[달까지 가는 가장 영리한 방법] [7가지 Q&A로 본 달 탐사] ....

[달까지 가는 가장 영리한 방법]

[7가지 Q&A로 본 달 탐사]

[‘진짜 위성’ 궤도 올린 누리호… 韓 우주산업화 시대 열렸다]

 

 

 

달까지 가는 가장 영리한 방법

 

나는 아폴로 키즈다. 1969년 ‘아폴로 11호’를 통해 인간이 달에 가는 모습을 직접 목격한 세대다. 닐 암스트롱과 버즈 올드린은 달 표면 ‘고요의 바다’에 착륙해 인류 최초로 달 위를 걸었다. 나는 그 ‘달나라의 장난’ 같은 장면을 낡은 브라운관 TV로 보며 과학자의 꿈을 키웠다.

그로부터 57년이 지나, 다시 달 탐사를 목표로 하는 유인 우주선 ‘아르테미스 2호’가 약 10일간의 달 왕복 여정을 성공적으로 마치고 지구로 돌아왔다. 비행거리는 111만8000km다. 이 여정을 위해 지구를 떠날 때는 액체수소와 액체산소, 고체 추진제를 사용했고 비행 중 궤도를 미세 조정할 때는 스위치만 누르면 즉시 점화되는 하이퍼골릭 연료를 활용했다.

아르테미스 2호는 지구를 28바퀴 도는 것과 맞먹는 거리를 여행했다. 이 거리를 자동차로 갔다면 얼마만큼의 휘발유가 필요했을까? 보통 승용차 연비로 계산하면 약 7만4000L의 휘발유가 든다. 2L 생수병으로 약 3만7000병 분량이다. 하지만 아르테미스 2호는 자동차처럼 계속 연료를 태우며 움직이지 않았다. 처음에 로켓 추진력으로 지구 중력을 탈출해 달까지 가는 궤도 속도를 얻은 뒤에는 관성과 달의 중력을 이용해 이동했다.

 

중력이 존재하는 한 물체는 끌리는 힘에 의해 곡선 궤도를 그린다. 아르테미스 2호는 달 근처를 비행하며 달의 중력을 이용해 궤적을 바꾼 뒤, 다시 지구 중력을 이용해 지구로 귀환하는 궤도를 택했다. 이를 ‘프리 리턴 궤도’라고 한다. 추가적인 대규모 엔진 점화 없이도 안전하게 지구로 돌아올 수 있도록 한 것이다. 아르테미스 2호에는 4명의 우주인이 타고 있어 안전이 무엇보다 중요하다. 만약 달까지 가는 도중에 큰 문제가 발생했을 때 반드시 엔진을 켜야만 귀환할 수 있는 구조였다면 위험 부담이 컸을 것이다. 하지만 달의 중력을 이용하는 프리 리턴 궤도를 선택해 막대한 추가 연료 없이도 자연적인 경로로 지구로 귀환할 수 있었다.

이처럼 지구와 달의 중력 궤도를 이용한 우주비행의 이론적 출발점은 18세기 수학자이자 천문학자인 조제프루이 라그랑주에게서 찾을 수 있다. 그는 천체 운동을 설명하는 중요한 수학적 토대를 만들었다. 이후 미국 항공우주국(NASA)의 궤도 설계 전문가 로버트 파커 등이 이 원리를 발전시켜 복잡한 우주 탐사선의 궤적을 설계했다.

냉전 시기 아폴로 11호의 목표는 최대한 빨리 사람을 달에 보내고 무사히 귀환시키는 것이었다. 그래서 연료를 많이 사용하는 방식을 취할 수밖에 없었다. 반면 아르테미스 2호는 천천히 가면서 중력의 힘을 활용해 연료를 절약하는 방식을 택했다. 앞으로 발사될 아르테미스 3호의 목표는 달 착륙이다. 이번 성공으로 머지않아 달나라 여행이 현실이 될 것이다.

앞으로 몇 년이 지나면 달나라 여행이 지구인의 일상으로 자리 잡을까? 1783년 인류는 최초로 지구의 중력을 거슬러 열기구를 타고 하늘을 날았다. 뜨거운 공기는 가벼워 위로 올라간다는 간단한 물리학적 원리를 이용했다. 그리고 이제는 중력을 이용해 우주를 여행하는 시대가 왔다. 이런 과학적 발전과 인간의 도전 정신을 보면 인류의 위대함을 느낀다. 나만 그렇게 느끼는 것인가?

 

-이기진 서강대 물리학과 명예교수, 동아일보(26-05-01)-

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7가지 Q&A로 본 달 탐사

 

누리호는 75t급 엔진 4기… 달 탐사선 실으려면 100t급 5기 있어야

 

누리호는 3차 발사에 성공하면서 지상에서 550㎞ 떨어진 지구 저궤도에 위성을 배치하는 능력을 입증했다. 더 큰 위성과 탐사선을 3만6000㎞의 정지궤도, 나아가 달과 화성으로 보내려면 더 강력한 발사체가 필요하다. 이런 발사체의 조건은 무엇일까. 일곱 가지 질문으로 정리했다.

 

◇추력이란 무엇인가

 

발사체는 작용·반작용의 원리로 날아간다. 발사체 뒤쪽으로 연료와 산화제가 내뿜는 힘의 반작용으로 앞으로 나아간다. 땅에서 중력을 거슬러 발사체를 밀어 올리는 힘을 추력(推力)이라고 한다. 발사체가 땅에서 이륙하려면 발사체 무게보다 큰 힘으로 밀어줘야 한다. 그래야 발사체에 실은 위성을 지구 궤도에 올려놓을 수 있는 속도까지 가속할 수 있다. 이번에는 1단에 75톤(t)급 엔진 4기를 묶어 총 300t의 추력을 내는 방식으로 200t에 달하는 누리호를 들어 올렸다. 발사체가 가벼울수록 발사가 쉽다. 허환일 충남대 교수는 “누리호는 연료와 산화제를 제외한 무게가 전체 무게의 12% 수준”이라고 말했다. 스페이스X 등 주요 선진국 발사체들은 연료를 제외한 무게가 전체의 8%로 더 경량화돼 있다. 누리호가 개선해야 할 핵심 과제다. 

 

◇발사체는 빠를수록 좋은가

 

위성을 궤도에 올려놓으려면 발사체의 추력을 정밀하게 조절해야 한다. 궤도에서 위성을 배치하는 시점에는 대략 초속 7~8㎞의 속도가 필요하다. 안재명 KAIST 교수는 “속도가 낮으면 위성은 추락하고 속도가 높으면 원하는 궤도가 아닌 다른 궤도로 이탈하게 된다”고 했다. 지난 누리호 1차 발사 때는 목표 속도에 도달하지 못해 위성 모사체를 궤도에 안착시키지 못했다. 이번 누리호 3차 발사에서는 궤도 550㎞에서 초속 7.6㎞로 위성이 투입됐다. KTX 속도의 91배다.

 

◇먼 우주는 어떻게 가나

 

같은 연료량을 사용할 경우 목표 거리가 멀어질수록 발사체가 실을 수 있는 무게는 줄어든다. 현재의 누리호 엔진을 활용하면 200㎞까지는 3.3t을 실어 나를 수 있지만, 달까지는 0.1t만 보낼 수 있다. 지구 궤도를 벗어나는 과정에서 많은 연료를 사용하기 때문에 이후의 여정에 필요한 연료가 거의 남지 않는다. 안재명 교수는 “달에 가려면 더 큰 발사체를 개발해 많은 양의 연료와 산화제를 실어야 한다”고 말했다. 미국 스페이스X가 달·화성 탐사용으로 개발 중인 스타십은 무게가 5000t, 추력은 7590t에 달한다. 이 때문에 스타십은 최대 100명의 우주인을 태울 수 있다. 유인 달 탐사가 목적인 아르테미스 프로젝트에 이용되는 스페이스론치시스템(SLS) 로켓은 무게 2600t, 추력 4000t이다. 발사체는 강력한 추력으로 지구 중력의 영향을 벗어나야 먼 우주로 나아갈 수 있다. 이른바 지구 탈출 속도인 초속 11.2㎞를 넘어서기 위해 강력한 힘이 필요한 것이다.

 

◇엔진 성능은 어떻게 높일까

 

하나의 엔진이 낼 수 있는 성능에는 한계가 있다. 이 때문에 클러스터링(묶음) 기술로 추력을 높인다. 스페이스X 스타십은 랩터 엔진 33기가 묶여 있으며, 누리호 1단은 75t급 엔진 4기로 이뤄져 있다. 추력이 큰 엔진을 하나 만드는 것보다 제조 비용을 줄일 수 있고 세밀하게 엔진 각각을 제어하기도 쉽다. 스페이스X의 경우 랩터 엔진 33기 중 일부를 발사 이후 역분사해 지상으로 다시 착륙시키는 데 활용하고 있다. 다만 일부 엔진이 점화되지 않거나 다른 엔진과 다른 추력을 내는 경우 발사 실패의 위험이 있다. 스페이스X의 스타십 시험 비행이 실패한 원인이기도 하다.

 

◇발사 비용은 얼마나 드나

 

수거한 발사체와 로켓을 재활용하면 발사 비용이 획기적으로 줄어든다. 현재까지 재사용 기술을 상용 발사체에 구현한 곳은 스페이스X뿐이다. 스페이스X의 주력인 팰컨9의 회당 발사 비용은 6700만달러(약 890억원)인데 발사체와 엔진, 우주선을 모두 재활용하면 비용을 절반 이하로 줄일 수 있을 전망이다. 민간 우주 기업 블루오리진도 재사용 로켓을 개발하고 있다. 반면 누리호 3기를 개발하는 데는 약 2조원이 들었다. 상용화된 발사체가 아닌 개발 단계여서 단순 비교는 어렵지만, 한 기당 6600억원에 달한다. 스페이스X와 비교해 7배가량 차이가 나는 것이다. 이창진 건국대 항공우주정보시스템공학과 교수는 “누리호가 상용 발사 서비스 시장 경쟁력을 갖추려면 결국 가격이 관건”이라고 했다. 한국 역시 차세대 발사체 사업에서는 재활용 기술에 본격적으로 나선다. 항우연은 “향후 재사용 발사체로 개량할 수 있도록 엔진 재점화, 추력 조절 등의 요소 기술을 개발하고 있다”고 말했다.

 

◇한국의 달 탐사 전략은

 

한국도 달에 가기 위한 차세대 발사체를 개발하고 있다. 차세대 발사체의 1단은 100t급 엔진 5기로 구성된다. 문윤완 한국항공우주연구원 부장은 “1단의 총추력은 500t으로 누리호의 300t보다 훨씬 강력하다”며 “경량화에도 중점을 둘 것”이라고 했다. 한국형 차세대 발사체에는 1.8t까지 탑재가 가능해 달 탐사선을 실을 수 있다. 미국 SLS의 경우 달까지 42t을 실어 나를 수 있다. 문 부장은 “보조 엔진을 사용해 추력을 높이는 방법, 연료를 줄여서 경제적으로 달까지 가는 궤도 개발 등 다양한 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

 

◇달로 가는 길은

 

달로 가는 방법은 크게 세 가지다. 지구에서 달까지 직진으로 가는 방법이 첫째다. 단 5일이면 달까지 갈 수 있다. 미국 아폴로 달 탐사 미션이 이 경로를 이용했다. 지구를 크게 타원 모양으로 여러 번 돌다가 달 궤도에 들어가는 방법도 있다. 한 달가량 시간이 걸리지만 연료 소모가 상대적으로 적다. 마지막으로 한국의 다누리가 선택한 것은 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 라그랑주점, 즉 먼 우주까지 갔다가 다시 돌아오는 방법이다. 태양과 지구, 달의 중력에 탐사선이 이끌리도록 하는 방법이기 때문에 가장 연료 소모가 적지만 4~5개월이라는 시간이 걸린다. 유인 탐사보다는 무인 탐사에 적합한 방식이다.

 

-유지한 기자, 조선일보(23-05-27)-

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‘진짜 위성’ 궤도 올린 누리호… 韓 우주산업화 시대 열렸다

 

한국항공우주연구원 제공

 

한국형발사체 누리호가 어제 3차 발사에 성공했다. 전남 고흥 나로우주센터에서 오후 6시 24분 발사된 누리호는 8기의 위성을 싣고 우주로 솟구쳐 18분 58초 동안 비행했다. 궤도 안착에 실패했던 1호, 성능 검증 위성 등만 실었던 2호와 달리 실용 인공위성을 탑재한 첫 번째 실전 발사다. 제어 소프트웨어 이상으로 발사가 하루 늦어지면서 제기된 우려를 털어내고, 이들 위성을 고도 550km의 예정 궤도에 올리고 지상과의 첫 교신까지 성공했다. 이로써 한국은 자력으로 실용위성을 쏘아 올린 세계 10번째 나라가 됐다.

순수 국산 기술로 만든 누리호의 3차 발사 성공으로 한국 우주산업은 본궤도에 올랐다. 정부에서 민간으로 우주산업의 주체를 전환하는 계기가 됐다는 점도 의미가 크다. 이번 발사는 한국항공우주연구원이 이끌었지만 향후 누리호 상용화를 추진할 한화에어로스페이스가 제작, 시험평가, 발사의 전 과정에 참여했다. 8기의 위성도 KAIST 인공위성연구소, 루미르, 카이로스페이스 등 한국인의 손으로 제작됐다. 전체 프로젝트에 참여한 국내 기업 수는 300여 곳에 이른다.

누리호의 실전 역량과 신뢰성이 입증됨에 따라 우주 개발 속도와 상업발사 일정은 빨라질 것으로 전망된다. 정부는 연내에 ‘한국형 나사(NASA)’로 불리는 한국항공우주청(KASA)을 세워 한국형발사체의 고도화에 나서기로 했다. 미국과는 우주산업 협력체계 구축을 통한 ‘우주동맹’에 시동을 걸기로 약속했다. 필요할 때 군사용 정찰위성 등을 자력으로 쏠 수 있게 돼 안보역량 제고도 기대된다.

 

2021년 이미 400조 원을 넘어선 글로벌 우주경제 규모는 2030년에 850조 원까지 성장할 것으로 보인다. 항공우주산업은 부가가치율이 50%에 육박해 다른 산업들과 비교할 수 없이 높다. 미중이 앞서 나가는 우주 개발 경쟁에 일본, 유럽연합(EU)이 뛰어든 이유다. 달 탐사, 화성도시 건설을 목표로 더 크고 강력한 우주 발사체를 개발하는 경쟁도 치열하다.

 

-동아일보(23-05-26)-

 

 

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