재사용 가능 발사 시스템

재사용 가능한 최초의 우주 발사 시스템인 우주왕복선 컬럼비아호는 1981년(STS-1) 첫 번째 발사에서 나왔다.

재사용 가능 발사 시스템은 부품 단계의 일부 또는 전부를 재사용할 수 있는 발사 시스템이다.현재까지 완전히 재사용 가능한 아궤도 시스템과 부분적으로 재사용 가능한 궤도 시스템이 비행되었다.

우주왕복선(1981년)은 우주왕복선(1981년)으로 발사 비용을 소모성 발사 시스템보다 낮게 줄이겠다는 목표 달성에 실패했다.

21세기 동안 여러 개의 발사대가 활동하면서 재사용 가능한 발사체 시스템에 대한 상업적 관심이 상당히 커졌다.스페이스X의 일론 머스크 CEO는 비행기처럼 로켓을 재사용하는 방법을 알아낼 수 있다면 우주 접근 비용이 100배 정도 절감될 것이라고 말했다.^[1]스페이스X의 팰컨 9 로켓에는 재사용 가능한 1단 로켓과 소모성 2단 캡슐이 있다.스페이스X는 2010년대 후반부터 재사용 가능한 2단계를 개발해 왔는데, 성공하면 2020년대 최초의 완전 재사용 가능한 궤도형 발사체가 탄생할 수 있을 것이다.버진 갤럭틱은 재사용 가능한 아궤도 우주비행기를 날렸고, 아궤도 블루 오리진 뉴 셰퍼드 로켓은 회수가 가능한 증강 단계와 승객 캡슐을 가지고 있다.

구성

재사용 가능 발사 시스템은 완전하거나 부분적으로 재사용할 수 있다.

완전히 재사용 가능한 발사 차량

2021년^[update] 8월 현재, 완전히 재사용 가능한 궤도 시스템은 아직 구축되고 가동되지 않았다.완전히 재사용 가능한 발사 차량은 이론적으로 다단계 궤도 시스템뿐만 아니라 단일 단계 대 비트(SSO) 차량일 수 있다.

2021년 7월 현재 완전 재사용 가능한 발사체 달성을 위해 3개 업체가 개발 중이다.각각 2단계-오르비트(Orbit) 체제를 정비하고 있다.스페이스X는 스페이스X 스타십과 함께 2016년부터 개발 중이며 이르면 2022년 시스템 일부 기능의 초기 시험비행을 목표로 하고 있다.상대성 공간은 2021년까지 테란 R의 개발을 시작하며 2024년까지 초기 궤도 발사 시험을 목표로 하고 있다.^[2]^[3]블루오리진은 프로젝트 자비스사와 함께 2021년 초까지 개발 작업을 시작했지만 시험 날짜는 알리지 않았고 계획 공개조차 하지 않았다.^[4]

스페이스X Falcon 9의 2단계에서 향상된 재사용 가능성의 테스트를 실행하려는 이전 계획은 2018년에 세워졌다.

부분적으로 재사용 가능한 출시 시스템

다단계에서 궤도 시스템까지의 형태로 부분적으로 재사용 가능한 발사 시스템은 지금까지 사용 중인 유일한 재사용 가능한 구성이었다.

리프토프 스테이지

기존의 재사용 가능 발사 시스템은 로켓 추진 수직 리프토프를 사용한다.^{[needs update]}

그 외에도 풍선에서^[5]^[relevant?] 우주 엘리베이터에 이르기까지 다양한 비로켓 리프토프 시스템이 시간이 지남에 따라 리프토프를 위한 재사용 가능한 시스템으로 제안되고 탐구되어 왔다.기존 예로는 날개 달린 수평 제트 엔진 동력 리프토프를 사용하는 시스템이 있다.그러한 항공기는 소모성 로켓을 공중으로 발사할 수 있으며, 이 때문에 항공기가 발사 차량의 첫 번째 단계로 생각될 경우 부분적으로 재사용할 수 있는 시스템으로 간주될 수 있다.이 구성의 예로는 오비탈 사이언스 페가수스가 있다.SpaceShipTwo는 우주 비행기의 모선인 Scaleed Composites White Knight Two를 이륙시키기 위해 사용한다.

궤도 삽입 단계

지금까지 발사체계는 다연장 로켓, 특히 2단계와 3단계 로켓으로 궤도 삽입을 달성했다.오직 우주왕복선만이 궤도 삽입단계를 부분적으로 재사용할 수 있었다. 궤도 삽입단계의 엔진을 사용함으로써 말이다.

재사용 가능 궤도선

발사 시스템은 재사용 가능한 궤도 비행기와 결합할 수 있다.우주왕복선 궤도선인 SpaceShipTwo와 저개발 인도 RLV-TD는 발사 시스템의 일부일 뿐 아니라 재사용 가능한 우주선(우주비행기)의 예다.

보다 동시대적으로 팰컨 9 발사 시스템은 드래곤 2와 X-37과 같은 재사용 가능한 차량을 운반하여 두 대의 재사용 가능한 차량을 동시에 운반해 왔다.

현대의 재사용 가능한 궤도 차량에는 X-37, 드림 체이서, 드래곤 2, 인도 RLV-TD, 곧 출시될 유럽 우주 라이더(IXV로의 프로세서)가 포함된다.

발사 차량과 마찬가지로, 우주 비행을 달성할 수 있는 인간의 능력 초기 수십 년 동안의 모든 순수 우주선은 1회용 품목으로 설계되었다.이것은 우주에 오랫동안 남겨두도록 의도된 인공위성과 우주탐사선뿐만 아니라, 사람이 운반하는 우주 캡슐이나 스타더스트(1999–2006)^[6]나 하야부사(2005–2010)와 같은 우주 물질 수집 임무의 샘플 반환 캐니스터와 같은 지구로 돌아가도록 설계된 물체에게도 모두 사실이었다.^[7]^[8]우주 차량에 대한 일반적인 규칙에는 미국 제미니 SC-2, 소련 우주선 보즈브라스카에미 에르바트(VA), 미국 우주왕복선 궤도 탐사선(1970년대 중반~2011년 135회 비행) 및 소련 부란(1980~1988년, 1988년 1회만 시험 비행)이 제외됐다.이 두 우주선 모두 우주에서 중형 우주선으로 운용될 뿐 아니라 발사 시스템(발사 가속도 제공)의 필수 부품이기도 했다.이것은 2010년대 중반에 바뀌기 시작했다.

2010년대에는 국제우주정거장을 재공급하는 공급사 중 한 곳의 우주운송 화물 캡슐이 재사용할 수 있도록 설계되었고,^[9] 2017년 이후 NASA가 이러한 NASA가 계약한 수송 경로에 스페이스X 드래곤 화물선의 재사용을 허용하기 시작했다.이것이 재사용 가능한 우주선의 설계와 운용의 시작이었다.

이후 보잉 스타라이너 캡슐도 낙하산으로 낙하 속도를 줄이고 착륙 직전 에어백을 배치해 차량을 회수해 재사용할 수 있도록 했다.

2020년을^[update] 기점으로 스페이스X는 우주선이 진정으로 재사용 가능한 장기 우주선이 될 수 있도록 대기를 통해 여러 개의 극초음속 재진입에서 살아남을 수 있는 우주선을 만들고 시험하고 있다. 우주선 운항은 아직 일어나지 않았다.

엔트리 시스템

히트 실드

미국(저궤도 비행시험 팽창 감속기 - LOFTID)^[10]과 중국이 개발한 팽창형 열방패와 함께 우주발사체(Space Launch System)^[12]와 같은 1회용 로켓은 값비싼 엔진을 구하기 위해 그러한 열방패와 함께 개조되어 발사 비용을 크게 줄일 수 있는 것으로 간주된다.^[11]

역추력

Falcon 9와 같은 발사 시스템은 착륙 역행 화상은 물론 재진입 및 심지어 부스트백 화상의 경우 착륙지점만을 목표로 하는 것이 아니라 집으로 돌아오는 재사용 가능한 단계를 위해 사용한다.

착륙 시스템

재사용 가능한 시스템은 구성을 공전하기 위해 단일 또는 복수(2 또는 3개) 단계로 제공될 수 있다.일부 또는 모든 단계에 대해 다음과 같은 착륙 시스템 유형을 사용할 수 있다.

종류들

제동

이것들은 바다에서의 스플래시다운이나 육지의 터치다운과 같이 낙하산과 강화 경착륙을 사용하는 착륙 시스템이다.

비록 그러한 시스템은 우주 비행사들 특히 승무원이 탄 우주 캡슐을 복구하기 위해 우주 비행사들이 시작된 이래로 사용되어 왔지만, 후에야 이 우주선들이 재사용되었다.

예:

우주왕복선 고체 로켓 부스터
우주왕복선 성장 연구 회복 가능한 액체 부스터

수평(날개)

플라이백 부스터뿐만 아니라 싱글 또는 메인 스테이지도 수평 착륙 시스템을 사용할 수 있다.

예는 다음과 같다.

우주왕복선 궤도 탐사선 - 메인 스테이지의 일부분
벤처스타 - NASA 프로젝트
우주왕복선의 연구된 플라이백 부스터
Energia II("Uragan") - 대안적인 Buran 발사 시스템 개념
OK-GLI - 또 다른 버란 우주선 버전
리퀴드 플라이백 부스터 - 독일식 개념
바이칼 - 전 러시아 프로젝트
재사용 가능 부스터 시스템 - 미국 연구 프로젝트
SpaceShipTwo 또는 VSS Unity - 버진 갤럭틱에 의해 만들어진 우주 관광의 우주 비행기
SpaceShipThree 또는 VSS Imagine - 버진 갤럭틱이 만든 또 다른 우주 관광 비행기
XS-1 - 또 다른 미국 연구 프로젝트
RLV-TD - 진행 중인 인도 프로젝트
리액션 스카이론 SSTO

변종( emb種)은 EMBTENTECTION이라는 회사가 PALCON 프로젝트로 주창하는 기내 견인 시스템이다.^[13]

활주로에 수평으로 착륙하는 차량은 날개와 언더캐리지가 필요하다.이들은 일반적으로 착륙 차량 질량의 약 9-12%를 소비하는데,^{[citation needed]} 이는 탑재량을 줄이거나 차량의 크기를 증가시킨다.리프팅 바디와 같은 개념은 우주왕복선의 델타 날개 모양과 마찬가지로 날개 질량을 다소 감소시킨다.^{[citation needed]}

수직(역회전)

맥도넬 더글러스 DC-X(Delta Clipper) 같은 시스템과 스페이스X의 시스템은 역행 시스템의 예다.팰컨 9와 팰컨 헤비랜드의 부스터는 9개의 엔진 중 하나를 사용한다.팰컨 9 로켓은 1단계를 수직으로 지상에 착륙시킨 최초의 궤도 로켓이다.우주선의 두 단계 모두 수직으로 착륙할 계획이다.

역방향 착륙은 통상 1단 추진체의 약 10%를 필요로 해 로켓 방정식으로 운반할 수 있는 탑재량을 줄인다.^[14]

항공력을 이용한 착륙

팽창 가능하고 재사용 가능한 1단계를 갖춘 발사체 개념도 있다.이 구조물의 모양은 과도한 내부 압력(경량 가스 사용)에 의해 지탱될 것이다.1단(추진체 미포함)의 벌크밀도가 공기의 벌크밀도보다 적은 것으로 가정한다.비행에서 돌아올 때, 그러한 1단계는 (지구 표면에 닿지 않고) 공중에 떠 있는 상태로 남아 있다.이것은 첫 번째 단계가 재사용을 위해 유지되도록 보장할 것이다.1단계의 크기를 늘리면 공기역학적 손실이 증가한다.이것은 약간의 페이로드 감소를 초래한다.이 페이로드의 감소는 1단계의 재사용에 의해 보상된다.^[15]

제약

엑스트라 웨이트

재사용 가능한 단계는 동등한 소모성 단계보다 더 무게가 나간다.이것은 스테이지 착륙에 필요한 보조 시스템, 착륙 기어 및/또는 잉여 추진제 때문에 피할 수 없다.실제 질량 패널티는 선택한 차량 및 반환 모드에 따라 달라진다.^[16]

리퍼브

발사기가 착륙한 후에는 다음 비행에 대비하기 위해 개조해야 할 수도 있다.이 과정은 길고도 비쌀 수 있다.스페이스X가 인간 임무를 위해 재사용된 팰컨 9 부스터를 날렸음에도 불구하고 발사기는 개조 후 인간 등급으로 재인증될 수 없을 수 있다.발사대가 퇴역하기 전에 몇 번 리퍼브할 수 있는가에 대해서는 결국 한계가 있지만, 우주선을 얼마나 자주 재사용할 수 있는가는 다양한 발사 시스템 설계에 큰 차이가 난다.

역사

20세기 전반기의 로켓 추진의 발달과 함께, 우주 여행은 기술적 가능성이 되었다.

재사용 가능한 1단계의 우주 비행기에 대한 초기 아이디어는 비현실적이었고 심지어 최초의 실용 로켓 차량(V-2)도 우주의 가장자리에 도달할 수 있었지만, 재사용 기술은 너무 무거웠다.게다가 많은 초기 로켓들이 무기를 전달하기 위해 개발되어 설계상 재사용이 불가능해졌다.수직발사 다단계 로켓에 여러 개의 소모성 단계를 사용함으로써 질량 효율의 문제를 극복했다.USAF와 NACA는 1958년부터 궤도 재사용 가능 우주비행기(예: Dyna-Soar)를 연구해 왔지만 1981년 미국 우주왕복선이 등장할 때까지 최초의 재사용 단계는 비행하지 않았다.

20세기

맥도넬 더글러스 DC-X는 수직 이착륙을 사용했다.

아마도 1948년부터 1956년까지 Wernher von Braun에 의해 개념화되고 연구된 최초의 재사용 가능한 발사체일 것이다.폰 브라운 페리 로켓은 1952년에 한번 그리고 1956년에 다시 한 번 두 번의 수정을 거쳤다.그들은 낙하산을 이용해 착륙했을 것이다.^[17]^[18]

제너럴 다이내믹스 넥서스는 1960년대에 새턴 V 로켓의 완전히 재사용 가능한 후속 기술로 제안되었고, 최대 450–910 t(99만–200만 lb)의 궤도로 운송할 수 있는 능력을 가지고 있다.^[19]^[20]Sea Dragon 및 Douglas SASTO도 참조하십시오.

BAC 머스타드는 1964년부터 연구되었다.그것은 세 대의 동일한 우주비행기를 함께 묶고 두 단계로 배열했을 것이다.상승하는 동안 첫 번째 단계를 형성한 두 개의 우주비행기가 분리되어 지구로 미끄러져 되돌아왔다.1967년 개발 자금 부족으로 설계의 마지막 연구 끝에 취소되었다.^[21]

NASA는 1968년에 승무원이 탑승한 플라이백 부스터를 사용하여 완전히 재사용 가능한 우주비행기를 만들겠다는 비전을 가지고 우주왕복선 설계 과정을 시작했다.이 개념은 비싸고 복잡하다는 것을 증명했고, 따라서 디자인은 재사용 가능한 고체 로켓 부스터와 소모성 외부 탱크로 축소되었다.^[22]^[23]우주왕복선 컬럼비아호는 27번 발사, 착륙, 28번 착륙 시도에서 승무원 전원과 함께 실종됐다. 챌린저호는 9번 발사, 10번 발사 시도에서 승무원 전원과 함께 실종됐다. 디스커버리호는 39번 발사, 아틀란티스호는 33번 발사했다.

1986년 로널드 레이건 대통령은 공기를 호흡하는 스크램젯 국가항공우주항공기(NASP)/X-30을 요구했다.이 프로젝트는 기술적인 문제로 실패했고 1993년에 취소되었다.^[24]

1980년대 후반에 완전히 재사용 가능한 버전의 에네르기아 로켓인 에네르기아 2호가 제안되었다.그것의 부스터와 코어는 활주로에 별도로 착륙할 수 있는 능력을 가지고 있었을 것이다.^[25]

1990년대에 맥도넬 더글러스 델타 클리퍼 VTOL SSTO 제안은 시험 단계로 진행되었다.DC-X 프로토타입은 빠른 처리 시간과 자동 컴퓨터 제어를 보여주었다.

1990년대 중반 영국의 연구는 초기 HOTOL 설계를 훨씬 더 유망한 스카이론 설계로 발전시켰고, 현재 개발 중에 있다.

1990년대 후반부터 2000년대까지 유럽우주국은 아리안 5호 고체 로켓 부스터의 회수를 연구했다.^[26]마지막 회복 시도는 2009년에 일어났다.^[27]

상업 벤처기업인 Rocketplane Kistler와 Rotary Rocket은 파산하기 전에 재사용 가능한 민간 개발 로켓을 만들려고 시도했다.^{[citation needed]}

NASA는 우주왕복선 기술을 대체하기 위한 재사용 가능한 개념을 제안했는데, 이 개념은 비용 상승과 기술적 문제로 인해 2000년대 초에 모두 취소된 X-33과 X-34 프로그램 하에서 시연될 것이다.

21세기

수평 착륙을 사용한 Scale Composite SpaceShipOne

Falcon 헤비 사이드 부스터가 2018년 시범 임무 중에 착륙함.

안사리X상 경연대회는 개인용 보조 재사용 차량을 개발하기 위한 것이었다.많은 민간기업들이 우승자인 Scaled Composites와 경쟁하여 재사용 가능한 SpaceShipOne으로 2주 동안 두 번 Karrman 라인에 도달했다.

스페이스X는 2012년 실험 차량으로 비행시험 프로그램을 시작했다.이는 이후 팰컨 9 재사용 로켓 발사기의 개발로 이어졌다.^[28]

2015년 11월 23일 뉴셰퍼드 로켓은 카르만 선(100km 또는 62mi)을 통과해 우주에 도달한 최초의 수직이착륙 수직착륙(VTVL) 아궤도 로켓이 돼 32만9839ft(10만535m)에 도달한 뒤 추진 착륙을 위해 귀환했다.^[29]^[30]

스페이스X는 2015년 12월 21일 11개의 오브콤 OG-2 상용 위성을 지구 저궤도로 인도한 후 재사용 가능한 궤도 로켓 무대의 첫 수직 연착륙을 달성했다.^[31]

팰컨 9 1단계의 첫 재사용은 2017년 3월 30일에 이루어졌다.^[32]스페이스X는 이제 페어링을 재사용할 뿐만 아니라 첫 단계를 반 루틴적으로 회복하고 재사용한다.^[33]

2019년 로켓랩은 낙하산과 공중회복을 염두에 두고 전자발사체 1단 회수 및 재사용 계획을 발표했다.^[34]2020년 11월 20일, 로켓랩은 궤도 발사로부터 전자 1단계를 성공적으로 반환했는데, 그 무대는 태평양에서 부드럽게 튀어 내려왔다.^[35]

중국은 롱 3월 8일 체제의 재사용 가능성을 연구하고 있다.^[36]

2020년^[update] 5월 현재 운용 가능한 재사용 가능한 궤도급 발사 시스템은 팰컨 9와 팰컨 헤비뿐이며, 그 중 후자는 팰컨 9를 기반으로 한다.스페이스X는 완전 재사용 가능한 우주선 발사 시스템도 개발 중이며 블루오리진도 1단계만 회수해 재사용할 예정이어서 뉴글렌 부분 재사용 궤도 로켓을 개발하고 있다.^[37]

2020년 10월 5일, 로스코스모스는 재사용 가능한 1단계를 가진 아무르 신형 발사기 개발 계약을 체결했다.^[38]

2020년 12월, ESA는 재사용 가능한 1단계 발사체 프로토타입인 ITESIS 개발을 시작하기로 계약을 맺었다.^[39]