SA-3
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1. 개요
SA-3는 새턴 I 로켓의 성능 시험을 위해 1962년 11월 16일 발사된 로켓이다. SA-3는 연료를 가득 채워 비행한 최초의 새턴 I 로켓이었으며, 하이워터 계획을 통해 우주 공간에 물을 살포하여 인공 구름을 만드는 실험을 수행했다. 이 비행에서는 역추진 로켓, 새로운 통신 시스템, 온도 측정, 열 차폐 단열재, 동적 압력 연구 등 다양한 기술적 시험이 이루어졌으며, 향후 아폴로 임무에 사용될 기술과 절차를 시험하는 데 초점을 맞추었다.
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| SA-3 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 개요 | |
| 임무 유형 | 시험 비행 |
| 운영자 | NASA |
| 임무 기간 | 4분 52초 |
| 발사일 | UTC |
| 발사 로켓 | Saturn I SA-3 |
| 발사 장소 | 케이프커내버럴 LC-34 |
| 파괴 | UTC }} |
| 파괴 사유 | 하이워터 계획 |
| 이전 임무 | Saturn I SA-2 |
| 다음 임무 | Saturn I SA-4 |
| 프로그램 | 아폴로 계획 |
| 프로그램 상세 | 무인 시험 |
2. 목적
SA-3 발사는 이전 SA-1과 SA-2 발사에 이어 새턴 I 로켓의 성능을 시험하는 것을 목적으로 했다. 이전 두 번의 발사와 달리 SA-3는 처음으로 로켓 연료를 가득 채우고 비행했다는 점이 특징이다(이전에는 연료 탱크 용량의 83%만 채웠다). 1단과 2단 분리 시 사용할 역분사 로켓의 성능 시험도 고려되었으나, 이번 발사에서는 2단이 모형이었기 때문에 실행되지 않았다.
NASA는 SA-3 발사를 통해 크게 네 가지 목표를 시험하고자 했다.
- 1단계 부스터(S-I) 및 H-1 엔진 성능: 추진 시스템, 구조 설계, 제어 시스템 등을 점검했다.
- 지상 지원 장비: 추진제 공급 시스템, 자동 점검 장비, 발사대, 지원 타워 등 발사에 필요한 시설과 장비의 성능을 확인했다.
- 비행 중 로켓 성능: 로켓의 공기역학적 특성(안정성, 성능 등), 엔진 추력과 비행 궤도의 정확성, 비행 중 로켓 구조물의 응력 및 진동 수준, 유도 및 제어 시스템의 정확성 등을 측정했다.
- 하이워터 계획: SA-2 발사에 이어 두 번째로 하이워터 계획을 실행했다. 자세한 내용은 #하이워터 계획 문단에서 다룬다.
NASA는 비행 중 일부 원격 측정(텔레메트리) 데이터 수신에 문제가 있었음에도 불구하고, SA-3 발사가 계획했던 모든 공학적 목표를 성공적으로 달성했다고 발표했다.
2. 1. 하이워터 계획
SA-2 비행에 이어 SA-3에서도 하이워터 계획(Project Highwater)이 실행되었다. 이 실험은 새턴 I 로켓의 모형 상단 단계(S-IV 및 S-V 모형)에 대량의 물을 실어 발사한 뒤, 높은 고도에서 폭파시켜 인공적인 구름을 만드는 것을 목표로 했다. 이를 통해 과학자들은 지구 전리층의 특성, 야광운의 형성 과정, 그리고 우주 공간에서 얼음이 어떻게 거동하는지를 연구하고자 했다.SA-3의 하이워터 계획을 위해 모형 상단 단계에는 약 약 87329.16kg(109000L, 약 22900USgal)의 물이 밸러스트(무게추 역할)로 채워졌다. 이는 향후 실제 새턴 로켓에 탑재될 페이로드의 질량을 모사하기 위한 것이기도 했다. 비행 중 예정된 고도에 도달했을 때, 원격 명령으로 로켓에 실린 프리마코드 폭약이 터지면서 모형 단계를 파괴하고 탑재된 물을 우주 공간에 순간적으로 방출시켰다.
이 과정은 지상과 항공기에 설치된 카메라 및 여러 관측 장비를 통해 추적되었다. 케이프 커내버럴의 지상 관측자들은 방출된 물이 얼어붙어 형성된 거대한 얼음 구름을 약 3초 동안 목격했으며, 그 크기가 "수 마일 너비"에 달했다고 보고했다.
NASA는 SA-3 비행의 주요 목표였던 1단계 부스터(S-I) 성능 시험과 더불어 하이워터 계획 역시 성공적으로 완수되었다고 발표했다. 하지만 비행 중 발생한 일부 원격 측정(텔레메트리) 데이터 수신 문제로 인해 실험 결과 분석에는 다소 불확실성이 남았다.
3. 비행 과정
SA-3의 목적은 SA-1부터 이어진 기체 성능 시험이었다. 이전 두 번의 비행과 달리, SA-3는 처음으로 연료를 가득 채우고 비행하는 것을 목표로 했다. 이전 비행에서는 연료 탱크 용량의 83%만 채웠었다.
SA-2와 마찬가지로 SA-3에서도 하이워터 계획이 실행되었다. 2단부에 109000L의 물을 탑재하여 우주 공간에 살포함으로써 인공적인 구름을 만드는 실험이었다.
발사는 1962년 11월 16일 17시 45분 02초(UTC)에 케네디 우주 센터 34번 발사대에서 이루어졌다. 발사 카운트다운 중 지상 지원 장비의 전력 문제로 45분의 지연이 있었다. 당시 미국은 쿠바 미사일 위기 직후의 긴박한 상황이었기 때문에 발사 현장을 방문하거나 견학하는 사람은 없었다.
SA-3는 약 약 340194.00kg의 연료를 가득 채우고 발사되었다. 로켓의 내부 H-1 엔진 4개는 발사 후 2분 21.66초, 고도 61.46km에서 연소를 멈췄고, 외부 엔진 4개는 2분 29.09초, 고도 71.11km에서 정지했다. 두 엔진 모두 예상보다 약간 더 오래 연소하여 로켓은 최고 속도 4046mph에 도달했다.
로켓은 발사 후 4분 52초 만에 최고 고도 167.22km에 도달했으며, 비행 거리는 211.41km였다. 최고 고도 도달 시, 통제 센터는 로켓에 종료 명령을 보내 탑재된 여러 개의 화약을 폭파시켜 모형 2단부를 파괴했다. 동시에 하이워터 계획에 따라 탑재된 물이 우주 공간에 살포되었으나, 지상에서 관측할 만한 큰 영향은 없었다.
1단계 로켓은 통제 불능 상태로 대서양으로 떨어졌으며, 발사 지점에서 약 약 434.52km 떨어진 해상에 충돌할 때까지 온전한 상태를 유지했다.
마셜 우주 비행 센터의 기술자들은 이번 비행을 통해 연료를 가득 채웠을 때의 느린 가속과 긴 연소 시간이 로켓에 미치는 영향에 대한 충분한 데이터를 얻을 수 있었다.
3. 1. 역추진 로켓 시험
SA-3 비행은 아폴로 하드웨어에 역추진 로켓을 처음으로 사용한 시험이었다. 이 역추진 로켓은 이후 임무에서 S-I 단과 S-IV 단을 분리하는 시스템의 일부로 사용될 예정이었으며, SA-3에서는 이 시스템 중 유일하게 실제로 작동하는 부분이었다. 4개의 작은 고체 로켓이 S-I 단 상단 주위에 90도 간격으로 배치되었고, 노즐은 위쪽을 향하도록 설치되었다.발사 후 2분 33.66초 시점에 역추진 로켓이 약 2.1초 동안 점화되었다. 그러나 로켓의 정렬이 약간 틀어져 있어, 이로 인해 발사체가 초당 4.3도 회전하는 현상이 발생했다. 이 회전의 영향으로 우주선에 탑재된 ST-90 및 ST-124P 관성 플랫폼이 15도 회전한 후 고장났다. NASA는 이 문제가 비행 과정에서 발생한 부수적인 현상으로 판단했으며, 임무의 전반적인 성공에는 영향을 미치지 않았다고 결론지었다.
4. 성과 및 의의
SA-3 발사는 1962년 11월 16일에 이루어졌다. 당시 미국은 쿠바 미사일 위기 직후의 긴장된 상황이었기 때문에 발사 현장에 많은 방문객이나 참관인은 없었다.
이번 발사는 새턴 I 로켓으로는 처음으로 연료를 가득 채우고 진행된 비행이었다. 이를 통해 로켓이 더 느린 가속도와 길어진 연소 시간에 어떻게 반응하는지에 대한 중요한 데이터를 확보할 수 있었다. 연료를 완전히 탑재한 덕분에 발사 4분 53초 후 고도 167km에 도달했으며, 이는 마셜 우주 비행 센터 기술자들에게 중요한 공학적 정보를 제공했다.
또한, 하이워터 계획(Project Highwater)의 일환으로 최고 고도에서 대량의 물을 우주 공간에 살포하는 실험이 진행되었다. 지상에서 얼음 구름이 잠시 관측되기도 했으나, 이 실험이 우주 환경에 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 확인되었다.
NASA는 일부 원격 측정 데이터 손실에도 불구하고, SA-3 비행이 설정된 모든 엔지니어링 목표를 성공적으로 달성했다고 발표했다. 특히 다양한 기술 시험들이 성공적으로 수행되어 새턴 로켓 개발 프로그램에 중요한 진전을 가져왔다.
4. 1. 기술적 시험
SA-3의 주요 목표는 이전 새턴 I 비행이었던 SA-1, SA-2와 유사하게 1단계 부스터(S-I)와 H-1 엔진의 성능을 시험하는 것이었다. SA-3는 특히 부스터, 지상 지원 장비, 비행 중인 발사체, 그리고 하이워터 계획(Project Highwater)이라는 네 가지 영역을 시험하는 것을 목표로 했다.- 부스터 시험: 추진 시스템, 구조 설계, 제어 시스템을 포함했다.
- 지상 지원 시험: 발사에 사용되는 시설과 장비, 즉 추진제 시스템, 자동 점검 장비, 발사대, 지원 타워를 점검했다.
- 비행 중 발사체 시험: 공기역학적 특성(안정성, 성능 등), 추진 시스템의 성능(정확한 속도 및 궤도 달성, 엔진 성능 데이터), 구조 및 기계적 스트레스/진동 수준, 유도 및 제어 시스템의 정확성 등을 측정하고 확인했다.
- 하이워터 계획: SA-2에서 처음 수행된 실험으로, 더미 상단 단계에 물을 채워 우주 공간에 방출하는 것이었다. 이는 과학자들이 지구 전리층의 특성, 야광운, 우주에서의 얼음 거동을 연구할 수 있도록 하기 위함이었다.
SA-3는 이전 두 번의 비행(연료 탱크 용량의 83%만 탑재)과 달리, 처음으로 연료를 가득 채우고 비행한 임무였다. 이를 통해 로켓이 더 느린 가속도와 길어진 1단계 비행 시간에 어떻게 반응하는지 시험할 수 있었다. 또한, 이전 비행처럼 정해진 시점에 엔진을 끄는 대신, 외부 엔진들이 로켓의 액체 산소(LOX)가 고갈될 때까지 연소하도록 허용되었다. 연료를 가득 채웠기 때문에 발사 4분 53초 후 고도 167km에 도달했으며, 마셜 우주 비행 센터의 기술자들은 이를 통해 중요한 데이터를 얻을 수 있었다.
하이워터 계획을 위해 SA-3의 더미 상단 단계에는 약 22900gal(약 87329.16kg)의 물이 채워졌다. 이는 미래 새턴 로켓 탑재체의 질량을 모방하기 위한 것이었다. 물은 두 개의 더미 단계에 나뉘어 탑재되었고, 최고 고도 도달 후 로켓에 종료 명령이 전송되자 프리마코드 폭약이 터지면서 두 단계를 분리하고 물을 즉시 방출했다. 이 실험은 지상 및 항공기의 카메라 등으로 추적되었으며, 케이프 커내버럴의 관측자들은 약 3초 동안 "수 마일 너비"의 얼음 구름을 보았다고 보고했다. 최고 고도에서 물을 살포했지만, 큰 영향은 관측되지 않았다.
SA-3 비행에는 향후 아폴로 임무에 사용될 기술과 절차에 초점을 맞춘 10가지 특별 시험이 포함되었다.
'''추진 시스템 관련 시험'''
- 역추진 로켓 첫 사용: 향후 임무에서 단 분리에 사용될 S-I/S-IV 단 분리 시스템의 일부인 역추진 로켓이 처음으로 사용되었다. 4개의 작은 고체 로켓이 S-I 단 상단에 90도 간격으로 장착되어 위쪽을 향했다. 발사 후 2분 33.66초에 약 2.1초간 점화되었다. 약간의 정렬 불량으로 인해 로켓이 초당 4.3도 회전했고, 이로 인해 우주선의 ST-90 및 ST-124P 관성 플랫폼이 15도 회전 후 고장 났으나, 임무 성공에는 영향을 미치지 않았다.
'''계측 장비 시험'''
- ST-124P 관성 플랫폼: 유도 및 제어 시스템의 프로토타입 구성 요소로, 자이로스코프와 가속도계를 포함했다. 이번 비행에서는 실제로 차량을 제어하지는 않았고(비활성 상태), 기존 ST-90 플랫폼과의 성능 비교를 위해 기능 및 모니터링만 수행되었다. 두 플랫폼 모두 S-I과 S-IV 사이의 인터스테이지에 위치했다.
- PCM 데이터 링크: 디지털 데이터를 전송하는 새로운 펄스 코드 변조(PCM) 송신기가 시험되었다. 이는 향후 자동화된 우주선 점검 및 발사 절차에 필수적이었다. 높은 신호 강도로 작동하여 정확한 데이터 제공 가능성을 보였다.
- UHF 무선 링크: 초고주파(UHF) 무선 링크가 시험되었다. 이는 저주파수로는 효과적으로 전송할 수 없는 센서 측정값을 보내는 데 사용될 예정이었다. 시스템은 만족스럽게 작동했다.
- 블록 II 안테나 패널: 추진제 탱크 사이에 위치한 새로운 블록 II 안테나 패널이 시험되었으며, 기존 블록 I 패널보다 더 강력하고 일관된 신호 강도를 제공했다.
- 온도 측정: S-IV 더미 단과 인터스테이지 페어링의 온도를 18개의 열전대로 측정했다. S-IV 단의 온도는 예상 범위 내였으나 열 전달률은 예상보다 높았다. 인터스테이지에서는 역추진 로켓 발사 중 최대 315°C의 온도가 관찰되었는데, 이는 비정상적으로 높은 수치일 가능성이 제기되었다.
'''엔지니어링 및 지상 장비 시험'''
- 블록 II 열 차폐재: 새로운 블록 II M-31 열 차폐 단열재 패널 하나가 1단계 기저부 엔진 근처에 장착되어, 기존 재료와 비교하여 열 플럭스를 측정했다.
- 센타우르 동적 압력 연구: 센타우르 프로그램의 실패 원인 규명을 돕기 위해, S-V 단 상단 페이로드 어댑터에 알루미늄 패널 2개와 압력 센서 11개를 장착하여 동적 압력을 연구했다. 테스트 결과, 로켓이 마하 0.7일 때 어깨 부분 바로 뒤에 매우 낮은 압력 영역이 형성되는 것이 확인되었다.
- 신규 지상 설비 사용: 미래의 블록 II 새턴 I 비행을 준비하기 위해, 새로운 약 73.15m 높이의 엄빌리컬 타워와 블록 II 스윙 암이 처음으로 사용되었다.
NASA는 비행 중 일부 원격 측정 데이터 손실 문제에도 불구하고, SA-3 비행의 모든 엔지니어링 목표를 달성했다고 발표했다. 하이워터 계획 역시 성공으로 선언되었지만, 원격 측정 문제로 인해 결과의 신뢰성에 대해서는 일부 의문이 제기되었다.
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