1. 개요
달 착륙선(lunar landing module)은 유인 또는 무인 우주선을 월면에 착륙시킬 목적으로 개발되는 탐사선을 가리킨다.2. 아폴로 계획 달 착륙선
| 아폴로 15호 임무의 우주비행사 제임스 어윈과 달 착륙선, 월면차. |
아폴로 계획 달 모듈(Lunar Module, LM) 또는 달 탐사 모듈(Lunar Excursion Module, LEM)은 아폴로 계획의 일환으로 그루먼(현 노스롭 그루먼)사에서 제작한 유인 월면 착륙선이다. 개발 초기에는 약칭으로 'LEM'이, 후기에는 'LM'이 사용되었다. 제작비는 한 대에 당시 돈으로 1억 5천만 달러였으며, 이는 현재(2019년 기준) 가치로는 약 11억 달러이다.
옛 소련도 Лунный корабль(루니이 코라블, 달 우주선)이라는 달 착륙선을 개발했었지만(이쪽은 1인승이고 내부 통로도 없어서 우주비행사가 소유즈 우주선에서 달 착륙선으로 이동할 때 일일이 우주선 밖으로 나와 EVA를 해야 했다) 미국에게 달착륙 선수를 뺏긴 후 김이 샜는지 유인 달탐사 계획을 취소해버렸다. 대신에 Луноход(루노호드, 달 자동차)라는 원격조종 로봇을 달에 착륙 시켜 무인 천체표면 탐사의 1등을 차지했다.[1] 루노호드도 달에 착륙했으니 달 착륙선이라 할 수도 있겠지만, 루노호드 자체에 이착륙 기능이 있는 것이 아니므로 일반적인 우주선의 정의에 부합하지 않는다.
2.1. 제원 및 특징
| 운용 여부 | 퇴역 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 용도 | 승무원 수송 및 달 착륙 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 승무원 수 | 2명 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 발사체 | 새턴 V | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 높이 | 7.04m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 직경 | 5m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 건조 중량 | 16,400 kg | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 엔진 | 하강용 엔진 : 약 45.04 kN[2] 가압식 가변추력 엔진 상승용 엔진 : 약 16 kN[3] 가압식 엔진 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 연료 | 사산화이질소(N2O4), 에어로진 50(Aerozine 50) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
아폴로 계획의 우주선과 로켓 중 유일하게 지구 대기권 내 비행을 전혀 염두에 두지 않은 디자인으로, 유선형이 아닌 투박한 선체를 갖고 있다. 강하 단계(Descent Stage)와 상승 단계(Ascent Stage)의 두 부분으로 구성되어 있으며, 새턴 V 로켓의 이륙 중량 및 달에서 달 착륙선 상부의 이륙 중량을 낮추기 위해서 무엇보다도 무게를 줄이기 위해 최대한의 노력을 기울였다. 투박하고 엉성해 보이는 외관도 무게를 줄이기 위한 탓이 크다. 4개의 다리를 가지고 있어서 흡사 거미와 같다. 아폴로 9호에서 달 착륙선이 거미같다고 생겨서 달 착륙선 호출부호를 스파이더라고 불렀다.
2.2. 구조
2.2.1. 선실
| 선실의 사진. 사진에서는 컴퓨터 조작 패널(DSKY)이 제거되어 있지만, AGS의 패널은 오른쪽 창문 아래에 장착되어 있다. |
선실은 지름 2.3m의 구체형 보호 케이스로 보호되었으며, 안에는 팔걸이가 있으나 의자는 없다. 초기 디자인은 의자에 앉아 대형 창문을 통해 바깥을 보며 조종하는 방식이었지만 대형 창문의 무게가 너무 많이 나가 중량문제가 심각했다.[4] 때문에 그루먼의 엔지니어들은 달의 중력이 지구의 6분의 1에 불과하다는 점을 이용해 의자를 없애고 서서 조종하는 방식으로 개발을 진행했다. 서서 조종하면 창문에 바짝 붙을 수 있기 때문에, 소형창문으로도 충분한 시야가 확보되어 조종에 문제가 없다. 선실의 바닥과 우주복의 신발에 벨크로를 부착하였고 우주복과 선실 바닥을 와이어로 연결하여 우주비행사를 고정해, 안전벨트가 없어도 조종과정에서 우주비행사가 이리저리 흔들리는 것을 막았다. 의자를 삭제하여 공간활용이 용이해졌다. 조종실 창문 아랫쪽에 출입구 해치를 설치했는데 의자가 있었다면 우주복을 입은 상태에서 해치에 접근하기 힘들었을 것이다. 우주비행사들이 실내에서 수면이나 휴식을 취할 때는 아래 그림과 같이 해먹을 설치한다.
| 우주 비행사가 휴식하는 공간. |
내부에는 순수한 산소로 차 있고 온도는 약 24℃이며 1/3기압이 유지된다. 선실의 천장에는 모선으로 통하는 도킹 터널(지름 82cm, 길이 46cm)이 있고, 그 옆에는 배기 구멍이 있다. 출입용 해치 옆에 2개의 삼각창과 도킹용 창문 하나가 있고, 연료 탱크 2개와 산소 탱크 2개가 각각 엇갈려 있다. 특히 상승부 계기판에는 566개의 스위치와 71개의 지시등이 있어 비행사들은 작동 순서를 정확히 지켜야 했다.
2.2.2. 외부
| 아폴로 16호 달 착륙선의 외관. |
4개의 다리가 있고 완충기가 달려 있으며 외부에 16개의 자세 제어 로켓이 달려 있다. 1단과 2단이 있다. 1단은 처음에는 원기둥 형태로 디자인되었으나 개발과정에서 팔각기둥 모양으로 바뀐다. 착륙 시에 필요한 다리, 연료, 엔진, 착륙 레이더 등이 달려 있고 이륙 시에 발사대로 사용된다. 연료와 선체의 각종 기기를 보호하기위해 단열재를 두르는데 무게를 줄이기 위해 당시 새로나온 신소재였던 마일라 필름을 25겹으로 둘렀다.[5] 2단은 승무원이 타는 공간 및 문 등이 있고 자세 제어 로켓 및 안테나, 랑데뷰 레이더, 이륙용 엔진이 있다. 하강용 엔진은 짐벌(추력편향)이 달려있다. 이 짐벌의 각은 약 6도.
전면에서 보면 꽤나 비대칭적인 디자인인데, 오른쪽에 튀어 나온 것은 연료 탱크이며 왼쪽에는 산화제 탱크가 있다.[6]
2.3. 착륙 단계
아폴로 달 착륙선의 착륙 단계는 컴퓨터의 착륙 프로그램인 P63, P64, P66을 기준으로 나뉘어져 있다.2.3.1. P63
P63은 달 착륙선이 궤도에서 속도를 줄이며 하강하는 단계이다. 도킹을 해제한 달 착륙선은 고도 15km, 착륙 지점과 대략 550km 떨어진 지점에서 역방향으로 엔진을 점화하여 약 8분간 속도와 고도를 줄여 나간다. 달 착륙선은 대략 6000km/h의 속도로 달 궤도를 공전하였는데, 이 속도를 크게 줄여야 하므로 가장 시간이 오래 걸리는 단계이다. 엔진을 점화하는 시점을 PDI(Powered Descent Initiation)라 하는데, 말 그대로 하강을 시작하는 시점으로 이것을 기준으로 착륙이 진행된다. 엔진은 처음 25초간 10%의 추력으로 점화되어 TVC를 이용하여 추력 중심을 정렬한 뒤 100% 추력으로 하강을 진행한다. P63이 진행되는 동안 승무원은 미리 계산된 시간에 따른 속도와 고도가 적혀있는 카드를 확인하며 정상적으로 하강중인지 확인한다.점화를 시작하고 대략 4분정도가 지나면 고도가 12km, 속도 3380km/h 정도로 감소하는데, 이 때 달 착륙선을 180° 회전시켜 창문이 위를 향하도록 기동하면 하강단에 장착된 착륙 레이더가 달의 지면을 감지하기 시작한다. 달 착륙선의 컴퓨터는 이 레이더 데이터를 이용하여 유도 데이터의 오차를 보정하였다. 이후로 P64가 실행되기 전까지 계속하여 감속한다.
2.3.2. P64
P64는 착륙 장소에 접근하는 단계이다. 고도 약 2.5km, 속도 약 476km인 시점에서 P64가 실행되면 달 착륙선이 수평으로 기동하고 하강 속도를 유지하며 착륙 장소로 접근하는데, 이 때 승무원은 컴퓨터가 출력하는 LPD 값을 참조하여 창문에 그려진 LPD 마커로 착륙 예정 장소를 확인하고 필요할 경우 조종간을 조작하여 착륙 장소를 바꾸었다. P66부터는 수동 조작이 요구되었기 때문에 승무원은 수동 조작을 위한 준비를 하였다.[7]2.3.3. P66
P66은 착륙 장소에 최종 접근, 하강하는 단계이다. 착륙 장소와 대략 500m 떨어진 위치에서 P66이 실행되면 승무원은 달 착륙선의 기동 모드를 "ATT HOLD"[8] 로 전환하여 달 착륙선의 자세를 직접 제어하는데, 컴퓨터가 엔진 출력을 제어하여 수직 속도를 일정하게 유지하였다.[9] 승무원은 수직 속도 스위치를 이용하여 달 착륙선의 하강 속도를 제어하였다. 착륙선이 지면에 착지하기 전 수평 속도를 0에 가깝게 유지하여야 하는데, 승무원은 크로스 포인터라는 계기에 표시되는 레이더 지면 속도를 보고 착륙선을 기동하여 수평 속도를 제어하였다.착륙선의 4개의 랜딩 기어 중 3개에는 긴 막대기 형태의 센서가 부착 되었는데, 착륙선이 1.5m의 고도에 다다르면 센서가 지면이 접촉하여 접촉 표시등을 점등하였다. 접촉 표시등이 들어오면 승무원이 엔진을 정지하므로써 착륙선이 착지할 수 있도록 하였다. 착륙이 확정되면 승무원은 조종간을 조작하여 불필요한 RCS의 점화를 방지하였다. 후속 조치를 취한 뒤 승무원은 선외 활동을 준비하였다.
2.4. 목록
| 시리얼 번호 | 호출부호 | 미션 | 발사일 | 사진 |
| LM-1 | X | 아폴로 5호 | 1968년 1월 22일 | |
| LM-2 | X | 지상테스트 | 지상테스트 | |
| LM-3 | Spider | 아폴로 9호 | 1969년 3월 3일 | |
| LM-4 | Snoopy | 아폴로 10호 | 1969년 5월 18일 | |
| LM-5 | Eagle | 아폴로 11호 | 1969년 7월 16일 | |
| LM-6 | Intrepid | 아폴로 12호 | 1969년 11월 14일 | |
| LM-7 | Aquarius | 아폴로 13호 | 1970년 4월 11일. 모든 달 착륙선 중 유일하게 지구로 돌아왔다. 그 잔해는 현재 통가 해구 밑바닥에 가라앉아 있다. | |
| LM-8 | Antares | 아폴로 14호 | 1971년 1월 31일 | |
| LM-9 | X | 케네디 우주센터에 전시[11] | X | |
| LM-10 | Falcon | 아폴로 15호 | 1971년 7월 26일 | |
| LM-11 | Orion | 아폴로 16호 | 1972년 4월 16일 | |
| LM-12 | Challenger | 아폴로 17호 | 1972년 12월 7일 | |
| LM-13 | X | [12] | 1998년, HBO의 지구에서 달까지에서 사용하였다. | |
| LM-14 | X | [13] | 분실되었음이 발견되어 2019년에 이야깃거리가 되었다. 누군가 통째로 훔쳐가기엔 너무 큰 물건이라, 어느 시점에서 분해되어 다른 우주항공용 재료로 사용되었을 것이란 추측만 있다. | |
| LM-15 | X | . | 분해되어 재료로 사용되었다. |
2.5. 기타
아폴로 15호 달착륙아폴로 17호 달 착륙선의 이륙
서울 어린이회관에 미국 정부가 기증한 달 착륙선 레플리카가 있었다. 고증이 잘 되어 있어 실물과 매우 닮았다.
달 착륙선은 철저하게 우주공간과 달에서 사용하게 디자인됐기에 형태가 그때까지 나왔던 다른 로켓이나 우주선과 매우 달랐다. 우주비행사들은 달 착륙선을 처음 보고 너무 못생겨서 매우 당황했다고 한다.
2019년 6월 달착륙 50주년을 맞아 레고 모델로 출시되었다. #
만약 달 착륙 중 하강단의 연료가 바닥나면 자동적으로 착륙을 중지하고 하강단을 사출하여 상승단으로 다시 궤도로 돌아가도록 설계되었다. 그러니 연료가 바닥나서 추락하는 일은 없었을 것이다.
달 착륙선에는 AGS(Abort Guidance System)라는 별도의 유도 시스템이 추가로 탑재되어 있었다. 주 유도시스템(PGNCS; Primary Guidance, Navigation and Control System)이 고장나거나 오작동할 경우 AGS를 사용하여 이륙, 랑데뷰가 가능하도록 설계되었다. 따라서 달 착륙, 이륙 도중 고장 발생 시 바로 작동할 수 있도록 항상 PGNCS와 같이 작동하였으며 서로 유도 데이터를 비교해가며 유도 시스템이 제대로 작동중인지 파악하였다. 특징으로 AGS는 처음으로 스트랩다운 플랫폼을 사용한 유도 시스템이었다[14]. 실제로 사용된 경우는 아폴로 13호[15] 가 대표적이었다.
참고로 달 착륙선은 궤도에 오른 뒤 랑데뷰까지만 수행하며 도킹은 사령선이 하지만 달 착륙선 또한 도킹을 수행 할 수 있었다.
달 착륙선에는 두 종류의 레이더가 장착되어 있었다. 하강단에 장착된 착륙용 레이더는 달 지표면과의 상대적 고도, 속도, 각도를 도플러 효과를 이용하여 측정하였다. 착륙 시 정확한 항법 데이터를 제공하고 최종 하강 시 기체의 호버링을 위해서 사용되었다. 상승단에 장착된 랑데뷰 레이더는 사령선과의 거리, 상대 속도, 상대각도를 측정하는 추적식 레이더였다. 9GHz의 신호를 300mW로 출력하였고 사령선 트랜스폰더 도움으로 660km의 거리까지 탐지가 가능하였으며 자이로스코프가 장착되어 레이더 안테나가 한 방향으로 고정될 수 있도록 하였다. 랑데뷰 단계에서 컴퓨터가 정확한 사령선의 위치를 알아내기 위하여 사용되었다. 여담으로, 랑데뷰 레이더의 설계 오류로 아폴로 11호에서 1201,1202 코드를 발생시키기도 했다.[16]
아폴로 계획과 소련 유인 달 탐사 계획이 중단되지 않고 계속 이어진다는 대체역사물 미드 포 올 맨카인드에서는 대형화되어 선체 밖에 우주비행사 여러 명을 매달고 마치 헬리콥터처럼 이착륙을 반복할 수 있는 진보된 달 착륙선이 나온다.
달 착륙선은 모든 추진기가 같은 연료를 이용했는데, 이를 이용하여 상승단이 궤도에 오르고 난 후에는 상승단 엔진을 사용하지 않고 상승용 엔진 연료를 RCS 연료 시스템에 공급하여 RCS로 궤도를 수정하였다. 상승용 엔진은 미세한 궤도 조절에 부적합 하였고, RCS의 추력이 궤도 수정에 충분했기 때문이다. RCS는 사령선과 같은 R-4D를 이용했는데, 상승단의 질량에 비해 RCS의 추력이 막강하여 선체가 조작에 너무 민첩하게 반응했다고 한다. 사진으로만 봐도 RCS가 상승단 선체 크기에 비해 매우 큰 편이다.
달 착륙선의 하강단에 이용되었던 추진 엔진인 DPS(Descent Propulsion System)은 처음으로 핀틀 인젝터를 이용한 로켓 엔진이였다. 가변식 핀틀 인젝터 덕분에 추력을 10%까지 낮추는 딥 스로틀링이 가능하여 착륙선의 유연한 제어가 가능하였다. 로켓 엔진은 연소 불안정 등의 문제로 인해 스로틀을 크게 낮추는 것이 상당히 어렵다.
1970년대에도 여전히 인기 있는 우주선이었기에, 달착륙선을 조종하는 비디오 게임도 있었다. 아타리의 루나 랜더(1979)는 달 표면이 착륙하기에 만만한 지형이 아니라는 설정이며 산꼭대기에 달착륙선을 착륙시켜야 하는 빡센 게임이다.
타이토의 루나 레스큐(1979)는 달착륙선을 이용해 달표면에 조난당한 우주비행사들을 구출하는 게임인데, 구조한 후 귀환할 때 방해하는 우주선들을 공격하기 위해 달착륙선에 무기가 달려있다.
3. 아르테미스 계획 달 착륙선
3.1. 개요
2020년대에 시행될 아르테미스 계획에서 사용될 유인 달 착륙선. 정식 명칭은 인간 착륙 시스템(human landing systems, HLS)이다.3.2. 계획
2020년 5월 1일 NASA에서 우선 협상대상자로 다이네틱스, 스페이스X, 블루 오리진/록히드 마틴/노스롭 그루먼 컨소시엄 등 3개 회사의 시안을 1차 선정하였으며, 이후 3개 회사의 시안들이 경쟁하여 우승자가 선정될 것이다.
3.3. 선정
2021년 4월 17일 NASA에서 스페이스X의 스타십 파생형을 달 착륙선으로 선정하였다.# 다른 2개 회사의 시안이 설계도면 상에 머물고 있는 반면 스페이스X는 이미 스타십 시험기들을 발사 시험 중인 점, 페이로드가 가장 많은 점 등의 선정의 이유로 알려졌다, 하지만 스타십이 너무 높아 승무원들이 50미터 높이를 간이 리프트에 의존하여 승하선 해야 한다는 위험성,[17] 길쭉한 디자인으로 넘어지기 쉬운데 착륙 다리가 너무 짧아 울퉁불퉁한 달 지형에서의 위험성 등에 대한 우려가 제기되고 있는 상태다.
2022년 3월, NASA는 HLS가 아닌 더 많은 화물과 인력을 수송할 수 있는 착륙선 개발에 '우주 탐사에 대해 경쟁은 매우 중요하다'며 스페이스X 외의 다른 기업들과의 협업을 주선할 것이라 밝혔다. 이는 스페이스X의 HLS 뿐만 아니라 한개, 혹은 다수의 유인 착륙선이 더 개발될수도 있다는 뜻으로 블루오리진이 속한 내셔널 팀이 가장 환영하는 입장이다. 일단 스페이스X는 나사의 지원금을 추가로 받아, 2027년까지 총 42억 달러 규모의 금액을 수령할 예정이다.
2023년 5월 19일, 블루 오리진이 이끄는 팀이[18] 다이네틱스를 제치고 2기 HLS[19]에 선정되었다. 35억 달러 규모의 계약이라고 한다. 이로서 세계 최고 부자들의 대결이 우주상에서 본격적으로 펼쳐지게 되었다. 블루 오리진이 만들 블루 문 달 착륙선은 아르테미스 5호 미션에 사용될 예정이다. 공개된 디자인 상으로는 처음 제시했던 시안의 문제점을 모두 해결했고 스타십 달 착륙선보다 더 안정적으로 보인다는 평이다.
4. 일본의 민간 달 착륙선 HAKURO-R
일본의 민간우주기업 ispace의 달 착륙선. 성공하면 민간기업 최초의 달 착륙선이 된다.2022년 12월 11일에 스페이스X의 로켓으로 발사되었다.
2023년 4월 25일(현지시각)에 달 연착륙을 시도했으나, 연료 부족으로 상공 80m에서 엔진이 꺼져 추락하였다.[영상] 일본 민간 달 착륙선 마지막 순간 '쾅'…"달 표면 충돌"
ispace는 2024년과 2025년에 다시 발사할 계획이다.
5. 한국형 달 착륙선
6. 관련 문서
[1] 소련의 천체표면 원격탐사 기록은 20여 년 후 미국이 패스파인더로 화성을 탐사할 때까지 깨지지 않았다.[2] 대략 4.4톤.[3] 대략 1.5톤.[4] 달 착륙선 개발에는 무게 제한이 엄격했다. 당초 아폴로 사령선과 달 착륙선을 따로 만든 이유도 무거운 대형 탐사선이 달에 착륙했다가 지구로 돌아오기 어렵기 때문에, 조그만 달 착륙선을 하나 만들어서 달궤도-달표면을 왕복시키자는 의도였다.[5] 사진의 금박지처럼 보이는 부분.[6] 굳이 비대칭적인 구조를 채택한 이유는, 달 착륙선의 산화제로 이용된 사산화 이질소는 연료인 에어로진 50에 비해 밀도가 높아 더 무거웠기 때문이다. 따라서 더 무거운 산화제 탱크를 무게중심에 가깝게 설치하므로써 상승 엔진의 추력중심과 질량 중심을 일치시킬 수 있었다.[7] 완전 자동 착륙을 위한 P65 프로그램이 있긴 있었지만, 모든 임무에서 P65는 사용되지 않았으며 추후에는 프로그램이 제거되었다. 승무원들이 수동 조종을 원하였기 때문이다.[8] 달 착륙선의 자세를 승무원이 기동한 자세로 유지하는 모드이다.[9] 이 때문에 P66은 헬리콥터 모드라고 불리기도 하였다.[10] 미국 스미스소니언 항공우주박물관에 전시 중이다.[11] 원래는 아폴로 15호의 것이었다.[12] 원래는 아폴로 18호의 것이었지만 취소되었다.[13] 원래는 아폴로 19호의 것이었지만 취소되었다.[14] 자이로스코프와 가속도계가 짐벌로 평행을 유지하는 안정 플랫폼과 달리 스트랩다운 IMU는 자이로스코프와 가속도계가 기체에 고정되어 장착되어 있다. 정확도는 떨어지지만 가볍다는 장점이 있었다.[15] 귀환중 사령선의 엔진을 사용할 수 없어 달 착륙선의 하강 엔진을 사용하여 궤도를 조절했는데, 전력이 후달리던 당시에 주 컴퓨터로 궤도 연산을 하기에는 전력소모도 크고 냉각수가 많이 필요하여 AGS를 이용했다.[16] 달 착륙선의 하드웨어를 작동시킬 때 랜덤하게 레이더 장비 간 교류 전원의 위상차가 발생하는 버그가 아폴로 5호에서 발견되었는데, 하필이면 이 문제가 11호의 착륙 단계에서 레이더를 켜 놓았을 때 발생했던 것이다. 이 버그가 발생하면 데이터 유닛과 레이더의 각도 센서 간 타이밍에 문제가 생겨 실제로는 안테나가 가만히 있음에도 불구하고 안테나가 마구 움직인다고 인식하게 된다. 데이터 유닛은 이 거짓 정보를 컴퓨터 메모리에 넣기 위해 계속 사이클 도용을 발생시켰고, 이로 인해 메모리 사용에 문제가 생겨 코드를 발생시켰던 것이다. 다행이도 아폴로의 컴퓨터는 작업을 우선 순위에 따라 처리할 수 있는 능력이 있어서 큰 문제가 발생하지는 않았다.[17] 리프트가 고장나면 오도가도 못하게 되는데, 만일 누군가 아래 있는 상태에서 고장난다면 그대로 달에 남겨둬야 한다. 또한 리프트에서 추락할 경우, 지구의 50m만큼은 아니겠지만 충격이 상당할 것이다.[18] 보잉, 록히드마틴, 드레이퍼, 애스트로보틱스, 허니비 로보틱스[19] 혹은 SLD(Sustaining Lunar Development)라고도 불린다