새턴 시리즈와 최대, 최강의 로켓 새턴 V

새턴(Saturn) 로켓 시리즈는 무거운 화물을 지구 궤도와 그 바깥으로 나르기 위한 목적으로 개발을 시작한 로켓이다. 이후 아폴로 계획을 위한 발사체로 선택되었다. 아폴로 계획은 사람이 직접 을 탐사하는 것으로 새턴 시리즈 로켓은 사람이 탑승한 유인 우주선을 발사할 때 로켓으로 이용되었다. 시리즈 중 새턴 IB와 새턴 V가 많이 사용되었다.

이중 새턴 V는 인류가 쏘아올린 로켓 중 가장 크고 강력한 힘을 가진 최고의 로켓이다. 아래 그림에서 보는 것처럼 우주왕복선(Space Shuttle)의 2배가 넘는 크기를 가지고 있고, 다른 아틀라스, 델타 등 미국에서 만든 로켓이나, 일본의 H2, 러시아의 소유즈, 유럽의 아리안 등과 비교해도 압도적인 크기와 힘을 가지고 있다. 아레스(Ares) V는 아직 실용화되지 않은 상태이다.

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<새턴 V 로켓의 제원>

  - 길이 : 110m
  - 총무게(아폴로우주선) : 3,038.5톤 (페이로드 중량 : 118톤)
  - 1단 : F-1 로켓 엔진(추력 680톤) x 5개 (총추력 3400톤, 연소시간 150초) - 케로신+액체산소
  - 2단 : J-2 로켓 엔진(추력 100톤) x 5개 (총추력 500톤, 연소시간 360초) - 액체수소 + 액체산소
  - 3단 : J-2 로켓 엔진 x 1개 (총추력 100톤, 연소시간 165초 + 335초 2번 연소) - 액체수소 + 액체산소

 

 

새턴이란, 그리스 신화에서 제우스의 아버지인 크로노스(Cronos)를 말하고 로마신화에서는 농업의 신을 지칭한다. 그리고 미국 로켓을 명명하는 방법에서는 기존 목성을 뜻하는 주피터에서 한단계 발전되고 지구에서의 거리가 먼 토성까지 탐사할 목적을 가지고 만들어진 것이기에 새턴이라고 명명하게 되었다.

아폴로계획에서 최초에는 새턴 로켓을 20호까지 만들려고 했으나 축소되어 17호에서 끝났다. 남은 새턴 로켓들은 미국의 우주정거장 실험인 스카이랩 계획에 쓰이기도 하였다. 그 이전에 사용된 아틀라스, 타이탄 로켓은 군용으로 만들어진 탄도미사일, ICBM을 우주발사체로 전용했던 것이지만 새턴 로켓은 처음부터 토성까지 탐사할 목적으로 우주발사체 전용으로 개발되었다. 달을 탐사하는 목적인 아폴로 계획을 위한 로켓이라고 하기에는 지나치게 크고 강한데 베르너 폰 브라운이 새턴 로켓을 만든 목표가 화성을 탐사하는 것이였기 때문이다.

 

 

여러 가지 로켓 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 계획이라 불린 우주정거장을 만들기 위한 발사에 사용되었다. 새턴V는 120톤의 페이로드를 지구 저궤도로 쏘아 올릴 수 있는데, 이 거대한 로켓의 메인이라 할 수 있는, 총 5개의 F-1 엔진으로 이루어진 1단의 출력은 무려 1억 6천만 마력으로, 총중량 3000톤의 거체를 발사 2분 40초 후 분리하기까지 2,700m/s까지 가속시키는 무지막지한 힘을 가지고 있다. 새턴V의 이러한 압도적인 출력과 수송력은 2017년 현재까지도 사상 최대의 출력원과 수송능력으로 남아있다.

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 수준이다. 당대의 달 탐사 경쟁자였던 소련의 N-1 로켓은 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 구성에 한곳만 문제가 생겨도 연쇄작용이 일어나므로  4회의 발사 시도 모두 5단 중 1단 분리도 못하고 실패했다.
F-1 엔진이 워낙 잘 만든 엔진이라 이 엔진의 제조사인 프랫&휘트니(P&W) 로켓다인은 NASA의 새로운 우주발사체인 SLS(Space Launch System)의 부스터에 입찰했다. 스페이스 셔틀에 적용된 고체부스터는 한번 연소가 시작되면 중간에 끌 수가 없지만 P&W는 중간에 끄고 재점화할 수 있음을 장점으로 내세웠다. 당시 NASA와 로켓다인은 수작업을 통해 엔진을 제작하였고 관련 기술자료를 충실하게 작성하지 않았다. 일례로, F-1 엔진의 노즐 안쪽 깊은 곳에는 로켓연료와 액체산소를 연소실 안으로 분사해주는 수백 개의 인젝터 구멍이 나 있는데, 이 구멍들을 일일이 손수 뚫었다. NASA의 우주센터에 보관돼있던 한 F-1 엔진의 인젝터에는, 작업자가 빗나간 위치에서 구멍을 뚫다가 잘못을 깨닫고 정위치에 다시 뚫었던 흔적이 남아 있다.

F-1 엔진은 보관되어 있던 예비 엔진들을 분해해서 레이저 스캔을 떠 기술자료를 확보한 다음 발전된 재료공학과 유체해석 소프트웨어 등을 적용해서 F-1B를 만들어 냈다. 60년대에 설계, 제작된 F-1엔진의 연소실과 다공 외벽 노즐이 5600여개의 부품으로 이루어져 있었으나, F-1B는 동일 파트 부품 수를 40여개로 대폭 축소했다. 국책사업으로 1964년부터 73년까지 당시 금액으로 65억 달러, 2015년 기준으로 환산하면 410억 달러이다. 제작과 발사과정을 포함한 1969년도의 새턴V 로켓 한 대가 당시 금액으로 1억 8천 5백만 달러, 2015년 기준으로는 11억 9천만달러이고, 원화로 환산하면 1조3천억원 정도이다. 우리나라 대한민국의 나로호는 2천억원이 들었다고 한다.
다만 F-1B 엔진을 이용한 Pryos 부스터를 SLS에 채택할지 여부는 알 수 없게 되었다. NASA 관계자들은 SLS 블록2부터는 프랫&휘트니의 F-1B를 이용할지 아니면 블루오리진의 액체메탄 엔진을 이용할지는 미지수다.

 

 

아폴로 계획(Project Apllo)이란?

아폴로 계획은 1961년부터 1972년까지 미국항공우주국,  NASA에 의해 이루어진 일련의 유인 우주 비행 탐사 계획이다. 아폴로 계획의 목표는 1960년대 존 F. 케네디 대통령의 연설에서 언급되었던 "인간을 달에 착륙시킨 후 무사히 지구로 귀환시키는" 것으로 요약할 수 있다. 이 목표는 1969년 아폴로 11호에 의해 달성되었다. 그 뒤로 아폴로 계획은 1970년대 초반까지 여섯 차례의 성공적인 달 착륙으로 이어졌다. 후에 스카이랩 계획이나 미국과 소련의 공동 실험인 아폴로-소유즈 시험 계획에서도 아폴로 계획 당시에 만들어진 장비를 사용하였으며, 이들 탐사도 아폴로 계획의 일부로 다뤄지기도 한다.

여러 번의 성공도 있었지만, 두 차례의 큰 사고도 있었다. 1967년 1월 27일에는 지상 훈련 중이던 아폴로 1호가 화재로 인해 사령선이 전소되고 세 명의 우주비행사가 사망하였다. 1970년 4월 13일에는 달로 가고 있던 아폴로 13호가 장비의 고장으로 달 궤도만을 선회하고는 간신히 지구로 귀환했다.