루나 오비터 계획

루나 오비터 계획 또는 루나 오비터 프로그램(Lunar Orbiter program)은 미국이 1966년과 1967년에 발사한 5차례의 무인 달 궤도선 임무 시리즈이다. 달 표면을 지도로 만들어 아폴로 계획 착륙지를 선정하는 데 도움을 주기 위한 목적으로^[1] 달 궤도에서 첫 사진을 제공하고 달과 지구를 모두 촬영했다.

루나 오비터 우주선

5차례의 모든 임무는 성공적이었으며, 60 미터 (200 ft) 이상의 해상도로 촬영된 사진으로 달 표면의 99퍼센트가 지도화되었다. 처음 세 임무는 지구 기반 관측을 바탕으로 선정된 20개의 잠재적인 유인 달 착륙지 촬영에 전념했으며, 낮은 경사 궤도에서 비행했다. 네 번째와 다섯 번째 임무는 더 광범위한 과학적 목표에 집중했으며, 고고도 극궤도에서 비행했다. 루나 오비터 4호는 달 앞면 전체와 뒷면의 9퍼센트를 촬영했으며, 루나 오비터 5호는 뒷면 커버를 완료하고 미리 선정된 36개 지역의 중해상도(20 m or 66 ft) 및 고해상도(2 m or 6 ft 7 in) 이미지를 획득했다. 모든 루나 오비터 우주선은 아틀라스-아제나-D 발사체로 발사되었다.

루나 오비터는 이중 렌즈 카메라, 필름 처리 장치, 판독 스캐너, 필름 취급 장치로 구성된 이미징 시스템을 갖추고 있었다. 610 mm (24 in) 협각 고해상도(HR) 렌즈와 80 mm (3.1 in) 광각 중해상도(MR) 렌즈는 모두 단일 70mm 필름 롤에 프레임 노출을 기록했다. 두 카메라의 축이 일치하여 HR 프레임에 촬영된 영역이 MR 프레임 영역 중앙에 위치했다. 노출 중 필름은 전자광학 센서로 추정된 우주선 속도를 보상하기 위해 움직였다. 그런 다음 필름을 처리하고 스캔하여 이미지를 지구로 전송했다.

루나 오비터 임무 중, 1966년 8월 루나 오비터 1호에 의해 달 표면 위로 지구돋이가 시작되면서 지구 전체의 첫 사진이 촬영되었다. 지구 전체의 첫 번째 완전한 사진은 루나 오비터 5호에 의해 1967년 8월 8일에 촬영되었다.^[2] 지구 전체의 두 번째 사진은 루나 오비터 5호에 의해 1967년 11월 10일에 촬영되었다.

우주선 및 서브시스템

루나 오비터 다이어그램 (NASA)

보잉-이스트먼 코닥의 제안은 NASA에 의해 1963년 12월 20일 발표되었다. 루나 오비터의 주 버스는 높이 1.65 m (5 ft 5 in), 기저부 지름 1.5 m (4 ft 11 in)의 절두원뿔 모양을 하고 있었다. 우주선은 트러스와 아치로 지지되는 세 개의 데크로 구성되었다. 우주선 기저부의 장비 데크에는 배터리, 트랜스폰더, 비행 프로그래머, 관성 참조 장치(IRU), 카노푸스 항성 추적기, 명령 디코더, 멀티플렉스 인코더, 진행파관 증폭기(TWTA), 그리고 사진 시스템이 들어 있었다. 이 데크에서 총 3.72 m (12.2 ft)의 폭으로 네 개의 태양 전지판이 확장되어 장착되었다. 또한 우주선 기저부에서 1.32 m (4 ft 4 in) 붐에 고이득 안테나가, 2.08 m (6 ft 10 in) 붐에 저이득 안테나가 확장되어 있었다. 장비 데크 위에는 중간 데크에 속도 제어 엔진, 추진제, 산화제, 가압 탱크, 태양 센서, 미세운석 탐지기가 들어 있었다. 세 번째 데크는 속도 제어 엔진의 발사로부터 우주선을 보호하기 위한 열 차폐막으로 구성되었다. 엔진 노즐은 차폐막 중앙을 통해 돌출되어 있었다. 최상층 데크의 둘레에는 네 개의 자세 제어 추진기가 장착되어 있었다.

375W의 전력은 10,856개의 n/p 태양 전지로 구성된 4개의 태양 전지판에 의해 공급되었으며, 이 전지판은 우주선을 직접 구동하고 12A·h 니켈-카드 뮴 전지를 충전했다. 태양 전력이 없는 짧은 엄폐 기간 동안 배터리가 사용되었다. 주요 기동을 위한 추진력은 김발식 속도 제어 엔진, 자가착화성 추진제 440 뉴턴 (100 lbf) 추력의 마르카르트 코프. 로켓 모터에 의해 제공되었다. 3축 안정화 및 자세 제어는 4개의 4 뉴턴 (1 lbf) 질소 가스 제트에 의해 제공되었다. 항법 정보는 5개의 태양 센서, 카노푸스 별 센서, 그리고 관성 항법 시스템에 의해 제공되었다. 통신은 10W 송신기와 방향성 1미터 직경의 고이득 안테나를 통해 사진을 전송하고, 0.5W 송신기와 무지향성 저이득 안테나를 통해 다른 통신을 수행했다. 두 송신기 모두 약 2295MHz의 S 밴드에서 작동했다. 열 제어는 주 버스를 둘러싼 다층 알루미늄화 마일라르 및 다크론 단열 담요, 특수 페인트, 단열재, 그리고 소형 히터에 의해 유지되었다.

원래 공군은 NASA에 KH-7 GAMBIT 프로그램의 예비 카메라 여러 개를 제안했지만, 당국은 기밀 카메라 주변의 보안, 특히 달 이미지가 해상도를 노출할 가능성에 대해 우려했다. NASA가 루나 오비터 탐사선의 궤도 매개변수를 공개하지 않도록 하여 고도를 통해 이미지 해상도를 계산할 수 없도록 해야 한다는 제안도 있었다. 결국 NASA의 기존 카메라 시스템은 해상도가 낮았지만 임무의 필요에 충분하다는 것이 입증되었다.

사진 서브시스템

뉴욕 로체스터 (뉴욕주) 조지 이스트먼 박물관에 전시된 비행 예비 루나 오비터 사진 서브시스템.

코닥은 루나 오비터 프로그램을 위해 8개의 사진 서브시스템을 제작하고 구축했으며, 이 중 5개는 1966년과 1967년의 우주 임무에 사용되었다.^[3] 카메라는 두 개의 렌즈를 사용하여 동일한 필름에 광각 및 고해상도 이미지를 동시에 노출했다. 광각 중해상도 모드에는 서독 슈나이더 크로이츠나흐에서 제조한 80mm F 2.8 제노타르 렌즈가 사용되었다. 고해상도 모드에는 퍼시픽 옵티컬 컴퍼니에서 제조한 610mm F 5.6 파노라마 렌즈가 사용되었다.^[4] 카메라는 65mm 코닥 비마트 필름에 네거티브를 노출시킨 후, 반건식 공정을 사용하여 기내에서 현상되었다.^[5][3] 서브시스템의 광전자 배증소자는 이미지를 스캔하여 아날로그 비디오로 지구에 전송했다.^[3][5] 지구의 수신 스테이션은 비디오 이미지를 다시 필름으로 전송했으며, 이 필름은 최종 처리 및 인쇄를 위해 로체스터의 코닥으로 배송되었다.^[3] 이 시스템은 SAMOS E-1 정찰 카메라에서 NRO의 허가를 받아 개조되었으며, 이 카메라는 단명한 USAF의 준실시간 위성 이미징 프로젝트를 위해 코닥에서 제작되었다.^[5]

잠재적 백업

루나 오비터 프로그램의 백업으로, NASA와 NRO는 KH-7 정찰 위성을 기반으로 하는 달 지도 및 조사 시스템(LM&SS)에서 협력했다. 새턴 V의 아폴로 달 착륙선을 대체하여, 아폴로 우주비행사들은 달 궤도에서 LM&SS를 원격으로 조작할 예정이었다. NASA는 루나 오비터의 완전한 성공 이후 1967년 여름에 이 프로젝트를 취소했다.^[6]

• 국립 항공우주 박물관의 공학 목업
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결과

루나 오비터 프로그램은 5개의 우주선으로 구성되었으며, 달 표면(근지 및 원지 측)의 99%를 1 미터 (3 ft 3 in)까지의 해상도로 촬영한 사진을 전송했다. 총 2180장의 고해상도 및 882장의 중해상도 프레임을 전송했다. 미세운석 실험은 22건의 충돌을 기록하여 달 근처의 평균 미세운석 유량이 행성간 공간보다 약 두 자릿수 높지만, 지구 근처 환경보다는 약간 적음을 보여주었다. 방사선 실험은 아폴로 하드웨어 설계가 우주비행사들을 태양 입자 이벤트에 대한 평균 및 평균 이상의 단기 노출로부터 보호할 것임을 확인했다.

유인 우주 비행 네트워크 추적 스테이션과 아폴로 궤도 결정 프로그램을 평가하기 위한 루나 오비터 추적은 성공적이었으며, 1967년 8월부터 10월까지 3개의 루나 오비터(2, 3, 5호)가 동시에 추적되었다. 루나 오비터들은 모두 자세 제어 연료가 고갈되기 전에 달에 충돌하도록 명령되어, 이후 아폴로 비행에 항법 또는 통신 위험을 초래하지 않도록 했다. 루나 오비터 프로그램은 NASA 랭글리 연구 센터에서 관리되었으며, 총 비용은 약 2억 달러였다.

다섯 궤도선에 대한 도플러 추적을 통해 달의 중력장 지도화와 일부(전부는 아님) 달의 바다 중앙에 위치한 매스콘 또는 중력 고지대 발견이 가능했다.^[7]

루나 오비터 카메라 (NASA)

다음은 5개 루나 오비터 사진 임무의 비행 기록 정보이다.^[8]

• 루나 오비터 1호
  • 발사: 1966년 8월 10일
  • 달 촬영: 1966년 8월 18일 ~ 29일
  • 달 충돌: 1966년 10월 29일
  • 아폴로 착륙지 조사 임무
• 루나 오비터 2호
  • 발사: 1966년 11월 6일
  • 달 촬영: 1966년 11월 18일 ~ 25일
  • 달 충돌: 1967년 10월 11일
  • 아폴로 착륙지 조사 임무
• 루나 오비터 3호
  • 발사: 1967년 2월 5일
  • 달 촬영: 1967년 2월 15일 ~ 23일
  • 달 충돌: 1967년 10월 9일
  • 아폴로 착륙지 조사 임무
• 루나 오비터 4호
  • 발사: 1967년 5월 4일
  • 달 촬영: 1967년 5월 11일 ~ 26일
  • 달 충돌: 대략 1967년 10월 31일
  • 달 지도 제작 임무
• 루나 오비터 5호
  • 발사: 1967년 8월 1일
  • 달 촬영: 1967년 8월 6일 ~ 18일
  • 달 충돌: 1968년 1월 31일
  • 달 지도 제작 및 고해상도 조사 임무

데이터 가용성

루나 오비터 궤도 사진은 원본 필름을 일련의 스트립으로 기내 스캔한 후 아날로그 데이터로 지구로 전송되었다. 이 데이터는 자기 테이프와 필름에 기록되었다. 필름 데이터는 루나 오비터 프레임의 수작업 모자이크를 만드는 데 사용되었다. 각 LO 노출은 두 장의 사진을 생성했다: 80mm 초점 거리 렌즈로 기록된 중해상도 프레임과 610mm 초점 거리 렌즈로 기록된 고해상도 프레임. HR 프레임은 크기가 크기 때문에 세 섹션 또는 서브프레임으로 나뉘었다. 모자이크에서 대형 인쇄물(16 by 20 인치 (410 mm × 510 mm))이 제작되었고 여러 부가 미국 전역의 NASA 이미지 및 데이터 라이브러리인 지역 행성 정보 시설로 배포되었다. 그 결과 뛰어난 시야는 일반적으로 매우 높은 공간 해상도를 가졌고 달 표면의 상당 부분을 덮었지만, "베네치안 블라인드" 줄무늬, 누락되거나 중복된 데이터, 그리고 자주 발생하는 포화 효과로 인해 사용에 제약이 있었다. 수년 동안 이 이미지는 달 과학 연구의 많은 부분의 기반이 되었다. 낮거나 중간 정도의 태양 각도에서 얻어졌기 때문에 루나 오비터 사진 모자이크는 달 지형 특징의 형태를 연구하는 데 특히 유용하다.

루나 오비터 사진을 특징으로 하는 여러 아틀라스와 책이 출판되었다. 아마도 가장 권위 있는 것은 보우커와 휴즈(1971)의 저작일 것이다. 이 책에는 달의 거의 전 지구적 범위를 다루는 675장의 사진판이 포함되어 있었다. 데이터에 대한 높은 관심과 그 아틀라스가 절판된 이유 때문에 달 행성 연구소에서 루나 오비터 데이터의 대형 인쇄물을 스캔하는 작업이 시작되었다.^[9] 이들은 디지털 루나 오비터 사진 아틀라스로 온라인에서 제공되었다.^[10]

데이터 복구 및 디지털화

상단은 원본 이미지의 세부 사항, 하단은 LOIRP가 재처리한 버전과 비교.

2000년, 애리조나주 플래그스태프에 위치한 미국 지질조사국의 우주지질학 연구 프로그램은 NASA로부터 (보관됨 2017-11-23 - 웨이백 머신 루나 오비터 디지털화 프로젝트의 일환으로) 원래 데이터에서 생성된 보관용 LO 양화 필름 스트립을 25마이크로미터 해상도로 스캔하는 자금을 지원받았다.^[11] 목표는 사용 가능한 최고의 루나 오비터 프레임(주로 보우커와 휴즈, 1971년의 커버리지와 동일)을 사용하여 달의 전 지구적 모자이크를 생성하는 것이었다. 프레임은 스캔된 필름 스트립으로 구성되었으며, 원래 사진 프레임에서 눈에 띄던 줄무늬 없이 디지털로 구성되고 기하학적으로 제어되며 지도 투영되었다. 전 지구적 모자이크 구성에 중점을 두었기 때문에 이 프로젝트는 사용 가능한 루나 오비터 사진 프레임 중 약 15%만 스캔했다. III, IV, V 루나 오비터 임무의 데이터가 전 지구적 모자이크에 포함되었다.^[12]

또한 USGS 디지털화 프로젝트는 여러 '과학적 관심 지점'에 대한 초고해상도 루나 오비터 이미지 프레임을 만들었다. 이 지점들은 1960년대에 아폴로 착륙지를 선정할 때 식별되었다. 아폴로 12호 착륙지, 마리우스 힐스, 술피키우스 갈루스 협곡과 같은 지점의 프레임이 공개되었다.^[13]

2007년, 루나 오비터 이미지 복구 프로젝트(LOIRP)는 우주선 데이터의 원본 암펙스 FR-900 아날로그 비디오 녹화에서 루나 오비터 이미지를 디지털 이미지 형식으로 직접 변환하는 과정을 시작했으며, 이 변화는 1960년대에 공개된 원본 이미지보다 훨씬 향상된 해상도를 제공했다. 이 복원된 이미지 중 첫 번째는 2008년 말에 공개되었다.^[14] 2014년 2월 기준, 거의 모든 루나 오비터 이미지가 성공적으로 복구되었고 NASA 행성 데이터 시스템에 제출되기 전에 디지털 처리 중이었다.^[15]

달에서 촬영된 지구의 첫 이미지. 왼쪽은 원본, 오른쪽은 LOIRP가 디지털 복원한 버전.

같이 보기

• 우주지질학 연구 프로그램
• 루나 오비터 이미지 복구 프로젝트
• 달 정찰 인공위성
• 레인저 계획
• 서베이어 계획
• 아폴로 계획
• 루나 계획
• 달 탐사
• 로버트 J. 헬버그
• 노먼 L. 크래빌
• 달의 인공물 목록
• 달 탐사 임무 목록