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달 착륙선

Lunar lander
다른 용도는 달 착륙기(동음이의)를 참조하십시오.
CSM-107 컬럼비아에서 본 아폴로 달 모듈-5 이글

달 착륙선 또는 달 착륙선은 달 표면에 착륙하도록 설계된 우주선이다.2021년 현재 아폴로 달 착륙선은 미국 아폴로 계획 기간인 1969년부터 1972년까지 6번의 달 착륙을 완료하면서 인류 우주 비행에 사용된 유일한 달 착륙선이다.

이러한 착륙선에 대한 설계 요건은 페이로드, 비행 속도, 추진 요건 및 구성 제약조건에 의해 부과되는 요인에 따라 달라진다.[1]다른 중요한 설계 요인으로는 전반적인 에너지 요건, 임무 기간, 달 표면에서의 임무 운영 유형, 승무원일 경우 생명 유지 시스템이 포함된다.상대적으로 높은 중력과 달 대기의 부족은 에어로브레이킹의 사용을 부정하기 때문에 착륙선은 감속 및 연착륙을 위해 추진력을 사용해야 한다.

몇몇 연구는 달 자원의 활용으로 절정에 이를 지속적인 달 표면 탐사를 통해 과학과 기술적으로 이익을 얻을 수 있는 잠재력을 보여주거나, 또는 태양계의 다른 행성에 탑재물을 착륙시키는 데 필요한 기술을 개발하는 데 있다.[2]

역사

루나 프로그램은 1958년부터 1976년까지 소련이 비행한 로봇 임팩터, 플라이비, 궤도, 착륙선 등의 시리즈였다.루나 9호는 11번의 시도 끝에 1966년 2월 3일 달에 연착륙한 최초의 우주선이다.3대의 루나 우주선은 1972년부터 1976년까지 달 토양 샘플을 지구로 돌려보냈다.다른 두 개의 루나 우주선은 1970년과 1973년에 루노크호드 로봇 달 탐사선을 연착륙시켰다.루나는 27번의 시도 중 총 7번의 연착륙에 성공했다.

미국의 평가관 프로그램은 1966년 6월 2일에 처음으로 연착륙한 평가관 1호 프로그램을 실시했으며, 1968년 1월 10일까지 총 7번의 시도 끝에 4건의 연착륙에 성공했다.

아폴로 달 착륙선은 미국 아폴로 계획의 달 착륙선이었다.2021년 현재 인류 우주 비행에 사용된 유일한 달 착륙선으로 1969년부터 1972년까지 6번의 달 착륙을 완료했다.

LK 달 모듈은 소련이 몇몇 소련 승무원 달 프로그램의 일환으로 개발한 달 착륙선이었다.낮은 지구 궤도에서 몇 개의 LK 달 모듈이 승무원 없이 비행되었지만, 달 비행에 필요한 N1 로켓 발사 차량의 개발이 차질을 빚었고(몇 번의 발사 실패를 포함), 미국에 의해 최초의 유인 달 착륙을 달성한 후 소련은 달까지 비행하지 않았다.N1 로켓과 LK 달 모듈 프로그램을 더 이상 개발하지 않고 모두 중단시켰다.

제안 착륙선

개발 중인 인간 착륙선

2021년 4월 16일, NASA는 우주선 HLS를 이용하여 우주로 가는 미개척 승무원 임무를 위해 스페이스X와 28억 9천만 달러의 확정 가격 계약을 발표했다.[4]

달 착륙 특유의 도전

태양계 몸체에 착륙하는 것은 그 몸 특유의 도전과 함께 온다.달은 소행성이나 혜성과 다른 행성 위성에 비해 상대적으로 중력이 높으며, 대기 중은 크지 않다.현실적으로 현재의 기술로 충분한 추력을 제공할 수 있는 하강과 착륙의 유일한 방법은 화학 로켓에 기초하고 있다는 뜻이다.[5]게다가, 달은 긴 태양절을 가지고 있다.착륙선들은 한번에 2주 이상 직사광선을 쬐고, 그리고 나서 2주 동안 완전히 어둠에 잠길 것이다.이는 열 제어에 상당한 문제를 일으킨다.[6]

대기 부족

2019년 현재, 우주 탐사선은 화성, 금성, 토성의 달 타이탄 등 에어로브레이킹이 가능할 정도로 두꺼운 표면과 대기를 가진 지구를 제외한 세 가지 물체에 모두 착륙했다.이러한 탐침은 그들이 착륙한 몸의 대기를 이용하여 낙하산을 이용해 하강 속도를 늦출 수 있었고, 그들이 운반해야 하는 연료의 양을 줄일 수 있었다.이것은 차례로 주어진 양의 연료에 대해 더 큰 적재물을 이 몸체에 착륙시킬 수 있게 했다.예를 들어 900kg짜리 큐리오시티 탐사선은 화성 대기권 진입 당시 질량이 2400kg인 우주선에 의해 화성에 착륙했는데,[7] 이 중 연료는 390kg에 불과했다.이에 비해 훨씬 가벼운 (292 kg) 조사관 3호는 1967년에 거의 700 kg의 연료를 사용하여 달에 착륙했다.[8]그러나 대기가 부족하기 때문에 달 착륙선에 열 차폐막을 설치할 필요가 없어지고, 또한 달 착륙선을 설계할 때 공기역학적으로 무시될 수 있다.

고중력

비록 지구보다 훨씬 적은 중력을 가지고 있지만, 달은 충분히 높은 중력을 가지고 있어서 하강 속도가 상당히 느려져야 한다.이는 '착륙'을 '도킹'이라고 부르는 소행성과는 대조적인데, 이 소행성은 급강하 속도를 늦추는 것보다 랑데부하고 속도를 맞추는 문제가 더 많다.

로켓은 하강과 착륙에 사용되기 때문에 달의 중력은 소행성 착륙에 필요한 것보다 더 많은 연료를 필요로 한다.실제로 아폴로 계획의 달 착륙을 위한 중심 설계 제약 중 하나는 달 착륙과 이륙에 필요한 질량(더 많은 질량이 착륙에 더 많은 연료를 필요로 하기 때문에)이었다.[9]

열환경

달 열환경은 달의 길이에 의해 영향을 받는다.기온은 약 -250~120°C(-418.0~248.0°F) 사이에서 변동할 수 있다(낮부터 낮까지).이러한 극한은 각각 14일 동안 발생하므로 열 제어 시스템은 장기간 극한 또는 열을 처리할 수 있도록 설계되어야 한다.[10]대부분의 우주선 기기는 -40~50°C(-40~122°F)[11]의 훨씬 엄격한 범위 내에 보관해야 하며, 인간의 편안함은 20~24°C(68~75°F)의 범위를 필요로 한다.이는 착륙선이 계기 또는 승무원실을 냉각하고 가열해야 한다는 것을 의미한다.

달밤의 길이가 길어 태양광 발전기를 이용해 계측기를 가열하기 어렵고, 원자력 난방기도 자주 사용된다.[6]

착륙 단계

연착륙을 달성하는 것은 달 착륙선의 가장 중요한 목표로서 달 표면에 도달한 최초의 우주선 형태였던 임팩터와 착륙선을 구분하는 것이다.

모든 달 착륙선은 하강을 위해 로켓 엔진을 필요로 한다.달 주위의 궤도 속도는 고도에 따라 1500m/s를 초과할 수 있다.충격 궤도에 있는 우주선은 그것보다 훨씬 빠른 속도를 가질 수 있다.[12]진공 상태에서 그 속도에서 속도를 줄이는 유일한 방법은 로켓 엔진을 사용하는 것이다.

착륙 단계는 다음을 포함할 수 있다.[13][14]

  1. 하강 궤도 삽입 – 우주선은 최종 하강에 유리한 궤도에 진입한다.달 궤도로 시작하지 않은 초기 착륙 노력에는 이 단계가 존재하지 않았다.대신에 그러한 임무는 달 충돌 궤도에서 시작되었다.[12]
  2. 하강과 제동 – 우주선은 더 이상 궤도에 오르지 않을 때까지 엔진을 발사한다.만약 엔진이 이 단계에서 완전히 발사되는 것을 멈춘다면, 우주선은 결국 표면에 충격을 줄 것이다.이 단계에서 우주선은 로켓 엔진을 사용하여 전체 속도를 줄인다.
  3. 최종 접근 – 우주선이 착륙 지점에 거의 도달했으며, 정확한 터치다운 위치를 최종 조정할 수 있다.
  4. 터치다운 – 우주선이 달에 연착륙할 수 있음

터치다운

달 착륙은 일반적으로 착륙선이 달 표면에서 수 피트 위에 있을 때 엔진이 셧다운되면서 끝난다.엔진 배기가스나 달의 리골리스가 표면에서 우주선으로 다시 차면 문제가 생길 수 있고, 따라서 엔진이 터치다운 직전에 끊긴다는 생각이다.엔지니어는 추력 없는 추락이 손상을 일으키지 않도록 차량이 충분히 보호되고 있는지 확인해야 한다.

소련의 루나 9호 탐사선에 의해 수행된 최초의 부드러운 달 착륙은 우선 우주선을 적절한 속도와 고도로 둔화한 다음, 과학실험이 포함된 탑재물을 배출함으로써 달성되었다.달 표면에서 에어백을 이용해 유하중을 정지시켰고, 이것이 떨어지면서 완충을 제공했다.[15]루나 13도 비슷한 방법을 썼다.[16]

에어백 방법은 일반적이지 않다.예를 들어, 루나 9와 비슷한 시기에 발사된 NASA의 Survey 1 탐사선은 최종 터치다운을 위해 에어백을 사용하지 않았다.대신에, 그것은 3.4m의 고도에서 그것의 속도를 잡은 후에 달 표면으로 떨어졌다.추락에 대비하기 위해 우주선에는 충격을 완화시키고 유상하중을 안전하게 유지할 수 있는 분쇄 가능한 부품이 장착되어 있었다.[12]더 최근에는 중국 창어 3호 착륙선이 비슷한 기술을 사용, 엔진이 꺼진 지 4m 만에 추락했다.[17]

아마도 가장 유명한 달 착륙선인 아폴로 계획의 착륙선들은 그들의 접촉 탐사선이 착륙이 임박했음을 감지한 후에 낙하물을 처리할 수 있을 만큼 충분히 강력했을 것이다.착륙 기어는 67인치(170cm) 프로브 중 하나가 표면에 닿았을 때 엔진 정지를 시작하기 위한 것이었지만, 엔진 정지를 위한 것이었지만, 높이 3.0m까지 엔진 컷아웃으로 착륙을 견딜 수 있도록 설계되었다.그러나 아폴로 11호 동안 닐 암스트롱은 착륙할 때까지 엔진을 발사함으로써 매우 부드럽게 착륙했다; 일부 후기 승무원들은 착륙할 때 착륙 스트럿을 더 많이 압박하면서 착륙 시 눈에 띄는 요철을 느꼈다.[18][19]

참고 항목

참조

  1. ^ Wayback Machine(PDF)에 보관된 민간 요구 데이터 베이스 기반 달 착륙기 단계 요건 2021-10-01존 A.멀퀸.NASA 마셜 우주 비행 센터.1993.
  2. ^ 접근성, 이동성 및 Centaur의 극저온 추진 경험을 통합한 달 착륙선 구성 웨이백 머신(PDF)에 2018-09-20 보관.보니 M.버켄슈타트, 조쉬 홉킨스, 버나드 F.커터, 프랭크 제글러, 토드 모셔록히드 마틴 우주 시스템 회사.20006.
  3. ^ 2010년 NASA 웨이백머신에 보관된 로봇 달 착륙선 2011-12-27은 2011-01-10에 접속했다.
  4. ^ Brown, Katherine (2021-04-16). "NASA Picks SpaceX to Land Next Americans on Moon". NASA. Archived from the original on 2021-04-22. Retrieved 2021-06-23.
  5. ^ Wertz, James; Larson, Wiley (2003). Space Mission Analysis and Design (3rd ed.). California: Microcosm Press. ISBN 1-881883-10-8.
  6. ^ a b Okishio, Shogo; Nagano, Hosei; Ogawa, Hiroyuki (December 2015). "A proposal and verification of the lunar overnight method by promoting the heat exchange with regolith". Applied Thermal Engineering. 91 (5): 1176–1186. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.08.071. hdl:2346/64545.
  7. ^ "MSL Landing Special – MSL – Mars Science Laboratory". Archived from the original on 2021-02-26. Retrieved 2021-10-01.
  8. ^ "NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details". Archived from the original on 2019-09-04. Retrieved 2019-03-09.
  9. ^ Cole, E.G. (November 1965). "Design and Development of the Apollo Three‐Man Spacecraft With Two‐Man Lunar Excursion Module (LEM)". Annals of the New York Academy of Sciences. 134 (1): 39–57. Bibcode:1965NYASA.134...39C. doi:10.1111/j.1749-6632.1965.tb56141.x. S2CID 86244382.
  10. ^ Hager, P; Klaus, D; Walter, U (March 2014). "Characterizing transient thermal interactions between lunar regolith and surface spacecraft". Planetary and Space Science. 92: 101–116. Bibcode:2014P&SS...92..101H. doi:10.1016/j.pss.2014.01.011.
  11. ^ Gilmore, D. G. (2003). Spacecraft Thermal Control Handbook (2nd ed.). Segundo, California: Aerospace Press. ISBN 1-884989-11-X.
  12. ^ a b c "NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details". Archived from the original on 2019-09-27. Retrieved 2019-03-08.
  13. ^ "Apollo 11 Mission Overview". 2015-04-17. Archived from the original on 2018-02-09. Retrieved 2019-03-09.
  14. ^ "Chang'e 3 – Change". Archived from the original on 2021-07-25. Retrieved 2021-10-01.
  15. ^ "NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details". nssdc.gsfc.nasa.gov. Archived from the original on 2017-11-20. Retrieved 2019-03-08.
  16. ^ "The Mission of Luna 13: Christmas 1966 on the Moon". 2016-12-24. Archived from the original on 2019-03-03. Retrieved 2019-03-08.
  17. ^ Rincon, Paul (2013-12-14). "China puts Jade Rabbit rover on Moon". BBC News. Archived from the original on 2019-03-27. Retrieved 2019-03-08.
  18. ^ Jones, Eric M., ed. (1995). "The First Lunar Landing". Apollo 11 Lunar Surface Journal. NASA. Archived from the original on December 27, 2016. Retrieved June 13, 2013.
  19. ^ "Lunar Surface Sensing Probes". heroicrelics.org. Archived from the original on 2019-03-16. Retrieved 2019-03-08.