머큐리-레드스톤 로켓

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 레드스톤 미사일과의 차이점
3. 비행
4. 대한민국
참조

1. 개요

머큐리-레드스톤 로켓은 미국 항공 우주국(NASA)의 프로젝트 머큐리에서 사용된 액체 연료 로켓으로, 준궤도 비행을 위해 미국 육군의 레드스톤 미사일을 개조하여 제작되었다. 이 로켓은 자동 비행 중단 감지 시스템을 갖추어 우주 비행사의 안전을 확보했으며, 800개 이상의 수정 과정을 거쳐 유인 우주 비행에 적합하도록 설계되었다. 총 6번 발사되었으며, 앨런 셰퍼드와 거스 그리섬이 탑승한 비행도 포함된다.

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머큐리-레드스톤 로켓
개요
1961년 1월 31일 침팬지 햄을 태우고 발사되는 머큐리-레드스톤 2호
기능	유인 탄도 비행용 발사체
제작사	크라이슬러
원산지	미국
제원
높이	25.41 m
지름	1.78 m
질량	30,000 kg
단수	1단
탑재체	머큐리 우주선
탑재 용량	탄도 궤도 시 1,800 kg
상태
상태	퇴역
발사장	플로리다주 케이프커내버럴 공군 기지 제5 발사장
발사 횟수	6
성공 횟수	5
실패 횟수	1
최초 발사일	1960년 11월 21일
마지막 발사일	1961년 7월 21일
1단 정보
종류	1단
엔진	로켓다인 A-7 엔진 1기
추력	350 kN
비추력	215초
연소 시간	143.5초
연료	액체 산소 / 에탄올

2. 역사

머큐리-레드스톤 로켓은 군사용 레드스톤 미사일을 민간 우주용으로 개조한 것이다. 미국 항공 우주국(NASA)은 준궤도 비행을 위해 미국 육군의 레드스톤 액체 연료 로켓 탄도 미사일을 선택했는데, 이는 레드스톤이 1953년부터 사용되어 온 미국 군수품 중 가장 오래된 로켓이었고 많은 시험 비행을 성공적으로 수행했기 때문이다.^[1] 1961년 5월 5일, 머큐리-레드스톤 로켓은 프리덤 7호 유인우주선을 발사하여 앨런 셰퍼드를 미국 최초의 우주비행사로 만들었다.^[2] 존 글렌은 머큐리-레드스톤 로켓이 아닌, 더 강력한 머큐리-아틀라스 로켓으로 발사되었다.

머큐리-레드스톤을 우주 비행사에게 적합한 발사체로 만들기 위한 가장 중요한 변화는 자동 비행 중단 감지 시스템의 추가였다. 이는 로켓이 치명적인 고장을 겪을 경우, 머큐리 캡슐에 부착된 발사 탈출 시스템을 활성화하여 부스터에서 빠르게 분리할 수 있게 해주는 시스템이었다. 머큐리 계획에서 레드스톤을 사용하는 과정에서 총 800개 정도의 수정이 이루어졌다.

2. 1. 레드스톤 미사일과의 차이점

머큐리-레드스톤 로켓은 군사용 레드스톤 미사일을 민간 우주용으로 개조한 것이다. 표준 군사용 레드스톤은 머큐리 우주선을 계획에서 필요로 하는 탄도 궤도로 운반하기에는 추력이 부족했다.^[33] 하지만 레드스톤을 개량하고 긴 탱크를 가진 주피터 C의 1단은 원하는 궤도에 도달하기에 충분한 연료를 탑재할 수 있었다. 따라서 이 주피터 C의 1단이 머큐리-레드스톤 설계의 출발점으로 사용되었다.^[34]

표준 레드스톤은 에탄올 (에틸 알코올) 75% 수용액 25% 혼합액을 연료로 사용했다. 이는 V2 로켓의 연료와 본질적으로 같은 것이었지만, 주피터 C의 1단은 비대칭 디메틸히드라진 (UDMH) 60%, 디에틸렌트리아민 (DETA) 40%로 구성된 하이딘(hydyne)을 사용했다.^[36] 이는 에틸 알코올보다 강력한 연료였지만, 독성 또한 강했고,^[37] 비상시에는 비행사를 위험에 빠뜨릴 가능성이 있었다.^[38] 게다가 하이딘은 신형 A-7 엔진에서는 사용된 적이 없었다.^[39] 이 때문에 설계자들은 하이딘을 버리고 표준 에틸 알코올을 채택했다. 연료의 약점을 보완하기 위해 탱크를 길게 하고 용량을 늘리는 것이 필요했다.^[40]

알코올을 채택하면서 새로운 문제가 발생했다. 레드스톤은 로켓의 노즐 바로 아래 흑연으로 된 추력 편향판이 있는데, 연소 시간이 현저히 길어져 손상될 가능성이 생겼다. 이에 NASA는 편향판의 품질을 높일 것을 요구했다.

또한 머큐리-레드스톤은 레드스톤 미사일보다 긴 연료 탱크를 가지고 있었기 때문에 내부에 압력을 가하기 위한 질소 탱크와 연소 시간이 길어진 것에 대비해 엔진을 윤활하기 위한 과산화 수소 탱크가 추가되었다.

기체를 우주 비행사가 탑승 가능한 것으로 변경할 때 가장 중요했던 것은 자동 비행 중지 감지 시스템을 추가하는 것이었다.^[41] 파국적인 사고로 이어질 수 있는 긴급 사태에 빠졌을 때, 중지 시스템이 우주선에 부착된 비상 탈출 로켓을 작동시켜 즉시 본체에서 분리하도록 되어 있었다. 이 시스템은 비행사와 지상 양쪽 모두 작동시킬 수 있었지만,^[42] 비행 중 대참사로 이어질 수 있는 잠재성을 가진 사태에 빠졌을 때는 수동으로 발동될 수도 있었다.^[43]

머큐리-레드스톤의 자동 비행 중지 감지 시스템은 비행 중 로켓의 상황을 감시함으로써 이 문제를 해결했다. 비행 제어, 엔진 추력, 전력 손실 등 비행사를 위협할 가능성이 있는 이상을 감지하면 엔진을 정지시키고 우주선의 탈출 시스템을 작동시켜 자동으로 비행을 중지하도록 되어 있었다.^[44] 또한 이상을 발생시킨 로켓이 발사대 위나 근처에 떨어지는 것을 막기 위해 발사 후 최소 30초 이내에는 엔진을 정지할 수 없었고, 이 사이에 비행을 중지시킬 수 있는 사람은 발사 안전 관리관뿐이었다.^[45] 1953년 이래 60회 이상 진행된 레드스톤과 주피터 C의 비행 데이터가 분석되어 이 계열 로켓에서 가장 발생 가능성이 높은 사고 패턴이 검토되었다. 간소화 요구에 따라 시스템은 가능한 한 단순하게 해야 했고, 로켓 조작에 필수적인 수치만 모니터링되었다. 자동 중지 시스템은 로켓이 다음 중 어느 하나에 해당하는 상황에 빠졌을 때 발동되었다.

조건
피치, 요 또는 롤 각도가 비행 절차 프로그램에서 크게 벗어난 경우^[46]
피치 또는 요 각도가 지나치게 급격하게 변한 경우^[46]
엔진 연소실 내부의 압력이 치명적인 수준보다 떨어진 경우^[47]
비행 제어 시스템의 전력이 손실된 경우^[48]
전체 전력 (발사 중지 감지 시스템 자체의 전력 포함) 이 손실된 경우.^[49]

1954년 5월 레드스톤 세 번째 시험 비행에서 발생한, 상승 중 추력 손실과 같은 특정 경우에는 즉시 파멸적인 상황에 빠질 가능성이 있었기 때문에 즉시 비행을 중지할 수 있는 능력이 중요했다. 반면 적절한 비행 코스 이탈이나 상승 중 엔진 연소실 내부 압력 감소 등 다른 경우에는 반드시 비행사의 안전에 즉시 위험이 발생하는 것은 아니었고, 조종사는 선내에 있는 레버를 당겨 비상 탈출 로켓에 점화하여 수동 탈출을 시도할 수 있었으며, 지상 관제관이 명령 신호를 보내 작동시킬 수도 있었다.

발사 안전 관리 시스템도 약간 변경되었고, 탈출 로켓이 우주선을 로켓 본체에서 분리하기에 충분한 시간을 주기 위해 엔진 정지와 본체 파괴 사이에 3초의 간격이 설정되었다.^[50]

주피터 C의 1단과 머큐리-레드스톤에서 시각적으로 가장 크게 다른 점은 우주선 바로 아래와 연료 탱크 상단 사이에 있는 구획이다. 이 부분은 "미부 구획 (Aft Section)"이라고 불리며, 명칭은 군사용 레드스톤에서 유래한다 (실제 로켓 후단은 "꼬리부 구획 (Tail Unit)"이라고 불렸다). 미부 구획에는 유도 시스템 및 머큐리 우주선과의 연결 장치 등 로켓의 대부분의 전자 장비와 장치가 수납되어 있었다.^[51] 군사용 레드스톤과 주피터 C의 1단에서는 연소를 마치면 엔진과 연료 탱크를 포함한 로켓 하부는 미부 구획에서 분리되어 투기되었고, 미부 구획은 관성 탄도 비행을 하는 동안 유도 시스템과 함께 상단 부분을 유도했다. 반면 머큐리-레드스톤에서는 미부 구획은 로켓 하부와 마지막까지 연결되어,^[52] 연소를 멈추면 우주선은 미부 구획에서 분리되어 자체 유도 시스템으로 비행했다.

신뢰성을 높이기 위해 다른 다양한 변경이 이루어졌다. 관성 항법 장치는 레드스톤에서는 ST-80이라는 장치를 표준 장착했지만, 머큐리-레드스톤에서는 더 간소한 LEV-3 자동 조종 장치로 대체되었다. LEV-3은 설계가 독일의 V2 로켓에서 유래했으며 ST-80만큼 고성능이고 정확하지는 않았지만, 머큐리 비행에서는 충분히 정확했고, 간소함 덕분에 더 신뢰성이 높았다.^[53] "미부 구획"에는 유도 시스템, 비행 중지 및 자폭 시스템, 원격 장치, 전원 등 가장 중요한 장치와 전자 장비를 수납하기 위한 특별한 기기 구획도 마련되었다. 장치에 고장이 발생할 위험을 줄이기 위해 이 구획은 발사 전에 냉각되었고, 비행 중에도 가압 상태를 유지했다.^[54]

신뢰성 향상을 위해 프리밸브(prevalve)라고 불리는 연료 밸브도 제거되었다. 만약 이것이 발사 시 닫혀버리면 비상 탈출 장치가 작동할 가능성이 있었기 때문이다.

가압된 기기 구획과 우주선 사이의 공간은 원래 로켓 회수용 낙하산을 수납하기 위한 것이었지만, 낙하산이 폐지된 후에도 이 부분은 공간으로 남겨졌다. 3회의 무인 비행에서 접합 부분에 큰 진동과 구조적 뒤틀림이 발생했다.

당초 설계자들은 머큐리 우주선을 분리한 후 낙하산으로 기체를 회수하는 것을 기획했다. 이는 재사용형 로켓 개발의 첫 번째 큰 시도였으며, 시험 단계에까지 도달한 것도 이것이 처음이었다. 이 시스템에서는 로켓 머리 부분에 장착된 2단계 낙하산이 사용된다. 첫 번째 단계에서는 지름 5.2m의 낙하산 하나가 펼쳐져 로켓의 자세를 안정시키고 강하 속도를 낮춘다. 그 후 이 낙하산이 지름이 각각 20m인 3개의 메인 낙하산을 펼치고, 기체는 대서양에 착수하여 회수선에 수용된다.

머큐리 계획에서 레드스톤을 사용하는 데 있어서 총 800개 정도의 수정이 이루어졌다.

3. 비행

머큐리-레드스톤 로켓은 총 6번 발사되었다. 각 비행에는 "MR-"이라는 약칭이 붙었으며, 로켓에도 같은 약칭이 사용되었지만, 숫자가 다른 경우도 있었다.

머큐리-레드스톤 부스터 및 비행 지정
비행 지정	로켓 지정	발사일	비고
MR-1	MR-1	1960년 11월 21일	빈 캡슐; 발사 중단; 전기적 결함으로 인해 로켓이 이륙 시 셧다운
MR-1A	MR-3	1960년 12월 19일	빈 캡슐
MR-2	MR-2	1961년 1월 31일
MR-BD	MR-5	1961년 3월 24일	빈 비기능 보일러플레이트 캡슐
MR-3	MR-7	1961년 5월 5일
MR-4	MR-8	1961년 7월 21일
(미발사)	MR-4
(미발사)	MR-6

앨런 셰퍼드와 거스 그리섬의 비행이 성공한 후, 1961년 늦여름까지 소련이 두 번의 유인 궤도 우주 비행을 수행하면서 레드스톤 임무는 더 이상 필요하지 않게 되었다.^[31]^[60]

4. 대한민국

2018년 11월 28일, 한국은 누리호 시험발사체를 최초로 발사하는 데 성공했다. 누리호 시험발사체는 무게 52톤으로, 30톤 무게의 머큐리-레드스톤 로켓보다 훨씬 크다. 이는 한국이 독자적인 유인 우주 발사 능력을 갖추고 있음을 시사한다.^[1]

미국은 세계 최초의 인공위성인 소련의 스푸트니크 1호 발사에 충격을 받고, 소련보다 먼저 유인 우주선을 발사하고자 머큐리 계획을 세웠다. 1961년 5월 5일, 머큐리-레드스톤 로켓으로 무게 1.83톤인 프리덤 7호 유인우주선을 발사하여 앨런 셰퍼드가 미국 최초의 우주비행사가 되었다.^[1]

참조

_[1] 서적 This New Ocean
_[2] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[3] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[4] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[5] 웹사이트 V-2 http://www.astronaut[...]
_[6] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[7] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[8] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[9] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[10] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[11] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[12] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[13] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[14] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[15] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[16] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[17] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[18] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[19] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[20] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[21] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[22] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[23] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[24] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[25] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[26] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[27] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[28] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[29] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[30] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[31] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[32] 서적 This New Ocean
_[33] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[34] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[35] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[36] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[37] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[38] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[39] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[40] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[41] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[42] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[43] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[44] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[45] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[46] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[47] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[48] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[49] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[50] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[51] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[52] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[53] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[54] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[55] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[56] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[57] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[58] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[59] 서적 The Mercury-Redstone Project
_[60] 서적 The Mercury-Redstone Project

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