실버스타인 위원회

'실버스타인 위원회'로 더 잘 알려진 '새턴 차량 평가위원회'는 1959년 나사가 새턴 로켓 프로그램으로 취할 수 있는 구체적인 방향을 권고하기 위해 모인 미국 정부 위원회였다.이 위원회는 오랜 NASA 엔지니어인 아베 실버스타인이 의장을 맡았으며, 토성의 개발에 대한 공군과 육군의 의견 충돌이 발생하자 토성의 상위 단계를 선정할 것을 명시적으로 의도했다.회의 동안 위원회 위원들은 기존 ICBM 기체에서 개발 중인 저위험 해결책 폰 브라운과 부스터 단계를 최대한 활용하기 위해 개발된 완전히 새로운 상위 단계를 사용하는 버전 등 여러 가지 잠재적 설계에 대해 개략적으로 설명했다.새로운 우퍼들을 사용하는 것의 이점은 매우 커서 위원회는 처음에 회의적인 폰 브라운을 이기고 토성 프로그램의 미래는 영원히 바뀌었다.

배경

1957년 국방부(DoD)는 1960년대 초반부터 시작된 임무용 신형 헤비 리프트 부스터에 대한 요건 세트를 발표했다.당시 미군 3개 지부는 모두 자체 로켓 개발 중이어서 향후 개발 우선순위를 두고 두 곳간에 상당한 인투가 벌어졌다.1956년 미 공군은 사거리 320km 이상의 모든 지대지 미사일을 포함하여 장거리 로켓이 자신들의 영역이라는 양보를 얻어냈다.그러나 합의문에는 '다른 역할'을 다루지 않았고, 기존 해군과 육군의 사업도 예전처럼 계속됐다.

공군은 Dyna-Soar 프로젝트를 진행 중이었고, 그들의 "SLV-4" 요구조건에 따라 그것을 발사할 새로운 부스터를 설계하고 있었다.이 요건에 대한 그들의 주된 대답은 새로운 수소 연소 상부 단계인 타이탄 C를 장착한 타이탄 II 미사일이었다.그 결과 설계는 다소 전구처럼 보였다. 수소 연료는 큰 탱크를 필요로 하기 때문에, 상단 단계는 타이탄 II의 120인치(3,000 mm)에 비해 직경이 160인치(4,100 mm)이었다.공군 내의 다른 팀들도 같은 타이탄 II와 다수의 고체 연료 로켓을 "제로스 스테이지"로 결합한 우주발사체 시스템 개념을 개발하고 있었다.이 로켓들의 다른 숫자와 크기를 결합함으로써, 발사 스택은 다른 페이로드에 맞춰질 수 있었다.SLS 팀은 또한 루넥스 프로젝트 제안에 따라 유인 달 임무의 개발 경로를 간략히 설명했는데, 지구 궤도에서 재진입하는 차량을 시험하기 위해 4개의 고체를 가진 타이탄과 달로 가는 비행을 위한 완전히 새로운 고형물과 액체 단계를 이용했다.

중장거리 발사체에 대한 동일한 국방성 요건을 충족시키기 위해, Wernher von Braun이 이끄는 팀의 지휘를 받는 육군 탄도 미사일국(ABMA)의 육군 팀은 기존의 미사일 비행체를 군집화하고 선택적으로 새로운 엔진을 추가하는 여러 설계들을 연구했다.디자인 시리즈에는 '슈퍼타이탄', '슈퍼아틀라스', '슈퍼주피터' 등이 포함됐다.아틀라스와 타이탄은 확장된 개발 문제로 어려움을 겪고 있는 공군 설계인 반면, ABMA에서 개발된 기술로 구성되었기 때문에 후자는 빠르게 그들의 초점이 되었다.슈퍼 주피터 디자인은 거의 전적으로 기존 장비에 기반하여 레드스톤과 목성 미사일의 군집을 사용하여 새로운 엔진에 의해 구동되는 저단계를 형성하고, 타이탄에서 개조된 상단을 구성했다.그들의 제안은 새로운 수소 연소 상단의 개발을 요구하는 공군 제안보다 훨씬 간단하고 위험성이 낮았다.공군 팀처럼, ABMA는 또한 유인 달 임무의 개요를 Project Horizon으로서 지구 궤도에 대형 차량을 만들기 위해 이 로켓들 중 15개를 사용했다.

발사기 개발을 담당하게 된 새로 구성된 ARPA(Advanced Research Projects Agency)는 ABMA 설계의 편에 섰다.그들의 유일한 우려는 새로운 엔진이 위험할 수 있다는 점이었고, 대신에 기존 엔진의 더 적당한 업그레이드가 사용되어야 한다는 것을 시사했다.ABMA는 목성의 S-3D로부터 개발된 8개의 엔진을 원래 설계의 제안된 E-1 중 4개가 아닌 H-1로 사용하도록 설계를 빠르게 수정했다.ARPA는 만족했고, ABMA의 부스터와 Rocketdyne의 신형 H-1 엔진의 개발에 자금을 대기 시작했다.1958년 10월 계약서를 제출하여 작업이 신속하게 진행되었는데, H-1의 첫 시험 발사는 12월에 발생하였고 부스터의 실물크기는 이미 완성되었다.원래 슈퍼쥬피터(Super-Jupiter)로 알려졌던 이 디자인은 개발 중에 주노V가 되었고, 2월 3일 ARPA 각서가 이 프로젝트를 공식적으로 새턴으로 개명했다.

곧이어 새로 결성된 NASA도 장기적인 전략의 일환으로 토성 설계에 관심을 표명했다.1960년대 초 발사는 기존 ICBM을 발사체로 사용한 저지구 궤도에 초점을 맞추고, 달 프로그램을 위한 기술 개발은 토성을 기반으로 하며, 실제 직접 상승 달 탐사 임무에는 NASA에서 설계 중인 거대한 노바 로켓이 사용될 것이다.그 직후인 1959년 6월 9일, 허버트 요크 국방연구공학부장은 토성 프로그램을 종료하기로 결정했다고 발표했다.요크는 DoD가 민간 우주 프로그램을 지원하는 유일한 구체적인 역할을 하는 부스터에게 자금을 지원해서는 안 된다고 생각했다.토성 프로그램을 "저장"하기 위한 회의가 마련되었고, 토성 프로그램을 포함한 모든 ABMA가 NASA로 이송되었다.

구성원 및 지시

1959년 11월 NASA 부행정관의 요청에 따라 우주비행개발부장은 NASA, 국방연구공학부, ARPA, ABMA, 공군의 구성원으로 구성된 기관간 연구단을 구성했다.이 멤버들은 의장으로 아베 실버스타인(NASA)이, 그 다음은 콜이었다.N. 애폴드(USAF), A.하얏트(NASA), T. C. 뮤즈(ODDR&E), G. P. 서튼(ARPA), W. 폰 브라운(ABMA), E.장관으로서의 홀(NASA)

그 요청은 특히 상위 단계 구성의 선정에 관한 토성 로켓 개발을 위한 권고안을 만들어 달라는 것이었다.이 연구는 추가로 원하는 임무와 탑재량을 결정하고, 기술 개발에 따른 잠재적 문제를 파악하며, 비용과 개발 시간을 결정하고, 차량 성능의 미래 성장을 비교하는 네 가지 주요 영역에 초점을 맞추는 작업을 수행했다.^{[1][Note 1]}

상위 단계 선택

그런데도 공군은 계속 개발 과정을 부추겼다.12월에, 현시점에서 여전히 육군의 일부인 ABMA는, 토성의 상단을 120인치 직경의 타이탄에서 160인치 직경의 새로운 것으로 바꾸라는 명령을 받았으며, 상당히 더 많은 개발이 필요할 것이다.160인치 직경의 단계는 타이탄 C 상부 스테이지와 같았고, 이 변화를 토성으로 변경함으로써 DoD는 SLV-4 요건에 대해 두 개의 경쟁적인 상위 스테이지 설계를 가질 수 있을 뿐만 아니라, 필요할 경우 토성이 Dyna-Soar를 발사할 수 있게 되었다.ABMA는 이미 타이탄에서 파생된 상층부를 위해 엔진을 시험하고 있었고, 이 새로운 요청에 화가 났다.

모든 관련 당사자들의 회의는 아베 실버스타인의 지휘 아래 마련되었는데, 아베 실버스타인은 일찍이 토성이 NASA 임무에 선정되는 데 큰 역할을 했다.이 단체는 토성 초기의 세 가지 임무를 열거했다: 탈출 탑재량이 약 1만 파운드(4,500 kg), 정지궤도에 대한 5,000 파운드(2,300 kg), 그리고 다이나-소아르와 같은 낮은 궤도로 약 1만 파운드(4,500 kg)의 유인 우주선 임무였다.^[1]

이런 '고고도' 미션을 실용화하려면 상단의 성과가 관건일 것이다.스테이지나 그 연료에 사용되는 모든 파운드는 특정한 부스터(1단계)를 감안할 때 훨씬 적은 화물을 의미할 것이다.그들이 필요로 하는 것은 중량 대비 전력 비율이었기 때문에 액체 수소에 기초한 상층부가 유일한 전진 방법인 듯 했다. 연료의 가벼운 무게는 그것을 다루는 데 어려움을 보충한다.토성 제안에는 아틀라스 ICBM에서 파생된 수소 연소 단계인 센타우르스(Centaur)라는 궤도 삽입 단계가 항상 포함돼 있었다.

중간 단계의 설계자들은 다소 더 융통성이 있었다.위원회 위원들은 3가지 등급인 "A", "B", "C"로 분류된 가능한 해결책을 개략적으로 설명했다. 제안된 C-3를 제외하고, 세 등급 모두 공통적으로 목성/레드스톤 탱크 클러스터에 부착된 8개의 H-1 엔진 클러스터로 구성된 새로운 첫 단계였다.-나는 스테이지, 두 개의 엔진 센타우르 어퍼 스테이지.등급 "A" 디자인은 저위험 해결책이었다; 폰 브라운의 현재 디자인은 A-1이 되었고, S-I 1단계와 센타우르 3단계 사이의 타이탄 I 2단계로 구성되었다.A-2는 A-1의 2단계를 토르 IRBM 클러스터로 대체했다.A급 차량은 기존 하드웨어의 활용으로 가장 일찍 비행할 수 있었지만, 토성 로켓의 첫 두 가지 임무를 완수하지 못했다.또한, 120인치 상위 단계들은 잠재적인 구조적 취약성을 야기했고, 제안된 160인치 업그레이드는 원래 지침의 네 번째 요청을 위반하면서 성장 잠재력을 제한할 것이다.

위원회가 고려한 단일 등급 'B' 설계인 B-1은 앞서 언급한 S-I 1단계와 센타우르 4단계가 적용된 4단계 설계로 구성됐다.두 번째 단계는 1단계에서 사용하는 H-1 엔진 중 4개를 사용하는 완전히 새로운 220인치 LOX/RP-1 설계와 함께 센타우르에서 파생되었지만 직경이 220인치인 새로운 4엔진 3단계 설계가 될 것이다.비록 B-1 차량이 임무 요건을 충족시켰지만, 새로운 2단계를 개발하는데 너무 많은 비용과 시간이 소요되었을 것이다.

C급 디자인은 모든 상위 단계에서 액체 수소를 사용했다.C-1은 기존 S-I 부스터, 엔진당 15,000lbf(67kN)에서 20,000lbf(89kN)의 추력을 가진 Centaur 엔진의 네 가지 업그레이드 버전으로 구동되는 신형 Douglas Aircraft 220인치 S-IV 단계, 그리고 3단계와 동일한 엔진을 사용하는 수정된 Centaurs로 구성될 것이다.C-1은 두 개의 새로운 15만 lbf(670 kN) ~ 20만 lbf(890 kN) 추력 엔진을 장착한 새로운 S-III 단계를 삽입하면 C-2가 되어 S-IV와 센타우르를 상위에 유지하게 된다.C-3는 비슷한 적응형으로, 동일한 150~200,000lbf 추력 엔진 중 4개를 S-II 단계로 삽입하여 C-2의 S-III와 S-IV 단계는 유지하되 센타우르스는 제거했다.C-3의 1단계도 중앙 H-1 엔진 4개를 F-1 엔진 1개로 교체하거나 H-1 엔진 8개를 모두 상향 조정하여 200만 lbf(8,900 kN) 이상으로 증가시킬 것이다.

결과를 살펴본 결과, C 모델은 다른 어떤 조합보다 훨씬 높은 성능을 제공했고, 특정 발사 요구에 맞춰 스테이지를 혼합하여 매칭할 수 있게 함으로써 큰 유연성을 제공했기 때문에, C 모델만이 진행할 가치가 있는 유일한 모델임을 강력히 시사했다.또한, 로켓을 빌딩 블록 방식으로 개발함으로써 각 새로운 단계가 이미 시험되고 검증된 단계에 추가됨에 따라 최대 차량 신뢰도를 달성할 수 있을 것이다.

따라서 그 결정은 성과보다는 개발 리스크로 내려왔다.토성은 항상 가능한 한 위험성이 낮도록 설계되어 왔으며, 유일한 진짜 새로운 부품은 낮은 단계의 엔진과 높은 단계의 센타우르스로의 사소한 업그레이드였다.전체 "스택"에 대해 완전히 새로운 수소 연소 단계를 개발하면 구성 요소 중 하나의 고장이 전체 프로그램을 중단시킬 수 있는 위험을 증가시킬 수 있다.그러나 위원회 위원들이 지적한 바와 같이, "만약 이러한 추진체가 어려운 최상위 단계에 적용되도록 허용된다면, 중간 단계에 덜 어려운 응용을 위해 고에너지 추진체를 사용하지 않을 정당한 공학적인 이유가 없어 보인다." 폰 브라운은 승리했고, 현재 설계의 발전은 계속될 것이다.백업으로서의 ue, 그러나 토성의 미래는 수소에 기초했고 NASA의 요구조건에만 맞추어졌다.

1959년의 마지막 날, NASA 관리자 T. 키스 글레넌은 실버스타인의 추천을 승인했다.1960년 1월 두 차례의 아이젠하워 행정부 결정으로 일정을 맞출 가능성이 높아졌다.토성 프로젝트는 국가 우선순위가 가장 높은 프로그램을 지정하는 DX 등급을 받았으며, 이는 프로그램 매니저들에게 부족한 자료를 확보하는 특권을 부여했다.더 중요한 것은, 행정부는 NASA의 추가 자금 요청에 동의했다.1961년 새턴 FY 예산은 1억 4천만 달러에서 2억 3천만 달러로 증액되었다.1960년 3월 15일 아이젠하워 대통령은 육군 개발 작전 사단의 NASA 이전을 공식 발표했다.

토성이 출현하다

실버스타인 위원회 보고서에서 상상한 새턴 C 차량은 결코 제작되지 않았다.토성이 NASA가 튜닝한 고성능 디자인이 되자마자 DoD는 그들 자신의 필요에 따라 토성에 대한 관심이 줄어들었다.타이탄의 개발은 이러한 역할들을 위해 계속되었고, 그 결과 다양한 토성 C-모델 중간 단계들에 의해 제공되는 유연성은 단순히 필요하지 않았고, 결국 포기되었다.

권고안 중 살아남은 것은 S-I 1단계와 새로운 상위 단계 중 가장 작은 단계인 S-IV뿐이었다.당초 S-IV에는 업그레이드된 센타우르 엔진 4개가 장착될 예정이었으나 리스크를 줄이기 위해 기존 엔진을 사용하고 4개에서 6개로 늘리기로 했다.이것들을 대체할 수 있는 새로운, 더 큰 엔진인 J-2는 이미 파이프라인에 있었다.원래 S-IV 설계인 6개의 엔진을 탑재한 220인치는 토성 블록 II 모델에 대해 더 큰 직경 260인치의 버전이 만들어질 때까지 단기간 동안만 사용하다가 마침내 토성 IB의 J-2 동력 S-IVB로 대체되었다.

메모들

1.^{^} 요청서의 전문은 ARPA 주문서 14-59 및 47-59에 대한 반기별 기술 요약 보고서 부록에서 확인할 수 있다.

1963년까지 토성은 C와 아라비아 숫자로 분류되었다.사람들은 일반적으로 C가 구성을 위한 것이라고 추측하지만, 케네디 우주 센터의 스페이스포트 뉴스 (1963년 1월 17일)에 따르면, MSFC 엔지니어들은 그것을 차량 "개념"을 지정하는데 사용했다.토성 C-1은 S-1 부스터의 개념을 표명한 것으로 액체 수소를 추진체로 사용해 상단을 얹은 것이다.C-2, C-3, C-4는 C-5(토성 V) 달 로켓보다 앞선 개념이었다.토성의 기원에 대한 자세한 내용은 존 L. 슬롭, 추진 연료로서의 액체 수소, 1945-1959, NASA SP-4404, 프레스 12를 참조하십시오.

참조

• 토성, 4, 7, 8, 표 III에 대해 보고한다.
• Emme, "역사적 관점" 페이지 18; Robert L.로졸트, 행정사