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아폴로 13호
Apollo 13
아폴로 13호(Apollo 13)는 1970년 4월 11일 13시 13분 에 발사하였다. 아폴로 계획에서 세 번째로 달에 착륙할 예정이었으나, 고장으로 인해 달을 선회만 했으며, 4월 17일 무사히 지구로 귀환하였다.
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Apollo 13
아폴로 13호(Apollo 13)는 1970년 4월 11일 13시 13분 에 발사하였다. 아폴로 계획에서 세 번째로 달에 착륙할 예정이었으나, 고장으로 인해 달을 선회만 했으며, 4월 17일 무사히 지구로 귀환하였다.
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아폴로 13호(Apollo 13)는 1970년 4월 11일 13시 13분 (미국 중앙 표준시)에 발사하였다. 아폴로 계획에서 세 번째로 달에 착륙할 예정이었으나, 고장으로 인해 달을 선회만 했으며, 4월 17일 무사히 지구로 귀환하였다.
아폴로 13호의 예정 착륙 지점은 직경 80km의 프라 마우로 크레이터가 있는 프라 마우로 고지로, 과거 거대한 운석 충돌로 인한 땅속 용암 분출로 형성되었으리라 추측되는 곳이다. 프라 마우로 고지는 지질학적으로 매우 중요한 샘플이 채집될 가능성이 높아 후보로 선택되었다. 프라 마우로의 착륙은 아폴로 14호에 의해 이루어졌다.
아폴로 13호는 발사 직후부터 문제가 있었다. 처음에는 제2단 로켓 S-II의 중앙엔진이 예정보다 2분 먼저 연소를 멈추었으나 다른 엔진 4기가 자동으로 연소시간을 늘려 궤도를 수정해 위험상태까지는 가지 않았다. 이후 분석한 결과 고장의 원인은 공진으로, 엔진의 진동이 68G, 16Hz의 위험 수준에 달했기 때문이었다. 엔진을 지지하는 프레임이 76mm 틀어졌으므로 제2단 로켓이 공중분해될 위험이 있었지만 진동 때문에 센서가 압력을 과도히 낮게 인식하여 컴퓨터가 스스로 엔진을 멈추었다.
이보다 작은 진동은 아폴로 13호 이전의 비행에서도 발견된 문제였으나(제미니 계획 초기의 무인 비행 단계에서도 발생한 문제로 로켓의 고유 현상으로 인식되었다), 아폴로 13호에서는 터보 펌프 안에서 공동현상이 발생해 진동이 확대되었다. 이 때문에 다음 비행에서는 아폴로 13호 당시부터 개발 중이던 진동억제장치가 설치되었다. 또한, 압력진동을 감소시키기 위해 액체산소 공급라인 내부에 헬륨가스 저장탱크를 설치하여 고장이 발생한 경우 중앙엔진을 자동으로 정지하는 장치를 마련했고, 모든 엔진의 연료밸브를 간소화하는 등의 개선이 이루어졌다.
지구로부터 321,860km 멀어졌을 때 기계선의 산소 탱크 두 개 중 하나가 갑자기 폭발했다. 비행사가 제2번 탱크 교반기의 스위치를 넣자 내부 전선이 합선되어 테플론 피막이 발화한 것이다. 눈깜짝할 사이 압력이 한계치의 7MPa를 넘어 순간적으로 폭발했다. 이는 이후에 사고조사위원회의 분석 결과 밝혀진 내용으로, 비행사들은 당시 운석이 충돌한 것이라고 생각했다.
이 폭발로 인해 제1번 탱크도 손상되어 계기판의 잔량 표시가 천천히 내려가고 수 시간 후 기계선의 산소가 완전히 고갈될 상황이었으므로 관제센터는 비행사가 미터를 확인하지 못하게 하여 우선적으로 상황을 유지하도록 했다.
기계선에 산소가 없는 경우 사령선에 탑재된 산소를 사용해야 하지만, 사령선에 탑재된 것은 기계선을 떼어내고 대기권에 재돌입하는 경우에만 필요하므로 약 10시간분이었다. 따라서 관제센터는 비행사들에게 사령선을 완전히 정지시키고 달 착륙선으로 대피하도록 지시했다. 비행사들은 지상에서 반복적으로 이 순서를 훈련했지만 실제로 실행하리라고는 예상치 못했으며, 만일 아폴로 8호와 같은 착륙선이 존재하지 않았다면 비행사들은 살아남지 못했을 것이다.
폭발 사고로 인해 달 표면 착륙은 불가능했으나 달의 중력을 이용하는 자유 귀환 궤도를 통해 신속히 지구에 귀환하는 것은 가능했다. 아폴로 13호는 당초 이 궤도에 오를 예정이었지만 프라 마우로에 착륙하기 위해 계획의 초기 단계에서 궤도가 변경되었었다. 자유 귀환 궤도로 돌아오기 위해서는 기계선의 엔진을 분사해 가속해야 하지만 문제는 중요한 로켓이 어느 정도의 손상을 입고 있는가 하는 것이 전혀 짐작이 가지 않는 것이었다. 그 때문에 달 표면에 최접근한 뒤 2시간 후에 착륙선의 강하용 엔진을 사용해 PC+2라는 분사를 행하기로 결정되었다.
(달 착륙선에는 45시간 분의 액체 산소가 들어있는 산소탱크가 있다. 즉 이틀에서 조금 못 되는 분량이다. 정확히 말하자면, 세 시간 분이 부족한 것이다) 착륙선은 원래 두 명의 인간이 이틀간 체류하도록 설계되었기 때문에 세 명의 인간이 나흘이나 생존할 수는 없었다. 그러나 산소에 대해서는 그만큼 걱정할 필요는 없었다. 착륙선은 비행사가 달 표면에서 활동할 때, 일단 내부에 돌아온 뒤 다시 선내를 가압시키거나 하는 과정을 위해 산소는 충분한 양을 탑재하고 있었기 때문이었다. 문제는 전력이었다. 사령선과 기계선의 전력원은 연료전지였는데 비해 착륙선은 산화은전지를 사용하고 있었다. 연료전지는 부산물로서 물이 생성된다. 이 물은 음료수로 이용될 뿐만 아니라 기기의 냉각에도 이용된다. 그러나 산화은전지에서는 물을 얻을 수 없기 때문에 대기권 재돌입 직전까지 전지의 출력은 최저한도로 억제되어 비행사들도 물을 마시는 것은 극히 삼가지 않으면 안 되었다.
또 하나의 문제는 수산화리튬(LiOH)이었다. 선내에서 인간이 생존하기 위해서 필요한 물질은 산소만이 아니다. 비행사들이 호흡을 할 때마다 선내에는 이산화탄소(CO2)가 방출된다. 그것을 제거하기 위한 필터에 사용되고 있는 수산화리튬의 양은, 착륙선내에 탑재되고 있는 분만으로는 귀환에 필요한 양까지 도저히 맞지 않는 것이었다. 예비용은 선외의 격납고에 놓여 있어 일반적으로 달 표면 활동을 할 때에 비행사가 취하러 가지만 아폴로 13호는 선외 활동을 할 만한 전력의 여유가 없었다. 다만, 사령선에는 충분한 예비용이 있었다. 그렇지만 여기서 문제가 되는 것은 사령선의 여과 장치는 착륙선과는 규격이 완전히 차이가 나는 것이었다.
사령선의 필터는 사각형이어서 착륙선의 원형에 장착할 수 없었다. 때문에 지상의 관제사들은 선내에 있는 남은 골판지나 비닐 봉투를 덕트 테이프로 붙여 맞추어 카트리지를 제작하는 방법을 고안해 그것을 만드는 방법을 구두로 비행사들에게 전했다. 그렇게 만든 임시 필터를 비행사들은 '메일 박스'라고 불렀다.
또 전력을 최저한도까지 떨어뜨렸기 때문에 선내의 온도는 극단적으로 낮아졌다. 이로 인해 공기 중의 수분이 응결되어 계기판 위에 무수한 결로가 발생했다. 이 물방울은 나중에 사령선을 재기동할 때 회로를 합선시키는 원인이 되는 것은 아닐까 염려되었지만, 아폴로 1호의 화재사고 이후 사령선에서는 안전 대책이 철저하게 실행되고 있었기 때문에 문제될 것은 없었다.
귀환 직전, 나중의 분석을 위해서 사진을 찍을 수 있도록 우선 최초로 기계선을 떼어냈다. 비행사들이 놀란 것은, 산소 탱크와 수소 탱크를 가리고 있던 커버가 전부 사라져 있던 것이었다.
착륙선 '아쿠아리우스'를 떼어낸 후, 사령선 '오디세이'는 무사히 태평양에 착수했다. 다른 두 명의 건강 상태에는 문제가 없었지만 헤이스 비행사는 수분의 보급이 부족했기 때문에 요로 감염증에 걸려 있었다. 관제센터는 우주선의 궤도에 영향을 주지 않기 위해 선외에 소변을 투기하지 말라고 지시했지만 비행사들은 그것을 오해하여 지구에 귀환할 때까지 소변을 보는 것을 참고 있었다.
사고 원인의 분석에는 예상 외로 시간이 걸렸지만, 제조 기록의 상세한 추적에 의해 탱크의 폭발은 여러 가지의 요인이 겹친 것에 의해서 발생했던 것이 밝혀졌다.
원래 액체 산소나 액체 수소와 같은 극저온 물질을 저장하려면 기화에 의해서 발생하는 과다한 압력을 피하기 위한 배기 계통이나, 열적 절연 방법을 확립하는 것이 중요하게 된다. 기계선의 탱크의 성능은 지극히 높고, 극저온의 액체 산소나 액체 수소를 몇 년에 걸쳐 보존할 수 있지만, 탱크 내에 내용물이 있는 상태에는 내부를 보는 것은 구조상 불가능했다.
사고에 관계된 부품 및 요인은 아래와 같다.
잔량계
잔량을 정확하게 계측하기 위한 교반용 팬
액체 산소를 필요분만큼 증발시키기 위한 가열기(히터)
가열기를 제어하기 위한 온도 유지 장치(자동 온도조절장치)
온도계
충전 및 배출용의 밸브와 파이프
원래 기계선의 산소 탱크의 히터와 자동온도조절장치의 규격은 사령선의 28볼트에 맞추어 설계되어 있었다. 그런데 발사대 상에서 탱크의 충전과 가압의 작업을 행할 때 65볼트의 전원이 사용되고 있었다. 이 때문에 기계선의 제작사인 노스 아메리칸 사는 하청업체인 비치 크라프트사에 대해 히터를 65볼트의 규격에 맞추도록 지시해 비치 크라프트는 거기에 따라서 탱크를 개조했지만 이 때(원인은 불명하지만) 자동온도조절장치에는 아무것도 변경이 더해지지 않았다.
또 산소 탱크의 온도계 표시의 상한은 38 °C로, 그 이상은 표시되지 않게 되어 있었다. 그러나 보통 27 °C에 이르면 스스로 자동온도조절장치가 작동해 히터가 멈추기 때문에 특별히 문제가 되는 것은 아니었다.
아폴로 13호에 사용된 산소 탱크 및 그 부속 기기들을 탑재한 선반은 원래 아폴로 10호에 사용되어야 할 것이었지만, 전자파 간섭의 문제가 발생했기 때문에 부속기기마다 떼어내져서 수리하게 되었다. 그런데 크레인으로 끌어올릴 때, 선반을 기체에 설치하고 있는 네 개의 볼트 중 하나가 떼어지지 않았었다. 이 때문에 2인치(5cm) 정도 들어올렸더니 와이어가 빗나가 선반은 원래 있던 장소에서 떨어져 버렸다. 이 때의 충격에 의해 탱크 안의 산소를 빼낼 때 사용되는 파이프가 원래 설치된 위치로부터 빗나가버렸던 것이다.
이 사고 이후 지상에서 훈련을 할 때 탱크에 액체 산소가 충전되었다. 그런데 훈련 종료 후, 앞의 사고로 방출용의 파이프가 빗나가 버렸기 때문에 안의 산소를 빼낼 수 없게 되었다. 지금부터 탱크를 다시 설계하면 계획은 큰 폭으로 늦어진다. 그 때문에 담당 기술자는 히터로 액체 산소를 가열해 기화시켜 방출하는 것을 제안했고, 짐 러벨 선장도 이것을 승인했다. 히터의 스위치를 넣어 탱크 안의 온도가 상승해 27 °C에 이른 순간 자동온도조절장치가 작동했다. 그런데 회로에 흐르고 있던 65볼트의 전류가 28볼트용으로 만들어진 자동온도조절장치를 한순간에 녹여 붙여버려 이 결과 히터의 스위치는 켜져 버렸다.
8시간 후, 액체 산소는 모두 기화해 빼내졌지만 히터의 스위치는 켜져 있었다. 그 때문에 탱크 내의 온도는 538 °C까지 이르렀지만 온도계는 38 °C까지밖에 표시되지 않게 되어 있었기 때문에, 비정상을 알아챈 사람은 아무도 없었다.
이것에 의해 교반용 팬의 전선을 가리는 테플론제의 피막이 거의 소실해 전선이 노출되어 있었다.
탱크 내에 액체 산소가 재충전되었을 때 그것은 이미 폭탄과 같은 상태가 되어 있었다. 비행사가 궤도상에서 저온 교반의 조작을 하기 위해서 팬의 스위치를 넣었을 때 노출이 되어있던 전선으로부터 불꽃이 발생해 남아있던 테플론이 발화했다. 100% 순수한 액체산소 안에서 발생한 불길은 300파운드(136kg)의 액체산소를 일순간에 기화시켜, 팽창한 가스가 탱크를 날려버렸다.
이 폭발에 의해 문제가 없던 제1번 탱크도 손상을 입어 쓸모없게 되었다. 이 사고를 교훈으로 다음 비행에서는 두 개의 탱크의 거리를 충분히 떼어놓아 비상용 전원을 다른 구획에 설치하는 개량이 더해졌다.
출처: 아폴로 13호 (CC BY-SA)
확인된 구조화 정보, 사용자 의견, AI가 찾은 관계를 구분해 표시해요.
월면 착륙의 본래 목적은 달성할 수는 없었지만, 폭발이 발생한 것이 달에 가는 도중의 일로, 착륙선에 물자가 충분한 상태였던 것은 불행 중 다행이었다. 만약 착륙선을 떼어낸 후에 폭발이 일어났으면 비행사들이 살아날 확률은 없었다.
또 다른 말로, 비행사들의 생명은 고장에 의해 구해졌다고 말해도 괜찮다. 발사로부터 대략 46시간 40분 후, 제2번 산소탱크의 잔량 표시는 내부의 절연체의 손상에 의해 100%의 값을 나타내고 있었다. 고장의 원인을 찾기 위해 비행사는 폭발의 원인이 된 저온 탱크 교반의 조작을 했지만, 이 조작은 본래의 예정에서는 월면 착륙 뒤에 행해지는 것이었다.