아폴로 사령기계선
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1. 개요
아폴로 사령기계선은 미국 항공우주국(NASA)의 아폴로 계획에 사용된 우주선으로, 사령선과 기계선으로 구성된다. 1960년대 초 존 F. 케네디 대통령의 달 착륙 목표 발표 이후 개발이 시작되었으며, 초기에는 블록 I, 이후 달 착륙 임무를 위해 블록 II가 개발되었다. 사령선은 승무원 탑승 공간, 도킹 장치, 낙하산 등을 갖추고 대기권 재진입 시 열을 흡수하는 내열 차단재를 사용하며, 기계선은 추진 로켓, 연료 전지, 통신 장비 등을 탑재하여 사령선을 지원한다. 아폴로 1호 화재, 아폴로 13호 산소 탱크 폭발 등의 사고가 있었지만, 아폴로 11호의 달 착륙 성공을 포함하여 여러 임무를 수행했다.
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| 아폴로 사령기계선 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 제조사 | 노스 아메리칸 에이비에이션 |
| 설계자 | 맥심 파게 |
| 국가 | 미국 |
| 운영 기관 | NASA |
| 용도 | 유인 시슬루나 비행 및 달 궤도 |
| 용도 | 스카이랩 승무원 수송 |
| 용도 | 아폴로-소유스 테스트 프로젝트 |
| 우주선 정보 | |
| 종류 | 캡슐 |
| 설계 수명 | 14일 |
| 탑재 용량 | 약 1,052kg |
| 승무원 | 3명 |
| 부피 | 약 6.17m³ |
| 크기 | |
| 길이 | 약 11m |
| 지름 | 약 3.9m |
| 궤도 정보 | |
| 궤도 | 저지구 궤도 |
| 궤도 | 시슬루나 공간 |
| 궤도 | 달 궤도 |
| 무게 | |
| 발사 질량 (지구 궤도) | 약 14,700kg |
| 발사 질량 (달) | 약 28,800kg |
| 건조 질량 | 약 11,900kg |
| 전력 공급 | |
| 전원 | 3 × 1.4kW, 30V DC 연료 전지 |
| 배터리 | 3 × 40 암페어-시간 산화은 전지 |
| 기타 정보 | |
| 상태 | 퇴역 |
| 제작 대수 | 35대 |
| 발사 횟수 | 19회 |
| 운용 횟수 | 19회 |
| 실패 횟수 | 2회 |
| 손실 횟수 | 1회 |
| 최초 발사 | 1966년 2월 26일 (AS-201) |
| 마지막 발사 | 1975년 7월 15일 (아폴로-소유스) |
| 마지막 퇴역 | 1975년 7월 24일 |
| 파생 | 오리온 (우주선) |
| 함께 비행 | 아폴로 달 착륙선 |
| 기계선 추진 시스템 | |
| 엔진 | 1 × AJ10-137 |
| 추력 | 약 91.19kN |
| 비추력 | 약 314.5초 |
| 연소 시간 | 750초 |
| 연료 | 사산화 이질소/에어로진 50 |
| 이미지 | |
 | |
2. 개발 역사
아폴로 사령기계선의 개발은 달 착륙 목표가 발표되기 전, 우주 비행사를 태운 첨단 우주선 개념에서 시작되었다. 3인승 우주선은 지구 궤도에서 사용될 예정이었으며, 승무원이 몇 주 동안 생활하며 작업할 수 있는 대형 가압식 궤도 모듈을 포함할 계획이었다. 이 모듈에서 우주 정거장과 유사한 활동을 수행하고, 이후에는 화물 운송에도 사용될 예정이었다. 이 우주선은 단일 새턴 V 로켓에 탑재되어 발사되는 접이식 회전식 우주 정거장인 프로젝트 올림푸스를 지원할 계획이었다.[2][3]
1961년 5월 25일, 존 F. 케네디 대통령이 1970년 이전에 달 착륙 목표를 발표하면서, NASA의 올림푸스 정거장 계획은 쓸모없게 되었다.[2][3] 1961년 11월 28일, NASA는 노스 아메리칸 항공과 최초의 아폴로 계약을 체결했을 때, 달 착륙은 달 궤도 랑데부 방식보다는 직접 상승 방식으로 예상되었다.[4] 따라서 사령선과 달 탐사 모듈(LEM)을 도킹하는 수단 없이 설계가 진행되었다. 그러나 달 궤도 랑데부 방식으로 변경되고, 일부 하위 시스템(예: 환경 제어)에서 발생한 기술적 문제로 인해 재설계가 필요하게 되었다. 1963년, NASA는 두 가지 버전으로 개발을 진행하기로 결정했다.[5]
- 블록 I: 초기 저궤도 지구 궤도 시험 비행에 사용될 예비 설계.
- 블록 II: 도킹 해치를 포함하고, 블록 I에서 얻은 교훈을 통합하여 달 탐사가 가능한 버전. 도킹 기능의 상세 설계는 그루먼 항공 엔지니어링에 계약된 LEM의 설계에 따라 달라졌다.
1964년 1월까지, 노스 아메리칸은 NASA에 블록 II 설계 세부 사항을 제시했다.[6] 블록 I 우주선은 모든 무인 새턴 1B 및 새턴 V 시험 비행에 사용되었다. 초기에는 2번의 유인 비행이 계획되었지만, 1966년 말에 1번으로 축소되었다. 이 임무는 AS-204로 지정되었지만, 비행 승무원에 의해 아폴로 1호로 명명되었으며, 1967년 2월 21일에 발사될 예정이었다. 그러나 1967년 1월 27일, 발사 예행 연습 중 객실 화재로 세 명의 우주비행사(거스 그리섬, 에드 화이트, 로저 채피)가 사망했다. 이 사고는 블록 I의 심각한 설계, 건설 및 유지 관리 결함을 드러냈으며, 이 중 상당수는 당시 건설 중이던 블록 II 사령선으로 이월되었다.
아폴로 204 검토 위원회의 조사 후, 유인 블록 I 단계를 종료하고 검토 위원회의 권고를 통합하도록 블록 II를 재정의하기로 결정했다. 블록 II는 수정된 CM 열 차폐 설계가 포함되었으며, 이는 무인 아폴로 4호 및 아폴로 6호 비행에서 테스트되었다. 최초의 완전한 블록 II 우주선은 최초의 유인 임무인 아폴로 7호에서 비행했다.
두 블록은 전체적인 크기 면에서 유사했지만, 여러 설계 개선으로 블록 II에서 무게가 줄었다. 블록 I 서비스 모듈 추진제 탱크는 블록 II보다 약간 더 컸다. 아폴로 1호 우주선은 약 약 20411.64kg의 무게가 나갔고, 블록 II 아폴로 7호는 약 16510.75kg의 무게가 나갔다. (이 두 개의 지구 궤도 우주선은 나중에 달로 간 우주선보다 가벼웠는데, 한 세트의 탱크에만 추진제를 싣고 있었고, 고이득 S-밴드 안테나를 탑재하지 않았기 때문이다.)
CSM 개발 및 생산된 유닛의 총 비용은 2016년 달러 기준으로 369억달러였으며, NASA 신규 시작 인플레이션 지수를 사용하여 명목 총액 37억 달러에서 조정되었다.[7][8]
3. 사령선
사령선은 아폴로 우주선의 세 부분(사령선, 기계선, 달 착륙선) 중 하나로, 승무원들이 머무는 공간이자 우주선의 제어실이다. 원뿔 모양을 하고 있으며, 직경 3.9m, 높이 3.2m이다.
사령선의 앞부분에는 2기의 자세 제어용 소형 로켓, 달 착륙선과의 도킹 장치, 환승용 터널, 그리고 지구로 귀환할 때 사용하는 낙하산이 있다. 뒷부분에는 10기의 자세 제어용 소형 로켓, 연료 탱크, 물 탱크, 기계선과의 연결 케이블 등이 있다.
사령선의 외벽은 주로 알루미늄 벌집 구조로 만들어졌다. 밑면에는 내열 차단재가 부착되어 있는데, 이는 대기권 재돌입 시 서서히 녹으면서 열을 흡수하여 선체가 파괴되는 것을 막는다.
사령선의 무게 중심은 중심축에서 약간 벗어나 있어서, 대기권 재돌입 시 약간 기울어진다. 이 때문에 발생하는 양력을 이용하여, 소형 반동 엔진을 분사해 선체의 각도를 조절하고 착수 지점을 조정할 수 있다.
사령선에는 8개의 낙하산이 장착되어 있다. 고도 7,300m에서 2개의 감속용 낙하산을 펼쳐 속도를 줄이고, 3,300m에서 감속용 낙하산을 버리고 3개의 주 낙하산을 펼쳐 최종적으로 감속한다. 주 낙하산 3개 중 1개가 펼쳐지지 않아도 안전하게 착수할 수 있는데, 아폴로 15호에서 실제로 그런 일이 발생했다.
사령선에는 12개의 자세 제어용 소형 로켓이 장착되어 있으며, 연료는 모노메틸히드라진, 산화제는 사산화 이질소를 사용한다. 이는 북한의 스커드 미사일, 노동 미사일과 같은 연료이다.
사령선에는 아폴로 유도 컴퓨터가 탑재되어 우주선의 항법과 제어를 담당했다.
출입구는 두 개가 있는데, 하나는 탑승용 해치로 중앙 조종석 상단에 있고, 다른 하나는 도킹용 해치로 기수 부분에 있어 우주비행사가 달 착륙선으로 이동할 때 사용된다.
거주 공간은 5.9m³ 크기로, 계기판, 조종석, 항법장치, 수납장, 폐기물 저장고, 도킹 터널 등으로 구성되어 있다. 조종석 전방에는 폭 2.1m, 높이 0.9m의 계기판이 세 부분으로 나뉘어 배치되어 있다. 왼쪽에는 속도, 자세, 고도 표시 계기와 주요 비행 제어 장치가, 중앙에는 항법 지도 제어 장치, 경고 표시, 시계, 환경 제어 장치, 기계선 엔진 및 자세 제어 로켓 조종 장치가, 오른쪽에는 연료전지, 전력, 통신 기기 표시 및 제어 장치가 있다. 주 계기판 좌우에는 보조 계기판이 배치되어 있다.
좌석은 철 파이프에 내화성 직물을 입혀 제작되었으며, 접을 수 있다. 좌석에는 완충 장치가 설치되어 착수 시 충격을 완화한다.
선내는 여섯 개의 구획으로 나뉘어 있으며, 항법 장비, 생존 키트, 산소 탱크, 수리 도구, 카메라 등이 보관되어 있다.
창문은 다섯 군데에 있으며, 다층 유리 구조로 자외선 등을 막는다.
선내 화장실은 없으며, 제미니 우주선과 같은 방식으로 배설물을 처리한다. 아폴로 10호에서는 대변 봉투가 제대로 밀봉되지 않아 선내에 대변이 날아다니는 일이 발생하기도 했다.[67]
3. 1. 사양
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 승무원 | 3명 |
| 선내 용적 | 6.17m3 (약 5946.54L3 생활 공간, 가압 약 10363.97L3) |
| 전고 | 3.47m |
| 직경 | 3.9m |
| 총중량 | 5806kg |
| 구조 질량 | 약 1564.89kg |
| 열 보호막 질량 | 약 847.76kg |
| RCS 엔진 질량 | 12 × 약 33.25kg |
| 회수 장비 질량 | 약 244.94kg |
| 항법 장비 질량 | 약 504.85kg |
| 원격 측정 장비 질량 | 약 199.58kg |
| 전기 장비 질량 | 약 698.53kg |
| 통신 시스템 질량 | 약 99.79kg |
| 승무원 의자 및 비품 질량 | 약 548.85kg |
| 환경 제어 시스템 질량 | 약 199.58kg |
| 기타 비상 질량 | 약 199.58kg |
| RCS | 12개의 93lbf 추력기 (쌍으로 발사) |
| RCS 추진제 | 모노메틸 히드라진(MMH)/N2O4|사산화 이질소영어 |
| RCS 추진제 질량 | 약 122.47kg |
| 식수 용량 | 약 14.97kg |
| 폐수 용량 | 약 26.31kg |
| CO2 스크러버 | 수산화 리튬 |
| 냄새 흡수제 | 활성탄 |
| 전기 시스템 배터리 | 3개의 40 암페어시 산화 은 전지; 2개의 0.75 암페어시 은-아연 화약 배터리 |
| 낙하산 | 2개의 약 5.03m 원추형 리본 드로그 낙하산; 3개의 약 2.19m 링슬롯 파일럿 낙하산; 3개의 약 25.45m 링세일 주 낙하산[15] |
4. 기계선
기계선은 여압되지 않는 직경 3.9m, 높이 7.5m의 원통형 구조물이다. 내부는 중앙과 그것을 방사상으로 둘러싼 6개의 외곽부로 구성되어 있는데, 추진 로켓, 자세 제어 로켓 및 연료, 산소, 연료 전지, 통신용 S 밴드 안테나 등이 배치되어 있다. 아폴로 15호, 아폴로 16호, 아폴로 17호에는 과학 탐사 장비도 탑재되었다.[1]
전방 덮개(forward fairing)는 높이가 864mm로, 기계선 컴퓨터, 사령선과의 결합 장치 등이 배치되어 있다. 결합 장치는 스테인리스강으로 제작되며 분리 시에는 폭발 볼트가 사용된다. 덮개의 한쪽에는 사령선과 연결되는 전선 및 호스들이 집중되어 있는 엄빌리컬 커넥터가 있으며, 분리 시에는 화약 발포식 길로틴에 의해 절단된다.
주 엔진은 높이 3.882m, 직경 2.501m로, 연료는 에어로진 50, 산화제는 사산화 이질소를 사용한다. 추력은 91.2kN이며, 달 궤도에 투입 및 이탈, 중간 궤도 수정 등을 수행한다. 추력 편향이 달려 있어 연소 시 기체의 자세를 유지한다. 자세 제어 로켓은 한 기당 추력이 445N으로, 네 개씩 묶어 90도 각도로 선체 둘레에 배치되어 우주선의 자세 제어 및 속도 조정을 수행한다. 연료는 모노메틸 히드라진, 산화제는 사산화 이질소이다. 4개의 자세 제어 로켓 몸체는 위에 있는 엄빌리컬 케이블의 손상을 방지하기 위해 반시계 방향으로 약간 틀어져 장착된다.
기계선은 6개의 구획으로 나누어져 있으며, 각 구획의 내역은 다음과 같다.
- 1구획: 주로 기계선의 무게 중심을 조정하기 위한 밸러스트로 사용된다. 아폴로 15~17호는 파노라마 카메라, 감마선 검출기, 고도계 등의 탐사 장비가 탑재되었고, 필름은 비행사의 선외 활동으로 회수되었다.
- 2구획: 높이 3.9m, 폭 1.3m, 무게 6315kg의 로켓 엔진 산화제 탱크가 배치되어 있다.
- 3구획: 높이 3.294m, 폭 1.14m, 무게 5118kg의 산화제 탱크가 배치되어 있다.
- 4구획: 연료 전지가 배치되어 있다. 290kg의 액체 산소가 저장된 산소 탱크와 25kg의 액체 수소가 저장된 수소 탱크가 있으며, 비행사 호흡용 산소도 여기서 공급된다.
- 5구획: 로켓 엔진의 보조 연료 탱크가 배치되어 있다. 총 연료량은 3950kg이다.
- 6구획: 로켓 엔진의 주 연료 탱크가 배치되어 있다. 총 연료량은 3201kg이다.
후방 격벽에는 S 밴드 하이게인 안테나가 배치되어 있다. 안테나는 직경 787mm의 파라볼라 안테나 4개와 한 변이 279mm인 사각형 안테나 1개로 구성되어 원거리 통신에 사용된다. 기계선 외벽에는 전방 조사용 조명이 설치되어 있어, 비행사의 선외 활동 시 발밑을 비추거나 랑데부 때 우주선 위치를 나타내는 데 사용되며, 100km 밖에서도 보인다.
기계선은 대기권 재돌입 직전까지 사령선에 결합되며, 분리 시에는 기계선의 자세 제어 로켓이 자동 분사되어 사령선에서 벗어나 먼저 대기권에 재돌입한다.
4. 1. 사양
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 전고 | 7.56m |
| 직경 | 3.9m |
| 총중량 | 24523kg |
| 구조물 중량 | 1910kg |
| 전자기기 중량 | 1200kg |
| 주 엔진 (SPS) 중량 | 3000kg |
| 주 엔진 연료 총중량 | 18413kg |
| 비추력(Isp) | 318s (3100Ns/kg) |
| 속도 변화 (Δv) | 2800m/s |
5. 사령·기계선 모델 일람표
2월 26일
8월 25일
4월 4일
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4월 4일
번호
10월 11일
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