새턴 로켓
'''Saturn''' (rocket family)
1. 개요
'''새턴 로켓'''은 베르너 폰 브라운를 위시한 NASA가 아폴로 계획을 위해서 만든 거대한 로켓이다.
원래는 20호까지 계획됐던 아폴로 계획이 축소되어 17호에서 끝남에 따라, 남은 새턴 로켓들은 미국의 우주정거장 실험인 스카이랩 계획에서도 쓰였으며, 이전의 아틀라스, 타이탄 로켓이나 소련의 R-7 로켓이 본래 ICBM에서 시작했던 것과 달리 새턴 로켓은 처음부터 우주발사체 전용으로 개발되었다.
2. 상세
달 탐사용도로 만들어진 로켓치곤 지나치게 크고 강한데 원래 베르너 폰 브라운의 목표가 화성이었기 때문이다. 참조[1]
대한민국에서 출간된 서적 중에는 간혹 SATURN을 번역해버려서 토성 로켓으로 표기하는 경우도 있다. 고유명사는 번역없이 그대로 사용해야한다. 가령 버거킹의 Whopper는 와퍼라고 부르지 엄청 큰 것이라고 번역하지 않는다. 물론 요즘 나오는 책들은 안 하지만, 옛날 책을 보다가 "토성 로켓"이 나온다고 토성 탐사용 로켓이라고 이해하지 않도록 주의해야 할 것이다.
역사적인 의의로나 외형으로나 지금까지도 많은 우주덕들의 심금을 울리는 발사체이다. 게다가 안전성 역시 간과해서는 안 되는 것이, 새턴 V 로켓은 총 13번 발사되어 단 한번도 실패한 적이 없다.[2] 물론 발사중 잔고장을 일으킨적이 은근 있긴 하지만 모두 큰 문제 없이 해결되었다.[3]
여러 가지 모델이 계획되었으나 실제 사용된 것은 시험용인 새턴 I, 실용형인 새턴 IB와 새턴V 세 가지 모델뿐이다. 2단식 로켓인 새턴 IB는 아폴로 우주선을 지구 궤도로 보내는 데 사용되었으며, 아폴로 5호(무인), 아폴로 7호, 스카이랩 2호/3호/4호, 아폴로-소유즈 도킹 프로그램에 사용되었다.
3단식 로켓인 새턴V는 아폴로 우주선을 달로 보내는데 사용되었으며, 아폴로 4호/6호(무인), 아폴로 8호부터 17호까지, 그리고 스카이랩 우주 정거장의 발사에 사용되었다. 새턴 V는 높이 111m(363 피트), 핀을 제외한 지름은 10m(33 피트), 그리고 연료를 가득 채울 시 2,950톤(650만 파운드)의 중량에 최대 적재량도 118톤(26.1만 파운드)이나 되어 최소 41톤(9만 파운드)는 보장했다. 이후 140톤(31만 파운드)으로 적재량이 늘어났고 48.6톤(10.71만 파운드)짜리 우주선을 지구 저궤도로 쏘아 올렸다. 이는 자유의 여신상이나 영국의 빅벤보다 15m 이상 높다. 이 거대한 로켓의 메인이라 할 수 있는, 총 5개의 F-1 엔진으로 이루어진 1단의 출력은 무려 '''1억 6천만 마력'''으로, 총중량 2800톤의 거체를 발사 2분 40초 후 분리하기까지 2,700m/s, 약 9920km/h까지 가속시키는 무지막지한 물건이다. 새턴V의 이러한 압도적인 출력과 수송력은 구 소련이 에네르기아 발사체를 개량한 불칸 발사체로 이 기록을 깨려고 했지만 소련이 망하면서 없던 일이 되었다. 따라서 아직도 사상 최대의 출력원과 수송능력으로 남아있다. 또한 아폴로 및 스카이랩, 소유즈-아폴로 미션에 이르기까지 발사 실패가 전무하다. 로켓의 발사 성패는 엔진의 신뢰성이 좌우한다고 해도 과언이 아니다. 물론 2단과 3단 또한 안정적이었으므로 실패가 없었겠지만, 1단에 쓰인 F-1 엔진은 그 괴물같은 추력과 규모를 감안하면 대단한 경지. 새턴 로켓으로 발사한 아폴로 13호가 중간에 사고가 나서 임무에 실패하고 간신히 살아돌아온 사례는 있지만, 이건 기계선 자체의 결함 때문이지 새턴 로켓과는 무관하다.
이 로켓은 각 부품마다 테스트하는 것이 아닌 전체를 결합하여 더욱 효율성 높은 테스트를 진행했다. 이후 NASA는 1963년 아폴로 프로그램에 새턴 V 사용을 허가를 최정 결정하게 된다. 여기서 폰 브라운의 팀은 이전의 로켓보다 트러스트를 높이고 더욱 단순한 디자인을 적용하여 신뢰도를 높이는데 주력한다. 그리고 이 시점에 폰 브라운은 신형 로켓에 다중 엔진 탑재 설계를 하기로 결정하게 된다. 그리하여 폰 브라운의 지도로 엘리바마 헌츠빌 마샬 우주비행 센터에서 개발되었고 이어서 보잉, 노스아메리칸, 더글러스, IBM이 제작을 담당하게 된다.
가끔 덜떨어진 음모론자들이 "당시의 미국 과학 기술력으로는 인간을 달에 보내는 것이 불가능하다."고 주장하는 경우가 있는데, 그에 대한 가장 확실한 반론 중의 하나가 바로 이 새턴 V 로켓이다. 위에도 설명이 되어 있지만 2018년 현재까지 그 어떤 나라의 그 어떤 우주발사체도 미국의 1960년대 로켓 추력 수준을 넘어서지 못했다. 2018년 현재 대한민국이 개발하고 있는 한국형 발사체 KSLV-II 누리 로켓이 75톤급 엔진 4개를 묶어 총 300톤의 추력을 낼 계획인데,[4] 무려 1960년대 미국이 개발하고 주구장창 발사했던 새턴 V 로켓의 추력이 F-1 엔진 5개를 클러스터링 해서 약 3460톤 이다.
당대의 달 탐사 경쟁자였던 소련의 N1 로켓조차도 형편없는 1단 구성 때문에 대기권도 못 뚫어보고 번번이 실패했다. 미국의 F-1 엔진만큼 신뢰도 높은 초대형 엔진을 구현하지 못한 소련은 보통의 엔진을 무려 30개나 다는 방법으로 1단을 만들었는데, 엔진이 많아질수록 거기에 이어지는 연료라인과 부품 구성은 복잡해지고, 그 난잡한 구성 탓에 한 곳만 문제가 생겨도 연쇄작용이 일어나... 4회의 발사 모두 5단 중 1단 분리도 못해봤다. 새턴 로켓이 파괴적인 출력으로 대기권을 벗어날 동안 N1 로켓은 그냥 파괴되었다.[5]
3. 상세
3.1. S-1C
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S-1C 1단 로켓은 가장 밑에 위치한 로켓으로 보잉에서 제작했다. 중량 2,000톤(440만 파운드)에 높이 42 m(138 ft), 지름 10 m (33 ft), 그리고 33,000 kN(3,450톤힘)의 추력을 발휘하여 로켓을 61 km (38 mi)의 고도로 보내는 걸 담당한다. 이 스테이지의 엔진은 5개의 F-1 엔진이 각각 십자 형태로 배치되어 있고 중앙에 엔진 하나가 고정, 나머지 4개의 엔진은 유압으로 기울이는것이 가능하여 로켓의 자세를 조정하는 역할을 하게된다.
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이 S-1C는 트러스트 구조물이 가장 무거운 컴포넌트인데 이게 21 t (46,000 lb)의 무게에 4개의 고정 장치가 추력이 생기기까지 로켓을 이륙하지 못하도록 잡아준다. 이 알루미늄 포징은 미국에서 가장 큰 것 중에 하나였다. 그리고 4개의 자세안정 날개는 2,010 °F, 1,100 °C를 견딜수 있다.
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트러스트 구조 위에는 연료탱크가 위치했는데 770,000 L (770 m3; 27,000 cu ft)의 RP-1 연료가 들어갔고 탱크의 중량만 해도 11 t (24,000 lb)에 7,300 L/s (7.3 m3/s; 260 cu ft/s)의 연료 분사가 가능했다. 질소는 탱크 내부에 사용되었는데 이는 연료 혼합이 되도록 발사전까지 주입되었고 비행시는 헬륨으로 압력을 형성하여 연료에 압력을 가한다. 여기서 헬륨은 산소 탱크 바로 위에 위치했다. 그리고 연료 탱크와 액체 산소 탱크 중간에 인터탱크가 위치했다. 여기서 액체 산소 탱크는1,305,000 L (1,305 m3; 46,100 cu ft) 리터의 액체 산소(LOX)를 저장했는데 여기서 특수한 설계를 하게 된다. LOX는 엔진으로 향하기 위해서는 파이프가 일자로 되어 있어야하고 이는 연료 탱크 내부를 지나야한다는 점이다. 이를 위해 연료 탱크에 5개의 구멍이 필요했다.
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2개의 고체로켓이 4개의 콘 모양의 엔진 내부에 위치했고 S-IC가 분리 할때는 이 고체로켓들이 점화되어 분리된 1단을 밀어내게 된다. 이후 S-II(2단) 엔진이 점화된다. 또한 ODOP 수신기를 탑재, 지상에 각종 초기 정보를 가져다준다.
3.2. S-II
2단 로켓은 노스아메리칸 항공기에서 제작했다. 이 스테이지는 액체 수소(LH2)와 액체 산소(LOX)를 혼합하여 5개의 J-2 엔진에 공급한다. 출력은 1,000,000 lbf (4.4 MN).
S-II은 12월 1959년에 개발 지시가 떨어졌는데 고 트러스트에 액체 수소를 연료로 사용하는 엔진 개발에 착수하면서이다. 여기서 로켓다인이 J-2 엔진 개발을 하게되고 노스아메리칸이 수주를 받아 시일비치 캘리포니아에서 정부가 건설한 생산 공장이 완공된다. S-II은 총 중량 481톤에 무게의 7.6%만이 하드웨어이고 나머지 92.4%는 전부 액체 수소와 액체 산소의 중량이었다. 그리고 이 스테이지도 첫번쨰 스테이지와 마찬가지로 중앙 엔진은 고정되어 있고 나머지 4개의 엔진을 기울이는것으로 자세를 조정하는 역할을 한다. 여기서는 인터탱크(탱크를 사이에 있는 빈 탱크) 대신 벌크헤드를 사용하여 위는 LOX 탱크, 밑은 LH2 탱크를 배치한다. S-II는 2장의 알루미늄 시트가 레신으로 만든 허니컴으로 분리되어있는 더블 스킨 구조를 적용, 두 탱크 사이에서 126 °F (70 °C)의 온도차를 구현했다.
여기서 LOX 탱크는 타원형의 컨테이너로 지름 10 m, 높이 6.7 m에 83,000 US gallons (310 m3), 총 789,000 lb (358 t)의 액체산소를 탑재했다. 이 타원형 컨테이너는 게임 그래픽의 폴리곤처럼 12 고어라고 불리는 삼각형 섹션을 용접, 그리고 2개의 원형 면적을 상당과 하단에 용접했다. 여기서 고어는 211,000 리터의 물을 수중 폭발 가공으로 모양을 만들었다.
LH2 탱크는 6개의 실린더로 구성되어 있고 그중 5개는높이 2.4 m에 6번째 실린더는 높이 0.69 m이다. 여기서 가장 큰 문제는 바로 단열재인데, 액체 수소는 423 °F, 20.4 K, 252.8 °C보다 20도 더 높은 기온에서 유지 되어야한다는 조건이다. 그렇기 때문에 단열재가 엄청 중요한데 처음 설계는 잘되지 않았고 거기에 더해서 에어포켓이나 붙는 특성도 안좋았다. 우선 단열재로 허니컴을 사용했지만 문제는 해결되지 않았고 최종으로 스프레이를 뿌리는 방식으로 변경했는데 덕분에 중량도 낮추고 제작 기간 단축, 에어포켓 문제도 완벽히 해결하게 된다. LH2 탱크는 260,000 US gallons (980 m3)의 적재량을 갖춰 153,000 lb (69 t)의 액체 수소를 탑재한다. 그리고 S-II은 특이하게도 수직으로 놓은 채 제작되었는데 이는 용접과 원형 모양을 최대한 알맞은 모양으로 만들기 위해서이다.
3.3. S-IVB
3번째 스테이지로 새턴 IB 로켓의 2번째 스테이지를 재활용하고 더글라스 항공 회사에 발주를 했다. 이 스테이지는 J-2 로켓 엔진 하나만을 장착했는데 아폴로 계획에서는 2번 재점화를 한다. 첫번째는 지구 궤도에 들어가기 위해서. 2번째는 달로 가기 위한 속도를 얻기 위해 점화된다.
S-IVB는 공허중량 13.5톤, 만재중량 123톤으로 다른 스테이지와 마찬가지로 주엔진의 추력 편향으로 자세를 제어한다. S-IVB는 2가지 종류가 있는데 200 시리즈랑 500 시리즈가 있다. 200 시리지는 새턴 IB에 쓰였으며 3개의 고체 로켓이 단분리시 점화된다. 500 시리즈에 비해 엔진의 추력이랑 연소시간이 짧다. 500 시리즈는 2개의 고체 로켓이 단분리시 점화되며 추가적으로 2개의 APS[6]가 달려있다. 연소 시간은 200 모델은 8분, 500모델은 8분 30초이며 2번의 연소가 행하여진다. 첫번째 연소는 지구 궤도를 마저 만들기 위해 연소되며 두번째 연소는 달에 향하는 궤도에 오르기 위해 실행된다.
참고로 이 S-IVB는 초기에는 연소가 끝나고 아폴로로부터 분리된 뒤에 APS의 남는 연료를 이용하여 태양 주회 궤도에 오르도록 되어있었다. 하지만 아폴로 12호때는 연소 시간이 모자라 완전한 태양주회궤도에 오르지 못하고 일정 주기마다 지구 궤도랑 태양 궤도를 오가게 되었다. 어느 아마추어 천문학자가 아폴로 12호의 S-IVB를 발견하고 지구 궤도를 오가는 소행성이라 생각하고 J002E3이라는 이름을 붙였지만 나중에 분광 스팩트럼 분석을 해본 결과 새턴 5의 페인트 성분이 검출되어 버려진 로켓이라는 결과가 나왔다. 추후 미션에는 달에 인공지진을 일으키기 위해 달 표면에 충돌시켰다.
3.4. 새턴 V 제어 유닛(IU)
이건 바로 새턴 V의 두뇌. 즉 컴퓨터이다. 이 유닛은 유도 시스템, 디지털 컴퓨터, 아날로그 비행 컨트롤 컴퓨터, 비상 탐지 시스템, 관성 유도 플랫폼, 가속도계 제어 및 자이로스코프[7] 의 가 탑재된다. 납품 업체는 IBM이고 플랫폼은 밴딕스 주식회사, 디지털 컴퓨터는 IBM이 설계했다.
새턴의 발사 시퀀스는 미션에 따라 달랐지만 우선 모든 로켓은 지상을 우선 벗어나야 한다는 공통점이 있다. 그렇기에 엔진 점화를 더욱 부드럽게 컨트롤하고 트러스트를 만들기 위하여 고정 암을 4군데에 설치하여 충분한 출력이 발생될 때까지 로켓을 고정했다.
이후 컴퓨터로 자동화된 명령어를 통하여 암을 해제시킨 이후 치우고 LVDC(Launch Vehicle Digital Computer)가 롤을 명령하여 피치 기동을 한 뒤 원하는 방위각으로 로켓 방향을 조절했다. 롤 및 피치 명령은 저장된 프로그램에 의해 제어되었으며 네비게이션 시스템과는 독립적인 시스템이었다. 그리고 이 명령은 시간에 따라 명령어를 지시하는 단순한 방식이다.
우선 첫 스테이지는 IU가 연료가 다했다는 신호를 받으면서 분리를 한다. 2단과 3단 스테이지의 점화 지령은 시간과 네비게이션에 따라 최소의 연료를 사용하면서 최적의 궤도를 따라가기 위한 것이다.
2번째 스테이지는 첫 스테이지와 마찬가지로 IU가 연료 신호를 받고 분리시킨다. 이 시점에서는 이미 비행체가 적절한 궤도의 고도에 도달했기에 3번 스테이지를 점화, 달로 가기 위한 궤도로 수정한다.
여기서 달에 가기 전에 지구의 궤도를 2-4번 왕복하는데 이는 항공기가 활주로에서 중요한 장치를 점검하는 것 처렁 달로 가기전 각종 장치의 점검을 한다. 그리고 지상에서 위성 안테나가 미국, 스페인, 오스트레일리아의 3군데에서 비행체가 지구 궤도 어디에 있던 추적하여 위치와 속도를 측정한다. 여기서 분석한 데이터는 유도 시스템에 보내져 우주선에 장착되어 있는 지령 컴퓨터 모듈에 보내지고 달, 지구, 비행체가 최적의 항적 궤도에 있을 때 3단 로켓이 재점화를 하여 달로 가는 궤도를 타서 달로 가게 된다. 여기서 궤도로 진입을 하면 이제 로켓에서 달 탐사 우주선을 빼서 도킹과 최종 분리를 진행한다. 이 작업은 비행사들이 하지만 IU는 로켓이 그동안 안정된 비행을 하도록 한다. 도킹 작업은 꽤나 단순하면서 난이도가 높은데 우선 위에 위치한 로켓이 CSM 사령/서비스 모듈을 빼낸다. 이후 CSM이 보조 로켓을 이용하여 180도 회전한후 달 착륙 장비인 LM과 도킹을 한다. 그리고 최종적으로 이 LM을 빼내면서 작업이 완료된다.
여기서 IU의 마지막 임무는 로켓을 달 탐사 우주선과 충돌하지 않도록 제어하는 역할이다. 아폴로 11호의 경우 이 로켓은 달의 궤도에 들어가 지금도 자전하고 있다고 한다. 이후는 달표면에 충돌하는 방식을 택하게 된다.
4. 엔진
4.1. F-1 엔진
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1단 엔진인 F-1 엔진은 대형 연소실과 벨, 그리고 인젝터 연료 분사 플레이트가 상단에 위치하고 RP-1(등유)와 액체 산소(LOX)이 고압으로 2,816개의 구멍으로 분사된다. 인젝터 위에는 LOX 돔이 위치하는데 바로 추력의 힘을 엔진에서 로켓의 구조로 전달하여 부하를 덜어주는 역할을 한다. 싱글 샤프트 터보 펌프는 연소실 바로 옆에 위치하고 이 터보 펌프의 터빈은 하단에 위치한다. 이 터빈은 가스 생성기에서 RP-1과 LOX를 혼합 연소하여 만들어진 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하고 이후 이 가스는 히트 익스체인저를 통과한후 노즐을 둘러싼 매니폴드를 통하여 엔진 벨에 주입된다. 여기서 마지막으로 고온의 가스가 냉각하여 노즐 연장을 녹여버리지 않게 한다.
터빈 바로 위에는 연료 펌프가 있는데 터빈과 연료 펌프는 같은 축으로 연결되어 있다. 연료 펌프는 두개의 입구와 출구가 있는데 펌프가 연료를 압축하여 고압 연료를 형성, 여기서 섯-오프 밸브에 보내지고 인젝터 플레이트로 최종 보내져 분사된다.
여기서 가스 생성기로 연료가 보내져 발화하게 된다. 또 따로 RJ-1 연료를 주입, 엔진에서 윤활제와 유압으로 사용된다.
터보 펌프 축 위에는 LOX 펌프가 장착되어 있는데 구조나 작동 방식은 이전에 설명한 연료 펌프와 동일하다.
연소실과 엔진 벨 내부는 수많은 파이프가 연료를 공급하는 역할을 한다. 이는 연소실과 벨 구조를 냉각시켜주면서 연료는 미리 가열시킨다. 점화 제대로 이루어지도록 고압 연료 회로에는 유체 카트리지가 장착되어 있고 인젝터 플레이트의 면에 분사 지점과 양쪽 끝 부분에 점화 다이어프램이 있다.
이 연료는 트라이에틸보론과 15%의 트라이에틸알루미늄으로 이루어져 있는데 자연 발화성 물질이기에 액체 산소와 접촉하면 점화가 가능하다.
발사 8.9초 전에는 자동 시퀀서가 신호로 엔진 내의 4개의 스파크 플러그를 작동시킨다. 여기서 2개의 스파크 플러그가 노즐 연장 내부에 위치, 터빈 가스를 점화시킨다. 나머지 두개는 가스 생성기에서 연소를 위한 점화를 한다. 여기서 스파크 플러그는 링크를 태우고 이 링크는 전기 신호를 발생, 솔리노이드를 동작시킨다. 이 솔리노이드를 작동하기 위해서는 LOX 밸브로 부터 유압이 발생해야 하며 LOX는 LOX 펌프로 들어가 펌프를 서서히 작동시킨다. 이후 LOX는 인젝터로 들어간후 연소실에 진입한다. LOX 밸브 개폐는 또다른 밸브가 연료와 LOX를 가스 생성기에 주입하도록 열리게 하고 여기서 발화되어 발생한 배기가스는 터빈을 가속시킨다. 이를 통해 연료와 LOX의 압력이 터빈이 돌면서 높아지게 되고 배기가스는 엔진벨 내부에서 점화하게 되는데 엔진의 백파이어 현상이나 울컥 거림을 방지하는 게 목적이다. 높아진 압력은 발화 연료 밸브를 개폐하게 되고 연료 유압이 점화 카트리지에 도달하게 되면서 카트리지가 즉시 파열된다. 이후 최종적으로 TEA/TEB 유체가 포트를 통하여 챔버에 투입, 챔버에 있는 LOX와 접촉하면서 자연 발화하게 된다.
실제 새턴V 로켓에 장착해 실제로 발사할 때는 다른 인접 엔진에서 나오는 열기로부터 섬세한 엔진부품 들을 보호하기 위해 새턴 발사체 조립공장에서 엔진 전체를 인코넬 내열 합금의 금속박으로 꼼꼼하게 감싸서 사용하기 때문에 무수한 파이프들이 다 드러나 있지 않고 마치 공사용 천막 등으로 전체를 동여맨 것처럼 보이므로 보통 박물관이나 엔진 단독 사진 그림 등에는 보이는 모양과 다소 달라보인다.
4.1.1. 부활?
'''F-1 엔진이 워낙 잘 만든 엔진이라''' 이 엔진의 제조사인 프랫&휘트니 로켓다인은 NASA의 새로운 우주발사체인 SLS(Space Launch System)의 부스터에 입찰했다. 부스터 하면 보통 스페이스 셔틀에 적용된 고체부스터를 떠올리나 고체부스터는 한번 연소가 시작되면 끌 수가 없다. P&W는 이를 어필하면서 입찰한 것이다. 문제는 당시 NASA와 로켓다인은 심각한 데드라인에 직면해 있어서 관련 자료를 대충 만들고, 일일이 수작업과 예술에 가까운 용접으로 붙여 만든지라 이런 초대형 액체로켓엔진에 대한 정확한 자료와 실무 경험이 없는 후대 직원들이 쩔쩔맸다고. 일례로, 이 F-1 엔진의 노즐 안쪽 깊은 곳에는 로켓연료와 액체산소를 연소실 안으로 분사해주는 수백 개의 인젝터 구멍이 나 있는데, '''제작 당시 이 구멍들을 일일이 손수 뚫었다!'''
NASA의 우주센터에 보관돼있던 한 F-1 엔진의 인젝터에는, 작업자가 빗나간 위치에서 구멍을 뚫다가 잘못을 깨닫고 정위치에 다시 뚫었던 흔적이 남아있다. 부품 하나하나 사람 손길이 많이 들어갔음을 보여주는 예.
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결국 보존되어 있던 예비 엔진들을 조심스럽게 분해해서 레이저 스캔을 떠 복제한 다음 발전된 재료공학과 유체해석 소프트웨어 등을 적용해서 F-1A[8]를 개량한 F-1B를 만들어 냈다. 내용을 다룬 칼럼 원문을 링크한다. 젊은 기술자들이 자신들의 두 배 나이에 해당되는, 깊이 잠든 기술이었던 이 F-1엔진을 21세기에 와서 되살리는 스토리가 궁금하다면, 영어의 압박을 이겨내고서라도 볼 만한 글. 위에 나온 노즐 인젝터 사진과 함께, 60년대 제작 당시 수작업으로 여기저기 붙이고 갈아낸 엔진의 모습을 찍은 사진들도 보인다. # #
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60년대에 설계된 F-1엔진의 연소실과 다공 외벽 노즐은 5600여개의 부품으로 이루어져 있었으나, 그간 발달된 재료공학과 유체역학, 설계 기술 등을 적용한 F-1B의 동일 파츠 부품 수는 겨우 40여개. 당시에 엔진을 개발했던 방법이 만들어보고→측정해보고→원하는 스펙인가→다시 만들고 의 반복이었다고 한다. 현재 뭔가를 개발할 땐 실물을 만들어보기 전에 최대한 컴퓨터 가상 설계와 계산을 통해 개발비를 줄이려는 걸 생각해보면... 국책사업으로 1964년부터 73년까지 당시 금액으로 65억 달러를 들이부은 로켓의 위엄. 돈 얘기가 나왔으니 여담으로, 제작과 발사과정을 포함한 1969년도의 새턴V 로켓 한 대의 당시 비용이 1억 8천 5백만 달러, 60년대 금액이라 감이 잘 오지 않으니, 물가상승률을 대입해서 2015년 기준으로 금액을 환산해보면 미화 11억 9천만 달러라고 한다. 우리한테 감이 더 잘 오는 단위로 바꿔보면, 1,100원 환율 기준으로 우리 돈 1조 3천여억 원이다. 나로호가 한 대 제작해서 쏘는데 2천여억 원 가량 들었다고 하는데 참고로 저건 한 기 발사비용이고 전체 프로젝트의 비용은 당시에 64억 달러, 현재 410억 달러. 우리 돈으로는 45조 원에 달한다.
다만 SLS의 개발순서에 약간의 변동이 일어나면서 F-1B 엔진을 이용한 Pryos 부스터가 SLS에 채용될지 여부는 당장 알 수 없게 되었다. NASA 관계자들의 말을 들어보면 SLS 블록2부터는 고체부스터가 아닌 액체부스터를 이용할 것으로 보이기는 하는데 프랫휘트니의 F-1B를 이용할지 아니면 다른 엔진(예를 들면 블루오리진의 액체메탄 엔진)을 이용할지는 미지수다.
4.2. J-2 엔진
2단과 3단에 사용되는 엔진인 J-2 엔진에서는 추력 연소실과 벨은 스테인레스 스틸 튜브로 납땜하여 일체화되어 있다. 액체화 수소는 펌프를 통하여 튜브로 흘러들어가서 추력 연소실을 냉각하는 기능을 하고 액체 연료를 가스로 바꾸는 역할도 한다. 엔진은 2개의 터보 펌프를 가지고 있는데 모두 연료를 태우는 가스 생성기에서 발생하는 배기가스를 통하여 돌아간다. 터빈과 비슷한 원리를 생각하시면 될 듯 하다. 고온의 배기가스는 가스 생성기에 의해 형성되면서 우선 연료 터보 펌프, 그리고 액체 산소 터보 펌프에 들어간 후 히트 익스체인저와 마지막으로 부분 연소를 마친 엔진 벨에 들어간다.
여기서 터보 펌프가 주 제어 밸브에 출력을 전달하고 추력 연소실 인젝터에서 액체 산소 돔으로 보내진다. J-2 엔진의 인젝터 면은 스테인레스 스틸 층으로 형성되어서 일체 유닛을 형성하고 액체 산소 인젝터는 614의 통로를 통하여 인젝터 면의 구멍을 이용하여 이 액체 산소를 지나 연소실에 도달하게 된다.
각 통로의 주위에는 동심 원형의 연료 오리피스를 가지고 있고 여기서 오리피스는 다공성 인젝터와 결합되어 있다. 기체 연료는 각 액체 산소 튜브 주위를 통과하여 액체가 분출될 때 분무한다. 여기서 가스화 수소의 약 5 % 정도가 스며 나와 인젝터 면을 냉각하고, 나머지는 고리 형상의 오리피스를 통과하게 된다.
점화 전에 밸브를 이용하여 추진제를 주입하는데 이는 부품을 작동 온도에 맞도록 냉각하는 역활을 한다. 만일 정상 작동 온도에 도달하지 않으면 가스가 형성되어 연료를 터보 펌프 베어링의 운활유로 사용하지 못하게 된다. ASI (Augmented Spark Igniter)는 인젝터 면 중앙에 위치하고 연료가 공급된다. 엔진의 점화를 위해서는 스파크에 의해 불꽃이 형성되고 이후 완전한 연소를 하게 된다.
헬륨 가스 탱크는 더 큰 헬륨 가스 탱크 내부에 위치하게 된다. 여기서 헬륨은 엔진의 밸브에 제어 압력을 제공하는 한편 수소는 터보 펌프를 가동하는데 필요한 가스 발생기가 점화되기 전에 터보 펌프를 회전하는데 사용된다. LOX 터보 펌프의 출력축에 위치한 PU (Propellant Utilization) 밸브는 LOX 유량을 제어하는 장치로 유량을 올리거나 낮출수 있다. 이는 비행 중 엔진의 출력을 조정하여 최적화된 성능을 발휘한다.
J-2 엔진을 가동하기 위해서는 ASI 및 가스 발생기의 점화 플러그가 작동합니다. 헬륨 제어 및 점화 위상 밸브 또한 작동하게 된다. 헬륨 압력이 연료 공급 밸브를 잠그고 LOX 돔 및 기타 엔진 부품을 분리한다. 메인 연료 밸브와 ASI 산화제 밸브가 열리고 ASI는 불꽃을 형성하여 추력 연소실에 투입되며 연료는 연료 탱크의 압력으로 인해서 튜브를 통해 순환하기 시작한다. 미리 설정된 지연 세팅에 인해서 추력 연소실 벽이 연료에 의해 냉각되고, 스타트 탱크는 헬륨을 터빈으로 보내어 터빈을 회전시킨다. 이 지연 세팅은 엔진의 작동 환경에 따라 다른데 S-II 엔진의 경우 인터 스테이지로 연료를 보내어 냉각하는 시간을 가져서 1초간 지연하고 0.5초 이후 엔진 스테이지 제어 솔로노이드가 엔진 점화를 위한 준비를 시작한다. 이를 위해 가스 생성기의 제어 밸브를 열어 연소를 시작, 여기서 발생한 배기가스는 터보 펌프로 보내져 펌프를 가동시킨다. 이 작업이 완성되면 주 산화 밸브가 14도 정도 열려 액체 산소가 연소실에 도달, 미리 연소실 벽에서 순환하고 있던 액체 수소 연료와 반응하여 연소가 시작한다. 연소가 시작되는 가스 발생기의 제어 밸브를 열어 결과 배기 가스가 터보 펌프에 전원을 공급한다. Main Oxidiser 밸브가 열리고 LOX가 연소실로 들어가 챔버 벽을 통해 순환하고 있던 연료로 연소되기 시작한다. 가스 발생기 배기 가스가 LOX 터보 펌프를 우회하도록 허용 한 밸브는 폐쇄되어 터빈이 최대 속도까지 상승하도록 허용한다. 마지막으로 주 연료 밸브의 압력을 14 °로 유지 한 상태에서 블리드가 제거되고 밸브가 점차 개방되어 엔진의 정격 추력에 도달한다.
각 2 단계 엔진의 추력이 65 %에 도달하면 메인 디스플레이 콘솔의 표시등이 꺼지게 된다.
5. 기타
새턴V의 통제 컴퓨터(LVDC)는 이 당시에 막 보편화되기 시작한 집적회로를 대량으로 사용한 최초의 임베디드 컴퓨터 중 하나다. 1961년에 채용된 ICBM 미니트맨이 트랜지스터를 그대로 때려박고 2층짜리 회로기판을 손으로 그린 원시적인 설계를 한 반면 고작 6년 뒤에 발사 성공을 견인한 LVDC는 트랜지스터 4개로 이루어진 집적회로를 12층 PCB에 박아 거의 수십배에 달하는 집적도 향상을 이루어냈다.
새턴V의 설계도는 모두 방대한 양의 천공카드(!)에 입력하여 설계한 것 이다. 공돌이들의 피나는 노력으로 만든 이 거대한 로켓의 설계를 천공카드로 했다는 사실이 놀랍다.
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아폴로 계획 소프트웨어 개발 책임자인 MIT 연구자 마거릿 해밀턴 옆에 쌓인 전체 천공카드. 높이가 그녀의 키만 하다.
개발 시의 돈지랄을 잘 보여주는 예시가 있다.
연료가 실제로 분사되는 판, 인젝터 플레이트는 사실 단순히 여러개의 구멍이 뚫린 판이 아니라 배플(칸막이)가 입체적으로 X자 / 8칸으로 배열되어있는 구조인데, 여기에는 그럴만한 사정이 있었다.
실용 액체연료 로켓 엔진 중 단일 엔진이 이정도 추력을 내는 경우는 전에도 없었고 지금도 없으므로, 개발자들은 항상 엔진에 문제가 생길 점을 염려했다. 연소시험을 계속 시행하던 도중, 엔진이 찢어지거나 아예 터져버리는 현상이 꾸준히 발생했는데, 이게 원인이 랜덤빵 수준이라 도저히 어디서부터 잘못된 것인지 파악을 할 수가 없었다.
하지만 근성의 엔지니어들은 근본적인 원인이 인젝터 플레이트 부근에서 생기는 음파적 공진 (acoustic resonance)이라는 것을 파악해 냈고, 이를 해결하기 위해 스피커 내부나 녹음 스튜디오 등에서 경험적으로 쓰던 배플 구조를 차용하기로 했다 (컴퓨터 시뮬레이션이 없던 시절이다).
쉽게 말하면 연료 분사와 연소에서 나오는 어마어마한 진동이 고온 고압의 벨 바로 위쪽에서 양의 피드백을 만들어냈고, “고유 진동수”와 비슷한 원리로 로켓을 찢어버린 것이다.
그리고 여러 형태의 구조를 순전히 시행착오만을 이용해서 (즉, 일일히 다 만들고 실제 연소과정을 거쳐서 → 돈을 들여서!) 하나 하나 소거해 나가고, 마지막 후보로 단 하나의 구조만 남기는 데에 성공하여 인젝터 플레이트의 형상은 지금과 같은 형태가 되었다.
사실 여기까지만 했으면 흔히 볼 수 있는 험난한 개발 과정이라고 생각하겠지만, 여기서 끝나면 돈지랄이 아니다.
아무튼 연소시험은 통과했으니 끝!이 아니라, 개발진은 여기에 발사시의 진동 및 충격, 발사 중 분리 과정에서의 충격, 연료가 소모됨에 따라 무게중심이 달라지는 과정에서 발생하는 진동의 변화 등이 더해지면 아무튼 로켓이 찢어질 수 있다는 생각에, 개발진들은 배플 사이사이에 폭약(...)을 설치하고 이를 여러 시나리오에 맞춰 실연소를 시키는 도중 하나하나 폭파시켰다.
여하튼 그렇게 해도 엔진이 찢어지지 않는 점을 확인해서야 새턴V는 사람을 태우고 하늘을 날 수 있었다. 이러한 형태의 개발은 대통령이 직접 달에 가자고 공돌이들 가슴에 불을 지르고 의회의 울화통에 불을 지르던 60년대 미국에서나 가능할 것이다.
반다이의 '''어른의 초합금''' 제1탄으로 아폴로 11호 & 새턴 V호 로켓이 출시되었다. 로켓 발사부터 사령선의 귀환까지 '''달 착륙의 모든것을 재현'''할 수 있는 굉장한 물건. 스케일은 1/144. 전고 76cm의 거체를 자랑한다. 덧붙여 그 2탄은 무려 '''1/144 동 스케일의 스페이스 셔틀'''.
홍콩 프라모델 메이커 드래곤 모델은 무려 '''1/72''' 스케일의 새턴 V호 로켓을 출시한 것. 높이가 1.5미터나 된다! 드래곤 모델은 그전부터 닐 암스트롱의 12인치 피규어나 1/72 스케일 아폴로 우주선 금속제 모형 등을 이미 발매하고 있는데 퀄리티가 무척 좋은 편이다.
레고도 물론 모형화에 합류, 2003년 Discovery 카테고리로 한번 출시된 적이 있었는데, 당시의 한계로 그냥 원통 블럭을 쌓아서 스티커를 붙이고 로켓이라 우기는 수준이었다. 그로부터 14년 뒤인 2017년에 Ideas 17번(제품번호 21309)으로 재등장했는데... '''총 부품수 1969개에 높이 1m, 폭 17.9cm, 직경 9cm'''의 괴물. 로켓 발사부터 사령선의 대기권 재돌입 후의 착수 모습까지 아폴로 계획의 모든 시퀀스를 재현 할 수 있다. 최상층부 첨탑 이외에는 상당히 튼튼하게 고정되며 거대한 덩치를 유지하기 위해 내부가 상당히 복잡하게 짜맞추어져 있다.
미국의 양덕후들은 새턴 V 로켓을 1/10 스케일로 제작하여 실제 발사하는 기염을 토하기도 했다.
6. 창작물에서의 등장
[1] 다만 크고 강한 것이 오히려 도움이 됐을 수도 있다. 결국 달까지 가는 데는 엄청난 양의 연료가 필요하고, 연료가 부족한 것보다야 당연히 많은 게 낫기 때문이다. 새턴 로켓이 이보다 작았으면 로켓에 한 단을 추가하던 사령선의 연료 적재량을 늘리건 어떻게든 미션 성공을 위해 연료를 더 가져갈 방법을 모색해야 했을 것이다.[2] 한편 소련의 달 탐사용 로켓인 N1 로켓은 저출력 엔진 30개를 묶고 단수를 4단까지 높여 제작되었지만 4회의 발사 시도에서 폭발했다. 게다가 워낙 많은 연료가 폭발해서 무려 히로시마 원자폭탄의 40% 폭발력을 기록, 인류 역사상 최대 규모의 비핵폭발 기록을 세웠다.[3] 대표적인 예시가 아폴로 13호 발사 당시 2단 로켓의 중앙 엔진이 예정보다 일찍 꺼진 것. 대신 나머지 4개의 엔진을 좀 더 오래 점화시키는 걸로 간단히 출력 문제를 해결했다.[4] 2018년 11월 28일에 75톤 엔진 1기를 단 시험발사체 발사가 성공했다. 75톤 엔진 4개를 클러스터링한 누리호 본 발사는 2021년 예정이다.[5] 물론 현대에는 이러한 보통 추력의 엔진을 많이 달아 고출력 로켓을 만드는 것이 개발비 절감의 비법으로 사용되기도 한다. 대표적으로 스페이스X는 팰컨 1, 팰컨 9, 팰컨 헤비 모두 동일한 멀린 엔진을 사용하면서 엔진 개수만 늘려 개발비를 절약했다. 현대의 컴퓨터 기술로 다수의 로켓 엔진들을 효율적, 체계적으로 총괄 제어하면 이러한 전략도 안전성을 보장할 수 있지만 소련은 그런 기술이 없었다.[6] Auxially Propulsion System, S-IVB의 자세제어랑 울리지 모터 대용으로 이용된다. 1개의 APS 모듈당 5개의 소형 로켓이 달려있으며 4개는 주엔진이 연소중이 아닐 때 자세 제어에 이용되고 나머지 1개는 주엔진의 재점화를 위해 둥둥 떠다니는 연료를 탱크 바닥으로 보내는 역할을 한다. APS는 연료로 하이드라진을 이용한다.[7] ST-124-M3 플랫폼이 탑재되며, 저항을 줄이기 위해 질소 가스 베어링이 사용되었다.[8] 새턴V에 적용된 F-1을 개량한 버전으로, 제안되었으나 사용된 적은 없다.