우주 수송 시스템(Space Transportation System/STS)

[엔젤땡칠이20117]

미국의 우주계획은 1981년 4월 12일 재사용을 위해 설계된 유인우주선인 우주왕복선을 처음으로 발사하여 새로운 우주시대를 열었다. 우주왕복선은 이보다 일찍 우주무대에 등장할 수도 있었다. 미국은 원래 X-15와 같은 비행기로 우주를 비행할 계획이었다. 그러나 옛 소련이 1회용 로켓으로 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호와 최초의 유인우주선인 보스토크 1호를 쏘아 올리자, 미국도 방향을 틀었다. X-15를 개발하기 위해 막연히 시간을 보내기보다 손쉬운 1회용 우주로켓을 택한 것이다. 그런데 달 착륙으로 미국이 옛 소련을 앞서게 되자, 그 동안 정치적 논리에 의해 집행됐던 막대한 예산이 공격을 받게 됐다. 즉 경제성이 없다는 것이었다. 그래서 NASA는 폐기했던 과거의 파일에서 활공형 우주선인 우주왕복선을 부활시켰다.

우주 왕복선 계획 1981년 4월 12일, 우주 왕복선(Space shuttle), 콜럼비아(Columbia)는 54시간 20분 54초의 비행을 끝내고 지상으로 귀환하여 무사히 에드워드 공군 기지에 그 모습을 드러냈다. 이때부터 우주에의 여행에 새로운 교통 수단인 우주 왕복선의 시대가 개막되었다. 새처럼 날고자 하는 인간의 꿈은 마침내 우주 여행에 있어서도 마음대로 이착륙이 가능하게 된 것이다.

우주왕복선은 81년에 두번, 82년에 3번, 83년에 4번, 84년에 5번 85년에는 9번 등 매년 발사횟수를 늘려 갔다. 그러나 무리였던지 1986년 1월 28일 7명의 승무원을 태운 챌린저호가 발사한지 1분 13초만에 폭발하는 사고가 발생했다. 승무원 중에는 최초의 민간인(고등학교 교사)도 포함되어 있었다. 부스터 로켓의 접합이 불완전하여 발생한 것으로 판명난 이 사고는 설계상의 문제를 수정하기 위해 우주왕복선 발사를 2년 동안 멈추게 만들었다.

우주 왕복선 비행은 나머지 3대의 궤도선인 디스커버리호,콜럼버스호,아틀란티스호에 새로운 안전장치를 설치한 1988년에 디스커버리호에 의해 다시 시작되었으며 4번째이자 마지막 왕복선인 엔데버호는 1991년에 만들어졌다. 지금까지 우주왕복선은 91번 발사됐으며, 총 5백29명이 탑승했다. 우주에서 보낸 시간은 7백83일이며, 1만2천3백53번 지구를 돌았다.

우주왕복선은 그동안 사용하던 로켓보다 천천히 지구궤도에 올라갈 수 있기 때문에 허블우주망원경과 같은 크고 약한 구조물을 지구궤도에 올려놓을 수 있다는 장점도 지니고 있다. 그렇지만 우주왕복선의 최대의 특징이자 장점은 오비터(Orbiter)라 불리 우는 유인궤도 비행을 할 수 있는 비행체를 반복해서 사용할 수 있다는 점일 것이다. 이제까지의 로켓은 쓰고 나면 버리는데 반하여, 우주 왕복선은 발사 때 필요한 외부 탱크만 교체하면 몇 번이고 계속해서 사용할 수가 있기 때문이다

그동안 우주왕복선이 했던 일 중에서 특별히 기록할 만한 일은 인공위성 회수와 수리이다. 마치 고속도로에서 고장이 난 자동차를 출장 수리해 주듯, 우주 왕복선은 고장이 난 인공위성을 찾아가 현장에서 수리해 다시 사용할 수 있게 해주었다.

허블 우주망원경도 이런 출장수리서비스를 받은 바 있다. 한편, 우주 왕복선은 인간이 우주에서 활동한다는 점에서도 큰 성과를 올렸다. 인공위성을 궤도에 진입시키고, 고장이 난 인공위성을 회수하고, 우주에서 대형 구조물을 조립하거나 하는 등의 보다 폭 넓은 목적에 대응할 수 있었기 때문이다. 그리하여 우주 왕복선으로 인하여 인류의 우주 활동의 폭은 매우 크게 확대되었다. 처음 4차례의 임무는 비행개발을 위한 것으로 2명의 우주비행사가 타고 있었다.

첫 비행의 화물은 개량된 계 기장비로 이루어졌으며, 2~4번째 비행은 왕복선이 지구관측과 우주과학 및 군사실험에 적합한지를 입증하기 위해 설계된 화물을 운송했다. 또 다른 장점은 인공 위성을 직접 외계에서 궤도에 진입시키거나 발사하게 됨으로써 종래의 인공위성 발사 방식에 큰 변화를 가져오게 되었다는 점이다.

즉, 오비터에는 페이로드 베이(Payload Bay)라 불리는 충분한 화물실이 확보되어 있는데, 이 화물실에 하나 또는 여러 개의 인공위성을 적재하여 우주로 나간 뒤, 그곳에서 직접 발사함으로써 매 위성들을 지상에서 발사할 때 요구되는 대기권 탈출에 드는 엄청난 비용을 줄일 수 있게 되었으며, 보다 값싸게 많은 인공위성의 발사가 가능하게 되었다.

이로써 인공위성을 발사하려는 많은 나라에서 우주 왕복선을 이용하는 기회가 많아지게 되었으며, 80년대 후반부터는 수많은 외계 탐사선들이 우주 왕복선에 의하여 발사 되고 있다.또 우주왕복선은 그동안 조종사들만 탈 수 있는 우주여행의 문호를 비조종사들에게도 개방했다. 우주왕복선에는 최대 10명의 승무원과 다양한 화물을 우주로 보낼 수 있다. 그래서 우주에서 실험을 하고자 하는 과학자를 실험장치와 함께 실을 수 있었다.

일본, 프랑스 등의 국가들은 돈을 내고 우주왕복선을 임대해 생명과학 실험을 실시하기도 했다.

우주왕복선 역시 한계를 지니고 있다. 현재로서는 무게 1파운드당 (0.4536kg) 1만 달러라는 고비용이 들기 때문에 경제성이 없다는 것이다. 그래서 미국은 차세대 우주왕복선을 개발하기 시작했다. 목표는 1파운드당 1천달러 수준의 우주왕복선이다.
지난 1996년 7월 개발되기 시작해 2004년 완성을 목표로 하고 있는 '벤처스타'도 그중 하나이다. 현재의 우주왕복선은 2분의 1만 재사용하는 우주왕복선이다. 즉 발사체는 1회용이란 뜻이다. 그러나 벤처스타는 100% 재사용할 수 있는 우주왕복선으로 비행기에 추진제만 갈아 넣으면 된다. 차세대 우주 왕복선 개발에 성공하여 우주에 갈 수 있는 비용을 줄일 수 있다면 우주 개발은 더욱 진척될 수 있을 것이다.

우주 정거장의 특징지구궤도에 건설되는 대형 우주 구조물로서 사람이 반영구적으로 생활하면서 우주실험이나 우주관측을 하는 기지를 말한다. 사람이 우주공간으로 진출하기 위해서는 지구에서부터 우주정거장까지 사람이나 기자재를 우주왕복선으로 수송한 후 이곳에서 다시 정비하여 본격적인 우주항행을 하게 되므로, 우주정거장은 앞으로 우주 진출의 전초기지로 사용될 수 있다. 지금까지 개발된 우주정거장은 지구 주위의 궤도를 선회하면서 승무원들이 한 번에 몇 주, 또는 몇 개월 동안 살 곳을 제공하였다. 우주정거장은 과학적인 조사활동을 벌이는 승무원들이 체류기간동안 건강하게 살기 위해 필요로 하는 모든 것을 제공한다. 거대한 태양 전지판은 전력을 만들고 특수한 벽체와 차폐물은 온도를 쾌적하게 유지하며 또한 전자기파나 우주에 떠도는 파편들로부터 승무원들을 보호한다. 또한 도킹 포트가 있어서 지구에서 온 보급선이 화물을 부려 놓을 수 있다.

초기의 우주정거장 - 최초의 우주정거장은 소련의 살류트(Salyut)로서 1971년 4월에 발사되어 궤도에 진입해 있는 소유스 10호와 결합하여 무게 26 t, 길이 23 m의 우주정거장을 형성했다. 이곳에서 총 22명의 승무원이 탑승하여 1,600회의 각종 실험과 관찰을 수행하여 인간이 장기적으로 우주공간에 적응할 수 있음을 보여주었다. 미국의 최초 우주정거장은 스카이 랩(Sky lab)으로서 73년 5월에 발사되었으며, 무중력 상태에서의 인간 활동에 대한 실험과 지구와 우주관측 등의 임무를 수행하였다.

미르 의 모습

2세대 우주 정거장 - 소련의 우주정거장 미르(Mir)는 86년 2월에 발사되었다. 미르는 모두 6개의 접속장치를 가지고 있고 3개의 모듈로 구성되어 있는 총 길이 13 m에 지름 4.2 m, 총 무게 21 t의 대형 우주정거장으로 유리 로마넨코가 326일간을 체류하는 기록을 세움으로써 인간이 우주공간에서 영구히 거주할 수 있는 가능성을 보여주었다.

차세대 우주정거장 - 지난 40년 동안 NASA는 독자적으로 모든 우주계획을 수립해왔다. 그러나 21세기를 눈앞 에 두고 NASA는 국제적인 협력을 모색하고 있다.

NASA는 미국의 항공우주기관에서 세계 항공우주개발의 메카로 거듭나고 있는 것이다. 대표적인 계획이 국제우주정거장(ISS)이다. 우주정거장을 건설하려는 NASA의 계획은 1982년부터 추진됐다. NASA는 우주환경을 이용하고 달과 행성을 탐사하기 위한 중계기지로서 우주정거장이 필요하다고 생각했다.

1984 년 레이건 대통령은 10년 이내에 우주정거장을 건설하겠다고 공언했지만, 미국의 힘만으로 엄청난 예산을 감당하며 우주정거장을 건설하는 것은 무리였다. 그래서 1992년 미국은 유럽 우주기구 산하 11개국(네덜란드, 노르웨이, 덴마크, 독일, 벨기에, 스웨덴, 스위스, 스페인, 영국, 이탈리아, 프랑스), 일본, 캐나다, 브라질, 그리고 10년이 넘게 우주정거장을 운영해온 러시아를 끌어들여 국제우주 정거장 계획을 수립했다. 국제우주정거장의 이름은 '알파'로 정해 졌다.

국제우주정거장 알파계획은 3단계로 진행됐다. 1단계는 1994년부터 1997년까지로 미국의 우주비행사들이 러시아(구소련)의 미르에 방문해 우주생활의 노하우를 습득하고, 우주왕복선과 미르가 도킹하는 기술을 연마하는 것이 주요 내용이었다.

1998년 11월20일 '자리야'(새벽 또는 일출이라는 뜻)로 명명된 모듈이 카자흐스탄의 바이코누르 공군기지에서 로켓에 실려 발사되어, 발사 9분 4초 뒤 지구 상공 3백50㎞ 궤도에 올려졌다．자리야 모듈은 우주정거장 건설시 예인선 구실을 하며 동력을 제공하는 모듈이다．이어 미국이 12월 2일 우주왕복선 엔데버호로 두 번째 모듈 '유니티'를 우주에 보내 자리야와 연결했다.

2단계(1998년-1999년)는 1단계에서 제작한 알파의 기초적인 구조물들 을 4백35km의 지구궤도상에서 조립하는 작업이었다. 3단계가 끝나는 2003년이 되면 7명이 생활할 수 있는 승무원 거주모듈, 미국, 일본, 유럽 우주기구가 구축한 6개의 실험모듈들이 완성된다. 모듈은 인류가 우주에 건설하는 최대구조물인 이 우주정거장을 우주공간에서 쉽게 조립하기 위해 지상에서 부품을 미리 결합한 것을 말하며 참여 국가들이 분담해 만들고 있다．

예컨대 우주비행사의 거주 공간 관련 모듈은 미국과 러시아가， 실험공간은 미국 러시아 유럽 일본이 나눠 맡는 식이다． 거주공간에는 장기체류를 위해 야채냉동식품을 넣어둘 냉장고，샤워실도 갖춰질 예정이다．총 43개 모듈이 일단 완성되더라도 이를 우주공간에 차례로 쏘아 올리는 데만도 45차례의 우주비행이 필요하다． 모듈이 어느정도 발사되면 비행사 3명이 미국 우주왕복선을 타고 올라가 우주유영을 하며 조립작업을 한다．2002년이면 승무원 3명의 거주공간이 건설되고 2004년 완전한 자태를 드러내게 될 것이다.

새 우주정거장은 본체 길이만 88m에 태양전지판 날개 길이가 1백8m(미르호 본체 길이는 약 10m). 축구장 2개를 합쳐놓은 (가로 1백8m, 세로 74m, 무게는 4백20t에 이르며. 이를 위해 들어가는 돈은 약 3백조 원이다) 어마어마한 크기이기 때문에 지상에서도 비록 별처럼 보이기는 하지만 육안으로 관찰할 수 있을 것으로 기대된다.

우주인이 활동 가능한 실내 공간만 보잉 747기 실내의 2배로 건설 후 20년간 사용될 국제우주정거장 안에서는 평균 7명의 우주인이 지상 4백㎞의 우주에 장기 체류하면서 △장기 우주체류가 인체에 미치는 영향 △천체탐사 등 무중력 상태를 이용한 다양한 실험이 펼쳐질 것이다.

미래의 우주정거장은 더욱 크고 복잡한 형태로 발전되어 궁극적으로 행성간 우주기지나 우주도시로 발전할 것이다. 우주정거장 건설의 규모가 커져 사람이 영구적으로 우주생활을 할 수 있게 되면 우주가족이 탄생하는 것도 멀지 않은 장래의 일로 예견되고 있으며, 우주개발이 좀더 본격화되어 상업적 이용도 활발해지면 우주호텔의 등장도 예상되고 있다.

우주정거장에서는 지구중력의 약 1백만분의 1인 마이크로 중력(거의 무중력 상태)을 가지며 이러한 무중력상태를 이용하여 지구상에서는 지구 중력 때문에 불가능 한 순도 100 %의 결정체를 만들 수 있으며 이러한 기술은 새로운 재료의 합성이나 신의약품 제조에 활용된다. 또한 식물이나 동물이 무중력상태에 어떻게 적응하는지에 대한 관찰과 실험도 하게 된다

지난 6월 21일 미 캘리포니아주 모하비 사막에 위치한 에드워즈 공군기지에는 새벽부터 수천명이 나와 웅성거리고 있었다. 오전 6시45분(한국시간 밤 10시45분), 사막의 모래바람을 일으키며 거대한 종이비행기처럼 생긴 비행체가 활주로를 가르며 날아올랐다.

‘백기사’(White Knight)라는 근사한 이름의 이 비행기는 ‘스페이스십원’(SpaceShipOne)으로 불리는 곤봉처럼 생긴 로켓기를 안고 창공으로 사라졌다. 민간 회사가 만든 유인우주선이 세계최초로 고도 1백km의 우주비행을 시도하는 순간이다.

고도 13.8km에 이르러 백기사와 스페이스십원이 분리되는 순간, 스페이스십원의 로켓엔진이 불꽃을 뿜어내기 시작한다. 삽시간에 속도 마하 3을 넘기며 수직 상승한 스페이스십원은 80초만에 우주의 시작이라는 고도 1백km에 도달했다.

“거의 종교적인 체험이었고 둥근 지구를 볼 수 있었다.”

3분간의 우주비행을 마치고 귀환 중이던 조종사 마이크 멜빌은 비행성공을 축하하는 관제탑에 아직 흥분이 가시지 않은 목소리로 대답했다. 오전 8시 15분, 이륙한지 90분만에 활주로에 안착한 멜빌은 수만명으로 불어난 관중 앞에서 힘차게 양손 엄지손가락을 내밀며성공을 자축했다.

고도 1백km는 지구 대기권이 끝나고 우주가 시작되는 지점이다. 우주경계점에 머무른 약 3분간 멜빌은 무중력상태를 경험했다. 이 짧은 순간동안 그는 가져간 ‘엠앤엠’(M&M) 초콜릿 봉지를 뜯었는데 바둑알만한 원색의 초콜릿들이 조종실에 둥둥 떠있어 아주 멋있었다고 회상했다.

불과 수년전만 해도 민간에서 유인우주선을 만든다는 것은 상상하기 어려웠다. 1996년 스페이스 어드벤처사가 첫 민간우주여행에 성공한 팀에게 주겠다며 1천만달러(약 1백20억원)의 상금이 걸린 ‘안사리 X프라이즈’를 만들었을 때도 반신반의했다.

그러나 이번 비행 성공으로 민간우주여행시대가 눈앞의 현실로 다가오고 있다. 물론 민간인이 우주여행을 하지 않은 것은 아니다. 지금까지 3명이 러시아 로켓을 타고 우주를 여행했는데 이들의 경비는 2천만달러로 웬만한 부자도 꿈꿀 수 없는 거액이다. 스페이스 어드벤처사는 2005년에 1인당 10만-15만달러(1억2천만-1억8천만원)의 비용으로 우주관광을 하게 한다는 목표를 갖고 있다.

한편 최초로 우주진입에 성공한 민간 로켓기 스페이스십원을 제작한 스케일드 컴포지츠사는 항공분야의 전설적인 인물 버트 루탄이 만든 회사다. 1986년 보이저호를 설계한 당사자이기도 한 그는 경비행기를 만들다가 민간우주선 사업에 뛰어들었다.

첫 작품인 스페이스십원 개발에 2천만달러를 투입한 루탄은 “1천만달러 상금의 X 프라이즈는 나에게 영감을 줬을뿐 최종목표는 아니다”며 “스페이스십원은 10명의 승객을 태울 우주선을 만드는 장기적 프로젝트의 1단계”라고 포부를 밝혔다. 루탄은 스페이스십원이 각종 테스트를 통과해 운행에 들어가면 매주 3명씩 우주를 관광하게 될 것이라고 예상했다.

현재 26개의 팀이 경합하고 있는 X 프라이즈는 스페이스십원의 차지가 될 확률이 매우 높다. 그러나 이제는 상금을 타는 것과 무관하게 이곳저곳에서 상업용 민간우주선 개발이 본격적으로 진행되고 있다. 영국시민우주프로젝트의 단장인 스티브 베넷은 부러움과 함께 이번 비행 성공을 축하하면서 18개월 뒤에는 자신들의 로켓을 쏘아올릴 계획이라고 밝혔다.

이번 우주비행 성공은 여러 측면에서 큰 의미를 갖고 있다. 먼저 우주비행은 미항공우주국(NASA)으로 대표되는 정부산하 거대 기관의 전유물이라는 불문율이 마침내 깨졌다. 사실 수조원 단위가 들어가는 프로젝트를 불과 2백억원대로 이뤄냈다는 것은 NASA로서는 상상하기도 어렵다. 루탄은 “우리의 성공은 우주비행이 제한된 자원과 수십명의 인원만으로도 가능함을 입증했다”고 말했다.

둘째 기술혁신을 이루려면 동기부여가 필요함을 또다시 입증했다는 것이다. 스페이스 어드벤처사가 X 프라이즈를 만든 뒤 불과 8년만에 민간우주여행이란 꿈이 현실로 나타났기 때문이다. 최첨단 기술력을 갖춘 팀들이 서로 경쟁하는 과정에서 기술혁신이 가속화됐고 모험정신이 되살아난 것이다.

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우주왕복선은 재래형 로켓과 항공기의 혼합비행체이다.

즉 오비터(OV), 외부추진체탱크(ET), 외부추진체탱크 좌우에 부착한 고체로켓부스터(SRB) 2기로 구성되는 비행체이다. OV는 액체산소 및 액체수소의 극저온고성능 추진제를 사용하는 주엔진(SSME) 3기와, 사산화이질소 및 모노메틸하이드라진 추진제를 사용하는 궤도수정엔진(OMS) 2기가 미부(尾部)에 있고, 기수(機首)·후부(後部)에는 같은 추진제를 사용하는 가스제트자세제어시스템(RCS)의 스러스터 44기가 장착되어 있으며, 기수선실과 약 30t까지의 화물을 실을 수 있는 화물실(길이 18m, 폭 4.5m의 반원형)이 있는 동체, 그리고 극초음속에서부터 아음속까지에 맞는 더블삼각형의 주날개(내외승강타 겸 보조날개 부착), 수직꼬리날개(방향타 겸 에어브레이크 부착), 미부 아래쪽의 보디 플랩의 공력익면이 있다.

OV의 전표면에는 상승중 또는 대기권 재돌입 때의 공력가열(최고 약 1260℃)로부터 알루미합금외판을 방호하기 위한 열방호시스템(TPS)으로서의 실리카 섬유재 단열타일 약 3만 1000매가 상온접착제로 부착되어 있다. 이 TPS에는 온도분포영역에 따라 5종류가 있는데, 외부추진체탱크에는 액체산소 약 604t(앞부분)과 액체수소 약 102t(뒷부분)의 추진제가 발사 당일 약 5시간 전부터 실려 OV의 터빈펌프로 주엔진에 공급되고, 약 8분간 연소된다. 표면은 발포 우레탄의 내열처리가 이루어진다. 고체로켓부스터는 1개 약 504t의 고체추진제를 싣는데, 약 2분간이면 연소가 끝난다.

스페이스셔틀 1회의 비행사이클은 다음과 같다. 먼저 이륙할 때 약 2000t의 스페이스셔틀은 합계 3000t의 추력에 의하여 수직으로 상승한 뒤, 약 2분이 지나면 연소가 끝난 고체로켓부스터를, 또 약 8분이 지나면 외부추진체탱크를 분리한다. 가벼워진 오비터는 관성비행을 계속하며 궤도수정엔진을 2∼4회 사용하여 발사 후 약 45분이 지났을 때 정해진 지구저궤도(보통 280㎞)에 투입된다. 그 뒤 오비터는 화물실의 문을 열어 인공위성 등을 다른 고궤도에 투입하기도 하고, 스페이스랩이라고 하는 여압 모듈 안에서 탑승과학기술자들이 각종 우주실험·관측 등을 실시하기도 한다.

그 뒤 그들이 선실로 되돌아감으로써 문이 닫힌다. 착륙 1시간 전에 OV의 방향을 역(逆)이 되게 하고 궤도수정엔진에 점화해서 감속시켜 완전자동비행관제시스템에 의하여 대기권에 재돌입하고, 목표착륙점까지의 오비터의 에너지(고도·속도)를 리얼타임으로 제어하는 시스템(TAEM)에 의하여 정해진 비행장에 약 20°의 활공각으로 접근해서 시속 약 350㎞로 접지함으로써 1회의 비행사이클을 마친다. OV는 약 100회 재사용할 수 있고, SRB는 낙하산에 의하여 바다에 낙하, 회수된 뒤 재생되어 약 20회 재사용할 수 있다. 그러나 ET는 현재의 단계에서는 1회 밖에 사용하지 않는다. 장래의 셔틀 운항 피크 때에는 1기(機)의 OV가 착륙한 뒤 다음 비행까지의 지상정비기간을 약 6주간(처음의 계획에서는 약 2주간)이 되게 하는 것이 셔틀 발사의 비용을 줄이는 방법이다.

셔틀의 특징 중 특히 중요한 점은

① OV의 각 삼축방향(三軸方向)의 가속도가 모두 ±3G 이내가 되도록 설계되어 있기 때문에 종래와 같은 가혹한 우주비행사의 훈련이 완화되어 건전한 정신과 육체를 지닌 과학기술자라면 페이로드스페셜리스트(PS)로서 기장·파일럿·미션스페셜리스트(MS) 등과 함께 셔틀에 탑승하여 우주실험·관측을 할 수 있는 점

② 화물실 안의 인공위성 등 각 페이로드에 대한 환경조건과 부피·무게의 제한이 1회용 로켓보다 완화되어 있는 점을 들 수 있다. 이 점이 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 셔틀을 이용하려는 사람들에게는 큰 매력이다.

스페이스쉽원 제작시 루탄은 X-15기로부터 영감을 얻었는데, NASA와 공군 소속의 이 로켓비행기는 1965년 루탄이 캘리포니아 공대를 갓 졸업하고 민간 비행 테스트 엔지니어로 에드워드 공군 기지에 갔을 때 이 기지에서 발사되어 준궤도까지 왕복 비행을 하고 있었다.

“스페이스쉽원은 다른 무엇보다도 X-15기와 유사합니다”라고 그는 말한다. X-15(North American Aviation 사가 제작한 X-15는 매우 높은 고도에서의 극초음속 비행을 조사하기 위해 제작되었는데 역사상 가장 성공적인 고성능 항공기 연구 프로그램이다)기와 마찬가지로 이 신형 로켓비행기는 제트 추진 모선에 실려 있다가 15km 상공에서 발사된다. 그런 다음 스페이스쉽원은 급상승해 대기권을 벗어났다가 재진입한 후 무동력으로 할강하다가 착륙하게 된다.

제트기에서 로켓을 발사하면 효율성이 매우 높다. 공기 흡입형 제트기가 로켓보다는 연료 소모율이 작지만 우주에서는 작동하지 않는 반면 로켓은 대기내에서 보다는 진공인 우주에서 효율성이 높아진다. 다단계 로켓처럼 스페이스쉽원은 HTPB라는 인조고무 고체연료와 보통 ‘웃음 가스’로 알려져 있는 액체 산화제 아산화질소를 함께 사용하는 하이브리드형 로켓 엔진으로 추진되기 때문에 발사대로부터 발사될 경우 필요한 엄청난 중량의 엔진과 연료탱크가 없이 대기권을 벗어난다. 지상 발사 로켓은 3t짜리 스페이스쉽원 보다 중량이 세 배나 더 나간다.

화이트 나잇은 두 쌍의 꼬리 조절면과 수평 간격이 넓은 네 개의 착륙용 바퀴가 있는데 스페이스쉽원이 수월하게 착륙할 수 있도록 설계상 고려된 것들이다. 그 밖에 스페이스쉽원은 눈물방울 모양 동체와 다중창, 두텁고 짧은 주날개와 쌍둥이 꼬리날개를 갖춰 수직 비행에 최적화되었다. 화이트 나잇에서 분리된 후 거의 수직상승했다가 하강하는 스페이스쉽원은 480km를 활강 비행해야 하는 X-15기와는 달리 지상 확보 거리가 64km면 충분하다. 투박한 선실은 탑승자들이 우주복을 입지 않아도 되도록 가압해 이중처리 되어 있다. 하지만 완벽한 승선감을 기대해서는 안된다고 X-15기로 최종 비행을 하고 은퇴한 NASA의 테스트 파일럿인 빌 다나는 말한다.

“우주선이 발사되어 엔진이 점화되면 가슴에서 등쪽으로 2배의 중력을 받게 됩니다.” X-15기의 연료가 연소되며 기체가 가벼워지면 가속도가 붙는다. “고공 임무 수행시 연료가 모두 연소해 3.5G(중력의 3.5배)를 받게 되면 고통이 임계치에 도달하게 됩니다.

심장을 심벽에 연결하는 근육이 그 정도로 압력을 받는 경우는 흔치 않습니다.” 스페이스쉽원의 로켓 모터가 약 65초 동안 완전히 연소된 후에도 이 우주선은 20초간 계속 상승한다. 이 지점에서는 공기가 없어 기존 방식으로는 조종이 불가능하기 때문에 조종사는 이후 2분간 가스 분사를 이용해 우주선의 자세를 조절한다.

이 비행 구간에서 조종사가 레버를 조작해 스페이스쉽원의 또다른 독특한 특징을 작동시키면 날개 뒤쪽 절반이 꼬리날개들과 함께 가파른 각도로 위쪽으로 꺾여 올라간다. 이것은 루탄이 안전성과 비용절감을 고려해 만든 아주 독창적인 모양이다. X-15와 같은 비행기 모양의 기체나 우주왕복선은 대기권에 정확히 직각 방향으로 진입해야 하는데 이때 자동조절장치의 도움을 받게 된다. “만약 측면으로 진입하면 실패합니다”라고 루탄은 말한다. 모의 비행실에서 X-15 조종사들은 우주의 진공상태에서 조종 능력 상실을 자주 경험한다.

반면 루탄의 목표는 비교적 수월하게 재진입을 하는 것이다. 스페이스쉽원은 대기권 내로 비행해 들어온다기 보다는 떨어지는 쪽에 가깝다.

“깃털” 모양의 위로 젖혀진 꼬리 날개는 우주선이 고가의 자동항법장치가 없어도 안정된 자세를 유지할 수 있도록 해 준다. 이 깃털 컨셉은 이보다 단순한 “셔틀콕” 모양으로부터 발전된 것으로 우주선 둘레의 공기 흐름을 컴퓨터로 모델링해 개발된 디자인이다. 우주선의 실용성과 경제성을 확보하려면 자연스런 안정감이 중요했다.

“우리가 이 프로그램을 추진중인 건 경제성 때문이란 걸 기억하세요”라고 루탄이 설명한다. “X-15기와 달리 깃털형으로 진입하면 조종사가 손을 놓고 있어도 됩니다.
대기권 재진입시에만 날개를 활짝 펼쳤다가 통과 후에는 뒤로 젖힌 다음 저절로 제 궤도에 다다르게 할 계획입니다. 그렇게 되면 어떤 고도에서도 진입이 가능하고 심지어 측방향이나 거꾸로 진입할 수도 있게 될 것입니다.”

스페이스쉽원은 수평 진입시 엄청난 저항이 발생해 대기권에 닿자마다 감속되기 시작하기 때문에 기체 표면의 열이 비교적 낮은 600℃ 에 불과해 루탄은 스페이스쉽원을 가벼운 탄소섬유재로 제작하고 방열층을 표면에 발라 코팅할 수 있다. 이런 새로운 접근법에 대해 일각에서는 신중을 기해야 한다고 충고를 한다. 한 X-15 베테랑 조종사는 루탄을 두고 이렇게 말한다. “그는 기체를 자세만으로 안정시키려 하고 있습니다.

성공할 수도 있겠지만 기체의 자세를 아주 조금씩 변화시키며 실험해 봐야 합니다. 만약 조종할 필요가 거의 없다면 자동조정 방식을 채택해야 할 수도 있습니다.” 이를 감안해 루탄은 정교한 시뮬레이터를 이용해 가능한 안전한 비행 실험이 이루어질 수 있도록 단계적 실험 프로그램을 수립했다.

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