우주 개발과 패러다임의 역사_23.

전편: https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view?id=singlebungle1472&no=1102928

오늘은 두번째 사고이자, 우주왕복선을 아예 죽여버린 컬럼비아호의 최후를 알아보고자 한다. 하지만 그전에, (좀 지겹겠지만) 우주왕복선의 구조에 대해 다시 한번 이야기해보고자 한다.

우주왕복선은 크게 오비터 (날개달린 본체), 외부연료탱크, 부스터 (고체연료엔진) 3가지 요소로 구성되어있다.

우주왕복선은 외부연료탱크에서 연료를 공급받고 부스터의 추력지원을 받아 비행하다가, 부스터를 떼어낸 뒤 연료탱크에서 나머지 연료를 모두 사용한 뒤 연료탱크를 떼어내고 우주로 나아가 임무를 수행한 뒤 돌아온다.

우주왕복선의 연료탱크는 55만 리터의 액화산소와 148만 리터의 액화수소를 저장하며, 약 200만 리터의 연료를 안전하게 저장하도록 하기 위해 단열재 폼을 두르고 있으며 이 폼 특유의 색으로 인해 주황색을 띈다.

우주왕복선 오비터와 외부연료탱크는 스트럿 2개를 이용해 고정되며, 연료탱크의 스트럿 지지대 쪽에는 낮은 로켓연료의 온도 (액체산소 -183도, 액체수소 253도) 로 인해 얼음이 발생하는걸 막고 그 얼음이 스트럿에 부딫히는걸 방지하기 위해 이렇게 경사로의 폼이 추가로 붙여져 있었다.

양 스트럿의 경사로 폼 크기는 약 76 x 36 x 30cm 크기였으며, 기계로 조각되는게 아니라 엔지니어들이 직접 만들던 임시 구조물이었다.

발사때, 이 "경사로 폼"은 자주 떨어져나가곤 했다.

가장 이른시기 관측된 좌측 폼 탈락사건은 고작 STS-7, 즉 우주왕복선 프로그램의 7번째 발사 때였으며, 그 이후로도 꾸준히 사고를 일으키곤 하는 골칫덩어리였다. 우주왕복선의 33번째 발사였던 STS-32 임무에서 폼 탈락사건이 또다시 일어나자, 나사에서는 이러한 현상이 단열재 내부에 공깃방울이 열로 팽창, 폭발한 것으로 추측해 공기가 빠져나갈 구멍을 만들었지만, 여전히 사고는 계속해서 발사했다.

결국 나사에서는 "폼 탈락사건"은 "수용할만한 위험" 으로 간주되었고, 비행 안전 문제로 취급받아선 안된다고 STS-50에서 결론지었다.

윗 짤은 STS-27 임무에 찍혔고, 아틀라티스는 오늘날 라크로스 지상 영상레이더 정찰위성이라고 불리는 국방부 기밀 화물을 궤도에 옮기는 임무를 수행하고 있었다. 해당 임무의 특성상 여러가지 소문들이 많고 이야기할 거리도 많지만, 확실한 것은 해당 임무가 오늘 이야기할 컬럼비아호 폭파사건과 놀라울 정도로 비슷한 특성을 가지고 있었다는 점이다.

아틀라티스는 발사 85초 후, 엄청난, 치명적인 일격을 맞았다. 우주왕복선에 타고있던 사령관과 조종사, 그리고 임무 스페셜리스트들은 아무도 그 사실을 인지하지 못했지만 (발사중 유리에 정체불명의 흰색 물질이 관측된다는 보고는 있었다), 나사의 지상관제소 요원들은 외부연료탱크에서 무언가 떨어지더니 오비터와 충돌해 파편들을 흩뿌리는 장면을 두 눈으로 똑똑히 볼 수 있었다.

궤도에 우주왕복선이 올라간 다음날, 지상관제소에서는 아틀라티스 요원들에게 캐나다암을 이용, 아틀라스의 내열타일을 촬영하라고 지시했다. 그리고 그 지시에 따라 우주왕복선 하부를 촬영한 아틀라티스 요원들은 모두 경악할 수 밖에 없었다.

밑의 짤을 다시 보자. 700개가 넘는 내열 타일들이 완전히 손상되어 있었다.

"I will never forget, we hung the (robot) arm over the right wing, we panned it to the (damage) location and took a look and I said to myself, 'we are going to die,'" recalled legendary shuttle commander Robert "Hoot" Gibson. "There was so much damage. I looked at that stuff and I said, 'oh, holy smokes, this looks horrible, this looks awful.'"

"As I moved the arm lower the camera picked up streaks of white," he wrote in "Riding Rockets." "There was no mistaking what they were. ... As I continued to drop the arm lower we could see that at least one tile had been completely blasted from the fuselage. The white streaking grew thicker and faded aft beyond the view of the camera. It appeared that hundreds of tiles had been damaged and the scars extended outboard toward the carbon-composite panels on the leading edge of the wing. Had one of those been penetrated? If so, se were dead men floating."

처음 캐나다암을 우주왕복선 밑바닥에 갖다 대었을 때, 요원들은 분명 검어야 할 타일바닥에서 흰색 선들을 발견할 수 있었다. 캐나다암을 움직일수록 상황은 심각해져갔고 최소 타일 하나는 아예 터져있었던 것을 발견할 수 있었으며, 흰색 선들이 점점 더 두꺼워져간다는 사실을 알았을 때는....글쎄, 아틀란티스 요원들이 얼마나 공포에 떨었을지 짐작도 가지 않는다.

물론, 아까 전에도 말했지만, 당시 그들은 국방부 기밀 임무를 수행하고 있었고, 엄격한 전파 통제를 받고 있는 상황이었다. 전파 통제로 인해 아틀라티스 요원들은 촬영한 사진자료를 나사로 전송할 수 없었고, 지상관제소에서는 이들이 뭔가 착각을 하고 있으며, 당시 1988년의 기술력으로 인해 간신히 암호화시켜 전송한 사진은 "그냥 그림자" 때문에 그렇게 보인다고 간주해 계속해서 작전을 수행하라고 명령했다.

참고로, 진위여부는 불명이지만, STS-27 임무중 페이로드로 실고간 국방부 기밀화물에 문제가 생겨서 두명의 우주비행사들이 EVA, 즉 우주유영을 수행했다는 이야기가 있다. 임무 중 그들이 우주왕복선 밑을 봤다면, 그들이 얼마나 놀랬을지, 그리고 지상관제소에 얼마나 화가 났을지 짐작도 할 수 없다.

"We've looked at the images and mechanical says it's not a problem," the mission control CAPCOM said, according to Mullane. "The damage isn't that severe."

"We couldn't believe what we were hearing," Mullane wrote. "MCC was blowing us off."

Gibson then chimed in, saying "Houston, Mike is right. We're seeing a lot of damage."

But mission control repeated the engineering assessment that the damage was not that severe.

"I'm just perplexed at this point," Gibson said. "Because I'd never seen anything like this before. Never seen anything even close, and I'd been there since before day one. ... He came back and he said 'Hoot, they've looked at it and they've determined that it's not any worse than what we've seen on other flights.' And I am just perplexed. I think I was silent for maybe 30 seconds, because I didn't know what to say. And I came back and I said something to the effect that well, all right. It looks pretty bad to us, but you guys are the experts, so OK.

"And I honestly believed at that point, the rest of my crew said, 'Oh, OK, great, no problem.' I did not. I did not believe them. I didn't want to argue with them, I didn't want to have a long drawn-out argument over the air, but I suppose I was probably remiss to some degree because I didn't quiz them some more."

당연한 말이지만 그 명령에 아틀란티스 요원들은 격양했으나, 화내면 뭐 어쩔껀데...국방부 임무를 수행하는 중이라 항명할수도 없는 노릇이고, 애초에 항명을 하든 말든 모조리 죽을 신세였는데.

아틀란티스의 요원들은 어짜피 죽을거 관측창에 모여서 아름다운 지구 풍경을 감상하고, 긴장을 풀고 최선을 다해 안죽게 착륙해보도록 노력했다.

착륙동안, 아틀란티스 요원들은 더더욱 공포에 떨었지만, 다행스럽게도 아틀란티스는 무사히 착륙했다.

당연한 이야기지만 피해상황을 눈으로 직접 본 우주인들은 모조리 개빡쳤고, 우주센터와 엔지니어들은 상상을 초월하는 피해규모에 엄청 당황스러워했다. 점검중 700개 이상의 타일들이 손상을 받은 것이 확인되었으며, 이렇게 손상받은 내열타일들 사이사이로 재진입으로 인한 플라즈마들이 새어들어가 알류미늄 구조물들을 녹이고 착륙을 시도중인 우주인들의 전면유리로 녹은 알류미늄이 비처럼 쏟아지게 만들었으니.

그러나 임무는 성공적으로 완수되었고, 그 이후로도 수많은 사건사고들은 일어났으나 모두 사고로만 그쳤고 그 어떠한 인명사고도 내지 않았던 것이 오히려 화를 일으켰던 것이었다.

다시 컬럼비아호로 돌아가보자.

2003년 1월 16일 오후 3시 39분, 각종 실험을 위해 수많은 연구모듈을 우주왕복선 화물창에 집어넣은채 콜롬비아호가 거대한 화염을 뿜으며 우주로 날아가기 시작했다.

발사 81초, 연료탱크 좌측 경사로 폼 조각이 떨어져나와 686~922km/h의 상대속도로 콜롬비아호의 왼쪽 날개와 격돌했다. 그러나 이 사실은 지상 관제소와 콜롬비아호 모두 파악하지 못했고, 아무런 조치도 하지 않은채 콜롬비아는 42분 후 궤도에 도달했다.

한편 지상관제소의 사진팀은 발사 비디오를 지검토한 결과, 우주왕복선의 왼쪽 날개에서 작은 사고가 발생했다는 사실을 확인했다. 당시에는 각도로 인해 무엇이 우주선 날개를 타격했는지 확인하지 못했지만, 사고를 파악한 이상 지상 관제소에서는 컬럼비아호에 손상을 평가하기 위해 조사를 시작했고, 사고가 문제의 그 폼 때문이었다는 것을 파악했다.

피해 시뮬레이션 프로그램은 우주선이 심각한 피해를 입었을 것이라고 예측했지만, 프로그램이 이전부터 워낙 피해를 과대해석하는 경향이 있었기 때문에 지상관제소에서는 다른 모델을 이용해서 사고를 분석하기 시작했다. 이번 프로그램은 얼음으로 인한 손상 가능성 15개 중 하나를 해석했으며, 얼음의 밀도가 낮아 손상은 최소 수준일 것이라고 결론을 내렸다.

잔해 평가팀은 국방부 정찰위성을 이용해 컬럼비아호의 위성사진을 촬영해 피해상황을 관측하기 위해 국방부 유인 우주비행 지원센터와 존슨 우주센터의 엔지니어링 부서에 요청서를 전달했으나, 나사의 임무관리팀에서는 이것이 나사의 공식 채널이 아니라는 이유로 요청서를 철회시켰다. 그리고 평가팀 역시 요청이 기각된 이후로 다시 요청하지 않았다.

사실, 어떤 면에서 볼 때는 나사가 합리적이었다고 볼 수 있었다. 콜롬비아호가 최후를 맞이했던 STS-107 임무는 우주왕복선의 113번째 발사였고, 그동한 단 한번의 자그마한(?) 사고가 일어났긴 했지만 궤도까지 올라간 우주선이 사고를 낸 적은 단 한번도 없었다. 더구나 폼 때문에 인명사고가 난 적은 단 한번도 없었고.

나사에서는 폼은 어떠한 사고를 일으키지 않을 것이라고 공표했고, 컬럼비아호 우주인들에게도 영상을 요구해 15초짜리 성명서를 촬영, 안전문제는 없을 것이라고 확신했다.

그렇게 임무를 마친 컬럼비아는 2003년 2월 1일 오전 3시 30분 지구 대기권으로 재진입을 시행했다.

LA에서는 폭우가 계속되고 있었지만, 우주선이 LA를 통과하는 시간과, 고도를 고려하면 어떠한 문제도 일으키지 못할게 분명했다. 아니, 그랬어야했다.

오전 8시 53분, 컬럼비아호는 마하 23의 속도로 캘리포니아에 도달했다. 기상레이더에서는 수많은 일자형의 파편들을 감지했으며, 비행관제요원들은 콜롬비아호의 좌측 날개의 유압이 비정상적으로 낮아지고 있다는 사실을 보고했다. 지상에서는 착륙중인 우주왕복선의 뒤로 잔해들이 쏟아지고 있다고 보고하기 시작했고 하늘에서는 파편들이 유타, 애리조나, 뉴멕시코, 텍사스의 광범위한 지대로 쏟아지기 시작했다.

지구 대기를 통과하며 생성된 플라즈마는 떨어져나간 내열타일을 통과해 알류미늄 구조를 녹였고, 1540도의 고온이 우주왕복선 내부를 휘저었다. 좌측 날개의 항력이 증가해 우주왕복선은 요잉하기 시작했고, 에일러본은 뒤틀려갔고 좌측 날개의 센서들이 하나둘씩 오류를 보고하며 죽어가기 시작했다.

좌측 날개의 항력 증가에 대응하던 에일러본이 한계에 달하자 컬럼비아호는 왼쪽으로 요잉하기 시작했고, 오전 8시 59분, 지상과의 통신이 끊겼다.

우주선은 마하 15의 속도로 초당 30~40도로 좌측으로 회전했고, 우주인들은 우주선을 통제하기 위해 노력했다. 자동 조정장치를 수동으로 변경한다음 다시 자동으로 만들어보고, 유압시스템을 복원하려고 시도했지만, 그들이 할 수 있는 것은 아무것도 없었다.

9시, 모든 시스템 기록들이 정지되었고, 지상에서는 그전과는 비교도 하지 못할정도로 많은 파편들이 발생하는 것을 목격했다. 궤도선 전후가 분리되었고, 승무원실에 폭발적인 감압이 일어났으며, 1분 뒤에는 파편들이 너무 작아져서 카메라로는 관측하지도 못할 정도로 잘게 다져졌다.

9시 35분, 마지막 잔해가 낙하함으로서 컬럼비아호는 그 최후를 맞이했다.

지상 통제실에서는 계속해서 우주왕복선의 위치를 파악하기 위해 노력했고, 비행 관제사들은 우주왕복선의 착륙 절차를 계속해서 밟고 있었으나 9시 6분경 뉴스에서 우주왕복선이 폭발했다는 뉴스 보도를 접한 뒤, 모든 시도를 중단하고 비상 절차에 돌입했다.

38,500kg, 83,900개의 잔해 조각에 달하는 잔해 조각이 3개월간의 조사기간 동안 발견되었다. 대통령 명령에도 불구하고 콜롬비아호의 잔해를 거래하거나, 소유하려는 약탈자들이 있었지만, 대부분은 사법당국에 의해 진압당했다.

약 2년간 조사를 위해 우주왕복선의 발사가 연기되었다. 이로 인해 ISS 건설 역시 연기되었다. 문제의 그 폼들은 모두 제거되었으며, 대신 얼음을 막기 위한 전기 히터가 설치되었고, 궤도선의 카메라가 신형 디지털 카메라로 개조되었다. 다만 2년 후 처음으로 발사한 STS-114에선 또다시 연료탱크에서 91X28cm짜리 폼이 떨어져나가면서 이러한 개조에도 여전히 허점이 있다는 것을 보여주었다. 물론, 또다시 우주왕복선 프로그램이 연기된건 덤.

새로운 안전 절차들이 신설되었다. 우주왕복선의 발사 후 궤도에서 ISS와 자체 카메라를 이용해서 검사를 수행하고, 문제가 있으면 제거하는 시술을 실시했다. 또, 우주왕복선 발사때 구조용 우주왕복선 대기절차가 신설되었다.

반대로 말하면, 우주왕복선이 안그래도 효율이 별로 안좋은 우주선인데, 그놈의 안전 문제 때문에 우주왕복선 하나를 발사하기 위해 우주왕복선 2개를 준비해야한다는 이야기가 되겠다.

STS-135, 아틀란티스, 2011년 7월 8일 15시 29분 발사, 7월 21일 오전 9시 57분 착륙. 마지막 우주왕복선 발사.

당연한 말이지만, 이 사실은 안그래도 예산문제로 심기가 불편하던 백악관과 의회를 더더욱 불편하게 만들었고, 결국 2004년 1월 부시 대통령이 ISS 건설이 완료되면 우주왕복선을 2010년까지 퇴역시키겠다고 발표함으로서, 우주왕복선 프로그램은 파란만장한 일생을 마쳤다.

마지막으로 여담 하나만 말하고 마치자.

2002년 10월, 아틀란티스의 STS-112 발사때, 고체연료 부스터를 회수한 나사 회수팀은 굉장히 충격적인 장면을 발견했다. 이는 컬럼비아 참사 4주 전의 일이며, 컬럼비아 발사 직전 발사된 우주왕복선 임무였다.

회수된 고체연료 부스터가 심각하게 우그러진 것을 확인한 것이었고, 검사 결과 문제의 좌측 경사 폼 일부가 떨어져나가 고체 연료 부스터와 충돌한 것이었다.

당연한 말이지만 나사에서는 지금까지 스트럿 연결부의 폼 문제로 심각한 문제가 발생한 것은 100여번의 발사중 고작 3번에 불과하다는 결론을 내렸으며 이는 비행 안전 문제가 되지 않는다고 결론내렸다.