N-1

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1. 개요
2. 개발 배경 및 역사
3. 기술적 특징
- 3.1. KORD 엔진 제어 시스템
- 3.2. 복잡한 배관 시스템과 문제점
4. 시험 비행 및 실패
5. N-1F와 NK-33 엔진의 재조명
참조

1. 개요

N-1은 1956년부터 소련의 달 탐사 계획을 위해 개발된 초대형 로켓이다. 미국과의 우주 경쟁에서 유인 달 착륙을 목표로 했으나, 기술적 어려움과 자금 부족으로 4차례의 시험 비행 모두 실패했다. 1단 로켓에 30개의 엔진을 클러스터 방식으로 사용하는 등 혁신적인 설계를 시도했지만, 엔진 제어 시스템의 문제, 복잡한 배관 시스템의 취약성 등으로 인해 계획은 중단되었다. N-1 개발 과정에서 축적된 기술적 난관과 실패 사례는 대한민국의 누리호 개발에도 영향을 미쳤다.

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N-1
개요
1967년 바이코누르 우주 기지 발사대에 있는 N1 1M1 모형
명칭	N1/L3
기능	유인 달 탐사 임무용 슈퍼 헤비 리프트 발사체
제조사	OKB-1
원산지	소련
제원
높이	105.3 m
지름	17 m
질량	2,750,000 kg
단수	5단
성능
저궤도 수송 능력	95,000 kg
달 궤도 진입 수송 능력	23,500 kg
상태 및 발사
상태	개발 중 취소
발사 장소	바이코누르 우주 기지, 110번 발사대
발사 횟수	4회
성공 횟수	0회
실패 횟수	4회
최초 발사	1969년 2월 21일
마지막 발사	1972년 11월 23일
1단 (블록 A)
종류	1단
명칭	블록 A
엔진	30 × NK-15
추력 (해수면)	45,780 kN
추력 (진공)	46,320 kN
비추력 (해수면)	297 isp
비추력 (진공)	318 isp
연소 시간	125초
연료	액체 산소 / RG-1
2단 (블록 B)
종류	2단
명칭	블록 B
엔진	8 × NK-15V
추력	14,064 kN
비추력	325 isp
연소 시간	120초
연료	액체 산소 / RG-1
3단 (블록 V)
종류	3단
명칭	블록 V
엔진	4 × NK-19
추력	1,800 kN
비추력	346 isp
연소 시간	370초
연료	액체 산소 / RG-1
4단 (블록 G)
종류	4단
명칭	블록 G
엔진	1 × NK-21
추력	329 kN
비추력	346 isp
연소 시간	443초
연료	액체 산소 / RG-1
5단 (블록 D)
종류	5단
명칭	블록 D
엔진	1 × RD-58
추력	83.36 kN
비추력	349 isp
연소 시간	600초
연료	액체 산소 / RG-1
기타
비교 대상	새턴 V

2. 개발 배경 및 역사

N-1 로켓은 냉전 시대 미국과의 치열한 우주 경쟁 속에서 소련의 달 탐사 계획의 핵심적인 역할을 담당할 예정이었다. 초기에는 달이나 화성 유인 탐사, 우주 정거장 건설, 대형 군사 위성 발사 등 다양한 목적으로 1956년부터 개발이 시작되었다.^[12]^[13] 그러나 1961년 미국이 아폴로 계획을 통해 유인 달 착륙 목표를 발표하자, 1964년 소련 역시 N-1의 주된 목표를 유인 달 착륙으로 전환하게 되었다.^[10] 하지만 개발 과정 내내 충분한 예산 지원을 받지 못하면서 계획은 난관에 부딪혔다.

N-1 개발의 가장 큰 기술적 과제는 1단 로켓에 NK-15 엔진 30개를 묶어 사용하는 클러스터 로켓 방식에서 비롯되었다. 이처럼 많은 수의 엔진을 동시에 정밀하게 제어하는 것은 당시 기술로는 매우 어려운 일이었다.^[68] 이를 위해 엔진 하나가 정지하면 자동으로 반대편 엔진도 정지시켜 추력 균형을 맞추는 KORD(Контроль Ракетных Двигателей|콘트롤 라케트니흐 드비가텔레이^rus, 로켓 엔진 제어 시스템)가 개발되었다. 이 시스템은 이론적으로 4개의 엔진 고장까지 대처할 수 있었으나, 3차 발사(N-1/6L)에서 발생한 제어 불가능한 롤 회전 문제 때문에 이후 별도의 스티어링 엔진이 추가되기도 했다.

자금 부족과 계속되는 기술적 어려움 속에서 1969년 두 차례, 1971년, 1972년에 실시된 총 4차례의 시험 발사는 모두 1단 로켓 분리가 이루어지기 전에 실패로 끝났다. 가장 길었던 비행은 마지막 4차 발사 때의 107초로, 1단 분리 직전에 폭발했다.

결국 1974년 5월, 소련의 유인 달 착륙 계획(L3 계획)이 공식적으로 중단되었고, 같은 해 8월 N-1 로켓 개발 역시 최종적으로 포기되었다.^[64]^[65] 발사를 위해 준비 중이던 N-1F 로켓 2기는 폐기되었다. 하지만 폐기될 예정이었던 N-1F용 NK-33 엔진 중 일부가 손상되지 않은 채 보존되어 있다가 후에 발견되었는데, 시험 결과 여전히 우수한 성능을 보여주었다. 이 엔진들은 이후 2013년 미국의 안타레스 로켓 1단에 성공적으로 사용되는 등 상업적으로 재활용되었다.

2. 1. 초기 개념

N-1은 달이나 화성에 유인 우주선을 보내거나 우주 정거장, 대형 군사 위성을 발사하기 위한 목적으로 1956년부터 개발이 시작되었다.^[12]^[13] 1961년 5월, 미국이 1970년까지 달에 인간을 착륙시키겠다는 아폴로 계획 목표를 발표하자^[10] 소련에서도 달 탐사 계획이 본격화되었다. 같은 달 보고서 ''방어 목적을 위한 우주 비행체 계획 재검토''는 N-1 로켓의 첫 시험 발사를 1965년으로 설정했다.

세르게이 코롤료프는 1961년 6월, N-1 개발 시작을 위한 소량의 예산을 확보하고, 당시 개발 중이던 소유즈 우주선을 기반으로 한 달 탐사 계획을 제안했다. 이 초기 구상은 여러 번의 소유즈 로켓 발사를 통해 지구 궤도 상에서 소유즈 우주선 본체, 달 착륙선, 달 궤도 진입용 엔진 및 연료 등을 조립하는 지구 궤도 랑데부(Earth Orbit Rendezvous, EOR) 방식이었다. 그러나 이 방식은 각 구성 요소가 궤도상에서 연료 등을 소모하기 전에 복잡한 조립을 완료해야 하므로, 매우 빠른 연속 발사가 필요하다는 단점이 있었다.

이에 코롤료프는 N-1 로켓의 규모를 키워 한 번의 발사로 달 탐사에 필요한 모든 구성 요소를 쏘아 올리는 방식을 새롭게 제안했다. 그는 N-1 로켓이 차르 봄바와 같은 초중량 핵무기나 최대 17개의 다탄두 ICBM을 운반할 수 있다고 주장하며 군사적 효용성을 내세워 N-1 개발의 정당성을 확보하려 했다.^[12]^[13] 코롤료프는 실제로 로켓을 군사적으로 사용할 의도는 없었으나, 자신의 우주 개발 야망을 실현하기 위해 군의 지원이 필수적이라고 판단했다. 그러나 군 수뇌부는 N-1의 군사적 가치가 낮다고 보고, 순수 군사 목적의 다른 프로그램에서 예산이 전용될 것을 우려하여 미온적인 반응을 보였다. 코롤료프는 1962년 초까지 군 지도부와 접촉을 시도했지만 큰 진전을 이루지는 못했다.

한편, 코롤료프의 경쟁자였던 블라디미르 첼로메이의 설계국(OKB-52)은 보다 현실적인 대안을 제시했다. 유인 달 착륙 대신, 기존의 UR-200 로켓(SS-10으로도 알려짐) 4기를 묶어 만든 UR-500 로켓(훗날 프로톤 로켓으로 발전)을 이용하여 달 주위를 비행하는 임무를 먼저 수행하여 미국보다 앞서 나가자는 것이었다.^[14] 첼로메이는 또한 기존 우주선 설계를 개량한 LK-1 우주선을 이 임무에 사용할 것을 제안했다.

N-1 개발 초기에는 엔진 선택을 둘러싼 심각한 갈등도 있었다. 소련 로켓 엔진 개발의 핵심 인물이었던 발렌틴 글루시코는 자신이 개발한 RD-270 엔진 사용을 주장했다. 이 엔진은 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 사산화이질소(N₂O₄)를 연료로 사용했는데, 이 조합은 독성이 강하지만 상온에서 보관 가능하고 점화가 쉬워 군사용 ICBM에 널리 쓰였다. 그러나 코롤료프는 이 연료 조합이 등유/액체 산소 조합보다 성능(비추력)이 낮고, 특히 유인 우주선에는 독성이 없는 안전한 연료가 필수적이라고 생각하여 글루시코의 제안에 강력히 반대했다. 두 사람의 갈등은 과거 글루시코의 밀고로 코롤료프가 강제 수용소 생활을 했던 개인적인 악감정까지 겹쳐 더욱 깊어졌다.

1962년, 이 문제를 해결하기 위한 회의에서 결국 코롤료프의 의견이 채택되었다. 글루시코는 이에 반발하여 N-1 엔진 개발 참여를 거부했고, 코롤료프는 로켓 엔진 설계 경험이 상대적으로 부족했던 제트 엔진 설계자 니콜라이 쿠즈네초프에게 엔진 개발을 맡기게 되었다. 쿠즈네초프는 NK-15라는 비교적 작은 엔진을 개발했고, N-1 로켓은 필요한 추력을 얻기 위해 이 NK-15 엔진 수십 개를 1단에 묶어 사용하는 클러스터 로켓 방식을 채택하게 되었다. 이는 이후 N-1 개발 과정에서 기술적 난제로 작용하게 된다.

이러한 과정을 거쳐 1964년, N-1 로켓 개발의 공식 목표는 미국의 아폴로 계획에 맞서 소련의 유인 달 착륙을 실현하는 것으로 최종 확정되었다.^[10]

2. 2. 기술적 도전과 엔진 개발

소련의 다른 로켓들처럼 N-1 역시 작은 로켓 엔진 여러 개를 묶어 큰 추력을 얻는 클러스터 로켓 방식을 채택했다. 하지만 N-1의 1단 로켓 엔진은 그 수가 무려 30개에 달했고, 이 엔진들을 동시에 정밀하게 제어하는 기술을 확보하는 것이 가장 큰 기술적 과제였다. 현재 기술로도 이렇게 많은 로켓 엔진을 완벽하게 동기화하여 제어하는 것은 매우 어려운 일로 평가받는다.^[68]

엔진 개발 과정에서는 심각한 내부 갈등이 있었다. 당시 소련 로켓 엔진 설계 분야의 최고 권위자였던 발렌틴 글루시코는 N-1의 1단 엔진으로 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 사산화이질소(N₂O₄)를 추진제로 사용하는 고성능 RD-270 엔진을 제안했다. 이 추진제는 서로 섞이기만 해도 점화되는 자연 발화성 연료로, 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있었고 글루시코가 개발한 여러 ICBM에도 사용된 방식이었다. RD-270은 미국의 F-1 엔진보다 높은 비추력을 달성하기도 했으나, 개발 과정에서 연소 불안정성 문제를 겪었다.^[16] 글루시코는 미국의 타이탄 II GLV가 비슷한 자연 발화성 추진제를 사용하며 유인 비행에 성공했다는 점을 근거로 들었다.

그러나 N-1 개발 총책임자였던 세르게이 코롤료프는 글루시코의 제안에 강력히 반대했다. 그는 UDMH/N₂O₄ 연료와 연소 가스의 독성이 유인 우주 비행에 심각한 안전 문제를 일으킬 수 있다고 보았으며, 상대적으로 안전한 케로신과 액체산소(LOX) 조합을 선호했다. 이러한 기술적 견해 차이는 두 사람 사이의 뿌리 깊은 개인적 갈등과 맞물려 더욱 심화되었다. 코롤료프는 과거 자신이 굴라그에 수감되었던 것에 글루시코의 책임이 있다고 생각했고, 글루시코는 코롤료프가 독단적이라고 여겼다.^[17]^[18]

결국 1962년, 이 문제를 해결하기 위해 열린 위원회는 코롤료프의 손을 들어주었다. 이에 불만을 품은 글루시코는 코롤료프와의 협력을 전면 거부하고 케로신/액체산소 엔진 개발 참여를 거부했다. 대안을 찾아야 했던 코롤료프는 로켓 엔진 개발 경험이 부족했던 제트 엔진 설계자 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프와 그의 OKB-276 설계국에 도움을 요청했다.

쿠즈네초프는 비교적 작은 크기의 NK-15 엔진을 개발하여, 이를 1단에 30개나 묶어 필요한 추력을 얻는 방식을 제안했다. NK-15 엔진은 고도에 따라 성능을 최적화한 여러 파생형으로 개발될 예정이었다. 1단 엔진 배치는 24개의 엔진으로 이루어진 외부 링과 6개의 엔진으로 이루어진 내부 링으로 구성되었으며, 엔진 사이의 공간과 부스터 상단의 공기 흡입구를 통해 공기를 유입시켜 배기가스와 혼합함으로써 추력을 높이고 엔진을 냉각시키는 공기 증강 효과를 의도했다. 이는 일종의 원시적인 토로이달 에어로스파이크 엔진 시스템을 구현하려는 시도로 볼 수 있다.

이렇게 많은 엔진을 제어하기 위해 KORD(Kontrol Raketnykh Dvigateley, 로켓 엔진 제어) 시스템이 개발되었다. 이 시스템은 특정 엔진 하나가 고장 나 정지하면, 자동으로 로켓 중심축 반대편에 있는 엔진도 함께 정지시켜 추력 불균형을 막고 로켓의 균형을 유지하도록 설계되었다. 동시에 나머지 엔진들의 연소 시간을 늘려 성능 손실을 보상하는 기능도 갖추고 있었으며, 이론적으로는 최대 4개의 엔진이 정지해도 임무를 계속할 수 있었다. 또한, 외부 링의 엔진 중 일부는 약간 기울여 장착하여 추력 방향을 미세하게 조절함으로써 로켓의 회전(롤)을 제어할 수 있도록 했다. 그러나 세 번째 시험 발사(N-1/6L)에서 KORD 시스템만으로는 제어할 수 없는 강력한 롤 회전 문제가 발생했고, 결국 이를 해결하기 위해 별도의 스티어링 엔진을 추가하게 되었다.

2. 3. N1-L3 달 착륙 복합체

1967년, 미국과 소련은 인간을 먼저 달에 착륙시키기 위한 치열한 경쟁을 벌이고 있었다. N1/L3 계획은 1964년에 공식적으로 승인되었으며, 이 계획을 위해서는 미국의 새턴 V 로켓과 비슷한 규모의 N1 발사체 개발이 필수적이었다.^[10] N1 발사체는 소유즈 7K-L3 우주선과 LK 달 착륙선 등으로 구성된 L3 복합체를 달로 보내기 위한 핵심 수단이었다.

1967년 11월 25일, 아폴로 4호 임무에서 첫 번째 새턴 V가 발사된 지 3주가 채 지나지 않아, 소련은 소비에트 카자흐스탄의 바이코누르 우주 기지에 새로 건설된 발사대 110R에 N1 로켓의 실물 크기 모형을 옮겼다. 1M1이라는 이름이 붙은 이 모형은 시설 시스템의 물류 테스트와 훈련을 위한 차량이었다. 이를 통해 엔지니어들은 N1 로켓의 운반, 발사대 설치 및 해체 과정을 연습하며 귀중한 경험을 쌓을 수 있었다. 이는 1966년 중반 미국 플로리다의 케네디 우주 센터에서 진행된 새턴 V 시설 통합 차량 SA-500F 테스트와 유사한 목적을 가졌다. 다만, 크롤러가 새턴 V를 수직으로 발사대까지 운반한 것과 달리, N1은 수평으로 이동한 후 발사대에서 수직으로 세워졌다. 이는 소련 우주 프로그램의 표준적인 방식이었다. 12월 11일, 다양한 테스트를 마친 N1 모형은 다시 수평으로 눕혀져 조립 건물로 옮겨졌다. 이 1M1 모형은 이후 몇 년 동안 발사대 통합 테스트를 위해 반복적으로 사용되었다.

이러한 테스트는 비밀리에 진행되었지만, 미국의 정찰 위성은 N1 모형이 조립 건물로 돌아가기 직전 발사대에 있는 모습을 포착했다. 당시 NASA 국장이었던 제임스 웹은 이 사진과 더불어 러시아(소련)가 유인 달 탐사를 진지하게 추진하고 있다는 여러 정보를 입수했다. 이는 이후 몇 달간 미국의 주요 우주 개발 결정에 영향을 미쳤다. 위성 사진만으로는 소련이 N1의 시험 비행에 임박한 것처럼 보였지만, 실제로는 단순한 모형이었으며 유인 달 착륙 경쟁에서 소련이 미국보다 몇 달 뒤처져 있다는 사실까지는 드러나지 않았다. (적어도 CIA, NRO, 그리고 린든 존슨 대통령은 1967년 12월 27일 대통령 일일 브리핑을 통해 해당 로켓이 모형임을 알고 있었다.^[11]) 소련은 1968년 상반기에 N1의 첫 시험 비행을 목표로 했으나, 여러 기술적인 문제로 인해 실제 시도는 1년 이상 지연되었다.

2. 4. 정치적 갈등과 개발 중단

N-1은 제1단에 30기에 달하는 소형 로켓 엔진을 묶어 사용하는 클러스터 로켓 방식을 채택했는데, 이 많은 엔진을 동시에 제어하는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제였다.^[68] 엔진의 동기 제어를 위해 KORD(Контроль Ракетных Двигателей|콘트롤 라케트니흐 드비가텔레이^rus, 로켓 엔진 제어 시스템)가 개발되었다. 이 시스템은 엔진 하나가 정지하면 자동으로 반대편 엔진도 정지시켜 균형을 맞추고, 다른 엔진의 연소 시간을 늘려 성능 저하를 막도록 설계되었으며, 이론적으로는 4개의 엔진 고장까지 대처할 수 있었다. 그러나 3호기(N-1/6L) 발사 실패에서 드러났듯 이 시스템만으로는 복잡한 문제를 완전히 해결하기 어려웠고, 이후 롤 회전 제어를 위한 스티어링 엔진이 추가되기도 했다.

결정적으로 테스트를 위한 자금 부족과 지속적인 기술적 어려움이 발목을 잡았다. 1969년 두 차례, 1971년, 1972년에 실시된 총 4번의 시험 발사는 모두 제1단 분리가 이루어지기 전에 실패로 끝났다. 가장 성공적이었던 마지막 4차 발사조차 비행 시작 107초 만에 제1단 분리 직전 폭발하고 말았다.

소련의 유인 달 탐사 계획이 사실상 불가능해진 상황에서도, 바실리 미신은 N-1을 개량한 N1F 로켓을 이용하여 즈베즈다 달 기지 건설 등 다른 목표에 활용하고자 프로젝트를 계속 진행하려 했다. 그러나 1974년 5월, 소련의 유인 달 착륙 계획(L3 계획)이 공식적으로 중단되었고, 같은 해 8월 N-1 로켓 개발 역시 최종적으로 포기되었다.^[64]^[65] 이 결정과 함께 프로그램 책임자였던 미신은 글루쉬코로 교체되었고, N-1 프로그램은 완전히 종료되었다. 당시 1974년 8월 발사를 목표로 달 궤도 비행 및 무인 착륙 시험을 위해 소유스 7K-LOK와 LK 착륙선을 탑재하고 준비 중이던 8L 기체를 포함하여, 발사 준비가 완료되었던 2기의 N1F 로켓은 발사되지 못하고 폐기되었다.

소련 당국은 냉전 시기 미국과의 경쟁 속에서 달 탐사 계획의 실패를 감추기 위해, 남은 N-1 로켓들을 의도적으로 해체했다고 발표하며 정보 통제를 시도했다. 이러한 은폐는 1980년대 후반 ''글라스노스트'' 정책이 추진되면서 비로소 실패의 전모와 남아있던 장비들이 대중에게 공개되기 시작했다. 폐기된 로켓들의 잔해는 이후 수년간 바이코누르 우주 기지 주변에서 격납고나 창고 등으로 사용되는 모습이 목격되기도 했다.

3. 기술적 특징

N-1 로켓의 가장 두드러진 기술적 특징은 수많은 로켓 엔진을 클러스터 방식으로 묶어 사용하는 설계에 있다. 특히 1단인 블록 A에는 NK-15 엔진 30개가 사용되었는데,^[32] 이는 당시 소비에트 연방의 다른 로켓들에서도 볼 수 있었던 접근 방식이었지만, N-1의 규모는 전례 없는 수준이었다. 이후 개량형인 N1F에서는 성능이 향상된 NK-33 엔진을 1단에 사용할 계획이었다.

이렇게 많은 엔진을 동시에 제어하는 것은 매우 어려운 기술적 과제였으며, 이를 위해 KORD라는 자동 제어 시스템이 개발되었다. (자세한 내용은 KORD 엔진 제어 시스템 참조)

N-1 로켓은 달 착륙 임무를 위해 총 5단계로 구성되었으며, 이 중 지구 저궤도 진입을 담당하는 하단 3단(N1)의 주요 제원은 다음과 같다.

구분	명칭	엔진 (N1)	엔진 수 (N1)	엔진 (N1F)	엔진 수 (N1F)	추력 (N1 1단)
1단	블록 A	NK-15	30개	NK-33	30개	45400kN^[44]^[34]^[35]
2단	블록 B	NK-15V	8개	NK-43	8개	-
3단	블록 V	NK-21	4개	NK-31	4개	-

1단 블록 A의 추력은 45400kN으로, 미국의 새턴 V 1단 추력 33700kN을 능가하는 강력한 힘이었다.^[37] 1단의 30개 엔진은 24개의 외부 링과 6개의 내부 링으로 배치되었는데, 이는 에어로스파이크 엔진과 유사하게 공기를 유입시켜 추력을 증강하려는 설계 개념이 적용된 것으로 보인다.

N-1 로켓은 L3 페이로드(달 착륙선 등)를 포함하여 전체 높이가 105m에 달했으며, 연료를 모두 채웠을 때의 총 무게는 2750ton였다. 하단 3단은 밑면 지름이 17m인 거대한 원뿔대 형태를 이루었다.^[2]

엔진 선택 과정에서는 기술적 논쟁이 있었다. 당시 소련 로켓 엔진 설계의 권위자였던 발렌틴 글루시코는 비대칭 디메틸히드라진(UDMH)과 사산화이질소(N₂O₄)를 사용하는 RD-270 엔진을 제안했다. 이 추진제는 자연 발화성으로 엔진 구조를 단순화할 수 있었지만, 독성이 강하고 등유(케로신)/액체 산소(LOX) 조합보다 비추력이 낮았다. N-1 개발 책임자였던 세르게이 코롤료프는 유인 우주 비행의 안전성과 성능을 고려하여 케로신/LOX 조합을 강력히 주장했다.^[17]^[18] 결국 코롤료프의 의견이 채택되었고, 글루시코가 협력을 거부함에 따라 로켓 엔진 설계 경험이 상대적으로 부족했던 니콜라이 드미트리예비치 쿠즈네초프의 설계국(OKB-276)에서 NK-15 엔진을 개발하게 되었다. 이는 N-1이 소형 엔진을 다수 사용하는 클러스터 방식으로 설계된 중요한 배경이 되었다.

그러나 수많은 엔진과 이를 연결하는 복잡한 배관 시스템은 진동 문제에 매우 취약했으며, 이는 결국 N-1 시험 발사 실패의 주요 원인 중 하나가 되었다. 또한 내륙에 위치한 발사장의 한계로 인한 운송 및 현장 조립의 어려움, 엔진 자체의 설계적 문제로 인한 테스트 부족 등 여러 기술적 난제가 복합적으로 작용하여 N-1 개발은 성공하지 못했다. (자세한 내용은 복잡한 배관 시스템과 문제점 참조)

3. 1. KORD 엔진 제어 시스템

N-1 로켓 1단(블록 A)에는 30개의 로켓 엔진(NK-15)이 사용되었기 때문에, 이 엔진들의 효과적인 제어가 중요 과제였다.^[32] 이를 위해 KORD(Контроль ракетных двигателей^rus, Kontrol Raketnykh Dvigateley, 로켓 엔진 제어)^[38]라는 자동 엔진 제어 시스템이 개발되었다.

KORD 시스템은 블록 A에 있는 30개 엔진의 추력을 조절하고, 필요시 끄거나 상태를 감시하는 기능을 수행했다. 특히 바깥쪽 고리에 배치된 24개 엔진의 추력을 다르게 조절하여 로켓의 자세(피치 및 요)를 제어했다.^[33] 엔진 하나에 문제가 발생하면, KORD는 자동으로 중심축 반대편 엔진을 함께 정지시켜 로켓의 균형을 유지했다. 이를 통해 대칭적인 추력을 유지하려 했으며, 이론상으로는 반대편 엔진 두 쌍(총 4개)이 정지해도 임무 수행이 가능하도록 설계되었다.^[44] 초기에는 바깥쪽 엔진 일부를 비스듬히 장착하고 추력을 조절하여 로켓 회전도 제어하려 했으나, 세 번째 시험 발사(N-1/6L)에서 이 방식으로는 제어 불가능한 강한 회전 모멘트가 발생했고, 이후 별도의 스티어링 엔진이 추가되었다.

하지만 KORD 시스템은 터보 펌프 폭발처럼 매우 빠르게 진행되는 문제에는 효과적으로 대응하지 못하는 한계가 있었다.^[44] 이는 두 번째 시험 발사 실패 원인 중 하나로 지목되었다. 이러한 KORD 시스템의 한계로 인해 네 번째 시험 발사를 위해 새로운 컴퓨터 제어 시스템인 ''S-530''이 개발되었다. S-530은 소비에트 연방 최초의 디지털 유도 및 제어 시스템으로,^[39] 아날로그 방식의 KORD를 대체하여 로켓 발사와 우주선 제어 전반을 담당했다.^[40]^[41]

3. 2. 복잡한 배관 시스템과 문제점

N-1의 수많은 로켓 엔진 클러스터 배열에 연료와 산화제를 공급하기 위해서는 복잡한 배관 및 펌프 시스템이 필요했다. 이 복잡한 시스템은 매우 취약했으며, 특히 진동 문제에 약점을 보였다. 이는 N-1의 4번의 발사 시도 중 2번의 실패에서 주요 원인으로 작용했다.^[43]

또한 N-1의 발사 기지인 바이코누르 우주 기지는 미국의 케네디 우주 센터 39번 발사 단지와 달리 내륙에 위치하여 대형 부품을 바지선 등으로 운송할 수 없었다. 이 때문에 모든 단(stage)을 분해하여 철도로 운송한 뒤 발사 현장에서 다시 조립해야만 했다. 이러한 현장 조립 방식은 발사 전 충분한 테스트를 어렵게 만드는 요인이 되었다.

NK-15 엔진의 설계 문제도 테스트 부족을 심화시켰다. 무게를 줄이기 위해 유압이나 기계식이 아닌 화약으로 작동하는 밸브를 사용했는데, 이 밸브는 한번 닫히면 다시 열 수 없었다.^[44] 이 때문에 1단 로켓(블록 A)의 엔진 30개 전체를 하나의 단위로 묶어 정지 연소 시험(static fire test)을 수행하는 것이 불가능했다. 세르게이 흐루쇼프에 따르면, 실제 부스터에 사용될 엔진이 아닌, 6개 엔진 묶음 중 일부만 테스트되었을 뿐이었다.^[43]

결과적으로, 연료 공급 시스템의 배관 및 터빈에서 발생하는 파괴적인 진동 문제나 배기 가스의 유체역학적 문제(예: 기체 회전 유발, 진공 캐비테이션) 등이 발사 전에 제대로 발견되고 해결되지 못했다.^[43] 이러한 기술적 어려움과 테스트 부족은 N-1의 모든 시험 발사가 실패로 끝나는 주요 원인이 되었다.

4. 시험 비행 및 실패

미국 KH-8 Gambit 정찰 위성이 촬영한 N1, 1968년 9월 19일

N-1 로켓은 총 4차례의 시험 비행을 실시했으나, 단 한 번도 성공하지 못하고 모두 1단 로켓 분리 전에 실패로 끝났다. 가장 길었던 비행은 4호기의 107초로, 1단 분리 직전 폭발했다. 시험 비행은 1969년에 두 차례, 1971년과 1972년에 각각 한 차례씩 이루어졌다.

이러한 반복적인 실패의 주요 원인으로는 여러 기술적, 구조적, 그리고 자금 문제가 복합적으로 작용했다. 첫째, 1단 로켓에 30개나 되는 엔진을 묶어 사용하는 클러스터 로켓 방식은 엔진 간 동기화 및 제어에 극도의 어려움을 야기했다.^[43] 엔진 고장 시 균형을 자동으로 맞추도록 설계된 KORD 제어 시스템^[44]조차 실제 비행 중 발생하는 복잡한 진동이나 예상치 못한 문제 앞에서는 한계를 보였으며, 3차 발사 실패 후에는 회전력 제어를 위해 별도의 스티어링 엔진을 추가해야 했다.

둘째, 다수의 엔진에 연료와 산화제를 공급하는 복잡한 배관 시스템은 구조적으로 취약하여 4번의 실패 중 2번의 직접적인 원인이 되었다. 특히 바이코누르 우주 기지의 내륙 위치 때문에 로켓을 분해하여 철도로 운송 후 현장에서 재조립해야 했는데, 이 과정에서 발생 가능한 결함이나 조립 후의 전체 시스템 검증이 미흡했다. 이로 인해 추진제 공급 라인의 진동, 배기 가스 흐름에 의한 로켓 회전, 캐비테이션 등의 문제가 비행 중에야 드러났다.^[43]

셋째, 이러한 기술적 난제들을 해결하고, 특히 30개 엔진 전체를 동시에 연소시키는 것과 같은 필수적인 지상 시험을 충분히 수행하기 위한 예산이 절대적으로 부족했다. 예를 들어, 무게 절감을 위해 일부 엔진 밸브가 재점화 불가능한 화약식으로 설계되어^[44] 1단 전체의 통합 연소 시험이 불가능했고, 이는 실제 비행에서 예측하지 못한 문제를 해결하지 못하게 만들었다.^[43]

thumb와 N1의 비교'''. N1이 더 짧지만 추력이 더 크다. 한편, 새턴 V는 액체 수소 엔진을 2단과 3단에 사용하지만 N1은 전단에 케로신을 사용하므로 새턴 V가 더 무거운 페이로드를 궤도로 투입할 수 있다. 발사 실적은 대조적으로 새턴 V는 13번의 발사에 모두 성공한 반면 N1은 모두 실패했다.]]

N-1의 시험 발사 결과는 다음과 같다.

비행 번호	날짜 (UTC)	발사 기지	일련 번호	탑재체	결과	비고
1	1969년 2월 21일 09:18:07	바이코누르 우주 기지 110/38번 발사대	3L	존드 L1S-1	실패	발사 68초 후 KORD 시스템 오류로 인한 엔진 정지 및 화재, 폭발.^[23]
2	1969년 7월 3일 20:18:32	바이코누르 우주 기지 110/38번 발사대	5L	존드 L1S-2	실패	발사 직후 엔진 터보 펌프 파손으로 발사대에 추락, 폭발하여 발사대 파괴.^[23] 역사상 가장 큰 인공 비핵 폭발 중 하나.
3	1971년 6월 26일 23:15:08	바이코누르 우주 기지 110/37번 발사대	6L	소유즈 7K-L1E No.1 (모형)	실패	발사 51초 후 제어 불능의 급격한 회전으로 공중 분해.^[23]
4	1972년 11월 23일 06:11:55	바이코누르 우주 기지 110/37번 발사대	7L	소유즈 7K-LOK No.1	실패	발사 107초 후 중앙 엔진 정지로 인한 워터 해머 현상으로 연료 라인 파열 및 폭발.^[23]

소련의 유인 달 착륙 계획은 1974년 5월에 공식적으로 중단되었고, N-1 로켓 개발 역시 같은 해 8월에 종료되었다. 당시 개량된 NK-33 엔진을 장착하고 발사를 준비 중이던 2기의 N-1F(8L, 9L)는 완성 직전에 폐기되었다.^[23]^[21] N-1 계획은 실패로 끝났지만, 개발 과정에서 축적된 기술, 특히 강력한 NK-33 엔진은 이후 다른 로켓 개발에 활용될 가능성을 남겼다.

4. 1. 1차 시험 비행 (1969년 2월 21일)

1969년 2월 21일 09:18:07 세계 협정시에 바이코누르 우주 기지 110/38번 발사대에서 N-1 로켓(일련번호 3L)의 첫 번째 시험 발사가 이루어졌다. 이 로켓에는 달 궤도 비행을 위한 존드 L1S-1 우주선(소유즈 7K-L1의 파생형인 소유즈 7K-L1S)이 탑재되었다.

발사 직후 몇 초 만에 일시적인 전압 이상으로 인해 엔진 제어 시스템인 KORD가 12번 엔진을 정지시켰다. KORD는 로켓의 추력 균형을 맞추기 위해 반대편의 24번 엔진도 함께 정지시켰다. 발사 6초 후(T+6초), 2번 엔진에서 발생한 강한 진동(포고 진동)으로 인해 여러 부품이 고정부에서 떨어져 나가면서 추진제가 누출되기 시작했다. 발사 25초 후(T+25초)에는 진동이 더욱 심해져 연료관이 파열되었고, RP-1 연료가 로켓 후미로 흘러나와 공기 중의 가스와 접촉하며 화재가 발생했다.

이 화재는 전력 공급 배선을 손상시켰고, 이로 인해 발생한 전기 스파크를 KORD 시스템은 터보 펌프의 압력 문제로 잘못 판단했다. 결국 발사 68초 후(T+68초), KORD는 1단계의 모든 엔진을 정지시키라는 명령을 내렸다. 이 신호는 2단계와 3단계 엔진의 점화 신호까지 차단하여 지상 관제소의 수동 개입도 불가능하게 만들었다. 텔레메트리 데이터에 따르면 로켓의 발전기는 발사 183초 후 지상에 충돌할 때까지 계속 작동했던 것으로 확인되었다.

로켓의 잔해는 발사 지점에서 약 52km 떨어진 곳에서 발견되었다. 초기 조사 과정에서 프로젝트 책임자였던 바실리 미신은 모든 엔진이 동시에 정지한 명확한 이유를 찾지 못해 발전기 고장을 원인으로 추정했으나, 이는 텔레메트리 데이터 분석과 손상되지 않은 채 회수된 발전기 테스트를 통해 즉시 반증되었다. 회수된 발전기는 공장 테스트 결과 정상적으로 작동했다.

후속 조사 결과, KORD 시스템 자체에 여러 심각한 설계 결함과 프로그래밍 오류가 있었음이 밝혀졌다. 특히 시스템의 작동 주파수(1000 Hz)가 엔진의 진동 주파수와 우연히 일치하여 공진 현상을 일으켰을 가능성이 제기되었다. 12번 엔진이 정지된 것은 이 고주파 진동이 상대적으로 길었던 배선을 타고 KORD 시스템으로 전달되어, 시스템이 이를 엔진 과속 상태로 오인했기 때문으로 추정되었다. 또한 시스템의 작동 전압이 규정된 15V보다 높은 25V로 설정되어 있었던 문제점도 발견되었다. 조사팀은 KORD 시스템의 비상 정지 로직 자체에 근본적인 오류가 있었다고 결론 내렸다.^[44]^[55]

이 실패 이후, 제어 시스템 배선을 재배치하고 내화성을 강화하기 위해 석면으로 코팅했으며, KORD 시스템의 작동 주파수를 변경하는 등의 기술적 개선 조치가 이루어졌다.^[51]^[52] 한편, 로켓 상단에 설치된 발사 탈출 시스템은 정상적으로 작동하여 탑재되었던 모형 우주선을 성공적으로 회수했다. 이 사고 이후의 N-1 발사에서는 각 엔진 옆에 프레온 가스를 이용한 소화기가 추가로 설치되었다.^[53]^[54]

4. 2. 2차 시험 비행 (1969년 7월 3일)

1969년 7월 3일, 두 번째 N-1 로켓(시리얼 번호 5L)이 발사되었다. 이 로켓에는 달 궤도 비행 및 잠재적 유인 착륙 지점 사진 촬영 임무를 위한 존드 L1S-2 우주선과 생존 탈출 타워가 탑재되었다.^[56] 일부 자료에서는 질량 모형 달 착륙선도 탑재되었다고 주장하지만, 대부분의 자료는 L1S-2와 부스터 단계만 실려 있었다고 본다. 발사는 바이코누르 우주 기지의 110번 동쪽 발사대에서 20시 18분 32초(UTC)에 이루어졌다.^[23]

발사는 시작 직후 실패로 돌아갔다. 로켓이 발사 타워를 벗어나자마자 섬광이 발생했고, 1단 로켓 하단에서 파편이 떨어지기 시작했다. 점화 0.25초 후, 8번 엔진의 액체 산소(LOX) 터보 펌프에 금속 파편이 들어가면서 펌프가 파열되었다. 이로 인해 8번 엔진이 정지했고, 연쇄적으로 발생한 충격파는 주변의 추진제 라인을 절단하여 누출된 연료로 인한 화재가 발생했다.^[44] 화재는 T+10초에서 T+12초 사이에 다른 엔진들을 점차 정지시켰다. 자동 제어 시스템인 KORD는 비정상적인 압력과 펌프 속도를 감지하고 #7, #19, #20, #21 엔진을 추가로 정지시켰다. 원인을 알 수 없는 이유로 다른 엔진들도 정지했지만, #18 엔진만은 계속 작동했다. 결국 엔진 #18을 제외한 모든 1단 엔진이 정지하면서 로켓은 추력을 잃고 45도 각도로 기울어져 발사대로 다시 떨어졌다.^[56]

엔진 정지 순간(T+15초)에 발사 탈출 시스템이 작동하여 L1S-2 캡슐을 로켓에서 분리시켜 2km 떨어진 안전한 곳으로 옮겼다. 로켓은 T+23초에 발사대에 충돌하여 폭발했다. 약 2,300톤의 추진제 중 일부가 폭발하면서 거대한 폭발과 충격파를 일으켰고, 발사 단지 주변의 창문이 깨지고 파편이 폭발 중심에서 10km 떨어진 곳까지 날아갔다. 이 폭발은 레닌스크 시에서 35km 떨어진 곳에서도 보일 정도였다.^[60] 다행히 로켓에 실린 추진제의 약 85%는 폭발하지 않아 최악의 상황은 피했지만^[57], 이 사고는 역사상 가장 큰 인공 비핵 폭발 중 하나로 기록되었다.

사고 조사 결과, 8번 엔진의 터보 펌프가 파괴된 것이 직접적인 원인으로 밝혀졌다. 회수된 펌프에서는 화재와 용융 흔적이 발견되었다. 정확한 파괴 원인은 밝혀지지 않았지만, 압력 센서 조각이 떨어져 펌프에 끼었거나, 임펠러 블레이드가 케이싱과 마찰하며 발생한 불꽃이 액체 산소를 점화시켰을 가능성이 제기되었다. 당시 설계 책임자였던 바실리 미신은 펌프 회전자가 파괴되었다고 보았으나, 엔진 제작 책임자인 니콜라이 쿠즈네초프는 엔진 결함이 아니라고 주장했다. 결국 조사 위원회는 "이물질 유입"을 공식적인 사고 원인으로 결론 내렸다.

이 사고로 110번 동쪽 발사대는 완전히 파괴되었으며, 재건에는 18개월이 걸렸다. 사고 이후 N-1 로켓에는 연료 라인에 필터가 설치되었고, 발사 직후에는 KORD 시스템에 의한 엔진 정지를 일정 시간 동안 금지하는 방안이 논의되었다.^[54]^[58]^[59] 한편, 파괴된 발사 시설은 미국 정찰 위성에 의해 촬영되었고, 이를 통해 서방 세계는 소련이 달 탐사를 위한 거대 로켓을 개발하고 있다는 사실을 명확히 알게 되었다.^[54]

4. 3. 3차 시험 비행 (1971년 6월 26일)

세 번째 시험 비행은 일련 번호 6L 로켓으로 1971년 6월 26일에 이루어졌다. 이 로켓에는 더미 소유즈 7K-LOK (소유즈 7K-L1E No.1)과 더미 LK 모듈 우주선이 탑재되었다. 이전 발사의 실패 원인을 분석하여 몇 가지 주요 개선 사항이 적용되었다. 연료 라인에는 필터가 설치되었고, 엔진 구획에는 환기 장치와 냉각 장치가 추가되었다. 또한, 발사 직후 사소한 문제로 엔진이 정지되는 것을 막기 위해 KORD 비상 제어 시스템이 발사 후 50초까지는 엔진을 정지시키지 않도록 수정되었다.

그러나 발사 직후, 1단계인 블록 A의 엔진 후방에서 예상치 못한 와류와 역류(슬립스트림)가 발생했다. 이로 인해 로켓은 제어 시스템이 감당할 수 있는 범위를 넘어서는 통제 불능의 회전을 시작했다. KORD 시스템은 비정상적인 상황을 감지하고 1단계 엔진 차단 명령을 보냈지만, 50초 지연 설정 때문에 즉시 실행되지 않았다. 초당 6°로 시작된 회전은 급격히 가속되어 발사 39초 후에는 초당 거의 40°까지 빨라졌다. 이 때문에 관성 항법 시스템은 짐벌락 상태에 빠졌고, 발사 48초 후에는 과도한 구조적 하중으로 인해 로켓이 공중에서 붕괴되기 시작했다. 2단계와 3단계 사이의 중간 트러스가 비틀리면서 상단부가 분리되었다. 발사 50초 후, 마침내 엔진 차단 명령이 실행되어 1단계 엔진이 정지되었다.

상단 단계는 발사 지점에서 약 7km 떨어진 곳에 충돌했으며, 엔진 정지에도 불구하고 관성으로 계속 날아간 1단계와 2단계는 발사 지점에서 약 15km 떨어진 곳에 떨어져 커다란 충돌구를 만들었다.^[44] 이 로켓은 구조 시스템이 없는 더미 상단 단계를 가지고 있었다.^[54]^[61] 실패 원인은 엔진 자체의 문제가 아니라, 엔진 후방의 공기 흐름(슬립스트림)으로 인한 급격한 회전으로 결론 내려졌다.

이 실패 이후, 다음 로켓(7L)에는 회전 문제를 해결하기 위해 주 엔진의 배기 가스를 이용하는 대신 전용 스티어링 엔진을 갖춘 훨씬 강력한 안정화 시스템을 탑재하기로 결정되었다. 또한 엔진 제어 시스템도 대폭 개선되어, 센서 수를 기존 700개에서 13,000개로 늘릴 예정이었다.^[54]^[61]

4. 4. 4차 시험 비행 (1972년 11월 23일)

1972년 11월 23일 06시 11분 55초(UTC)에 발사된 4호기(일련 번호 7L)는 달 비행을 위한 소유즈 7K-LOK 우주선(No.1)과 모의 LK 착륙선을 탑재했다.^[62] 이전 3차 발사 실패 후 롤 회전 문제를 해결하기 위해 스티어링 엔진이 추가되었고, 3단에는 아날로그 KORD 시스템을 대체하는 S-530 디지털 제어 시스템이 처음으로 도입되었다.^[39]^[40]^[41]

발사는 바이코누르 우주 기지의 110번 서쪽 발사대(110/37번)에서 이루어졌으며, 초기 이륙 과정은 순조로웠다. 발사 90초 후, 최대 동압점 통과 시 로켓 구조물의 부담을 줄이기 위해 계획대로 중앙 엔진 6기가 정지되었다. 그러나 이 갑작스러운 엔진 정지는 연료 공급 라인에 강력한 수압 충격파를 발생시켰다. 이 충격으로 중앙 엔진으로 연결되는 연료와 산화제 파이프가 파열되었고, 누출된 추진제가 로켓 후미(보트테일)에서 화재를 일으켰다. 동시에 #4 엔진이 폭발했다.^[63]^[44]

로켓 1단은 발사 107초 후부터 분해되기 시작했으며, 110초에는 모든 원격 측정 데이터 전송이 중단되었다. 이는 N-1 로켓의 시험 비행 중 가장 긴 비행 시간 기록이었다. 비상 탈출 시스템은 정상적으로 작동하여 소유즈 7K-LOK 캡슐을 로켓 상단에서 안전하게 분리시켰고, 캡슐은 초원으로 추락했다.

사고 조사 결과, 중앙 엔진들의 동시 정지가 유발한 급격한 압력 변화(워터 해머)가 연료 라인을 파괴했으며, 누출된 추진제가 아직 뜨거운 엔진에 닿아 화재와 폭발로 이어진 것으로 결론 내려졌다. #4 엔진의 터보펌프 고장 가능성도 제기되었다. 1단 분리 예정 시각(T+125초)보다 불과 15초 전에 문제가 발생했기 때문에, 만약 지상 관제소가 이상 징후를 감지하고 즉시 1단을 수동으로 분리한 뒤 2단 엔진을 점화했다면 임무를 완수할 수도 있었을 것으로 보인다.^[63]^[44]^[41]

5. N-1F와 NK-33 엔진의 재조명

1974년 5월 소비에트 연방의 유인 달 착륙 계획이 공식적으로 중단되면서, 같은 해 8월 N-1 로켓 개발 역시 중단되었다.^[24]^[25] 당시 발사를 위해 개량 및 시험 비행을 준비 중이던 N-1F 2기(5호기, 6호기)는 폐기되었다. 이 N-1F 로켓에는 기존 NK-15 엔진 대신 개량된 NK-33 및 NK-43 엔진이 탑재될 예정이었다.

계획 책임자였던 미신은 유인 달 착륙 계획 취소 이후에도 즈베즈다 달 기지 건설과 같은 다른 임무에 N-1F를 활용하기를 희망하며 프로젝트를 이어가려 했으나, 1974년 글루쉬코로 책임자가 교체되면서 프로그램은 완전히 종료되었다. 발사 준비 중이던 두 대의 N-1F는 해체되었고, 그 잔해는 수년간 바이코누르 우주 기지 주변에서 발견되기도 했다. 이는 당시 소련이 미국과의 우주 경쟁에서 실패를 감추기 위해 의도적으로 로켓을 해체하고 경쟁이 계속되는 것처럼 보이려 했던 은폐 시도의 일환이었다. 이러한 사실은 글라스노스트 정책 이후에야 공개되었다.^[24]^[25]

N-1 로켓 자체는 신뢰성 문제로 실패했지만, N-1F를 위해 개발된 NK-33 및 NK-43 엔진은 매우 견고하고 신뢰성이 높은 것으로 평가받았다. 폐기 명령에도 불구하고 약 150기의 엔진이 파괴되지 않고 보관되었다. 1990년대 중반, 이 엔진들의 가치가 재조명되면서 러시아는 보관 중이던 엔진 36기와 생산 라이선스를 미국의 아에로젯 제너럴 사에 약 110.00000000000001만달러에 판매하였다.^[26]

미국의 키슬러 에어로스페이스 사는 이 엔진을 이용한 상업용 로켓 개발을 시도했으나, 발사 전에 파산했다. 아에로젯 제너럴은 오비탈 사이언스(현 노스롭 그루먼 이노베이션 시스템스)의 안타레스 로켓 1단에 사용하기 위해 NK-33 엔진을 AJ-26으로 개조했다. 안타레스 로켓은 AJ-26 엔진 2개를 1단으로 사용하여 초기 4번의 발사에 성공했지만, 5번째 발사에서 이륙 직후 폭발하는 사고가 발생했다. 조사 결과 NK-33/AJ-26 엔진의 터보 펌프 고장이 원인으로 지목되었다. 이전에도 지상 테스트 중 두 차례 엔진 고장이 있었던 점 등을 고려하여, 오비탈 사이언스는 AJ-26 엔진의 신뢰성에 문제를 제기하고 더 이상 사용하지 않기로 결정하였다.^[27]

러시아에서도 NK-33 엔진을 활용하려는 시도가 있었다. 2004년경 남은 엔진들을 사용하여 새로운 소유즈 3 로켓을 개발하려 했으나, 자금 부족으로 2005년경 프로젝트가 중단되었다.^[28]^[29] 하지만 이후 NK-33 엔진은 소유즈 2-1v 로켓의 1단 엔진으로 채택되었고, 2013년 12월 28일 성공적으로 첫 발사를 마쳤다.^[30] 실패한 달 탐사 계획의 유산이었던 NK-33 엔진은 오랜 시간이 흘러 다른 로켓의 핵심 부품으로 다시 사용되게 되었다.

참조

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