새턴 V

3. 개발 과정

1945년 9월, 미국 정부는 페이퍼클립 작전^[8][9]을 통해 베르너 폰 브라운을 포함한 1,500명이 넘는 독일 로켓 엔지니어와 기술자들을 미국으로 데려왔다.^[10] 이 작전은 트루먼 대통령의 승인을 받았다.^[11] 폰 브라운은 독일의 V-2 로켓 개발에 참여했으며, 미국에서는 육군 로켓 설계 부서에 배치되었다.^[12]

1957년 소련이 R-7 대륙간탄도미사일(ICBM)에 스푸트니크 1호를 실어 발사하자, 미국은 소련보다 먼저 우주에 사람을 보내기 위해 폰 브라운 팀에 주목했다.^[14][15][16] 1958년 1월, 주노 1호 로켓은 미국 최초의 인공위성을 발사했다.^[18] 폰 브라운은 주피터 로켓 시리즈를 새턴 로켓 시리즈의 초기 모델로 여겼다.^[19]

NASA는 초기 달 탐사 임무를 위해 지구 궤도 랑데부, 직접 상승, 달 궤도 랑데부 세 가지 방식을 고려했다. 최종적으로 달 궤도 랑데부 방식이 채택되었고, 1962년 11월 7일 NASA 국장 제임스 E. 웹이 이를 공식 발표했다.^[34]

새턴 V는 베르너 폰 브라운 박사의 지휘 아래 마셜 우주비행센터에서 개발되었으며, 보잉, 노스롭 그러먼, 더글러스, IBM 등이 주 계약업체로 참여했다. 1963년 8월, 아서 루돌프가 새턴 V 로켓 프로그램의 프로젝트 책임자가 되었다. 그는 로켓 시스템 요구 사항과 아폴로 계획의 임무 계획을 개발했다. 1967년 11월 9일, 루돌프의 생일에 케네디 우주 센터에서 첫 번째 새턴 V 발사가 성공적으로 이루어졌다.^[35]

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로켓 각 단은 완성 후 케네디 우주 센터로 운반되었다. S-IC는 뉴올리언스에서 제작되어 미시시피강, 멕시코만, 플로리다 반도를 거쳐 대륙간 수로를 통해 수직 조립 건물(VAB)까지 운반되었다. S-II는 캘리포니아에서 제작되어 파나마 운하를 통해 운반되었다. 3단과 자동 제어 장치는 "프레그넌트 구피" 또는 "슈퍼 구피" 수송기로 공수되었다.

새턴 V는 무게 4,200톤의 이동식 발사대 위에 조립되었다. 높이 120m의 연결탑이 발사대 위에 세워졌으며, 이 모든 것은 크롤러 트랜스포터(CT)로 VAB에서 발사 지점까지 운반되었다. VAB에서 발사 지점까지 약 약 4.83km 거리를 5~8시간에 걸쳐 이동했다.

3. 1. C-1에서 C-5까지

3. 2. 아폴로 계획을 위한 선택

4. 기술적 특징

새턴 V는 역사상 가장 크고 강력한 로켓으로, 전고 110.6m, 직경 10m, 총중량 2,721톤에 달한다. 지구 저궤도에 118톤의 인공위성을 발사할 수 있는 능력을 가졌다. 이는 런던의 세인트 폴 대성당과 거의 같은 크기이다. 미국의 첫 유인우주비행 프리덤 7에 사용된 레드스톤 로켓은 제3단 S-IVB보다 겨우 3.4m 길 뿐이었고, 출력은 아폴로 사령선에 설치된 긴급 탈출용 로켓(Launch Escape System, LES)보다 작았다.^[12]

새턴 V는 주로 앨라배마주 헌츠빌의 마셜 우주비행센터에서 설계되었지만, F-1, J-2 등 추진 기관을 포함한 다수의 시스템은 하청 기업에 의해서 설계되었다. 이 엔진들은 지상 연소 시험에서 근린 가옥의 창문을 파괴할 만큼 강력했다. 기술자들은 새턴 I 로켓의 기술을 최대한 활용하려 했으며, 실제로 제3단 S-IVB는 새턴 I 로켓의 제2단 S-IV를 기초로 개발되었다. 자동제어장치도 새턴 I 로켓에서 사용되던 것을 유용했다.

새턴 V는 3단 로켓으로, 각 단은 S-IC, S-II, S-IVB로 구성되어 있으며, 자동 제어 장치가 포함되어 있다. 모든 단에서 액체 산소(LOX)를 산화제로 사용했다. 1단은 연료로 RP-1을 사용한 반면, 2단과 3단은 액체 수소(LH2)를 사용했다. 상단 단계에는 발사 중 단계를 분리하는 데 도움이 되고 액체 추진제가 펌프로 적절히 흡입될 수 있도록 하는 작은 고체 추진제 울러지 모터도 사용되었다.^[53]

새턴 V는 알루미늄으로 제작되었으며, 티타늄, 폴리우레탄, 코르크 및 석면도 사용되었다.^[50]

로켓의 각 단은 완성되면 케네디 우주센터로 각각 반입되었다. S-IC는 뉴올리언스에서 제작된 후 미시시피강을 따라 멕시코만을 돌아 플로리다반도를 우회하여 대륙간 수로를 통해 수직 조립 건물(Vehicle Assembly Building, VAB)까지 운반되었다. S-II는 캘리포니아주에서 제작되어 파나마 운하를 경유하여 운반되었다. 3단과 자동 제어 장치는 에어로스페이스라인사의 "프레그넌트 구피" 또는 "슈퍼 구피"라고 불리는 수송기로 공수되었다. VAB에 도착하면 각 단은 수직으로 세우기 전에 먼저 수평 상태로 점검되었다.

새턴 V는 무게 4,200톤의 이동식 발사대 위에 조립된다. 발사대 위에는 높이 120m의 연결탑이 세워져 있으며, 이 모든 것을 크롤러 트랜스포터(CT)라고 불리는 수송차로 VAB에서 반출한다. VAB에서 발사 지점까지 약 4.8km 거리를 5~8시간에 걸쳐 이동하고, 발사대를 설치한 후에는 CT만이 철수한다.

4. 1. 구성 요소

• S-IC

• S-II

• S-IVB

• 자동 제어 장치

4. 2. 안전 장치

5. 발사 및 비행 절차

새턴 V 로켓은 케네디 우주 센터 발사 시설 39에서 발사되었으며, 발사 후 관제 임무는 텍사스주 휴스턴에 있는 존슨 우주 센터로 이관되었다.^[67] 새턴 V는 아폴로 계획의 모든 달 비행에 사용되었다.

S-IVB는 두 번의 분사를 통해 달 비행을 수행했다. 첫 번째는 제2단 연소 종료 후 2분 30초 동안 이루어져 기체를 지구 주회 궤도에 올리고, 이후 6분간 분사하여 달로 향하는 궤도에 진입했다.^[32]

5. 1. 발사 절차 요약

6. 다른 로켓과의 비교

미국 항공우주국(NASA)은 6년 동안 총 13기의 새턴 V를 발사했으며, 그 기간 동안 탑재물 손실과 같은 큰 사고는 한 번도 발생하지 않았다. 새턴 V는 전고, 총중량, 탑재량(탑재물 중량) 등의 항목에서 역사상 최대의 로켓으로 기네스 세계 기록에 등재되었다.^[38]

새턴 V는 베르너 폰 브라운 박사의 지휘 아래 마셜 우주비행센터에서 개발되었으며, 보잉, 노스롭 그러먼, 더글러스, IBM 등이 주 계약업체로 참여했다. 각 3단의 로켓은 담당 기업에서 제작되었고, 최종 조립은 보잉이 맡았다.^[38]

기체가 파손되는 등 비행을 긴급 정지해야 할 상황이 발생하면, 자동 안전 장치가 작동하여 엔진을 정지시키고 자폭 장치를 통해 로켓을 폭파한다. 이를 통해 연료와 산화제가 공중에서 섞이는 것을 최소화하고 연료를 빠르게 분산시켜, 비행사들이 비상 탈출 로켓이나 기계선의 주 엔진을 이용해 탈출할 시간을 확보한다.^[38]

• 실제 로켓 추력은 공표된 수치와 오차가 있을 수 있다. 1단 S-IC는 3397.5ton(33.35MN)에서 3447.5ton(33.85MN)으로 향상되었지만, 실제 측정치는 3544ton(34.8MN)였다. 이는 로켓 추력을 비행 전에 직접 측정하기 어렵고, 실험 단계에서 여러 요소를 바탕으로 수학적 계산을 통해 구하기 때문이다.
• 추력은 고도에 따른 기압 변화에 따라 크게 변하며, 진공 추력과 해면 추력으로 구분되지만 혼동되는 경우가 있다. 아폴로 15호의 경우, 이륙 추력은 약 3544ton(34.8MN)이었지만, 발사 후 135초에는 4159ton(40.8MN)까지 증가했다.
• 추력은 연료와 산화제의 혼합비, 연소 시 연료 밀도 변화, 터보펌프·노즐·분사기 성능 등 여러 요소에 따라 변동하며, 평균 추력과 최대 추력으로 세분화되지만 혼동되는 경우가 있다.

6. 1. 소련의 N-1 로켓

6. 2. 미국의 다른 로켓과 비교

• 실제 로켓 추력은 공표된 수치와 차이가 있을 수 있다.
• 추력은 고도에 따라 변하는 대기압의 영향을 받으며, 진공 추력과 해면 추력으로 구분되지만 혼동되는 경우가 있다.
• 추력은 연료 혼합비, 밀도 변화, 터보 펌프 및 노즐 성능 등 다양한 요소에 의해 변동하며, 평균 추력과 최대 추력 또한 혼동될 수 있다.

7. 스카이랩

1968년 아폴로 계획의 남는 로켓과 우주선을 활용해 과학 탐사를 진행하는 아폴로 응용 계획이 시작되었다. 이 계획의 대부분은 우주 정거장 건설에 초점을 맞추었고, 이는 스카이랩으로 이어졌다. 스카이랩 발사에 사용된 새턴 V는 INT-21이라고도 불리는 2단 로켓으로, 아폴로 계획에서 유일하게 달로 향하지 않은 새턴 V였다.

초기에는 새턴 IB 로켓으로 S-IVB를 궤도에 올린 후, 우주에서 사용이 끝난 연료 탱크를 우주 거주 공간으로 개조하는 "습식 개조(wet workshop)" 방식이 고려되었다. 그러나 이 방식은 취소되고, S-IVB를 우주 정거장으로 개조한 스카이랩을 지상에서 미리 만들어 새턴 V로 궤도에 올리는 "건식 개조(dry workshop)" 방식으로 변경되었다. 실제로 새턴 IB 로켓에 사용될 예정이었던 2단 로켓이 스카이랩으로 개조되었으며, 예비용으로 제작된 새턴 V의 3단 로켓은 현재 스미스소니언 국립 항공우주 박물관에 전시되어 있다.

스카이랩에는 1973년 5월 25일부터 1974년 2월 8일까지 총 3개 조(9명)의 우주비행사들이 머물렀다. 스카이랩은 1979년 7월 11일 대기권에 재돌입했다.

스카이랩은 원래 우주 왕복선의 첫 비행 때까지 궤도에 머무를 것으로 예상되었다. 우주 왕복선의 엔진을 이용해 궤도를 높여 장기적인 우주 정거장으로 사용하는 방안도 고려되었지만, 우주 왕복선의 첫 비행이 1981년으로 늦어지면서 실현되지 못했다. 또한, 스카이랩은 사용 목적이 한정되어 있었고, 개조나 부품 보충을 통해 계속 사용할 수 있도록 설계되지 않았다.

8. 아폴로 계획 이후의 제안

아폴로 계획 이후, 새턴 V는 다양한 방식으로 활용될 예정이었으나 모두 실현되지 못했다. 주요 계획은 다음과 같다.

• 엔진 개량: 1단 엔진을 F-1A로 개량하여 성능을 향상시키는 방안이 가장 유력했다. 그 외에도 1단의 날개를 제거해 무게를 줄이거나, 더 강력한 F-1A 엔진을 사용해 1단(S-IC) 길이를 늘리거나, 상단에 개량형 J-2S 엔진을 사용하는 등의 계획도 있었다.^[12]
• 새턴 INT-20: S-IC 위에 S-II를 생략하고 S-IVB를 바로 탑재하는 방식이었다.^[12]
• 새턴 V-23(L): S-IC 양쪽에 F-1 엔진 4기를 갖춘 보조 로켓 2기를 붙여 총 13기의 F-1 엔진으로 발사하는 방식이었다.^[12]
• 새턴-셔틀: 우주왕복선과 함께 사용하는 계획이었다. 셔틀은 외부 연료 탱크 대신 S-IC를 개조한 로켓에 탑재될 예정이었다. S-IC는 2분간 연소 후 분리되어 케네디 우주 센터로 돌아와 정비 후 재사용될 예정이었다. 이후 셔틀은 자체 주 엔진으로 궤도에 진입하는 방식이었다.^[12]

9. 후계기

1950년대부터 1980년대에 걸쳐 새턴 V보다 거대한 로켓에 관한 제안은 일반적으로 노바라고 불렸다. 30종류 이상의 다양한 노바 로켓 계획이 제안되었다. 베르너 폰 브라운을 비롯한 여러 연구자들은 1단에 8기의 F-1 엔진을 장착하여 직접 강하 방식으로 달 표면에 착륙하는 로켓을 구상했다. 또한 새턴 V의 상단에 센타우르 등의 다른 로켓을 탑재하는 방안도 있었는데, 이를 통해 성능을 향상시켜 무인 외행성 탐사나 유인 화성 탐사도 가능할 것이라고 생각했다.

스페이스셔틀은 초기에는 새턴 V와 함께 사용하는 수송기로 계획되었다. '새턴-셔틀'이라고 불리는 이 계획에서는 셔틀이 외부 연료 탱크 대신 S-IC를 개조한 로켓에 탑재될 예정이었다. S-IC는 2분간 연소 후 분리되어 케네디 우주센터로 돌아와 SRB처럼 정비 및 재사용된다. 이후 셔틀은 자체 주 엔진으로 궤도에 도달한다. 새턴으로 부품을 운반해 우주정거장을 건설하고 셔틀을 보급선으로 사용하는 방안도 검토되었으나, 새턴 V의 후속 개발 계획이 없어 이 계획은 중단되었다. 미국의 우주 개발 지지자들은 이러한 결과에 슬퍼했지만, 이후 스카이랩과 미르 기술을 활용하여 미국과 러시아 우주선 모두 도킹 가능한 국제우주정거장 계획으로 이어졌다.

새턴 V는 무인 화성탐사 계획이나 원자력로켓 NERVA(널바) 발사 실험에도 사용될 계획이었지만, 모두 취소되었다. 취소된 새턴 V 개조 계획 중 가장 현실적인 것은 1단 엔진을 F-1A로 개량하는 것이었다. 그 외에도 1단의 날개를 제거하거나(중량 감소 효과), 더 강력한 F-1A 엔진을 사용하여 1단 S-IC의 길이를 늘리거나, 상단에 개량형 J-2S 엔진을 사용하는 계획 등이 있었다.

몇몇 변경안에는 S-IC 위에 S-II를 생략하고 S-IVB를 직접 장착하는 새턴 INT-20 계획이나, S-IC 양쪽에 F-1 엔진 4기를 장착한 보조 로켓 2기를 부착하여 총 13기의 F-1 엔진으로 발사하는 새턴 V-23(L) 계획 등이 있었다.

9. 1. 노바 로켓

9. 2. 아레스 V

9. 3. 우주발사시스템 (SLS)

10. 비용

1964년부터 1973년까지 새턴 V 개발 및 발사에 사용된 총 예산은 65억 달러였다. 1966년에는 12억 달러로 최고조에 달했는데, 이를 2007년의 화폐 가치로 환산하면 대략 320억달러에서 450억달러에 이른다. 1회 발사 비용은 24억달러에서 35억달러였다.(2007년 환산)^[63]

아폴로 계획이 중단된 가장 큰 이유는 막대한 비용이었다. 1966년 NASA는 총 45억 달러의 예산을 받았는데, 이는 당시 미국 GDP의 0.5%에 해당했다.^[63]

11. 새턴 V 비행 기록

새턴 V는 총 13번 발사되었으며, 이 중 12번은 아폴로 계획에, 1번은 스카이랩 계획에 사용되었다.^[111]

12. 전시

현재 3기의 새턴 V 로켓이 박물관에 전시되어 있다.^{[104][105][103]}

• 존슨 우주 센터에는 SA-514의 1단, SA-515의 2단, SA-513의 3단으로 구성된 새턴 V가 전시되어 있다. 1977년부터 1979년 사이에 단계별로 도착하여 2005년 보호 구조물이 건설되기 전까지 야외에 전시되었다. 이것은 발사될 목적으로 제작된 단계들로만 구성된 유일한 새턴 V 전시물이다.^[104]
• 케네디 우주 센터에는 시험용으로 제작된 1단과 SA-514의 2, 3단으로 구성된 새턴 V가 전시되어 있다.^[105] 수십 년 동안 야외에 전시되었고, 1996년에는 기후로부터 보호하기 위해 아폴로/새턴 V 센터에 보관되었다.^[106]
• 미국 우주 로켓 센터에는 두 곳에 전시되어 있는데, SA-500D는 S-IC-D, S-II-F/D 및 S-IVB-D로 구성된 수평 전시물이다. 이들은 모두 비행용이 아닌 시험용 단계였다. 이 로켓은 1969년부터 2007년까지 야외에 전시되었고, 복원되어 현재 데이비슨 우주탐사 센터에 전시되어 있다. 또한 1999년에 제작된 인접 지역에 위치한 수직 전시물(복제품)이 있다.^[103]

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