ISRO 유인 우주선
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1. 개요
ISRO 유인 우주선은 인도 우주 연구 기구(ISRO)가 개발 중인 유인 우주 비행 프로그램으로, 2006년 연구를 시작하여 여러 차례의 시험 비행을 거쳤다. 2018년 가가니안 계획이 공식 발표되었으며, 2024년에는 최초의 인도 우주 비행사 4명이 공개되었다. 2025년 무인 궤도 시험 비행, 2026년 유인 궤도 시험 비행이 예정되어 있으며, 승무원 모듈, 서비스 모듈, LVM3 발사체 등으로 구성된다. 국제 협력을 통해 우주 비행사 훈련, 장비 지원 등을 받고 있으며, 여성형 휴머노이드 로봇 비욤미트라를 개발하여 무인 임무에 투입할 예정이다.
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| ISRO 유인 우주선 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 제조사 | DRDO HAL ISRO |
| 국가 | 인도 |
| 운영 기관 | ISRO |
| 용도 | 유인 궤도 차량 |
| 우주선 정보 | |
| 종류 | 유인 우주선 |
| 설계 수명 | 7일 |
| 발사 질량 | 8,200 kg (서비스 모듈 포함) |
| 건조 질량 | 3,735 kg |
| 승무원 | 3명 |
| 부피 | 8 m³ |
| 전력 | 광전지 어레이 |
| 궤도 | 저궤도 |
| 직경 | 3.5 m |
| 높이 | 3.58 m |
| 상태 | 개발 중 |
| 임무 | |
| 첫 발사 (예정, 무인) | 2024년 12월 |
| 첫 발사 (예정, 유인) | 2024년 5월 20일 |
| 발사 (예상) | 2026년 |
| 명칭 | |
| 의미 | (하늘) (탈것, 운송 수단) |
2. 역사
인도의 유인 우주 비행 역사는 1984년 라케시 샤르마가 소련의 소유즈 T-11 우주선을 타고 살류트 7 우주정거장에 방문하면서 시작되었다. 이는 ISRO와 소련 우주 프로그램 간의 공동 인테르코스모스 임무의 일환이었다.[17] 샤르마는 우주정거장에서 약 8일간 머물며 지구 관측 및 과학 실험을 수행했다. 이 비행을 기념하여 인도와 소련은 기념 우표를 발행하기도 했다.[18]
자체적인 유인 우주선 개발 계획인 가가니안 프로젝트는 2006년 "궤도 비행체"(eng)라는 이름으로 초기 연구가 시작되었다.[19] 초기 목표는 2명의 승무원을 태우고 약 일주일간 임무를 수행하는 비교적 간단한 캡슐 개발이었다.[19] 2007년 프로젝트가 공식 시작되었으나,[19] 초기에는 예산 문제로 개발이 더디게 진행되었다.[20] 2009년 정부 승인을 받았지만[20][192] 자금 부족은 계속되었고, 2013년에는 계획이 잠시 우선순위에서 밀려나기도 했다.[24][195]
2014년 초 계획이 재검토되고 예산이 증액되면서 프로젝트는 다시 활기를 띠었다.[25][196] 이후 ISRO는 우주 캡슐 회수 실험(SRE), 승무원 모듈 대기권 재진입 실험(CARE), ISRO 패드 중단 시험(PAT) 등 유인 우주 비행에 필요한 핵심 기술들을 순차적으로 검증해 나갔다.[26][27][157][162]
2018년 8월 15일, 인도 총리 나렌드라 모디는 독립 기념일 연설에서 가가니안 계획을 공식 발표하며 국가적 지원을 천명했다.[31][53] 같은 해 12월, 인도 연방 내각은 3명의 우주 비행사를 태우고 7일간 임무를 수행하는 계획에 대해 1000억인도 루피 (당시 약 15억달러)의 추가 예산을 승인했다.[7][32]
현재 가가니안 계획은 LVM3(구 GSLV-III) 로켓을 이용하여 3명의 승무원을 태운 7ton급 우주선을 지구 저궤도(300km~400km)에 보내 5~7일간 임무를 수행한 뒤, 아라비아해에 착수하여 귀환하는 것을 목표로 한다. 총 개발 비용은 약 14억달러로 추산된다.
지금까지 자체 기술로 유인 우주선 발사에 성공한 국가는 러시아(소련 시절 포함), 미국, 중국 세 나라뿐이다.
- 1961년 4월 12일: 소련의 유리 가가린이 보스토크 1호를 타고 인류 최초의 유인 우주 비행 성공.
- 1961년 5월 5일: 미국의 앨런 셰퍼드가 머큐리-레드스톤 3호를 타고 미국 최초의 유인 우주 비행 성공.
- 2003년 10월 15일: 중국의 양리웨이가 선저우 5호를 타고 중국 최초의 유인 우주 비행 성공.
인도는 가가니안 계획을 통해 세계 네 번째 유인 우주 비행 성공 국가가 되는 것을 목표로 하고 있다. 2024년 2월 27일, 모디 총리는 가가니안 임무를 수행할 4명의 우주 비행사 후보(프라샨트 나이르, 앙가드 프라탑, 아지트 크리슈난, 슈반슈 슈클라)를 발표했다.[206][207] 여러 차례의 무인 시험 비행을 거쳐, 첫 유인 비행은 당초 2025년으로 예정되었으나[205], 승무원 안전 확보 및 기술적 과제 해결을 위해 2026년으로 연기되었다.[208] 2024년 9월, 인도 내각은 가가니안 계획의 범위를 확장하여 2028년까지 바라티야 안타릭샤 스테이션의 초기 모듈 발사를 포함하는 계획을 승인하고 추가 예산을 배정했다.[44][45][46]
2. 1. 개발 초기 (2006년 ~ 2014년)
2006년, 가가니안의 예비 연구와 기술 개발이 "궤도 비행체"(eng)라는 이름으로 시작되었다.[19] 초기 계획은 우주 비행사 2명을 태우고 약 1주일 동안 우주에 머무르며, 임무 완료 후 해상 착수 방식으로 귀환하는 비교적 간단한 우주선 캡슐을 설계하는 것이었다.[19] 이 프로젝트는 2007년에 공식적으로 시작되었으며,[19] 2024년 완성을 목표로 약 1000억인도 루피의 예산이 책정되었다.[19] 제11차 5개년 계획(2007~2012년) 기간 동안 유인 우주선 초기 작업 예산으로 5억인도 루피가 포함되었고, 이 중 인도 정부는 2007~2008년에 5000만인도 루피를 우선 지원했다.[42][43]본격적인 개발에 앞서 ISRO는 2007년 1월, 우주 캡슐 회수 실험(SRE-1)을 통해 555kg 크기의 축소된 실험용 우주 캡슐을 성공적으로 발사하고 회수했다.[26][27] SRE-1 캡슐은 635km 고도의 궤도에서 이탈하여 벵골 만에 안전하게 착수했으며,[26] 이 실험을 통해 재사용 가능한 열 보호 시스템, 통신 두절 구간 관리, 유도, 항법 및 제어(GNC), 초음속 비행 시의 공기역학적 특성, 제동 및 감속 시스템, 부양 장치, 회수 절차 등 대기권 재진입과 회수에 필요한 핵심 기술들을 검증했다.[28][29]
2008년 3월, 궤도 비행체의 기본 설계가 완료되었고, ISRO는 인도 정부에 본격적인 개발을 위한 자금 지원을 요청했다.[19] 2009년 2월, 인도 정부는 유인 우주 비행 프로그램에 대한 자금 지원을 승인했으나,[20] 초기 예산 부족으로 개발은 더디게 진행되었다.[20] 당초 2013년으로 계획되었던 첫 무인 시험 비행은 2016년으로 연기되었다.[21][22] 같은 해 봄, 우주 비행사 훈련을 위한 실물 크기의 승무원 캡슐 모형이 제작되어 사티시 다완 우주 센터에 전달되었다.[51][194]
그러나 자금 문제는 계속되어 2012년 4월에는 프로젝트의 미래가 불투명하다는 보도가 나왔고,[23] 급기야 2013년 8월에는 인도의 유인 우주 비행 계획이 "ISRO의 우선순위 목록에서 제외되었다"는 발표까지 나왔다.[24][195] 다행히 2014년 초, 계획은 재검토되었고 상당한 예산 증액이 이루어지면서 프로젝트는 다시 활기를 띠게 되었다.[25][196]
이러한 배경 속에서 2014년 2월 13일, 인도의 주요 항공우주 기업인 힌두스탄 항공(HAL)은 승무원 모듈 대기권 재진입 실험(CARE)을 위해 제작한 첫 번째 보일러플레이트 프로토타입 승무원 모듈 구조체를 ISRO에 인도했다.[10][154][197][198][199] ISRO의 비크람 사랍하이 우주 센터(VSSC)는 이 모듈에 생명 유지 장치, 항법, 유도 및 제어 시스템 등 실제 비행에 필요한 시스템들을 통합하는 작업을 진행했다.[155]
2014년 12월 18일, ISRO는 LVM3 로켓의 첫 시험 발사인 LVM3-X 미션을 통해 CARE 실험을 성공적으로 수행했다.[157][200][201] 실제 극저온 상단 대신 모의 상단을 장착한 로켓은 무인 승무원 모듈을 싣고 발사되어, 모듈을 고도 126km에서 분리시켰다. 분리된 모듈은 자체 추진 시스템과 대기 저항을 이용하여 고도 80km까지 통제된 감속을 수행했다.[157] 재진입 과정에서 모듈의 열 차폐막은 예상했던 대로 1600°C 이상의 고온을 견뎌냈으며, 고도 15km 상공에서 낙하산이 성공적으로 펼쳐져 모듈의 속도를 늦추었다. 최종적으로 모듈은 안다만 니코바르 제도 인근 벵골 만 해상에 안전하게 착수(eng)했다.[157][158] CARE 실험은 승무원 캡슐의 궤도 이탈 후 재진입 과정에서의 공기역학적 특성을 이해하고, 정점 덮개 분리, 낙하산 시스템 전개, 공기 제동 시스템, 열 차폐막 성능, 착수 및 부양 시스템, 그리고 최종 회수 절차까지 유인 우주 비행에 필수적인 다양한 기술들을 종합적으로 검증하는 중요한 성과를 거두었다.[156][159][160][202][203]
2. 2. 개발 재개 및 시험 (2014년 ~ 현재)
2014년 초, 자금 문제로 잠시 중단되었던 유인 우주 비행 계획은 재검토되었고, 상당한 예산 증액과 함께 다시 추진되기 시작했다.[25][196]'''승무원 모듈 대기권 재진입 실험 (CARE)'''
2014년 2월 13일, 힌두스탄 항공(HAL)은 승무원 모듈 대기권 재진입 실험(CARE)을 위해 제작한 첫 번째 보일러플레이트 승무원 모듈 구조 조립체를 ISRO에 인도했다.[10][154][197][198][199] ISRO의 비크람 사라바히 우주 센터(VSSC)는 이 모듈에 생명 유지, 항법, 유도 및 제어 시스템 등을 장착했다.[155] 이 실험의 주요 목표는 대기권 재진입 시의 공기역학적 특성을 이해하고, 정점 덮개 분리 및 낙하산 시스템의 효율성을 검증하는 것이었다.[156]
2014년 12월 18일, ISRO는 LVM3 로켓의 첫 준궤도 시험 비행인 LVM3-X 임무를 통해 무인 승무원 모듈의 시험 발사를 성공적으로 수행했다.[200][201] 승무원 모듈은 발사 후 고도 126km에서 로켓과 분리되었고, 자체 추진 시스템을 이용해 고도 80km까지 하강하며 속도를 제어했다. 이후 추진 시스템은 정지되었고, 대기 마찰을 통해 속도가 자연스럽게 감소했다. 재진입 과정에서 모듈의 열 차폐막은 예상대로 1600°C 이상의 고온을 견뎌냈다. 고도 15km 상공에서 낙하산이 성공적으로 펼쳐졌고, 모듈은 안다만 니코바르 제도 인근 벵골만 해상에 안전하게 착수(splashdown)했다.[157][158]
이 시험 비행을 통해 ISRO는 승무원 캡슐의 궤도 진입, 분리, 재진입 절차 및 관련 시스템(열 차폐막, 공력 제동, 낙하산 전개, 역추진 로켓 점화, 착수 및 부양 시스템, 해상 회수 절차 등)의 성능을 종합적으로 검증할 수 있었다.[159][160][202][203]
'''패드 중단 시험 (PAT)'''
2018년 7월 5일, ISRO는 발사 직전 비상 상황 발생 시 우주 비행사를 안전하게 탈출시키는 발사 탈출 시스템(LES)의 성능을 검증하기 위한 ISRO 패드 중단 시험(Pad Abort Test, PAT)을 성공적으로 수행했다.[162] 이 시험은 사티시 다완 우주 센터의 발사대에서 진행되었으며, 승무원 모듈을 탑재한 탈출 시스템이 발사되어 최대 10g의 가속도로[164] 고도 2.75km까지 상승한 후, 낙하산을 이용해 발사 지점에서 약 2.9km 떨어진 벵골만 해상에 안전하게 착수했다. 전체 시험 과정은 약 259초가 소요되었으며, 300여 개의 센서를 통해 데이터가 기록되었다.[165][166] 이 시험의 성공으로 가가니안 유인 우주선의 안전성이 한층 강화되었다.[163]
'''공식 발표 및 예산 확보'''
2017년부터 인도 유인 우주 프로그램에 대한 추진력이 다시 강화되었고,[30] 2018년 8월 15일, 인도 총리 나렌드라 모디는 독립 기념일 기념 연설에서 가가니안 계획을 공식적으로 발표했다.[31][53] 이어 2018년 12월 28일, 인도 연방 내각은 3명의 우주 비행사를 태우고 7일간 임무를 수행하는 가가니안 프로그램에 대해 추가로 1000억인도 루피 (당시 약 15억달러)의 예산을 승인했다.[7][32] 가가니안 계획은 확장된 범위를 지원하기 위해 1117억 루피의 추가 자금을 받았으며, 총 예산은 2019억 3천만 루피에 달한다.[45][46]
'''국제 협력 및 인프라 구축'''
유인 우주 비행을 위한 국제 협력도 활발히 진행되었다. 2019년 7월 1일, ISRO의 유인 우주 비행 센터(HSFC)는 러시아 국영 기업 로스코스모스의 자회사인 글라브코스모스와 인도 우주 비행사의 선발, 건강 검진, 훈련 등에 관한 계약을 체결했다.[56] 이를 위해 모스크바에 ISRO 기술 연락 사무소(ITLU) 설립이 승인되었다.[57][58]
2021년에는 호주 우주국과의 협의를 통해 코코스 (킬링) 제도에 가가니안 임무 지원을 위한 임시 지상 기지를 마련했으며, 향후 영구 기지 건설도 계획하고 있다.[35] 같은 해 4월 15일, ISRO는 프랑스 국립 우주 연구 센터(CNES)와 우주 장비, 소모품, 우주 의학 분야 협력을 위한 협정을 체결했다. CNES는 비행 의사 및 통신 담당자(CAPCOM) 훈련, 과학 실험 계획 지원, 프랑스 의료 장비 및 기술 접근 등을 제공하기로 했다.[60] 또한, ISRO는 우주 의학 경험 확보를 위해 2021년 인도 공군 소속 비행 외과 의사 2명을 러시아와 프랑스에 파견하여 훈련을 받도록 했다.[59][55]
2024년 12월, ISRO는 유럽 우주국(ESA)과 가가니안 임무의 지상 기지 지원에 관한 기술 이행 계획(TIP)을 체결하여, 임무 중 데이터 통신 및 궤도 운영 모니터링을 위한 협력 체계를 구축했다.[62] 같은 해 11월 20일에는 호주 우주국(ASA)과 승무원 및 모듈 구조 협력에 관한 이행 약정을 체결했다. 호주는 자국 해역 인근에서의 비상 착륙 시 수색 및 구조 활동을 지원하고, 응용 우주 의학 및 생명 과학 분야의 지식을 공유할 예정이다.[177][180][181]
국내에서는 방갈로르에 우주 비행사 훈련 시설을 갖춘 유인 우주 비행 센터(HSFC)가 설립되어 관련 업무를 총괄하고 있으며,[47] 사티시 다완 우주 센터의 기존 발사 시설도 유인 발사에 맞게 개량되고 있다.[48][49] 2024년 2월, IIT 칸푸르는 가가니안의 대기권 재진입 연구를 지원할 초고속 팽창 터널 테스트 시설(S2)을 구축하고 평가를 완료했다.[61]
'''주요 기술 시험'''
2022년 11월 18일, 비크람 사라바히 우주 센터(VSSC)는 국방 연구 개발 기구(DRDO)와 공동 개발한 낙하산 감속 시스템(PDS)의 성능을 검증하기 위해 통합 주 낙하산 공중 투하 시험(IMAT)을 수행했다. 인도 공군의 일리우신 Il-76 수송기를 이용해 실제 승무원 모듈과 동일한 무게(5ton)의 더미를 2.5km 상공에서 투하했으며, 파일럿 낙하산과 주 낙하산이 순차적으로 전개되어 더미를 안전한 속도로 감속시키는 데 성공했다.[89][90]
2023년 10월 21일, 시험 비행 중단 임무-1(TV-D1)이 성공적으로 수행되었다. 이는 고고도에서 비상 상황 발생 시 승무원 탈출 시스템(CES)이 제대로 작동하는지를 검증하는 시험이었다.[170][171] 첫 발사 시도는 예정 시간 5초 전에 중단되었으나, 두 번째 시도에서 성공적으로 발사되었다.[172] 시험 중 승무원 모듈은 로켓에서 분리되어 안전한 궤적을 따라 이동한 후 낙하산을 펼쳐 벵골만에 착수했다.[173] 다만, 회수 과정에서 모듈이 뒤집히는 문제가 발생하여, 향후 시험(TV-D2)에서는 이를 방지하기 위한 '정립 시스템'을 추가로 시험할 예정이다.[174]
'''우주 비행사 선발 및 훈련'''
2024년 2월 27일, 나렌드라 모디 총리는 가가니안 임무를 수행할 첫 인도 우주 비행사 4명의 명단을 공식 발표했다. 이들은 모두 인도 공군의 베테랑 테스트 파일럿 출신으로, 프라샨트 나이르 대령, 아지트 크리슈난 대령, 앙가드 프라탑 대령, 슈반슈 슈클라 소령이다.[118][119] 이들 중 슈반슈 슈클라와 프라샨트 나이르는 액시엄 미션 4의 주 승무원과 예비 승무원으로 각각 선정되어 국제 우주 정거장(ISS) 임무를 위한 훈련을 NASA 시설에서 받게 될 예정이다.[116][117]
'''회수 작전 준비'''
가가니안 모듈은 임무 완료 후 아라비아 해에 착수할 예정이며, 인도 해군 등 관련 기관들이 승무원과 모듈의 안전한 회수를 담당하게 된다. ISRO는 만일의 사태에 대비하여 국제 해역에 48개의 대체 착륙 지점도 선정해 두었다.[175][176] 2024년 12월 6일, ISRO와 인도 해군 동부 해군 사령부는 실제 크기와 무게의 승무원 모듈 모형을 이용하여 해상 회수 절차를 검증하는 웰 데크(Well Deck) 시험을 성공적으로 완료했다.[182][183] 이 시험을 통해 예인, 웰 데크 진입, 고정, 배수 등 전체 회수 작전 시퀀스가 검증되었으며, ISRO는 지속적인 시험을 통해 표준 운영 절차(SOP)를 개선해 나가고 있다.[184][185]
'''향후 계획 및 일정'''
가가니안 프로그램은 여러 차례의 시험 비행을 거쳐 최종 유인 비행을 목표로 하고 있다. 2024년 11월 보도에 따르면, 첫 유인 비행은 승무원 안전 확보 및 기술적 과제 해결을 위해 2026년으로 연기되었다.[208]
| 비행 | 날짜 | 발사대 | 탑재체 | 발사체 | 발사 이미지 | 기능 | 결과 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 구분 | ||||||||||
| 발사체 | ||||||||||
| CARE | 2014년 12월 18일 | SLP | CARE 모듈 | 준궤도 | LVM3-X | LVM3 로켓의 첫 준궤도 시험 비행 및 가가니안 축소 모듈의 대기권 재진입 시험. | 성공 | |||
| ISRO PAT | 2018년 7월 5일 | 사티시 다완 우주 센터 테스트 패드 | SCM | 공중 | LES | 발사대에서의 비상 탈출 시스템(LES) 성능 시험. | 성공 | |||
| 시험 비행 | ||||||||||
| TV-D1[142] | 2023년 10월 21일 | FLP | SCM | 공중 | L40 단일 스테이지 | 고고도 비상 탈출 시나리오 시험.[143] | 성공 | |||
| TV-D2[144] | 2024년 예정 | FLP | SCM | 공중 | L40 단일 스테이지 | 추가 비행 매개변수 테스트 및 정립 시스템 시험.[143][174] | 예정 | |||
| TV-A1[144] | 미정 | FLP | 미정 | 공중 | L40 단일 스테이지 | 비행 중단 시나리오 시험. | 미정 | |||
| TV-A2[144] | 미정 | FLP | 미정 | 공중 | L40 단일 스테이지 | 비행 중단 시나리오 시험. | 미정 | |||
| 궤도 시험 비행 (무인) | ||||||||||
| G1[145] | 2025년 3월 1일 예정[146] | SLP | G1 캡슐 (비욤미트라 탑재) | LEO | HLVM3 | 첫 번째 무인 궤도 시험 비행. 휴머노이드 로봇 비욤미트라 탑재.[144][147] | 예정 | |||
| G2[145] | 2025년 1분기 예정[147] | SLP | G2 캡슐 | LEO | HLVM3 | 두 번째 무인 궤도 시험 비행.[144] | 예정 | |||
| G3[145] | 2025년 중반 예정[147] | SLP | G3 캡슐 | LEO | HLVM3 | 세 번째 무인 궤도 시험 비행.[152] | 예정 | |||
| 유인 비행 | ||||||||||
| H1[145] | 2026년 예정[148][208] | SLP | H1 캡슐 | LEO | HLVM3 | rowspan="3" | | 첫 번째 유인 비행. 인도 우주 비행사 1~3명 탑승, 단기 궤도 시험 비행.[149][144] | 예정 | ||
| 승무원 | 미정 | 미정 | 미정 | |||||||
| H2[145] | 미정 | SLP | H2 캡슐 | LEO | HLVM3 | rowspan="3" | | 두 번째 유인 비행. 인도 우주 비행사 1~3명 탑승, 단기 궤도 시험 비행.[150][151][152] | 미정 | ||
| 승무원 | 미정 | 미정 | 미정 | |||||||
가가니안 우주선은 크게 승무원을 태우는 승무원 모듈(Crew Moduleeng), 우주선의 추진과 기동을 담당하는 서비스 모듈(Service Moduleeng), 그리고 이들을 지구 저궤도로 운반하는 발사체로 구성된다.
3. 구성
승무원 모듈은 3명의 승무원을 궤도로 수송하고 최대 7일간의 임무 수행 후 지구로 안전하게 귀환하도록 설계된 완전 자율형 5.3ton 우주선이다.[1] 내부에는 생명 유지 및 환경 제어 시스템이 갖춰져 있으며, 비상시 승무원을 구출하기 위한 탈출 시스템(CES)과[64] 안전한 착수를 위한 이중 낙하산 시스템이 탑재된다.[63]
서비스 모듈은 2.9ton 무게의 추진 시스템으로,[1] 액체 추진 엔진을 사용하여 궤도 진입, 궤도 유지 및 변경, 대기 재진입 전 감속 등 우주선의 주요 기동을 담당한다.[83] 액체 원지점 모터(LAM)에서 파생된 5개의 440N 추력 주 엔진과 16개의 100 N 반작용 제어 시스템(RCS) 추진기로 구성된다. 승무원 모듈과 서비스 모듈이 결합된 상태를 궤도 모듈(Orbital Moduleeng)이라 부르며, 총 무게는 8.2ton이다.[1]
우주선 발사에는 ISRO의 LVM3 로켓을 유인 비행에 맞게 개량한 HLVM3(Human-rated LVM3eng)가 사용될 예정이다.[96] HLVM3는 승무원의 안전과 편의를 고려하여 비행 중 최대 가속도를 4G로 제한하고,[97] 항공 전자 장치, 엔진, 구조 등 여러 부분에서 안전성과 신뢰성을 높이기 위한 개선이 이루어졌다.[99][100] ISRO는 또한 발사체에 사용될 친환경 추진제 개발도 진행하고 있다.[101]
3. 1. 승무원 모듈
가가니안 승무원 모듈은 3명의 승무원을 궤도로 수송하고, 최대 7일간의 임무를 수행한 후 지구로 안전하게 귀환하도록 설계된 완전 자율형 5.3ton 우주선이다.[1] 이 모듈은 인도 유인 우주 프로그램의 핵심 요소이다.
승무원 모듈은 생명 유지 및 환경 제어 시스템(ECLSS)을 갖추고 있다.[64] 초기에는 러시아 글라브코스모스 및 에네르기아와의 협력을 통해 생명 유지 시스템 및 열 제어 시스템을 확보하려 했으나,[66] 이후 ISRO는 자체적으로 ECLSS를 개발하기로 결정했다. 이는 관련 기술을 공유하려는 해외 파트너를 찾기 어려웠기 때문이며, 국내 연구소와 산업계가 기술 개발을 주도하게 되었다.[69]
모듈에는 비상 상황 발생 시 임무를 중단하고 승무원을 안전하게 탈출시키는 시스템(CES)이 장착되어 있다. 이 시스템은 로켓 발사의 초기 단계(1단 또는 2단 연소 중)에서 문제가 발생할 경우 작동한다.[64] 또한 국방 연구 개발 기구(DRDO)에서 개발한 비상 해수 정화 키트가 탑재되어, 착수 후 비상 상황에서 승무원에게 식수를 제공할 수 있다.[71]
승무원 모듈의 구조적 요소 중 하나인 궤도 모듈 어댑터 어셈블리(OMA)는 탄소 섬유 강화 폴리머로 제작된 지름 4m의 원추형 구조물이다. 첫 번째 OMA는 2023년 12월 Kineco Kaman Composites에서 제작하여 납품했다.[70]
내부에는 러시아 NPP 즈베즈다에서 제작하는 맞춤형 코치 라이너와 개별 좌석이 설치될 예정이다. 이는 2020년 3월 유인 우주 비행 센터와 글라브코스모스 간의 계약에 따른 것이다.[67]
안전한 귀환을 위해 이중화된 낙하산 시스템(PDS)을 갖추고 있으며, 하나의 낙하산만으로도 안전하게 착수할 수 있다. 낙하산은 착수 시 모듈의 속도를 216 m/s 이상에서 11 m/s 미만으로 감속시킨다.[63] 이 낙하산 시스템은 ISRO의 비크람 사라바히 우주 센터(VSSC)와 DRDO가 공동 개발했다.[91] 2022년 11월에는 5ton 무게의 모형을 이용한 통합 주 낙하산 공중 투하 시험(IMAT)이 성공적으로 수행되었으며,[89][90] 2023년 8월에는 재진입 시 모듈 안정화 및 감속에 필수적인 드로그 낙하산 전개 시험이 성공적으로 완료되었다.
향후 국제 우주 정거장(ISS) 및 인도의 바라티야 안타릭샤 스테이션 방문을 위해, ISRO는 승무원 모듈에 국제 도킹 시스템 표준(IDSS) 호환성을 통합할 계획이다.[72] 이를 위해 '바르티야 도킹 시스템'이라는 이름의 자체 도킹 어댑터가 개발 중이다.[73]
2022년 12월 기준으로 승무원 모듈은 생산 단계에 진입한 것으로 보고되었다.[68]
3. 2. 서비스 모듈
가가니안 우주선의 서비스 모듈은 2.9ton의 무게를 가지며,[1] 액체 추진 엔진으로 구동된다. 크루 모듈과 결합하여 총 8.2ton의 궤도 모듈을 구성한다.[1] 서비스 모듈은 액체 추진 시스템 센터(LPSC)에서 설계 및 개발했다.[78]
서비스 모듈 추진 시스템(SMPS)은 궤도 모듈의 궤도 상승 단계에서 궤도 삽입, 원형화 연소, 궤도상 제어, 대기 재진입을 위한 감속 기동 등을 수행하며, 필요시 서비스 모듈을 이용한 임무 중단 기능도 담당한다.[83] 이 시스템은 가가니안 우주선이 저궤도(LEO) 400km 고도에 도달하도록 지원하고, 임무 기간 동안 궤도를 유지하다가 재진입 직전 분리된다.
추진 시스템은 산화제로 MON-3, 연료로 모노메틸히드라진을 사용하는 통합된 이중 추진제 시스템을 채택했다. ISRO의 액체 원지점 모터(LAM)에서 파생된 440N 추력의 주 엔진 5개와, 자세 제어를 위한 100 N 추력의 반작용 제어 시스템(RCS) 추진기 16개로 구성된다.
SMPS의 성능 검증을 위해 여러 단계의 지상 시험이 수행되었다. 2021년 8월 28일, 시스템 시연 모델(SDM)의 첫 핫 테스트가 ISRO 추진 단지(IPRC)에서 성공적으로 이루어졌으며,[77] 450초 동안 연소 시험을 진행했다.[79][80] 2023년 7월 19일에는 5회의 핫 테스트로 구성된 Phase-1 테스트 시리즈를 완료하며 시스템의 성능을 확인했다.[81][82] 이 테스트에서는 8개의 RCS 추진기와 5개의 LAM 엔진이 사용되었다.
2023년 7월 20일에는 16개의 RCS 추진기와 5개의 LAM 엔진을 모두 사용하는 최종 구성으로 Phase-2 테스트 시리즈의 첫 핫 테스트가 수행되었다.[84] 이후 ISRO는 정상 및 비정상 임무 시나리오를 포함한 추가 테스트를 계획했다.[85][86] 2023년 7월 26일에는 두 차례의 추가 핫 테스트가 성공적으로 완료되었다. 첫 번째 테스트(723.6초)는 연료 공급 및 보정 연소를 시연했고, 두 번째 테스트(350초)는 최종 궤도 진입을 위한 원형화 과정을 시뮬레이션했다.[87][88] 각 LAM 엔진은 유인 인증을 획득하기 위해 개별적으로 더 긴 시간 동안 다양한 조건에서 테스트될 예정이다.[85]
3. 3. 발사체
가가니안 우주선은 LVM3의 유인 버전인 HLVM3 발사체로 발사될 예정이다.[96] LVM3는 초기 설계 단계부터 잠재적인 유인 우주 비행 가능성을 고려하여 개발되었다. 승무원의 편의를 위해 비행 상승 단계의 최대 가속도는 4G로 제한되며, 우주 정거장 세그먼트와 같은 대형 모듈을 탑재할 수 있도록 직경 5m의 페이로드 페어링이 사용된다.[97] 공기역학적 특성 연구는 국립 항공 연구소의 1.2m 삼음속 풍동 시설에서 수행되었다.[98]
HLVM3는 유인 비행의 안전성을 확보하기 위해 여러 가지 개선 사항이 적용되었다. 안전에 중요한 하위 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 더 낮은 작동 마진 설정, 시스템 중복성 강화, 엄격한 자격 요건 적용, 구성 요소 재평가 및 강화 등이 이루어졌다.[99] 항공 전자 장치에는 통합 상태 모니터링 시스템(LVHM), 이중 체인 원격 측정 및 원격 제어 프로세서(TTCP), 4중 중복 항법 및 유도 컴퓨터(NGC) 등이 포함된다. L110 코어 단계의 고추력 비카스 엔진(HTVE)은 챔버 압력을 62 bar에서 58.5 bar로 낮춰 운용하며, 유인 S200 부스터(HS200) 역시 챔버 압력을 58.8 bar에서 55.5 bar로 조정한다. 세그먼트 조인트에는 각각 3개의 O-ring이 사용되고, 발사체의 모든 단계에는 전기 기계식 액추에이터와 디지털 단계 컨트롤러가 적용된다.[143][100]
ISRO는 HLVM3의 모든 단계에서 친환경 추진제를 사용할 계획이다. 염소화된 배기 가스 배출을 줄이기 위해 연료로 Glycidyl Azide Polymer(GAP)를, 산화제로 Ammonium dinitramide(ADN)를 기반으로 하는 친환경 고체 추진제를 개발하고 있다. 또한 과산화 수소, 케로신, 액체 산소, 액체 메탄, ADN-메탄올-물, ADN-글리세롤-물 등 다양한 친환경 추진제 조합에 대한 기술 시연 프로젝트를 진행 중이다. ISRO는 이미 기존의 하이드라진 대신 로켓 등급 케로신인 ISROSENE을 개발했으며, LOX/LH2(극저온 상단 단계) 및 LOX/케로신 기반 추진 시스템을 도입하며 친환경 추진제로의 전환을 진행하고 있다. 남아시아 위성에서는 전기 추진 기술을 성공적으로 시연하기도 했다.[101][102]
=== HS200 부스터 ===
2020년 11월 17일, 라르센 & 투브로(L&T)는 뭄바이 파와이의 항공우주 제조 시설에서 제작한 LVM3용 첫 부스터 세그먼트(직경 3.2m, 길이 8.5m, 무게 5.5ton)를 ISRO에 인도했다.[103] 가가니안 프로그램을 위해 L&T와 협력하여 개발된 유인 등급 S200 고체 추진체 부스터 'HS200'은[104] 2022년 5월 13일 사티시 다완 우주 센터(SDSC)에서 첫 정적 연소 시험을 성공적으로 완료했다. 이 시험에서는 203ton의 고체 추진제를 사용하여 135초 동안 연소했으며, 약 700개의 매개변수를 모니터링한 결과 모든 시스템이 정상적으로 작동했다. HS200 부스터는 길이 20m, 직경 3.2m로, 세계에서 두 번째로 큰 작동 고체 추진체 부스터이다.[105][106]
HS200 부스터는 유인 비행의 안전성과 신뢰성을 높이기 위해 여러 개선 사항이 적용되었다. 더 강력한 점화 및 단열 시스템, 개선된 디지털 제어 전자 장치, 모터 케이스 접합부에 대한 추가 안전 기능, 여러 이중화 및 안전 조치를 갖춘 고성능 전기 기계식 액추에이터 등이 포함된다. 이러한 개선을 통해 연소실 압력 감소, 구조적 강성 증가, 누출 방지 성능 향상, 더 높은 안전 여유도 확보 등의 효과를 얻었다.[107]
=== 비카스 엔진 ===
비카스 엔진은 극궤도 위성 발사체(PSLV)의 2단계, 지구 정지 궤도 위성 발사체(GSLV) Mark I 및 II의 부스터와 2단계, 그리고 LVM3의 코어 단계(L110)를 구동하는 데 사용된다. 가가니안 임무의 엔진 자격 요건 충족을 위해 2021년 7월 14일, ISRO 추진 단지에서 L110 액체 단계용 비카스 엔진의 세 번째 장시간(240초) 고온 시험이 성공적으로 수행되었다.[108][109] 또한 2022년 1월 20일에는 연료-산화제 혼합 비율 및 챔버 압력 등 비정상적인 작동 조건에서 엔진의 견고성을 검증하기 위한 25초간의 고온 자격 시험도 성공적으로 완료했다.[110]
=== CE-20 엔진 ===
CE-20 극저온 엔진은 LVM3 발사체의 상단 단계를 구동한다. 2022년 1월 12일, ISRO는 ISRO 추진 단지(IPRC)에서 CE-20 엔진에 대한 720초간의 핫 자격 시험을 성공적으로 수행했다.[111][112] 이후 2022년 10월과 11월에는 각각 30초와 70초 동안의 압력 챔버 테스트를 성공적으로 완료했다.[113]
2024년 2월 21일, ISRO는 CE-20 엔진이 유인 우주 비행 임무 사용을 위한 검증 및 승인을 완료했다고 공식 발표했다. 엔진은 총 39회의 핫 연소 테스트를 거쳤으며, 누적 연소 시간은 8,810초(2시간 26분)에 달한다. 이는 인간 등급 인증을 위한 최소 요구 시간인 6,350초(1시간 45분)를 초과하는 것이다. 첫 번째 가가니안 임무에 사용될 비행 엔진 역시 승인 테스트를 완료했다. 이 엔진은 442.5초의 비추력과 19~22톤의 추력 성능을 갖는다.[114] ISRO에 따르면, CE-20 엔진의 인간 등급 지상 자격 시험에는 수명 시연 테스트, 내구성 테스트, 그리고 추력, 혼합비, 추진제 탱크 압력 등 다양한 정상 및 비정상 조건에서의 성능 평가가 포함되었으며, 모든 테스트가 성공적으로 완료되었다.[115]
4. 국제 협력
- '''인테르코스모스 (소련)''': 1984년, 라케시 샤르마는 ISRO와 소련 우주 프로그램 간의 공동 인테르코스모스 임무를 통해 우주에 진입한 최초의 인도 태생 시민이 되었다. 그는 1984년 4월 3일 카자흐 소비에트 사회주의 공화국의 바이코누르 우주 기지에서 발사된 소련 로켓 소유즈 T-11에 탑승했다. 소유즈 T-11 우주선은 살류트 7 궤도 정거장으로 이동하여 샤르마는 그곳에서 7일 21시간 40분을 보냈다. 그는 인도에 집중하는 지구 관측 프로그램을 수행했으며, 생명 과학 및 재료 처리 실험에도 참여했다.[17] 이 임무를 기념하기 위해 인도 정부와 소련은 특별 우표와 첫날 봉투를 발행했다.[18]
- '''로스코스모스 (러시아)''': ISRO의 유인 우주 비행 센터(HSFC)는 러시아 국영 기업 로스코스모스의 자회사인 글라브코스모스와 2019년 7월 1일 인도 우주 비행사의 선발, 지원, 건강 검진 및 우주 훈련에 대한 협력 계약을 체결했다.[56] 이 협력을 조율하기 위해 모스크바에 ISRO 기술 연락 사무소(ITLU) 설립이 승인되었다.[57][58] 또한, 실질적인 우주 의학 경험을 쌓기 위해 ISRO는 항공 의학을 전문으로 하는 인도 공군 소속 비행 외과 의사 2명을 2021년 러시아로 파견했다.[59][55]
- '''CNES (프랑스)''': 2021년 4월 15일, ISRO와 CNES는 우주 장비, 소모품 및 우주 의학 분야에서의 협력을 위한 우주 협정을 발표했다.[60] 쾰른의 유럽 우주 비행사 센터와 툴루즈 우주 센터의 미세 중력 응용 및 우주 작전 개발 센터(CADMOS)에 소속된 CNES 팀은 가가니안 임무의 비행 의사 및 캡슐 통신자(CAPCOM) 임무 통제 팀에게 훈련을 제공할 예정이다. CNES는 ISRO와 유럽 우주국(ESA) 간의 연락 지점 역할도 수행한다. 또한 CNES는 과학 실험 계획 실행 검증, 식품 포장 및 영양 프로그램 관련 지식 공유, 인도 우주 비행사의 프랑스 의료 도구, 장비 및 소모품 사용을 지원한다. 이를 통해 인도 우주 승무원은 CNES가 제작하여 현재 국제 우주 정거장에서 사용 중인 프랑스 기술에 접근할 수 있게 된다. CNES는 장비 보호를 위한 방사선 및 충격 방지 운반 가방도 제공할 예정이다. 향후 협력에는 Novespace가 수행하는 포물선 비행을 통한 장비 테스트 및 우주 비행사 훈련, 벵갈루루에 우주 비행사 훈련 시설 건설에 대한 기술 지원이 포함될 수 있다.[60] 인도의 비행 외과 의사들은 훈련 및 이론적 전문 지식 확장을 위해 프랑스를 방문할 예정이다.[59][55]
- '''ASA (호주)''': ISRO는 호주 우주국(ASA)과의 논의를 거쳐 2021년 코코스 (킬링) 제도에 가가니안 임무를 위한 임시 지상 기지를 설립했으며, 영구 기지 건설도 계획하고 있다.[35] 2024년 11월 20일, ISRO와 ASA는 가가니안 계획의 승무원 및 승무원 모듈 구조에 대한 협력을 명시한 이행 약정을 체결했다.[177] 이 약정은 캔버라에서 ASA의 Jarrod Powell 우주 역량 부문 총괄 관리자와 벵갈루루에서 ISRO 유인 우주 비행 센터의 D.K. 싱 소장이 서명했다.[179] ISRO는 추진제 오염 방지, 폭발 방지, 비상시 승무원 접근 방법 등과 관련된 표준 운영 절차(SOP)를 국제 파트너들에게 제공할 예정이다.[178] 호주는 남극 작전 및 원격 의학 분야의 경험을 바탕으로 응용 우주 의학 및 생명 과학 관련 지식을 공유할 것으로 기대된다.[180] 또한 호주는 자국 해역 근처에서 임무가 종료될 경우를 대비한 백업 계획의 일환으로, 승무원 수색 및 구조, 승무원 모듈 회수를 지원하기 위해 인도와 협력할 것이다.[181]
5. 비욤미트라
2020년 1월 22일, ISRO는 가가니안 임무에 우주 비행사와 함께할 여성형 휴머노이드 로봇인 비욤미트라를 공개했다. ISRO는 다른 유인 우주 비행 국가들과 달리, 실험 임무에 동물을 사용하지 않을 방침이다. 대신 무중력과 우주 방사선이 장기간 인체에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 휴머노이드 로봇을 활용할 계획이다.[135]
비욤미트라는 무인 가가니안 임무에 탑승하여 미세 중력 환경 실험을 수행하고, 우주선 모듈의 각종 매개변수를 모니터링하는 역할을 맡는다. 또한 허리 위쪽으로 인간과 유사한 기능을 수행하여 유인 임무 시 우주 비행사를 지원할 것으로 예상된다. 비욤미트라는 다리가 없는 형태로 제작되었다.[136] 힌디어와 영어를 구사하도록 프로그래밍되었으며, 다양한 작업을 수행할 수 있다.[137][138][139][140]
또한, 선실 내부 환경 변화로 우주 비행사가 불편함을 느낄 경우 이를 감지하여 경고하고, 공조 상태를 변경하는 기능도 갖추고 있다. 스스로 작업을 완료하고 새로운 명령을 받아 수행할 수도 있다.[141]
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