달궤도 랑데부
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1. 개요
달 궤도 랑데부(LOR)는 달 착륙선의 효율적인 운용을 위해 제안된 방식으로, 아폴로 계획에서 채택되어 성공적인 달 착륙에 기여했다. 존 휴볼트는 랭글리 연구소에서 LOR 방식의 장점을 강력하게 주장하며 NASA 내부의 논쟁을 거쳐 채택을 이끌었다. LOR 방식은 우주선의 화물 중량을 감소시키고, 달 착륙선의 설계 유연성을 높이는 장점이 있는 반면, 랑데부 기술의 위험성이라는 단점도 존재했다. 아폴로 계획 성공 이후, 소련의 달 착륙 계획, 미국의 컨스텔레이션 계획, 아르테미스 계획 등 다른 우주 계획에서도 LOR 방식이 활용되었으며, 관련 내용이 대중문화 작품에도 묘사되었다.
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| 달궤도 랑데부 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 우주 랑데부 |
| 사용 목적 | 달 탐사 |
| 관련 우주선 | 사령선/기계선 달 착륙선 |
| 주요 특징 | 연료 효율성 단일 착륙선의 무게 감소 장비 분리 및 전문화 |
| 단점 | 복잡한 궤도 계산 랑데부 절차의 위험성 |
| 역사 | |
| 최초 제안 | 1916년, 유리 콘드라튜크 |
| 주요 옹호자 | 존 C. 후볼트 |
| 실현 | 아폴로 계획 |
| 작동 방식 | |
| 1단계 | 사령선/기계선과 달 착륙선이 함께 달 궤도 진입 |
| 2단계 | 달 착륙선이 분리되어 달 표면 착륙 |
| 3단계 | 달 착륙선이 달 궤도로 재진입 |
| 4단계 | 달 착륙선과 사령선/기계선이 랑데부 |
| 5단계 | 우주 비행사가 사령선/기계선으로 이동 |
| 6단계 | 달 착륙선 폐기 후 지구로 귀환 |
| 장점 상세 | |
| 연료 효율성 | 달 표면 이착륙에 필요한 연료 감소 |
| 단일 착륙선의 무게 감소 | 지구에서 달까지 운반해야 할 총 무게 감소 |
| 장비 분리 및 전문화 | 각 우주선이 특정 임무에 최적화 |
| 단점 상세 | |
| 복잡한 궤도 계산 | 정확한 랑데부를 위한 고도의 기술 필요 |
| 랑데부 절차의 위험성 | 랑데부 실패 시 임무 실패 가능성 |
| 참고 | |
| 관련 개념 | 지구 궤도 랑데부(EOR), 직접 돌파 |
2. 아폴로 계획에서의 달 궤도 랑데부 (LOR)
1961년 아폴로 계획이 시작되었을 때, 3명의 우주비행사를 태운 사령/기동선 모듈(CSM)이 달 표면에 착륙했다가 다시 이륙하여 지구로 돌아오는 방식이 유력하게 고려되었다. 이 방식은 약 45359.20kg가 넘는 매우 무거운 우주선을 달에 보내야 했기 때문에, 노바 로켓과 같이 매우 큰 로켓이 필요했다.
이에 대한 대안으로 지구궤도 랑데부 방식이 있었는데, 이는 새턴 급 로켓 여러 대를 발사하여 지구 궤도에서 랑데부한 후 달로 향하는 방식이었다. 그러나 이 방식도 별도의 발사 단계를 추가하거나 궤도상에서 연료를 재보급해야 하는 문제가 있었다.
이러한 상황에서 톰 돌란이 제시한 달 궤도 랑데부(LOR) 방식은 하나의 새턴 V 로켓으로 더 작은 달 착륙선(LEM)과 CSM을 함께 달에 보낼 수 있다는 장점을 가지고 있었다.[8] 달 궤도에 도달하면 3명의 우주비행사 중 1명은 CSM에 남고, 나머지 2명은 LEM을 타고 달 표면에 착륙한다. 이후 LEM의 상승 단계를 사용하여 달 궤도에 있는 CSM과 다시 합류한 후, LEM을 버리고 CSM을 이용하여 지구로 돌아오는 방식이었다.
LOR 방식은 달 착륙 전용으로 설계된 LEM을 사용할 수 있다는 또 다른 이점을 제공했다. LEM의 설계 덕분에 우주비행사들은 관측창을 통해 약 4.57m 상공에서 착륙 지점을 명확하게 볼 수 있었다. 이는 사령선 착륙 방식에서 40or 상공에서 텔레비전 화면을 통해서만 착륙 지점을 볼 수 있는 것과 대조적이었다.
또한, LEM은 CSM 시스템에 문제가 발생했을 때 우주비행사들의 생존을 위한 "구명정"으로 사용될 수 있는 예비 시스템(전력, 생명 유지 및 추진)을 제공했다. 실제로 1970년 아폴로 13호 임무에서 산소 탱크 문제로 서비스 모듈의 기능이 정지되었을 때 이 기능이 매우 중요하게 활용되었다.[3]
2. 1. LOR 방식의 제안과 논쟁
존 휴볼트 박사는 달 궤도 랑데부(LOR)의 장점을 강력하게 주장한 인물이다. 1959년부터 우주 랑데부의 다양한 기술적 측면을 연구해 왔으며, LOR 방식이 1960년대 안에 달에 인간을 보내는 가장 효율적이고 유일한 방법이라고 확신했다. 그는 NASA에 자신의 연구 결과를 여러 차례 보고했지만, NASA 내부에서는 LOR 방식의 위험성에 대한 우려가 있었다. 특히, 휴볼트가 제안을 발표한 내부 태스크 포스는 임의로 설정된 "기본 원칙"을 따르고 있었고, 이로 인해 LOR 방식이 공정하게 고려되지 않고 배제될 위기에 처했다.[9]
이러한 상황에 좌절한 휴볼트는 1961년 11월, 정식 절차를 건너뛰고 NASA 부국장 로버트 시먼스에게 직접 9페이지 분량의 개인 서신을 보냈다. 그는 편지에서 "달나라에 가고 싶은 건지 아닌지?"라고 "광기의 목소리와도 같이" 물으며, LOR 방식의 배제에 대해 강력하게 항의했다. 그는 "왜 노바는 엄청난 크기에도 불구하고 그냥 받아들여지는데, 달 궤도 랑데부를 포함하는 훨씬 작은 크기의 계획은 왜 고려 대상에서 배제되는가?"라고 질문하며, "예외적인 절차가 필요할 정도로 중요한 문제"라고 강조했다.
시먼스는 휴볼트의 편지에 2주 만에 답장하며, "자격을 갖춘 직원이 제한된 지침에 의해 부당하게 제한되면 우리 조직과 국가에 극히 해로울 것"이라는 점에 동의했다. 그는 NASA가 앞으로 LOR 방식에 더 많은 관심을 기울일 것이라고 휴볼트에게 확신시켰다.
이후 몇 달 동안 NASA는 LOR 방식에 대한 검토를 진행했고, 놀랍게도 LOR 방식은 빠르게 유력한 후보로 떠올랐다. 여기에는 몇 가지 요인이 작용했는데, 첫째는 약 15.24m 지름의 노바 로켓 개발에 필요한 막대한 시간과 비용에 대한 부담감, 그리고 약 10.06m 지름의 새턴 V 로켓과의 비교였다. 둘째는 지구 궤도 랑데부에서 요구되는 비교적 큰 우주선을 달에 연착륙시키는 방법에 대한 기술적인 우려가 커졌기 때문이다. NASA 기술자들은 "달에 이르기까지 눈을 뗄 수없는 사업은 만족스러운 답을 얻지 못했습니다. LOR의 가장 좋은 점은 착륙을 위한 별도의 차량을 만들 수 있다는 것입니다."라고 설명했다.
LOR 방식에 찬성으로 돌아선 첫 번째 주요 그룹은 로버트 길루스가 이끄는 우주 작업 그룹(Space Task Group)이었고, 두 번째는 베르너 폰 브라운 팀이 이끄는 마샬 우주 비행 센터 (Marshall Space Flight Center)였다. 이 두 강력한 그룹과 랭글리의 LOR 지지자들은 NASA 본부의 주요 관리들, 특히 제임스 E. 웨브를 설득하여 LOR 방식이 달 착륙을 위한 유일한 방법임을 확신시켰다. 결국 NASA는 1962년 7월 LOR 방식을 승인하고, 1962년 7월 11일 기자 회견에서 공식 발표했다.
2. 2. LOR 방식의 채택과 아폴로 계획의 성공
1961년 아폴로 계획 초기에는 3명의 우주비행사가 탑승하는 아폴로 사령·기계선을 달 표면에 착륙시킨 후 지구로 귀환시키는 직접 상승 방식이 유력하게 고려되었다. 그러나 이 방식은 약 45359.20kg가 넘는 매우 무거운 우주선을 필요로 했고, 이를 위해 노바 로켓과 같은 거대한 로켓이 필요했다. 또 다른 대안은 여러 대의 새턴급 로켓을 발사하여 지구 궤도에서 랑데부한 후 달로 가는 지구 궤도 랑데부 방식이었다.이러한 상황에서 톰 돌란은 달 궤도 랑데부(LOR) 방식을 제안했고, 짐 챔벌린과 오웬 메이너드는 이 방식이 실현 가능하다고 판단하여 연구를 진행했다. LOR 방식은 하나의 새턴 V 로켓으로 아폴로 사령·기계선과 아폴로 달 착륙선을 함께 발사하는 방식이었다. 우주선이 달 궤도에 도착하면, 우주비행사 2명은 달 착륙선을 타고 달 표면에 착륙하고, 나머지 1명은 사령·기계선에 남아 달 궤도를 돌며 대기한다. 이후 달 착륙선의 상승단을 이용해 달 궤도로 돌아와 사령·기계선과 도킹한 후 지구로 귀환한다.
존 C. 하우볼트는 LOR 방식의 장점을 적극적으로 주장하며 NASA 부행정관 로버트 시먼스에게 이 방식을 제안했다. 그는 LOR 방식이 달 착륙에 필요한 탑재량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 달 착륙만을 위해 설계된 달 착륙선을 사용할 수 있다는 장점을 강조했다. 특히 달 착륙선은 우주비행사가 약 4.57m 높이에서 착륙 지점을 직접 볼 수 있도록 설계되어, 40or 높이에서 텔레비전 화면을 통해야 하는 사령선 착륙 방식보다 유리했다.
또한 달 착륙선은 전력, 생명 유지, 추진 시스템 등에서 사령선과 중복되는 부분이 있어, 사령선에 문제가 발생했을 때 "구명정" 역할을 할 수 있다는 장점도 있었다. 실제로 1970년 아폴로 13호에서 산소 탱크 폭발 사고가 발생했을 때, 달 착륙선을 구명정으로 활용하여 승무원 전원이 무사히 귀환할 수 있었다.[3]
1962년 7월, NASA는 공식적으로 아폴로 계획의 달 착륙 방식으로 LOR을 채택한다고 발표했다. 이후 아폴로 계획은 LOR 방식을 기반으로 진행되었으며, 1969년 아폴로 11호의 달 착륙 성공으로 이어졌다.
3. LOR 방식의 장점과 단점
달 궤도 랑데부(LOR) 방식은 달 궤도에서 지구로 귀환하는 데 필요한 추진 연료를 달에 착륙하고 달 궤도로 귀환할 때 불필요한 하중으로 운반할 필요가 없기 때문에 우주선의 총 중량을 절약할 수 있다는 주요 이점을 가진다. 나중에 사용될 추진 연료를 불필요한 하중으로 탑재하면, 그 중량을 운반하기 위해 처음에 더 많은 연료가 필요하게 된다. 동시에 증가한 추진 연료를 저장할 탱크를 확대할 필요가 있으며, 결과적으로 발생하는 중량 증가는 착륙을 위한 추력을 크게 할 필요를 초래하고, 그것은 더 크고 무거운 엔진을 요구한다.[1]
1962년 당시 뉴올리언스에 있던 미슈 조립 공장은 직경 10m의 새턴 V 1단을 만들기에 충분했지만, 직경 15m인 노바 로켓 1단을 건조하기에는 부족했으며, 이는 미국의 제조 한계를 넘어섰다. 이러한 이유 등으로 노바 로켓 혹은 새턴 8 로켓은 1970년 착륙 목표에 맞춰 제조하는 것이 불가능할 것이라고 논의되었다.
3. 1. 장점
달 궤도 랑데부(LOR)의 가장 큰 장점은 달 궤도에서 지구로 귀환할 때 사용하는 추진체를 달 표면까지 왕복시킬 필요가 없어 우주선의 화물 중량을 감소시킬 수 있다는 점이다. 추진체의 무게 증가는 더 큰 탱크와 엔진을 필요로 하므로 승수효과가 발생한다. 따라서 달 착륙 시 더 많은 추력이 필요하며, 이는 더 크고 무거운 엔진을 의미하게 된다.[1]또 다른 장점은 달 착륙선만을 달 착륙 목적으로 설계할 수 있다는 점이다. 주 우주선은 달 착륙에 적합하도록 설계할 필요가 없다. 달 착륙선에 필요한 생명 유지 시스템은 주 우주선의 백업 역할을 할 수 있어, 주 우주선의 생명 유지 시스템을 사용할 수 없을 때 달 착륙선의 생명 유지 시스템을 활용할 수 있다.
달 착륙선의 설계에서는 우주 비행사들이 지표면으로부터 약 4.6m 위치에 있는 창문으로 착륙 장소를 뚜렷하게 볼 수 있었다. 직접 강하 방식에서는 사령선 안에서 지표면으로부터 최소 12m~15m 위치에서 텔레비전 스크린을 통해서만 착륙 장소를 볼 수 있었다.
달 착륙선을 2인승 차량으로 개발함으로써 중요 시스템에 중복성을 부여할 수 있었다. 이는 달 착륙선을 우주 비행사들을 생존시키고, 사령·기계선에 중대한 고장이 발생해도 안전하게 지구로 귀환할 수 있는 구명정으로 사용할 수 있게 하였다. 이 기능은 1970년 아폴로 13호 계획에서 산소 탱크 사고라는 중대한 사태가 발생했을 때 매우 중요한 기능으로 증명되었다.
3. 2. 단점
1962년 당시에는 지구 궤도에서도 우주 랑데부가 수행된 적이 없었기 때문에 달궤도 랑데부는 위험한 것으로 생각되었다. 만일 달 착륙선이 사령서비스 모듈(CSM)에 도달 할 수 없게 되면, 두 명의 우주 비행사는 대기로 재진입하여 지구로 귀환하는 것이 불가능하게 된다. 그런데 1965년과 1966년에 걸쳐 6회의 제미니 계획 미션에서 레이더와 기내 탑재 컴퓨터의 도움으로 랑데부가 성공적으로 시연되어 이러한 우려는 근거없는 것으로 판명되었다. 아폴로 계획에서도 8번의 달궤도 랑데부 시도가 성공적으로 수행되었다.[1]4. 다른 우주 계획에서의 LOR 활용
- 소련은 N1 로켓, LK 착륙선, 소유즈 7K-LOK을 이용한 달 착륙 계획에서 달 궤도 랑데부(LOR)와 유사한 임무 프로필을 사용하려 했다.[1]
- 취소된 컨스텔레이션 계획에서는 지구 궤도 랑데부와 달 궤도 랑데부를 조합하여 달 착륙을 시도할 계획이었다.[2]
- 아르테미스 계획은 달 근처의 근수직 할로 궤도(NRHO)에서 랑데부를 사용하여 인간을 달 남극 지역에 착륙시킬 계획이다.[3]
- 중국 달 탐사 계획은 달 궤도 랑데부를 사용하는 달 착륙 임무를 수행했다. 2019년에 예정된 창어 5호의 월석 표본 반환 계획에서는 로봇에 의한 달 랑데부가 사용될 예정이다.[4][5]
5. 대중 문화에서의 LOR
1998년 TV 미니시리즈 《지구에서 달까지》의 에피소드 5 "스파이더"는 존 후볼트가 NASA를 설득하여 달궤도 랑데부(LOR) 방식을 채택하도록 하는 과정을 그리고 있다. 이 에피소드는 1961년 아폴로 계획에서 LOR 방식을 채택하도록 NASA를 설득하려 했던 존 후볼트의 첫 시도를 극화했으며, 1969년 아폴로 9호의 첫 유인 시험 비행까지 달착륙선의 개발 과정을 추적한다. 이 편의 이름은 아폴로 9호의 달 착륙선 이름을 따서 지은 것이다.[1]
참조
[1]
Youtube
"Lunar Orbit Rendezvous" – 1968 – NASA Mission Planning and Analysis Division
vB7AA7B9hTI
[2]
웹사이트
Rendezvous around the Moon
http://news.bbc.co.u[...]
2009-05-18
[3]
간행물
Memorandum from Project Designation Committee
NASA
1966-06-09
[4]
웹사이트
The Rendezvous That Was Almost Missed: Lunar Orbit Rendezvous and the Apollo Program – NASA
https://www.nasa.gov[...]
2017-03-20
[5]
웹사이트
Near Rectilinear Halo Orbit Determination with Simulated DSN Observations
https://s3-us-west-2[...]
American Institute of Aeronautics and Astronautics
2020-01-05
[6]
웹사이트
China sets sights on crewed lunar landing before 2030
https://spacenews.co[...]
2023-10-28
[7]
Youtube
"Lunar Orbit Rendezvous" - 1968 - NASA Mission Planning and Analysis Division
vB7AA7B9hTI
[8]
간행물
Memorandum from Project Designation Committee
NASA
1966-06-09
[9]
웹인용
The Rendezvous That Was Almost Missed: Lunar Orbit Rendezvous and the Apollo Program - NASA
https://www.nasa.gov[...]
2017-03-20
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