러 가지 재진입체 형상을 연구한 끝에, NASA 엔지니어들은 스테인리스강 벌집 구조에 페놀 에폭시 수지를 외피로 한 대형 후방 열 차폐막을 장착한 원뿔형 재진입체를 선택했습니다.

아폴로 프로그램이 진행되는 동안 NASA는 X-15 연구 항공기를 마하 6을 넘는 점점 더 빠른 속도로 비행시켰습니다 . 이러한 비행을 통해 항공기는 고온에 노출되었고, 연구원들은 새로운 소재를 시험할 수 있었습니다. 또한 이러한 시험은 재진입 시 발생하는 열이 우주선 전체에 미치는 영향을 줄이기 위해 배관 및 기타 내부 장비의 적절한 설계와 위치 선정과 같은 유용한 교훈을 제공했습니다.

미국 군부는 기밀로 분류된 방법과 재료를 사용하여 점점 더 높은 베타 값을 갖는 재진입체를 개발하는 데 몰두하고 있었습니다. 1963년에는 미니트맨 대륙간탄도미사일(ICBM) 상단에 장착되도록 설계된 뾰족한 원뿔형 재진입체인 마크 12가 개발되었는데, 이는 모든 현대 미사일 탄두의 전신이었습니다. 소련 또한 미사일 재진입체와 유인 우주선 보스토크 와 보스호드 에 사용할 열 차폐 장치를 개발하고 있었습니다 . 이 분야에 대한 소련의 연구는 알려진 바가 거의 없지만, 미국의 개발과 유사한 점이 많았을 것으로 추정됩니다.

1960년대 후반과 1970년대 초에 NASA는 훗날 우주왕복선이 될 우주선의 예비 설계 작업을 시작했습니다. 우주왕복선은 이전에 우주에서 귀환한 어떤 우주선보다 훨씬 큰, 비행 가능한 대형 우주선이었습니다. 우주왕복선의 열 보호 시스템(TPS)은 완성하기 어려운 기술이었지만, 대기권 재진입 기술에 있어 획기적인 발전을 가져왔습니다. 이 시스템 덕분에 매우 큰 우주선도 대기권 재진입 시 발생하는 엄청난 열을 견딜 수 있게 되었기 때문입니다.

1970년대 이후, 재진입체 기술 분야에서 넘어야 할 이정표는 줄어들었습니다. 우주선 설계자들은 금성 탐사선 파이오니어와 화성 탐사선 바이킹을 위해 재진입체를 개발했는데, 두 우주선 모두 뭉툭한 동체, 낮은 베타값, 그리고 삭마성 소재를 사용했습니다. 1980년대에는 목성 대기와 토성의 위성 타이탄 대기권 진입을 위한 재진입체도 개발되었습니다. 다른 국가들도 이 분야에 뛰어들었습니다. 중국은 목재를 삭마성 소재로 사용한 것으로 알려진 회수 가능한 우주선을 개발했습니다. 이러한 방식이 원시적으로 보일 수도 있지만, 목재(경우에 따라 코르크)는 실제로 로켓이 대기권을 통과할 때 열이 발생하는 일부 미국 로켓 엔진 부분과 탑재체 덮개에 삭마성 소재로 사용되고 있습니다.

1980년대 후반 NASA의 X-30 국가 우주 비행기(NASP)는 우주왕복선과는 달리 매우 오랜 시간 동안 극도로 높은 온도에 노출되어야 했기 때문에 재료 공학자들에게 엄청난 난제를 안겨주었을 것입니다. 기존의 삭마재나 세라믹 타일과 같은 접근 방식으로는 충분하지 않았습니다. 다양한 재료에 대한 많은 연구가 진행되었지만, NASP는 극복할 수 없는 공학적 난관 때문에 결국 취소되었습니다. NASA가 1995년에 X-33 실험 로켓 개발을 시작했을 때, 제작사인 록히드 마틴은 금속 열 보호 시스템을 사용할 계획이었습니다. X-33 역시 취소되었지만, 만약 더 큰 버전의 X-33이 제작되었다면 훨씬 더 나은 해결책이 필요했을 것입니다.

2000년과 2001년에 러시아 과학자들은 독일 연구진과 협력하여 팽창식 재진입체를 실험했습니다. 이는 기존 재진입체보다 비용을 절감하기 위해 설계된 매우 낮은 베타값의 재진입체였습니다. 미래에 유망한 아이디어 중 하나는 플라즈마 토치를 사용하여 재진입체 전면에 인공 충격파를 생성하는 것입니다. 둔탁한 물체가 발생시키는 충격파가 뜨거운 가스가 우주선 표면에 닿지 않도록 막아주는 것처럼, 플라즈마 충격파는 이론적으로 극초음속(마하 6 이상)으로 비행하는 우주선을 장시간 동안 보호할 수 있습니다. 그러나 아직 이러한 열 보호 시스템에 대한 수요는 없으며, 이는 여전히 실험실 단계에 머물러 있습니다.

--드웨인 A. 데이

참고 자료 및 추가 읽을거리:

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