바다는 삶의 터전이자 다양한 생물들이 살고 있는 생태계의 보고다. 최근 기후변화로 인한 수온 상승, 해양오염 등이 바다를 위협하고 있다. 국내에서 유일한 해양환경 전문기관인 해양환경관리공단이 해양환경 보전을 위해 다양한 활동을 벌이고 있다. 그 현장을 찾아가 봤다. 강화도 남단 갯벌에서 해양환경관리공단 용역 업체와 지역 어민들이 갯벌을 황폐화하는 ‘갯끈풀’을 제거하기 위한 구슬땀을 흘리고 있었다. 갯끈풀은 다년생 볏과 기수성(강어귀에 민물과 뒤섞여 염분이 적은 바닷물) 식물로 ‘영국갯끈풀’ 또는 ‘갯줄풀’로 불린다.  강화도 동막리 갯벌에서 지역어민들이 갯벌 파괴자로 불리는 ‘갯끈풀’ 제거작업에 구슬땀을 흘리고 있다. 빽빽한 군락을 이루며 급속도로 확산하는 모습을 하늘에 띄운 드론을 통해 내려다보니 흡사 세균이 번식하는 듯하다. 갯끈풀을 완벽하게 제거하기 위해선 뿌리째 뽑아야 하지만 9월이면 씨앗을 통해 번식하는 까닭에 우선 이를 막기 위해 줄기 제거작업에 박차를 가하고 있다.강화도 동막리 갯벌에서 지역어민들과 안양대 해양바이오시스템공학과 학생들이 갯끈풀 제거작업을 하고 있다.갯벌을 육지화해 토종 염생식물의 자생지를 몰아내 갯벌 생태계를 파괴하는 ‘갯벌 파괴자’로 알려져 있다. 해양수산부에서는 유해해양식물로, 환경부에서는 생태계교란식물로 지정해 관리 중이다. 강화도 남단에만 1만9000여㎡ 규모로 퍼져 있다. 지역 어촌계장인 신상범씨는 “10여 년 전 강화도 동막리 펜션 앞에서 못 보던 풀을 봤다. 지금은 동막해수욕장 서편에 위치한 가무락 양식장까지 피해를 주고 있다”고 토로했다. 해수부와 공단은 8월부터 강화 남단에 번성하는 갯끈풀 확산 저지를 위해 어촌계와 함께 뿌리와 줄기 제거작업을 병행하고 있다.해양수질팀 수질요원들이 로젯샘플러를 통해 해수를 채취하고 있다.해양환경조사선 아라미에서 해양수질팀 수질요원이 해저퇴적물 채취장비인 ‘그랩’으로 퇴적물을 채취하고 있다.해양수질팀 수질요원들이 로젯샘플러를 통해 해수를 채취한 뒤 수온 및 염분을 측정하고 있다.해양환경조사선 아라미호 실험실에서 채취 해수의 용존산소, 수소이온 농도 등을 측정 중인 해양수질팀 수질요원들.해양환경관리공단이 운영하는 청항선에서 김상백(27) 기관사와 박홍식(26) 항해사가 인천 남항 부둣가에 가득한 해양부유쓰레기를 수거하고 있다.정화팀 직원들이 인천 남항 부둣가의 해양부유쓰레기를 수거하고 있다.경남 진해 행암만에서 오염퇴적물 정화작업 중인 준설 및 중간처리선에서 현장 관계자들이 처리 과정을 살펴보고 있다.경남 진해 행암만에서 오염퇴적물 정화작업을 마친 퇴적물을 토운선(토사 운반선)에 옮겨 싣고 있다. 정화된 처리수는 현장에 배출하고 퇴적물은 부산 신항 준설토 투기장에 매립 처분한다.경남 진해 행암만에서 오염퇴적물을 정화하는 준설 및 중간처리선의 퇴적물을 빨아들이는 진공흡입구 모습.해양환경측정망 조사를 위해 인천항을 떠나는 해양환경조사선 아라미1호.해양환경관리공단은 전국 주요 항만에서 해양부유쓰레기 수거를 위해 청항선(항만 청소선)을 운영하고 있다. 해양부유쓰레기는 주변 미관을 해치고 입출항 선박의 안전운항에 지장을 준다. 하천을 통해 유입되거나 배에서 버려진 쓰레기들이 대부분이다. 매년 증가하는 해양쓰레기 정보를 관리하기 위해 해양쓰레기대응센터도 운영하고 있다. 7월 중순에는 가시파래로 추정되는 해초들이 인천항을 가득 채웠다. 가시파래는 식용으로 쓰기도 하지만 대규모로 번식해 해안에 쌓이면 악취를 낸다. 수거작업을 벌인 끝에 60t이나 제거했다. 해양환경관리공단 관계자는 “중국에서 흘러 들어왔거나 해수 고온 현상으로 일시적으로 떠오른 것이 아닌지 의심된다”고 말한다. 급변하는 해양환경실태를 파악하기 위해서도 힘쓰고 있다. 해양환경조사선 아라미는 전국 57개 연안, 425개 정점에서 정기적으로 해양환경 오염원을 측정해 관리·보전 정책을 수립하는 해양환경측정망을 운영하고 있다. 경남 진해 행암만에서는 눈에 띌 정도로 많은 보름달물해파리들이 둥둥 떠다니고 악취가 진동했다. 산업화 과정에서 공장폐수와 생활하수가 바다로 흘러들어 오염된 해저 퇴적물이 수질을 악화시키는 동시에 해양생태계를 파괴시켰다. 해마다 수차례 적조가 발생하는 특별관리해역으로 지정됐다. 현재 행암만에는 3년차 오염퇴적물 정화사업이 진행 중이다. 오염퇴적물 정화로 해양 자정능력을 회복시키고 주민 생활환경 개선을 기대하고 있다.경남 진해 행암만에 수많은 보름달물해파리가 둥둥 떠다니고 있다. 크기도 작고 독성도 미미하지만 무리를 이루면 어선 조업에 치명적이다.해양환경관리공단은 건강하고 깨끗한 바다를 통해 우리의 삶이 풍요로워질 수 있도록 노력하고 있다. 무한한 미래 가치의 터전인 해양의 소중함을 깨닫고 많은 이들이 관심을 기울일 때 해양 환경을 지켜낼 수 있다.글·사진=남정탁 기자 jungtak2@segye.com

◆태양광으로 항해하는 우주선 ‘솔라 세일’(Solar Sail)의 세계 최근 개봉한 영화 ‘에이리언: 커버넌트’의 도입부에 등장하는 우주선 ‘커버넌트호’의 항해 장면은 가히 압권이다. ‘우주 돛’, 즉 태양광 우주선(솔라 세일·Solar Sail)의 원리를 이용해 항해하는 장면은 그만큼 장관이다. 커버넌트호는 2000명의 승객과 12명의 승무원을 태우고 새로운 행성 개척을 위해 항해한다. 우주선보다 수십배 큰 돛은 연료를 아끼고 더 빠른 속도로 항해하기 위한 장치다. 돛을 펴고 접는 모습은 바다를 항해하는 거대한 범선을 연상시킨다. 강력한 태양풍을 만나 손상된 돛을 승무원들이 수리하는 장면도 현실감 있다. 이 영화는 당분간 솔라 세일을 가장 사실적으로 다룬 공상과학(SF) 영화로 기록될 것 같다. 솔라 세일 개념은 SF 소설이나 영화, 드라마에 종종 등장한다. 영화 ‘스타트랙: 딥 스페이스9’ 시리즈나, 프랑스 작가 베르나르 베르베르의 소설 ‘파피용’ 등이 대표적이다. ◆40년 전 ‘코스모스’의 저자 칼 세이건이 제시 솔라 세일 우주선은 SF 소설이나 영화의 상상 속 이야기가 아니다. 태양광으로 항해하는 우주선은 과학책 ‘코스모스’의 저자 칼 세이건이 약 40년 전에 제시한 개념이다. 그는 1976년 자니 카슨이 진행하는 인기 TV 심야 토크쇼 ‘더 투나잇 쇼’에 출연해 솔라 세일, 혹은 라이트 세일(Light Sail)의 구상을 소개했다. 당시 세이건은 “솔라 세일은 지속적으로 가속을 받아 로켓을 사용하는 일반 우주선보다 더 빨리 이동할 수 있다”고 설명했다. 미국항공우주국(NASA) 제트추진연구소는 전기 절연 재료로 만들어진 평평하고 넓은 돛으로 추진되는 우주선을 만들어 핼리 혜성과 랑데부(만남)를 시도해보자는 칼 세이건의 제안을 받아들여 제작에 들어가기도 했다. 실제 발사로 이어지지 않았으나, 충분히 시도해볼 만한 아이디어라고 본 것이다. 이어 세이건이 공동 창립자로 참여했던 비영리 단체인 행성협회(The Planet Society)가 이 아이디어를 그대로 이어받아 2005년 ‘코스모스 1호’를 띄우려고 했지만, 로켓 발사 실패로 결국 무산된다. ◆더 멀리, 더 빨리 우주를 항해할 수 없을까? 과학자들이 솔라 세일에 관심을 기울이면서 던진 질문은 단순하고 명료하다. ‘더 적은 연료로, 아니 사실상 쓰지 않고, 더 멀리 그리고 더 빨리 갈 수 없을까’이다. 지구와 달의 거리는 38만4000㎞이다. 1969년 닐 암스트롱이 달에 착륙할 때 왕복한 우주 항해 시간은 195시간 19분이었다. 만약 이 속도로 명왕성까지 약 59억㎞의 항해를 떠난다면 가는 데만 171년이 걸린다. 당시보다 우주선의 성능이 좋아졌다고 가정하고 속도를 100배로 올린다 해도 연료가 부족하게 된다. 연료 문제를 해결하지 못하면 더 빨리, 더 멀리 갈 수 없는 것이다. 솔라 세일은 연료 대신 태양광을 이용하는 개념에 기초한다. 바다의 범선이 바람의 힘으로 항해하는 것처럼 솔라 세일 우주선은 태양광을 받아 추진력을 얻는다. 빛이 질량은 없지만, 운동량(momentum)과 에너지를 지니고 있다는 것은 이미 19세기에 입증된 이론이다. 빛을 반사하거나 흡수하는 물체는 빛의 운동량을 전달받아 추진력을 얻을 수 있고, 여기서 얻은 아이디어가 바로 솔라 세일이다. 빛은 파장인 동시에 광자라는 입자의 흐름이다. 태양에서 우주로 퍼지는 광자의 에너지 입자가 우주선의 돛에 부딪히면 선체가 전진하기 시작한다. 처음에는 1초에 1㎜ 정도 전진하는 아주 미세한 움직임이지만, 이론상으로는 시간이 흘러 가속을 받아 100일 정도 후에는 시속 16만㎞까지 이른다고 알려져 있다. 광속의 절반 수준까지 속도를 낼 수 있는 셈이다. ◆2010년 ‘이카로스’ 성공, 2015년 ‘라이트 세일’ 성공 가장 먼저 솔라 세일의 발사에 성공한 나라는 일본이다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 지난 2010년 5월 금성 탐사위성 ‘아카스끼’(일본어로 새벽이라는 뜻)와 우주 범선 ‘이카로스’(IKALOS)를 ‘H-2A’ 로켓에 실어 우주로 발사한다. 이카로스의 본체는 지름 1.6m에 높이 0.8m의 원통 모양입니다. 여기에 한변의 길이가 20m가량인 정사각형 모양의 돛을 달고 있다. 이카로스의 돛은 빛을 반사하는 초박막 필름(두께 100분의 1㎜)으로 제작되어 있다. 태양의 빛이 돛에 부딪힐 때 생기는 힘으로 날아가는 원리다. 접혀 있던 돛은 대기권을 벗어난 위성 본체가 회전하는 원심력으로 펼쳐졌다. 이카로스는 우주궤도 진입 후 성공적으로 돛을 펴고 ‘셀프카메라’ 영상까지 지구로 전송했다. 발사 후 약 7개월 후 금성에 도착했으며, 이후 금성을 지나 초속 400m 정도의 속도로 태양 주변을 돌고 있다. 일본은 이카로스에 이어 지름 50m의 초대형 돛을 단 목성 탐사선도 발사한다는 계획이다. 행성협회도 1차례의 실패에 좌절하지 않고 2015년 태양광 우주선 ‘라이트 세일’(Light Sail)을 성공적으로 발사했다. 라이트 세일은 발사 후 8일간 통신이 끊기는 우여곡절을 겪기도 했지만 다행히 돛이 제대로 펼쳐지고 기체가 자세를 유지하면서 태양광으로 항해하는 데 성공했다. 라이트 세일은 한변이 10㎝인 초소형 인공위성 ‘큐브샛’ 3개를 이어붙이고 돛을 달아 완성됐다. 우주에 진입하면서 접혀있던 삼각형 모양의 돛 4개가 펼쳐지면서 태양광 반사판 역할을 했다. 돛의 두께는 4.5㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m)였지만, 펼쳐진 돛의 면적은 32㎡로 인공위성 표면적의 200배가 넘었다. ◆3만년 걸리는 거리를 20년 만에 항해한다(?) 솔라 세일을 이용한 담대한 계획도 추진 중이다. 미국의 이론 물리학자 스티븐 호킹은 러시아 부호인 유리 밀너, 페이스북 최고경영자(CEO)인 마크 저커버그 등과 함께 40년 후 외계 행성 탐사에 성공하겠다는 계획을 내놨다. ‘스타샷 프로젝트’로 불리는 이 기상천외한 아이디어는 초소형 나노 우주선을 개발해 지구와 가장 가까운 항성계인 ‘알파 센타우리’로 보내겠다는 게 그 뼈대이다. 이 별은 우리 태양계와 4.37광년(약 25조㎞) 떨어져 있다. 지금의 기술로는 3만년 이상 걸리지만, 초소형 우주선은 이보다 1000배 정도 빨라 20년 정도면 갈 수 있을 것이라는 게 프로젝트 관계자들의 예상이다. 스마트폰 크기의 초소형 우주선을 광속 대비 5분의 1 빠르기로 가속할 수 있는 시스템을 개발하겠다는 계획도 세웠다. 이 나노 우주선에는 솔라 세일이 적용된다. 무게 28g 정도의 우주선에는 3.5m 크기의 초박막 방패연 모양의 나노 돛이 달린다. 호킹의 계획에 따르면 나노 우주선 1000개를 우주에 풀어놓은 뒤 지구에서 레이저빔을 쏘면 우주선이 돛단배처럼 항해하게 된다. 이 계획이 실행되면 마치 날개를 편 나비 떼와 같은 우주선들이 날아가는 광경이 연출될 수 있다. 영화처럼 승객을 실은 초대형 우주선을 먼 행성으로 보내는 것은 물론 먼 미래에나 있을 법한 일이다. 이에 반해 큐브샛이나 초소형 우주선에 적용하는 ‘우주 돛단배’는 이미 현실의 이야기가 됐다. ‘해저 2만리’와, ‘80일간의 세계 일주’ 등을 쓴 프랑스의 소설가 쥘 베른은 1865년 이렇게 말했다. “언젠가는 빛을 이용해 달과 행성, 항성으로 여행할 수 있을 것이다.” 150년 전의 예측이 현실이 되고 있다. 우주 저 너머를 향해 더 빨리, 더 멀리 가려는 인류는 또 어떤 아이디어로 그것을 하나씩 실현해 나갈까? 한국항공우주연구원 홍보실

한국형 발사체(KSLV-Ⅱ) 개발 이후를 준비한 로켓엔진의 개발이 이뤄지고 있다. 한국형 발사체보다 효율이 높은 엔진을 개발하기 위한 선행 연구가 추진되고 있는 것. 바로 로켓 선진국들이 적용하고 있는 ‘다단연소 사이클’ 엔진이 그 주인공이다. ◆‘다단연소 사이클’ 발사체 엔진은 연소기에 고압으로 연료와 산화제를 공급하기 위해 필요한 터보펌프를 작동시키기 위해 별도로 작은 연소기(가스 발생기)를 갖춰야 한다. 이 작은 연소기에서 발생하는 배기 가스를 그대로 배출하거나 주 연소기로 보내 연소시키는지에 따라 ‘개방형 사이클’ 방식과 ‘다단연소 사이클’ 방식으로 구분된다. 대부분의 서방 국가가 채택하고 있고, 현재 우리가 개발 중인 한국형 발사체의 엔진은 개발형 사이클이다. 터보펌프의 터빈을 돌리는데 사용한 연소 가스를 배기구를 통해 외부로 배출하는 구조이다. 다단연소 사이클 엔진은 이와 달리 터빈을 돌리기 위해 사용한 추진제의 연소 가스를 주 연소실로 보내 연소시키는 방식을 택한다. 개방형 사이클 방식에 비해 연소 효율(비추력)이 10% 정도 높아진다. 비추력은 추진제 1㎏이 1초 동안 소비될 때 발생하는 추력이다. 같은 양의 추진제를 같은 시간 동안 연소시켰을 때 다단연소 방식이 개방형보다 더 높은 추력을 낼 수 있다. 선진국들의 최신 로켓들은 다단연소 방식이 적용되어 있다. 한국형 발사체는 고도 600~800㎞에 위성을 투입할 수 있는 능력을 목표로 한다. 이를 위해 3단의 개방형 가스 발생기 방식의 엔진이 적용된다. 앞으로 고도 3만6000㎞의 정지궤도를 향해 위성을 발사하거나 더 무거운 중량의 위성을 우주 궤도에 올리려면 로켓 성능을 더 올려야 한다. 한국형 발사체 후 개발될 발사체에 비추력 성능이 더 좋은 다단연소 사이클 방식의 엔진 적용이 검토되는 이유다. 구체적으로 살펴보면 로켓의 1·2단은 한국형 발사체의 개방형 사이클 방식 엔진을 개량해 쓰고, 3단 엔진은 다단연소 방식을 적용하는 방안이 검토된다. 다단연소 사이클 엔진을 보유한 나라는 세계적으로 손에 꼽힐 정도다. 러시아의 ‘프로톤’, 미국의 ‘아틀라스 V’와 ‘델타 IV’ 등이 주력 발사체 등에 다단연소 사이클 엔진이 사용되고 있다. 중국도 ‘장정 5호’ 개발 계획과 함께 등유(케로신), 액체산소를 쓰는 다단연소 사이클 방식을 채택했다. 개방형을 주로 사용했던 ‘스페이스X’ 또한 상단용 고성능 엔진 개발을 위해 개발 중이다. 다단연소 사이클 엔진은 현재 알려진 가장 높은 단계의 로켓 기술로 분류된다. 예연소기(가스 발생기)의 가스가 터빈을 돌린 뒤 다시 주 연소기로 들어가야 하기 때문에 개방형보다 높은 압력을 견뎌야 하는 무척 어려운 기술이다. ◆상당 기술 국산화…연구개발 본격 착수 우리 연구진은 2010년부터 다단연소 사이클 엔진의 하드웨어에 대한 연구를 시작해 예연소기(가스 발생기)와 주 연소기 등을 자체 개발하는 데 성공했다. 연구 초창기 때는 배울 곳이 없어 해외박물관에 전시된 제품이나 인터넷에 떠도는 사진을 바탕으로 설계도를 그리는 등 어려움을 겪었다. 한국항공우주연구원 연구진은 1단계로 다단연소 사이클 엔진에 필요한 예연소기를 개발한 데 이어 8t급 시험 모델의 연소시험을 수행한 뒤 비행형에 준하는 모델의 설계와 인증시험까지 수행했다. 2단계로는 주 연소기 개발에 이어 가스 발생기와 주 연소기 연계시험까지 성공적으로 마쳤다. 최근에는 엔진의 주요 구성품을 연결해 성능을 확인하는 시험을 거치고 있다. “최근 시험에서는 가스 발생기와 터보펌프를 연결해서 약 3초 이상, 2만9000rpm의 회전 수를 기록했어요. 이 정도면 상당히 안정적인 성능을 내는 것으로 파악하고 있고요. 앞으로 계속 시간을 늘려가고 연소기와 연결해서 에너지를 생성하는 시험도 진행합니다. 80기압 이상이면 성공으로 보는데, 87기압까지 나왔으니까 에너지도 성공적으로 생성된 것이고요. 이런 식으로 시간을 계속 늘려가면서 정상 작동 여부를 확인하는 시험을 반복하게 됩니다. 엔진 시험 결과 원래 목표로 삼았던 8t의 추력을 냈고, 비추력 또한 기존의 엔진보다 7~10% 정도 높은 수치를 기록했습니다.” 조남경 항우연 엔진시험평가팀 박사는 최근 다단연소 사이클 엔진의 시험과 관련된 진행 상황을 이렇게 설명했다. 내년부터는 성능 최적화 시험을 본격화할 계획이다. 그 후 발사체 시제품을 제작해 시험하는 단계까지 거치면 정지궤도 위성의 발사체 엔진에도 적용할 수준이 된다는 게 연구진의 판단이다. 한국항공우주연구원 홍보실

◆격변의 1960년대, 그리고 케네디 대통령의 공언 1960년대의 미국은 격변의 시기를 겪고 있었다. 베트남 전쟁에 대한 찬반으로 여론은 양분되어 있었고, 평등과 자유를 쟁취하기 위한 시민들의 투쟁도 정점에 서 있었다. 한편에서 구 소련과 우주개발 경쟁에서는 뒤처지고 있었다. 1962년 당시 존 F 케네디 대통령은 인상 깊은 연설을 남긴다. 1960년대 말까지 인류를 달에 보내겠다고 공언한 것이다. 그의 연설은 미국민을 결집시켰다. 미국은 결국 1969년 여름 세계 최초로 인간을 달에 보낸다. ◆비극적인 첫 발걸음, ‘아폴로 1호’ 달로 가는 길은 쉽지 않았다. 미국은 1950∼60년대 여러 어려움을 극복하며 ‘머큐리’(Mercury)와 ‘제미니’(Gemini) 프로그램을 성공시키며 유인 달 탐사에 대한 기대감을 높였다. 하지만 그 누구도 첫 유인 달 탐사 임무가 비극이 될 것이라 예상하지 못했다. 지금으로부터 50년 전인 1967년 1월27일. 3명의 우주비행사가 유명을 달리했다. 시험 중이던 ‘아폴로 1호’ 우주선 안에 화재가 일어나 목숨을 잃은 것이다. 미국 최초로 ‘제미니 3호’를 타고 지구를 선회했던 버질 그리솜(Virgil Grissom), 미국 최초의 우주유영에 성공했던 에드워드 화이트(Edward Higgins White), 제미니 3호와 4호를 뒤에서 지원했던 로저 차피(Roger Chaffee)는 몇주 후 발사될 우주선에 탑승해 일련의 훈련을 진행하고 있었다. 그들은 수시간 동안 문제없이 우주선의 통신 문제 등을 해결하고 있었다. 그런데 갑자기 내부에서 불꽃이 튀며 화재가 발생했다. 당시 시험은 실제 비행 상태를 모사하고 있었기 때문에 우주선의 출입구는 닫혀있었다. 선내는 실제 우주선처럼 순수한 산소로 가득 차 있었다. 불꽃은 이 산소를 만나 걷잡을 수 없이 큰 불로 타올라 버렸다. 우주선의 출입구는 안에서 열 수 있도록 설계되어 있었는데 문을 여는 데 약 90초가 걸렸다. 그러나 화염이 선내를 집어삼키며 선내 압력이 높아졌고, 우주비행사들은 그럴 수 없었다. 우주선 밖에 있던 동료의 긴급한 구조 노력에도 화재가 일어난 지 약 30초 만에 우주선은 파열돼 버렸다. 3명의 우주비행사들은 질식으로 숨을 거뒀다. ◆희생을 기리다 해마다 미국항공우주국(NASA·나사)은 아폴로 미션에 모든 것을 바친 우주비행사 3인의 희생을 기리는 행사를 연다. 올해는 아폴로 1호의 폭발사고가 발생한 지 50년이 된 해로, 미국 플로리다주 메리트섬의 케네디우주센터에는 그들을 기리는 새로운 전시물이 세워졌다. 사고 당시 우주선 해치와 그들의 업적 등이 전시됐다. 나사는 이 전시가 미래 세대에게 자극을 주는 우주 개척의 동기가 되길 바란다고 밝혔다. ◆희생 위에 꽃핀 아폴로 프로젝트 세계 표준시로 1969년 7월21일 오전 2시56분 역사상 최초로 달 착륙에 성공한 ‘아폴로 11호’의 파일럿인 마이클 콜린스는 희생된 우주비행사들이 남긴 유산의 중요성을 설명했다. 다시는 일어나면 안 될 일이었지만, 그들의 희생으로 많은 것을 배웠기 때문이다. 그들의 희생을 밑거름 삼아 이후의 달 탐험 계획은 속도를 늦추며 더욱 신중히 진행되었고, 결국 또 다른 사고를 막을 수 있었다는 의미다. 그들의 희생이 없었다면 사람이 직접 달에 가는 일은 더욱 어려웠을 수 있었다. 한국항공우주연구원 홍보실

지구 궤도에는 약 4300개의 인공위성이 돌고 있고, 이 가운데 약 1200기가 실제 작 동중이다. 수명을 다해 운용을 멈춘 위성들은 그저 우주쓰레기일 뿐이다. 우주 궤도에는 임무가 종료된 인공위성뿐 아니라 위성을 실어 나르고 버려진 로켓, 인공위성끼리 충돌해 발생한 파편과 같은 쓰레기들도 있다. 지구에서 레이더를 통해 추적할 수 있는 우주쓰레기 개수는 약 50만개로 추정된다. 추적이 되지 않는 1㎝ 크기 이하의 쓰레기까지 합하면 그 개수는 3억개 이상일 것으로 예상된다. 이 가운데 지름이 10㎝ 이상으로 야구공보다 큰 우주쓰레기는 2만3000여개로 분석된다. 그런데 이렇게 많은 우주쓰레기들은 인공위성의 지구 관측 영상에 한 번도 촬영된 적이 없다. 왜 그럴까? ◆너무나 빠른 우주 쓰레기의 속도 무엇보다 우주쓰레기가 매우 빠르게 움직이기 때문이다. 지구 저궤도(약 400~600㎞)를 돌고 있는 우주쓰레기들은 초속 7.5 ~ 8㎞로 총알보다 빠르다. 위성이 지구를 찍을 때 우주쓰레기가 지나간다고 해도 워낙 찰나의 순간이라 카메라에 잡히기가 매우 어렵다. 또한 우주쓰레기의 크기가 대부분 매우 작기 때문에 위성 영상에 잡히기 쉽지 않다. ◆위성사진엔 안 찍혀도 위험하다 위성사진엔 촬영되지 않는다 하더라도 우주쓰레기는 잠재적인 위험성을 지닌 존재다. 초속 400m 정도인 총알보다 약 20배 이상 강력한 파괴력을 내기 때문이다. 실제로 지난해 9월 유럽우주국(ESA)의 위성 ‘센티널-1A’호의 태양전지판에 크기가 불과 1㎜ 정도의 우주쓰레기가 충돌했는데, 전지판은 폭 40㎝ 정도의 파손이 발생했다. 이 때문에 발전량이 급격히 줄어들고 그 충격으로 위성 궤도도 변경됐다. 당시 우주쓰레기의 속도는 초속 11㎞ 정도였다. 과거로 거슬러 올라가면 1981년 구 소련의 인공위성 ‘코스모스1275‘가 발사 한달 만에 우주쓰레기와의 충돌하며 부서졌다. 이로 인해 300개 이상의 우주쓰레기가 추가로 만들어졌다. 1996년에는 프랑스에서 발사한 소형위성이 1986년 폭발한 ‘아리안-1’ 발사체의 부스터(승압 변압기)와 부딪혀 심각한 손상을 입기도 했다. ◆우주쓰레기, 어떻게 관측하나? 미국의 통합우주운영센터는 지구촌 29곳에 설치한 대형 광학망원경과 레이더 추적 시스템을 이용해 2만개의 우주쓰레기 궤도를 분석하고, 그 결과를 전 세계에 제공한다. 국제우주정거장도 이 정보를 이용해 우주쓰레기와 충돌 사고를 피한다. 우리나라는 이 센터가 제공하는 우주쓰레기의 궤도 정보를 이용해, 우리 위성들과 충돌 확률을 계산해 피할 수 있도록 ‘KARISMA’ 시스템을 개발·영 중이다. ◆우주쓰레기 위험을 줄이기 위한 노력 국제우주파편조정위원회(IADC·Inter-agency Space Debris Coordination Committee)는 우주쓰레기의 증가를 막고자 위성발사국을 대상으로 저궤도 위성은 수명이 다할 때쯤 고도 600㎞ 이하로 낮춰 25년 안에 지구 대기권에 진입·소멸하도록 하고, 정지궤도위성은 수명이 다할 때 더 높은 고도로 올려 보낸다’는 가이드라인을 마련했다. ESA는 ‘클린 스페이스’(Clean Space) 프로젝트를 수행 중이다. 버스 크기의 커다란 고장 난 위성인 ‘엔비셋‘을 오는 2020년 초 붙잡아 고도를 낮추어 지구 대기권으로 진입시켜 태워버리는 기술을 개발 중이다. 고도 800~1000㎞에 위치한 우주쓰레기를 그물이나 작살, 로봇 팔을 가지고 수거하는 방식도 연구되고 있다. 우주쓰레기를 모은 청소 위성은 대기권에 진입, 마찰력에 의해 온도가 3000도까지 상승해 모두 타 없어지게 되는 개념이다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 등에서도 우주쓰레기를 줄이기 위한 연구를 다양하게 진행하고 있다. 국내에서는 한국항공우주연구원이 초소형위성을 이용해 우주쓰레기를 붙잡아 제거하는 기술을 연구하고 있다. 먼저 지상에서 우주 환경을 모사한 시험이 이뤄지고 있다. 아직은 기초적인 단계지만 우주쓰레기를 줄이는데 기여하게 될 것이라고 기대된다. 한국항공우주연구원 홍보실

연소(燃燒·combustion)는 물질이 빛이나 열 또는 불꽃을 내면서 빠르게 산소와 결합하는 반응이다. 우리가 일반적으로 알고 있는 연소의 정의는 이렇다. 인류의 역사는 불의 이용과 함께 시작됐다고 할 수 있을 정도로 연소는 오래전부터 이루어져 왔다. 현재도 가정용 연료와 자동차, 항공기, 로켓 등에서 연소가 발생한다. 연소를 위해서는 연료와 발화점 이상의 온도, 일정량의 산소가 필요하다. 인공위성이나 화물을 우주로 수송하는 발사체에서는 강력한 연소가 일어난다. 다량의 산화제와 추진제가 연소해 높은 추력을 발생시키기 때문에 일반보다 훨씬 강력한 연소가 발생한다. 한국형 발사체는 연료(케로신)와 산화제(액체산소), 발화점 이상의 온도 구현을 위한 점화 추진제를 이용해 연소한다. 이때 점화 추진제는 산소와 만나는 동시에 자연 발화가 되는 접촉발화성(hypergolic)이 있어 초기 시동 단계에서 에너지원을 만들어 준다. 이를 통해 연료와 산화제의 연소가 일어나게 된다. 연소를 통해 발생한 고온, 고압의 가스는 압력이 낮은 쪽으로 나가려 하는 성질이 있어 노즐이라는 장치를 통해 밖으로 배출되는데, 그 반작용으로 로켓은 나아가게 된다. 대기가 없는 우주 공간까지 끌어올리는 액체 추진체 로켓의 연소는 극한의 물리적, 공학적 한계를 뛰어넘는다. 액체 추진제 로켓의 연소는 극한의 고온, 고압, 극저온 상태에서 진행되기 때문에 일반적인 연소와 차원이 다르다. 로켓 연소, 특히 액체 로켓의 연소는 왜 이토록 험난한 과정을 거치게 되는 것일까? 연소, 그 뜨거운 ‘불꽃의 세계’로 들어가 보자. ◆일반 연소는 공기로…로켓 엔진은 산소로만 로켓과 일반적인 연소의 가장 큰 차이는 산화제의 환경이다. 보통 연소를 통해 열과 에너지를 발생시키는 보일러나 산업용 가스터빈, 자동차 엔진 등은 공기를 압축해 산화제로 쓴다. 공기 중에는 산소와 질소가 섞여 있어 이 중에서 산소만 산화제로 쓰고 질소는 희석제와 같은 역할을 하게 된다. 이에 비해 액체 로켓은 질소 없이 순(純)산소만 산화제로 사용한다. 액체산소를 기화한 순산소만 사용하면, 일반 공기로 연소하는 화염보다 온도가 1000도 이상 높아지게 된다. 액체 로켓의 연소실 내부 압력은 수십에서 수백기압에 이르는데, 화염 온도는 연소 압력에 따라 높아지게 된다. ◆냉정과 열정 사이 1㎜ 두께의 연소실 벽면을 사이에 두고 수천도의 온도 차와 수십기압의 압력 차가 난다. 비행기 엔진과 비교하면 이해하기 쉽다. 비행기에 사용되는 제트 엔진은 앞쪽의 공기를 연소시킨 뒤 가스를 분출시킬 때 얻는 추진력으로 비행한다. 대기권에서 비행하는 만큼 연료의 연소에 필요한 산소를 공기 중에서 얻게 된다. 우주를 비행하는 로켓의 엔진은 진공 상태인 우주에서 연료를 연소하는 산화제를 얻을 수 없다. 그래서 연료와 산화제를 싣고 있다가 엔진 내부에서 이것을 섞어 연소시킨 뒤 고온, 고압의 가스를 초음속 노즐로 분출시켜 추력을 얻는다. 이 과정에서 연소 온도가 올라가는 만큼 발사체 모든 구성품의 내구성과 설계는 물리학적, 공학적으로 달라진다. 실제 액체 로켓의 연소 온도는 용광로보다 뜨거운 3000도를 넘어 3500도까지 높아진다. 태양의 표면 온도가 6000도 정도인 점을 고려하면, 얼마나 높은 온도인지 실감할 수 있다. 이렇게 온도가 높기 때문에 연소 가스에 그대로 노출되면 초고온 내열금속이라고 해도 녹거나 파괴되는 등 버티지 못한다. 그래서 로켓 연소에서 또 하나 중요한 요소가 바로 냉각이다. 한국형 발사체의 액체 엔진에서는 연료인 케로신을 냉각제로 활용한다. 연소실과 노즐의 내벽에 수백개의 작은 채널(통로)들을 파서 연료가 벽면을 냉각시키며 흐르게 하는 것이다. 냉각 채널을 통해 열에너지를 흡수한 연료는 헤드 부분을 통해 다시 연소실로 공급되는데, 이를 재생냉각(regenerative cooling)이라 부른다. 로켓의 무게를 최대한 줄여야 하는 만큼 냉각제가 흐르는 채널의 내벽 두께는 1㎜ 정도에 불과해야 한다. 우리와 같이 발사체 개발의 첫 도전에 나선 나라는 이런 부분에서 심각한 기술적 난제를 맞게 되는데, 로켓 엔진을 자체 개발하는 것은 이처럼 곳곳에 도사리고 있는 함정을 헤쳐나가야 하는 험난한 과정이다. 극한 상황과의 싸움인 것이다. 로켓이 우주로 발사되는 과정은 중력과의 싸움이라고 볼 수 있다. 무게를 최대한 낮추는 것이 기술적 관건이기 때문이다. 발사체의 추진 성능이 좋아도 무게가 무거우면 주어진 임무를 완수하기 어렵다. 그래서 최대한 얇고 가볍게 만들고, 필요한 부분을 빼고 최대한 많이 깎아내게 된다. 그래서 내벽의 두께도 1㎜에 불과하다. 이 얇은 벽 사이로 한쪽에서는 3000도 이상의 고온 연소가스, 다른 한쪽에서는 상온의 연료가 만나게 된다. 여기에 수십기압의 압력 차이까지 발생하게 된다. 또한 연소기 헤드 부분은 -170도의 극저온 액체산소가 채워진 상태에서 70기압 이상의 내압을 견디면서 동시에 75t의 추력을 발사체로 전달해야 한다. 액체 로켓 엔진의 개발은 고온과 극저온, 고압이 공존하는 만큼 엔지니어 입장에서 아주 까다로운 작업이다. ◆카오스 현상과 비슷한 연소 불안정성도 난제로 이렇게 예측할 수 있고, 공학적으로 해결할 수 있는 문제만 발생한다면 그나마 덜 험난할 수 있다. 그러나 로켓 엔진 개발에서는 단계를 밟아 올라갈 때마다 예상하지 못했던 수많은 문제와 마주치게 된다. 대표적인 난제 가운데 하나가 바로 연소 불안정성(Combustion Instability) 현상이다. 한국형 발사체의 개발 과정에서도 이 문제가 연구진의 발목을 잡았다. 지난 2014년 10월 75t 규모의 엔진에서 처음 이 현상을 발견한 시점부터 해결하는 데까지 무려 1년 넘는 시간이 걸렸다. 거의 모든 국가가 로켓 엔진 개발과정에서 연소 불안정성 문제를 겪었다. 연소 불안정성은 가스터빈 엔진을 포함한 모든 시스템에서도 일어날 수 있으나, 특히 액체 로켓에서 가장 심각하게 발생한다. 연소 불안정성은 로켓 연료를 태우는 도중 연소실 내부의 유동과 압력이 급격히 요동치며 정상 연소를 방해하는 현상으로, 1930년대 초기 로켓 개발 때부터 각국의 연구자들을 괴롭혔던 대표적인 난제다. 연소에 따른 급격한 열 방출로 그 과정에서 생기는 아주 작은 섭동(攝動·perturbation)이 연소실의 특정 음향 모드와 공진 현상을 일으키면서 발생한다. 이로 인해 연소실 내부의 압력과 진동이 급격하게 커지고 잦아진다. 그 결과 심한 구조적 진동과 열 손상을 야기하게 되므로, 최악의 상황에서는 엔진의 파손까지 가져오게 된다. 연소 불안정성 현상은 1777년 바이런 히긴스(Byron Higgins) 박사가 일명 ‘노래하는 불꽃’(Singing Flames)을 발견하면서 맨 처음 알려진 것으로 전해진다. 하지만 지금도 이 문제를 수학적으로 공식화하고 시뮬레이션을 통해 온전히 해결할 수 있는 방법은 없다. 예를 들어 한차례 로켓 엔진 개발에서 문제를 해결한 방식을 그대로 다음에 적용해도 연소 불안정성 현상이 언제든 발생할 수 있다. 또 이번 시험에서는 큰 문제없이 통과했는데, 다음에 나타나기도 한다. 그래서 관련 연구자들 사이에서는 연소 불안정성을 ‘카오스(chaos·혼돈)’로 표현하기도 한다. 한국형 발사체의 개발 과정에서도 비슷한 과정을 겪었다. ‘나로호’와 병행됐던 30t급 엔진의 개발에서는 초기부터 연소 안정화 장치를 마련해 단 한차례의 연소 불안정성도 나타나지 않았으나, 동일한 방식의 설계를 적용한 75t 엔진을 개발하는 과정에서는 첫시험부터 발생한 것이다. ‘아폴로 프로젝트’를 추진한 미국 등 다른 우주 선진국 역시 로켓 엔진을 개발하면서 이전보다 크기를 키우거나 비슷한 사이즈를 만드는 과정에서 연소 불안정성 문제로 애를 먹곤 했다. ◆설계와 시험 반복으로 문제 해결…결국 SRT 통과 한국형 발사체의 75t 액체 엔진을 개발하면서 직면한 연소 불안정성 문제를 해결하기 위해서는 연구진 스스로 원인을 찾아 해결하는 수밖에 없었다. 연구진은 먼저 연소기 헤드 부분을 따로 제작한 뒤 임시로 쓸 수 있는 연소실에 붙여 시험해보고, 이후 헤드부를 고쳐 재시험을 수행하는 방법을 반복한 끝에 이 문제를 해결할 수 있는 설계안을 찾아낼 수 있었다. 이 과정에서 6번 정도의 설계 변경과 수많은 연소시험을 거쳐야 했다. 최종적으로 연소 불안정성 문제가 해결되었음을 입증할 목적으로 수행되는 시험을 ‘연소 안정성 평가시험’(SRT·Stability Rating Test)이라 한다. SRT에서는 정상적으로 작동 중인 연소기를 상대로 폭약을 이용하여 인위적으로 연소실 내부에 강한 교란을 가한다. 이때 발생한 급격한 압력과 진동이 매우 짧은 시간(통상 기준은 초속 15ms·1ms는 1000분의 1초) 내 사라지고 시스템이 원래 상태를 회복할 수 있는가 평가하여 동적인 연소 안정성을 판단하게 된다. 연구진은 지난해 3월 최종적으로 설계점과 탈설계점 시험에서 수행된 연소기의 모든 SRT를 성공적으로 통과하면서 75t급 액체 엔진의 연소시험에 본격 착수하게 되었다. 탈설계점(off-design point) 시험에서는 압력이나 연료·산화제 혼합비와 같은 조건에 변화를 주게 된다. 로켓의 실제 비행 조건을 가정해 설계점보다 어려운 상황에서 진행된다. ◆차세대 엔진 기술 준비에도 박차 연구진은 거의 매주 전남 고흥의 ‘나로우주센터’를 오가며 시험을 진행하고 있다. 엔진과 서브 시스템의 설계부터 연소시험까지 전 과정을 책임지고 있다. 지금까지 연구진은 1단과 2단에 쓰일 75t 엔진을 비롯하여 3단의 7t 엔진까지 모든 기기를 독자적으로 개발하는 중이다. 이 과정에서 얻은 가장 큰 자산은 경험이다. 우리 연구진은 2002년 11월 국내 최초로 액체 추진체 로켓인 ‘KSR-Ⅲ’의 성공적 발사를 통해 가압식 액체 엔진과 액체 로켓의 기초 기술을 확보하였다. 이어 러시아 연구진과 공동으로 나로호(KSLV-Ⅰ)를 개발하면서도 30t급 액체 엔진의 독자 개발을 추진해 가스 발생기의 사이클 엔진에 필요한 터보 펌프와 연소 시스템, 분사기와 재생냉각, 연소 불안정성 제어와 관련된 기술 등을 축적했다. 이를 통해 한국형 발사체의 75t과 7t 엔진 개발의 발판을 마련한 것이다. 연구진은 액체 로켓 엔진과 관련하여 독자적으로 개발할 수 있는 수준의 기술적 토대를 쌓았다는 자부심을 갖고 있다. 그래도 앞으로 더 필요한 것은 역시 ‘경험’이다. 결국 한국형 발사체의 개발은 그동안 축적한 기술에 경험이라는 중요한 자산이 더해져 폭발적인 시너지 효과를 가져오는 기회가 될 것으로 보인다. 연구진은 한국형 발사체에 적용하게 될 75t과 7t 액체 엔진 개발을 수행하는 동시에 앞으로 개발해야 할 차세대 발사체를 위한 보다 향상된 요소 기술들의 선행 연구도 병행해 나가고 있다. 한국항공우주연구원 홍보실

2015년 7월 미국항공우주국(NASA·나사)의 무인 우주탐사선 ‘뉴호라이즌스’호가 촬영한 명왕성 영상이 속속 지구에 도착했다. 지구에서 뉴호라이즌스호까지 거리는 47억7900만㎞였다. 지구와 태양까지 거리의 32배에 달한다. 명왕성 영상은 초당 30만㎞의 속도로 날아 약 4시간 20분 만에 지구에 도착했다. 이처럼 우주탐사선을 태양계 맨 끝의 행성까지 보내고, 생생한 영상을 받아볼 수 있는 것은 심우주 통신과 항법 기술이 그만큼 진화했기 때문이다. 태양계 끝자락까지 우주탐사선을 보내는 시대지만, 탐사 경쟁의 최대 격전지는 여전히 달이다. 지난 40여년간 서구 열강의 독무대였던 우주 탐사 경쟁은 중국과 일본, 인도 등이 도전장을 던지면서 더욱 치열해지고 있다. 이러한 경쟁의 첫 기착지는 역시 달이다. 지구에서 가장 가까운 천체인 달의 탐사를 통해 축적한 기술을 바탕으로 우주 탐험의 본격적인 닻을 올리겠다는 것이 이들 국가의 공통된 전략이다. 우리나라 역시 한국형 발사체(한국형 발사체(KSLV-Ⅱ) 개발과 달 궤도선과 탐사선 발사 등을 통해 세계 7대 우주 강국으로 도약할 준비를 하는 중이다. 한국항공우주연구원은 달 탐사 기술의 역량 강화와 자력 기반 확보를 위해 550㎏급의 ‘시험용 달 궤도선’(KPLO·Korea Pathfinder Lunar Orbiter)’을 개발·발사한 뒤 2020년까지 달 착륙선을 발사한다는 웅대한 계획을 세웠다. 여기에 핵심적으로 필요한 게 바로 심우주 통신과 항법 기술이다. 항우연은 그동안 지구 궤도위성을 개발·운용한 경험을 바탕으로, 자체적인 심우주 통신·항법기술을 구축한다는 복안이다. 물론 당장의 목표는 달이지만, 연구진의 시선은 이미 구 너머의 심우주를 향해 있다. ◆우주 탐사의 눈과 귀 심우주 통신 지구로부터 200만㎞ 이상의 거리를 보통 ‘심우주’(Deep Space)라고 한다. 지구부터 달까지 거리는 약 38만㎞다. 정지궤도 위성(3만6000㎞)까지와 비교하면 10배 이상에 달하는 만큼 달까지 궤도선이나 착륙선을 보낼 때도 심우주에 필요한 기술이 적용된다. 이 때문에 달은 사전적인 의미에서 심우주는 아니지만, 심우주 통신이나 항법의 전초기지 역할을 한다. 항우연의 달탐사사업단 달탐사체계팀의 문상만 박사는 달 탐사를 두고 “화성이나 소행성 등 우주로 가는 첫걸음”이라고 설명하고 이렇게 부연했다. “엄밀하게 말하면 200만㎞ 이상을 심우주라고 하지만, 달 탐사에서는 심우주에서와 똑같이 기능과 역할을 하는 장비와 시스템이 필요합니다. 달 탐사를 통해 기술력을 확보하고, 어느 정도 수준인지 가늠해보는 거죠. 통신에서도 당연히 기존의 위성 통신과 다른 심우주 기술과 장비, 시스템을 갖춰야 합니다.” 심우주 통신을 위해서는 우선 궤도선이나 탐사선과 교신할 수 있는 지상국이 필요하다. 안테나뿐만 아니라 고강도 수신기와 강력한 송신기 등이 먼 거리와 전파 신호를 통해 정보를 주고 받는 데 활용된다. 기본적으로 전파를 이용해 지구와 통신을 한다는 점에서는 기존의 위성통신과 크게 다르지 않지만, 심우주로 떠나는 탐사선을 추적하는 것은 지구 궤도를 도는 위성에 비할 바가 못 된다. 그만큼 상당히 다르다. 무엇보다 심우주 탐사선은 지구에서 어느 위치에 있더라도 24시간 관측과 교신을 할 수 있어야 한다. 그래서 대부분의 심우주 통신용 시설인 DSN(Deep Space Network·디프스페이스네트워크)은 3곳에 지상국을 설치하고 운영한다. 미국의 DSN은 본토의 골드스타인, 스페인 마드리드, 호주 캔버라에 있다. 이들 세곳은 120도 간격으로 자리 잡고 있어 지구가 자전하더라도 적어도 한 곳의 안테나는 탐사선을 관측하고 교신할 수 있다. 유럽과 러시아, 일본, 중국도 미 DSN과 유사한 시설을 구축하고 있다. 다시 문 박사의 설명을 들어보자. “당연히 지상국 안테나의 크기도 커야죠. 보통 심우주 통신용이라고 하면 지름 34m급의 안테나를 이릅니다. 지상국 못지않게 탑재체의 안테나 성능도 중요합니다. 특히 궤도선이나 탐사선의 자세와 위치가 바뀌더라도 항상 지구를 향하는 이른바 ‘지향성 있는 안테나’가 필요하죠. 결국 심우주 통신을 위해서는 지상에서는 34m급이나 이에 준하는 고성능 안테나가 탑재체에서는 지향성 있는 안테나가 각각 구축되어야 합니다.” 심우주 통신에서는 별도의 주파수 대역을 쓴다. 주로 위성통신에 쓰이는 S주파수대(2000~4000㎒)와 우주 탐사에 쓰이는 X주파수대(6200~1만9000㎒) 가운데 일부 주파수 대역을 뽑아 심우주 통신용으로 활용한다. ◆우주 탐사의 내비게이션 심우주 항법 달 탐사를 위해서는 이러한 심우주 통신과 함께 항법 기술이 매우 중요하다. 모든 위성은 항법 시스템을 갖추고 있다. 도로에서 내비게이션을 통해 길을 찾아가듯, 위성 역시 항법 시스템을 통해 목표를 찾아간다. 그런데 지구 궤도를 벗어나면 GPS(위성항법장치)를 사용할 수 없다. 그래서 지상과 위성에 탑재된 각각의 안테나의 교신으로 주고 받은 정보를 통해 현재 위치가 어디인지, 어느 정도의 속도로 가고 있는지, 어느 방향으로 날아가고 있는지 정확히 파악하고 제어하는 것이 심우주 항법이다. 실제 지난 2004년 나사가 보낸 화성 이동탐사 로버(탐사차) ‘스피릿’은 애초 착륙 예정지에서 불과 9.6㎞ 정도 벗어난 지점에 착지했다. 지구에서 화성까지 거리가 약 4억8700만㎞에 달한다는 사실을 고려하면, 목표 지점에서 크게 벗어나지 않고 착륙한 셈이다. 이 먼 거리를 비행하는 동안 지상의 DSN이 탐사선을 정확히 유도했기 때문이다. 항우연 달탐사사업단 달탐사임무팀의 송영주 박사는 심우주 항법을 ‘우주 탐사선의 내비게이션’이라고 표현하고 이렇게 덧붙였다. “성공적인 달 탐사 임무 수행을 위해서는 다양한 시스템 개발이 필요한데, 핵심적인 요소 중 하나가 바로 심우주 항법입니다. 달 궤도선이 계획된 궤적을 따라 이동하고 있는지, 달에 진입한 뒤에는 처음에 목표로 한 임무 궤도를 따라 잘 선회하고 있는지 판단하고, 필요할 때는 위치와 방향을 바꿔주기도 하고요.” 심우주 항법은 지상국의 관측 데이터 획득과 탐사선의 궤도 결정·예측, 기동 계산 및 명령 등 3단계를 거쳐 수행된다. 심우주 항법을 위한 관측 데이터는 지상국에서 추적한 자료를 활용한다. 주로 활용되는 관측 데이터는 탐사선까지 거리(Range)와 거리 시간에 따른 변화값인 도플러(Doppler)이다. 심우주 항법에서는 지구 궤도와 달리 충분한 관측 데이터 확보가 어려우므로 그 정밀도에 크게 의존할 수밖에 없다. 또 탐사선의 궤도 결정과 기동 계산 및 명령은 심우주 동역학과 관측 모델, 추정 과정 등을 통해 수행하는데, 우주에서 발생하는 수많은 섭동(攝動·Perturbation) 요인을 종합해 이루어진다. 다시 말해 지구와 달의 중력, 태양과 태양계 행성의 중력, 지구의 대기항력, 태양 복사, 대류층과 이온층의 전파 지연 등 탐사선이 정상적인 궤도를 벗어나게 하는 섭동 현상의 모든 요인을 정밀하게 구현하고 계산하게 된다. 송 박사는 이렇게 설명한다. “우주를 비행하는 동안 발사체도 마찬가지지만, 위성이나 탐사선에서도 예상하지 못한 수많은 상황이 발생하게 됩니다. 예를 들어 일정한 시간에 맞춰 껐다 켜라고 명령을 보냈는데, 알 수 없는 이유로 작동하지 않는 상황도 벌어지게 되거든요. 이런 여러 요인이 처음에는 별 영향이 없다가도 시간이 지나면서 점점 더 오차가 크게 발생할 수도 있습니다. 이런 것을 막기 위해 계속 신호를 주고 받으면서 원래 계획한 대로 탐사선의 위치와 자세가 제대로 잡혀 있는지, 언제 궤도 수정을 해줘야 하는지 정확하게 시뮬레이션을 해야 하죠. 이런 과정이 심우주 항법이라고 할 수 있습니다.” ◆필요한 기술은 상당수 확보…문제는 경험 한국형 달 탐사 프로젝트는 크게 2단계로 추진된다. 1단계는 2018년까지 심우주 통신용 지상국을 구축하고 KPLO를 제작·발사하는 것이 목표다. KPLO는 달의 100㎞ 상공에서 회전하면서 표면에 대한 정밀 영상 촬영과 지형 분석, 착륙선의 착륙 후보지 조사 등의 임무를 수행한다. 이어 2단계에서는 2020년까지 달 궤도선과 착륙선 개발을 마치고 KSLV-Ⅱ에 실어 자력 발사할 계획이다. 항우연은 저·정지궤도 위성의 개발과 운영 경험을 바탕으로 달 탐사의 기본 역량을 갖추고 있다. 10여 기의 인공위성과 지난 2013년 1월 발사한 ’나로호’(KSLV-Ⅰ)의 성공 경험에 기반해 달 탐사에 필요한 선행 기술의 상당수를 이미 확보한 것이다. 특히 심우주 통신과 항법 등 달 궤도선·탐사선 운용에 필요한 지상국을 구성하는 대형 전파 안테나와 지상 관제 시스템 등은 저·정지궤도 위성 관제시스템 구축 경험을 통해 70% 가까운 수준으로 도달해 있다는 것이 대내외적인 평가다. 현재 심우주 통신·항법과 관련해 항우연은 지상국 구축 준비에 주력하고 있다. 이에 필요한 선행 기술은 이미 확보된 상태이고, 설계와 송·수신 장비 개발 역시 대부분 국내 기술로 이루어지게 된다. 궤도선이나 탐사선에 탑재될 통신·항법장치 역시 몇몇 구성품을 빼고 설계부터 제작까지 대부분 자체 기술로 개발할 수 있다. 심우주 지상국은 최소한 발사 1년 전까지 구축을 완료해야 한다. 국내에 한곳을 설치하고, 나머지 두곳은 나사 등 해외 지상국의 도움을 받을 예정이다. 심우주 통신은 이렇게 지상국 설치가 완료되면 실제 발사와 운용 때까지 계속 성능 시험과 호환성 검사를 진행하게 된다. 심우주 항법 역시 예비 및 상세 설계를 거쳐 시스템 구축을 완료한 뒤 지속해서 검증 절차를 밟게 된다. 송 박사는 길고 지루하지만, 긴장된 작업의 반복이 될 것이라고 설명했다. 다음은 송 박사의 설명이다. “언젠가 유럽항공우주국(ESA)에서 근무했던 심우주 항법 분야의 대가가 쓴 논문을 본 적이 있는데, 이렇게 적었더군요. ‘돌이켜보니 상당히 힘들고 지루한 일정이었다. 하지만 마침내 우리는 해냈다.’ 지구궤도를 도는 위성에서 달까지 거리를 늘리는데 들여야 하는 노력은 결코 만만한 일이 아닙니다. 시뮬레이션을 통해 우주에서 발생할 수 있거나 궤도선이나 탐사선에 영향을 줄 수 있는 모든 변수에 대해 완벽한 답이 있어야 합니다. 누구도 답을 알려주지 않거든요.” ◆나사 등과 국제협력으로 약점 보완 달 탐사를 위한 심우주 통신과 항법에서 해결해야 할 가장 큰 난제는 결국 ‘경험’이다. 이에 필요한 선행 및 장비개발 기술은 어느 정도 갖추고 있지만, 실제 우리가 자체적으로 지구궤도를 벗어나 달까지 궤도선이나 탐사선을 보내고 운용해 본 경험은 없다. 최대한 시행착오를 줄이는 동시에 최대한 빠른 속도로 우주 선진국과 어깨를 나란히 하려면 국제협력, 특히 나사와의 협조가 필수적이다. 다행히 이를 위한 법적, 제도적 기반은 마련됐다. 지난해 2월 맺은 한·미 우주협력협정이 같은해 11월 발효됐다. 우리로서는 세계 최고의 우주기술 강국인 미국과 본격적인 협력을 추진하게 돼 현재 계획하고 있는 개발 프로젝트에 속도를 낼 수 있게 됐다. 특히 2020년을 목표로 하는 무인 달 탐사 프로젝트는 궤도선 개발은 물론이고 심우주 통신·항법 등의 분야에서 미국과 협력이 필수적이다. 구체적인 협력 내용을 살펴보면 먼저 우리는 KPLO에 15㎏ 정도의 나사 탑재체를 넣을 수 있는 공간을 제공한다. 이에 미국은 달 탐사 임무의 설계와 데이터 처리 시스템의 개발 자문을 비롯한 지상국 설계와 운용, 탐사선 추적과 심우주 항법을 지원하고 탐사선과 지구의 통신 기술을 공동 개발·활용할 계획이다. 문 박사는 “우주 탐사 경쟁력에서 결정적인 차이는 보유하고 있는 기술 못지않게 얼마나 많이, 멀리 탐사선을 보내보고 실제 운용해본 경험이 있느냐이다. 이런 면에서 미국은 가장 좋은 협력 파트너다”라며 “지금도 나사와 1주일에 1번 이상 화상통화 등을 통해 심우주 통신 등을 위한 데이터 호환이나 공동 서버 구축 작업을 벌이고 있고, 심우주 지상국이 구축되어 호환성 시험 등이 이루어질 때는 더 많은 회의와 왕래가 이루어지게 될 것”이라고 설명했다. ◆늦었지만 빠른 추격…목표는 달 너머 심우주 우리나라의 달 탐사 도전은 아시아권 경쟁국과 비교해 다소 뒤졌다. 일본은 이미 지난 2007년 탐사 위성 ‘셀레네 1호’를 달 궤도에 안착시켰으며, 2010년과 2014년에는 소행성 탐사선을 성공적으로 발사했다. 아울러 세계 최초로 소행성 표본 채취에 성공했다. 인도는 2008년 달 궤도선 ‘찬드라얀 1호’를 발사한 데 이어 2013년에는 탐사선 ‘망갈리안’을 성공적으로 화성 궤도에 진입시켰다. 이는 세계에서 4번째의 화성 탐사로 기록됐다. 중국 역시 2007년과 2010년 2차례에 걸쳐 달 궤도선을 발사한 뒤 2013년에는 달 표면에 착륙선을 성공적으로 착륙시켰다. 이로써 세계에서 3번째로 달 착륙에 성공한 나라로 발돋움했다. 하지만 실망할 필요는 없다. 출발은 늦었지만, 더 우수한 기술력으로 경쟁국과 어깨를 나란히 하거나 아예 따돌렸던 경험이 우리에게는 적지 않다. 우주 개발과 탐사 역시 마찬가지일 수 있다. 달 탐사 프로젝트는 선진국이나 아시아 경쟁국에 비해 다소 뒤처졌던 우리의 우주 탐사 기술을 한 단계 도약시키는 발판이 될 것으로 보인다. 그리고 최종 목표는 달이 아니다. 달 탐사 프로젝트는 발사체부터 심우주 통신과 항법까지 우주 공간에서 활동영역을 확장하기 위한 핵심적인 탐사기술 확보를 목표로 한다. 달 탐사에 성공한 뒤에는 화성과 소행성, 심우주로 우리의 우주 탐험 영역은 확대될 것이다. 우리의 발사체에 우리의 달 궤도선과 탐사선이 실려 우주로 향하는 날을 기다리며, 항우연 심우주 통신과 항법 연구진은 오늘도 구슬땀을 흘리고 있다. 한국항공우주연구원 홍보실

2015년 3월26일 한국항공우주연구원 위성종합관제실 연구진은 초조한 표정으로 모니터를 바라보고 있었다. 며칠째 밤을 새우다시피 한 데다 아침 식사도 제대로 하지 못해 얼굴에는 피곤이 묻어났지만, 모니터를 향한 이들의 눈빛만큼은 그 어느 때보다 강렬했다. 오후 1시5분 발사 6시간여 만에 드디어 다목적실용위성(아리랑) ‘3A호’의 신호가 잡혔다. 관제실과 첫 교신 성공에 연구진은 비로소 환한 미소를 지으며 박수를 치고 악수를 나눴다. 앞서 아리랑 3A는 이날 오전 7시8분 러시아 모스크바로부터 남동쪽으로 1800km 떨어진 야스니 발사장에서 하늘로 날아올랐다. 30여분 후인 7시39분 위성은 남극의 노르웨이 기지를 통해 통신 시스템이 안정적으로 운영되고 있다는 첫 신호를 보내왔다. 이어 발사 7시간여 만에 항우연 관제실과 교신에 성공했다. 아리랑 3A호의 발사가 최종적으로 성공리에 마무리된 것이다. 정옥철 관제실 저궤도위성관제팀 박사(저궤도위성관제팀)는 이렇게 설명했다. “위성이 발사체에 실려 우주로 날아간 뒤 교신에 성공하기까지의 시간이 저희에게는 가장 긴장된 순간이죠. 발사체에서 분리되어 궤도에 진입하면서부터 이곳에서 위성을 제어하게 됩니다. 여기서 교신에 성공해야 비로소 위성 발사가 최종적으로 성공했다고 판단합니다.” 이상철 정지궤도위성관제팀 박사 역시 지난 2010년 6월 ‘천리안’(통신해양기상위성) 발사 당시의 기억이 선명하다. 천리안은 적도 상공 약 3만6000㎞에서 지구의 자전과 같은 속도로 회전하는 정지궤도 위성이다. 하루 24시간 내내 한반도 주변의 기상과 해양을 관측하고, 위성통신 서비스를 제공한다. 천리안의 첫 국내 교신은 발사 2주 후인 7월10일 이루어졌다. 저궤도 위성과 달리 높은 고도에 있는 정지궤도 위성은 단번에 궤도에 진입하는 것이 아니라 우주에서 몇 차례 자체 엔진을 통해 고도를 높여가며 목표한 궤도에 진입한다. 천리안 역시 발사 후 목표 궤도에 안착한 뒤 첫 교신 때까지가 가장 긴장된 시간이라고 이 박사는 전했다. 그는 천리안 관제가 본격 시작되었던 그때를 이렇게 회고했다. “천리안도 기상 문제 등으로 3번이나 연기된 끝에 발사에 성공했죠. 정지궤도 위성은 목표 궤도까지 진입하는 데 보통 1주일 정도 걸립니다. 발사 전부터 12시간 교대로 계속 비상대기를 하면서 관제 준비를 했습니다. 천리안과 첫 교신이 이루어지던 순간은 지금도 잊지 못합니다.” 관제실 관계자들은 발사 전은 물론이고 후에도 긴장 속에서 분주한 시간을 보낸다. 위성이 성공적으로 궤도에 진입해 교신에 성공한 뒤부터 더욱 바빠지기 시작한다. 아리랑 3A와 첫 교신 성공 후에도 10~20분 전력과 충전 상태를 비롯한 자세 정보 등을 점검한 뒤 2차 교신을 시도했다. 이후 본격적으로 3~6개월 초기 운용에 들어가는데, 이 기간에 관제실에서는 추적 기능을 점검하고, 탑재체의 영상 촬영 기능 등 장치별 상태를 점검했다. 천리안을 상대로도 전압 상태를 확인하는 첫 원격명령을 시작으로 매일 일정량의 원격명령을 올려 보내면서 시험운용 기간 동안 위성과 탑재체의 정상 가동 여부를 확인하는 작업을 벌였다. 발사 전에도 관제실은 눈코 뜰 새 없이 분주하다. 1년여 전부터 수차례 리허설을 통해 각종 시스템과 네트워크를 진단한다. 관제 업무에 숙달하고 상황별 대처 능력도 키워야 한다. 발사 하루나 이틀 전부터는 위성 개발자와 운용자 전원이 참여한 가운데 지상 시스템, 지상국과 교신 시뮬레이션, 위성과 송·수신 시험 등을 실전처럼 진행한다. ◆비행역학·임무계획·실시간 운영으로 24시간 위성 추적 현재 항우연 관제실에서는 공식적으로는 임무가 종료된 ‘아리랑 2호’를 비롯한 3호, 5호, 3A호(이상 발사 순), 천리안 위성 등 모두 5기를 운용하고 있다. <동영상 : 위성관제실> 위성 관제는 크게 세가지 분야로 나뉜다. 첫번째는 비행 역학이다. 위성이 어느 궤도를 지나가는지 예측·계산하고, 위성을 방해하는 우주 교란력(위성의 상태 변화를 일으키는 우주의 각종 현상)으로 인해 궤도나 자세가 바뀌면 이를 바로잡아주는 역할을 수행한다. 두번째는 임무 계획이다. 위성은 궤도와 탑재체의 종류에 따라 임무가 달라진다. 이러한 임무와 관심 지역에 대한 영상 정보 확보 필요성, 사용자들의 요청 등에 따라 위성이 어떤 임무를 수행할지 일정표를 짜 명령을 보내게 된다. 24시간 동안 지나는 궤도와 시간대별 위치에 따라 언제 카메라를 켜고, 자세기동을 하며, 교신을 할지 등의 계획을 촘촘하고 정밀하게 수립한다. 세번째는 실시간 운영이다. 위성은 명령받은 계획에 따라 임무를 수행하게 되는데, 이를 정상 수행하도록 하는 역할이 실시간 운영이다. 지구 상공 600~800㎞에서 초속 7㎞의 속도로 비행하는 위성은 한반도 상공을 통과하는 시간이 10분 정도에 불과하다. 이 짧은 시간 동안 위성이 촬영한 영상을 내려받고, 눈에 보이지 않는 구간을 비행할 때 무슨 일이 있었는지 위성의 상태 정보도 내려준다. 거꾸로 이 시간 동안 앞으로 위성이 할 일에 관한 명령을 보내기도 한다. “다목적실용위성은 우리나라 상공을 하루에 3~4회 지나가는데, 그 시간이 10분 정도로 아주 짧아요. 이때 많은 일이 벌어지는데, 한정된 시간에 효율적으로 임무를 수행할 수 있도록 비행 역학과 임무 계획을 꼼꼼하게 점검하고 세워야 합니다. 물론 10분이라는 시간 동안 그 많은 임무를 수행할 수 없기 때문에 북극의 노르웨이 기지나 남극의 세종과학기지를 이용해 명령을 보내기도 합니다. 관제실에서 버튼을 누르면 지상과 우주를 오가는 네트워크를 통해 위성에 명령을 보내고 정보를 내려받기도 하죠.” 정 박사의 이 같은 설명처럼 1대의 위성이 우리나라 상공을 지나는 시간은 10분 정도에 불과하지만, 현재 운용 중인 위성이 4대인 만큼 항우연 관제실은 하루 24시간 동안 그야말로 잠시도 긴장감을 늦출 수 없다. 실시간 운영 측면으로만 봐도 오전 5~8시에는 아리랑 5호가 지나가고, 오전 10~12시는 아리랑 2호, 낮 12시~오후 3시는 아리랑 3호와 아리랑 3A호와 교신을 해야 한다. 오후 5시가 되면 아리랑 5호가 다시 지나간다. 이렇게 온종일 위성을 운용해야 하는 만큼 실시간 운영 업무는 4개조(1조 3~4명)가 12시간씩 교대로 근무를 하면서 처리한다. 적도 상공 3만6000㎞ 지점에 떠 있는 정지궤도 위성 천리안 역시 위성의 특성과 임무는 다르지만 이러한 관제 과정이 이루어진다. 저궤도 위성은 초속 7㎞, 정지궤도 위성은 초속 3㎞로 각각 회전한다. 저궤도 위성은 10분 정도 한반도 상공을 지나가지만, 정지궤도 위성은 계속 같은 자리에서 한반도 주변을 관측할 수 있다. 이 박사는 정지궤도 위성의 관제 업무 특성을 이렇게 설명했다. “저궤도 위성은 협소한 지역을 보지만, 정지궤도 위성은 매일 지구의 절반 정도를 관측하게 됩니다. 이것이 가장 다른 점이죠. 그래서 지상의 안테나 역시 저궤도는 계속 위성을 따라 움직이지만, 정지궤도는 위성을 향해 항상 고정되어 있습니다. 또 위성에 따라 임무나 수요처가 다르기 때문에 운용 방식에서 조금씩은 차이가 납니다. 하지만 기본적으로 비행 역학과 임무 계획, 실시간 운영이라는 측면에서는 저궤도와 정지궤도 위성 모두 비슷한 관제 업무를 수행하게 됩니다. ◆비상상황 발생하면 새벽에도 달려 나가 그나마 정상적인 상황에서는 이처럼 정해진 계획대로 주기가 돌아가지만, 비상 상황이 발생하면 새벽이나 주말 또는 휴일에도 비상 근무체제에 돌입한다. 위성이 ‘안전 모드’에 들어가는 경우가 대표적이다. 위성은 문제가 생기면, 자체적으로 이것을 감지해 가장 안전한 상태로 돌입한다. 불필요한 유닛(unit)의 전원을 모두 끄고, 스스로 태양을 향한다. 일종의 ‘가(假)수면 상태’에 빠지는 것이다. 이제는 안전 모드 상황이 발생해도 빠르게 대처할 수 있는 노하우를 축적하게 됐다는 것이 정 박사의 설명이다. “이러한 위성의 안전 모드 상황은 1년에 한번 정도 발생하는데요. 예를 들어 12시에 교신을 해야 하는데 특별한 이유 없이 신호가 잡히지 않는 겁니다. 이런 상황이 발생하면 위성 비상복구팀을 소집해 어떤 문제가 생겨 안전 모드로 갔는지, 언제부터 이런 상태였는지 확인하고 복구하는 절차를 밟게 됩니다. 이제는 위성 운용 경험이 쌓여 특별한 문제가 없으면 보통은 하루 만에 원인을 파악하고 위성을 정상 상태로 복구하고 있습니다.” 위성 운용과 관제에서 가장 심각한 문제는 교신이 장시간 중단되고, 결국 사라지게 되는 상황이다. ‘아리랑 1호’가 그랬다. 1999년 발사된 우리나라 최초의 다목적실용위성 아리랑 1호는 2007년 12월30일 지상 관제실과 교신이 두절됐다. 관제실의 연구진과 기술진은 2개월 가까이 신호를 보냈지만, 끝내 대답하지 않았다. 애초 아리랑 1호의 수명은 3년. 자신의 수명보다 무려 5년 정도 더 임무를 수행하고 우주로 사라진 것이다. 이후 항우연에서는 2015년 10월 공식적으로 아리랑 2호의 ‘임무 종료’도 결정한다. 2006년 7월 발사한 아리랑 2호 역시 애초 수명은 3년이었지만, 3배에 달하는 9년 동안 임무를 수행하고 은퇴했다. 임무 종료를 결정했다고 해서 위성이 궤도에서 사라지거나 작동이 멈추는 것은 아니다. 실제 아리랑 2호는 지금도 정해진 궤도를 돌며 영상을 지구로 보내오고 있다. 항우연은 아리랑 2호의 수명이 다할 때까지 연구용 등으로 활용한다는 계획이다. 지금까지 천리안 운용에서는 큰 문제가 발생하지 않았지만, 운용 초기에 통신해양기상청관제실 연구진과 기술진을 긴장하게 한 순간이 있었다. 위성을 향해 고정되어 있어야 할 지상의 안테나가 움직이는 일이 발생한 것이다. 이 박사는 당시 상황을 이렇게 설명했다. “안테나가 자기 마음대로 움직이니까 처음에는 깜짝 놀랐죠. 알고 보니 태양 때문에 생긴 문제였습니다. 1년에 두 차례씩 지구와 천리안, 태양이 일직선상에 놓이게 되는데, 잠시 이렇게 되어 있다가 위치가 바뀌면서 위성을 바라보고 있어야 할 안테나가 태양을 따라 움직인 것입니다. 일종의 태양 전파에 따른 교란 현상이었던 거죠. 잠시 위성과 통신이 끊기는 일이 발생했지만, 곧바로 원인을 진단하고 문제를 해결했던 생각이 납니다.” ◆위성 운용 노하우 차기 위성개발로 이어져 이렇게 쌓인 운용 경험과 노하우는 다음번 위성을 개발하는 데 유용하게 사용된다. 실제 항우연의 위성종합·통신해양기상관제실 관계자들은 차기 위성 개발에 직·간접으로 참여하면서 그동안 운용에서 발생했던 문제점을 바탕으로 업그레이드된 위성과 지상국 시스템 개발에 기여하고 있다. 위성종합관제실 연구진과 기술진은 오는 2019년부터 차례로 발사할 예정인 ‘아리랑 6호’와 7호, 차세대 중형위성 개발에, 통신해양기상관제실 연구진과 기술진은 2018년과 2019년 발사 예정인 ‘천리안 2A’와 ‘2B’ 개발 과정에 참여하고 있다. 항우연은 다목적실용위성 아리랑 1호, 2호, 3호, 5호, 3A와 통신해양기상위성 천리안을 개발하면서 제작은 물론이고 관제 측면에서도 놀라운 성장을 이뤘다. 위성이 많아지고 탑재체의 성능이 갈수록 첨단화될수록 관제실은 할 일이 많아지고 더욱 분주해진다. 하지만 관제실 연구진과 기술진은 또 다른 위성이 궤도에 진입하는 순간을 손꼽아 기다리고 있다. 그것이 우주 강국으로 가기 위한 길이라는 사실을 누구보다 잘 알고 있기 때문이다. 항우연의 위성종합·통신해양기상위성관제실은 오늘도 24시간 불을 환하게 밝히고 있다. 한국항공우주연구원 홍보실

소리의 속도(음속)는 초속 340m, 시속 약 1224㎞에 달한다. 이보다 더 빠른 속도를 ‘초음속’이라 칭한다. 세계 최초의 초음속 비행기는 1947년 등장한 ‘벨 X-1’이다. 이후 초음속 항공기가 앞다투어 등장했다. 1958년에는 영국과 프랑스가 공동으로 최초의 초음속 여객기인 ‘콩코드’를 개발했다. 콩코드는 음속의 2배로 순항, 영국 런던과 미국 뉴욕 간 5585㎞를 3시간30분 만에 주파했다.최초로 초음속을 돌파한 비행기 ‘벨 X-1’(왼쪽)과 초음속 여객기인 ‘콩코드’. 출처=미국항공우주국(NASA), 영국항공(British Airway)지금은 초음속을 넘어 극초음속 비행도 연구되고 있다. 극초음속 비행은 여러 측면에서 기술 개발의 난제가 있어 아직 군사 분야에만 제한적으로 활용되고 있다.◆속도의 영역극초음속을 이해하려면 먼저 속도에 대해 이해해야 한다. 음속은 통상적으로 초속 340m로 알려져 있으나 실제 소리의 속도는 온도와 밀도에 따라 크게 변한다. 따라서 고도에 따라 소리의 속도에 차이가 난다. 때문에 항공우주공학에서는 마하수(Mach number)라는 기준을 만들어 비행체의 속도를 구분한다. 마하수(M)는 비행체의 속도(v)를 소리의 속도(c)로 나눈 값으로 계산된다. 비행기가 음속으로 비행한다면 소리의 속도가 같으므로 마하 1이 된다. 마하 1을 기준으로 공기의 특성에 따라 크게 변하게 된다.◆아음속아음속(Subsonic)은 소리의 속도보다 느린 영역을 가리키는 것으로, 보통 마하 0.7 이하의 속도다. 자동차가 보통 고속도로를 주행할 때의 속도가 시속 100㎞ 안팎인데, 소리의 속도에 비하면 10분의 1 정도이다. KTX의 주행속도인 시속 300km는 마하 0.3이 채 되지 않는다. 상용 여객기의 비행속도(시속 700~800㎞) 역시 아음속의 영역에 해당한다◆천음속천음속(Transonic)은 아음속에서 초음속으로 넘어가는 영역인 마하 0.8에서 1.2 사이의 영역이다. 천음속에서는 속도가 음속보다 느려도 비행체 국부적으로 초음속이 되어 충격파(shock wave)와 팽창파(expansion wave)가 함께 발생하게 된다. 국부적인 초음속에 따른 유동 탓에 항력이 크게 발생하여 초음속 비행을 위해서는 이를 극복할 비행체 형상과 추진력이 필요하다.팽창파는 충격파와 비교해 반대의 성질을 가진다. 공기가 팽창파를 통과하게 되면 압력과 온도가 낮아지게 된다. 수증기의 온도가 낮아지면 액체인 물로 응결한다. 천음속에서 발생하는 국부적 팽창파로 인한 수증기 응결 현상. 출처=위키미디어◆초음속초음속(Supersonic)은 마하수 1 이상을 이른다. 가장 큰 특징은 충격파의 형성이다. 비행체가 공기 중에서 속도를 내면 파면(wave front)이 생기고, 그 주변의 공기를 점진적으로 압축시키게 된다. 마하 1이라면 파면이 겹치며 공기가 압축되어 충격파를 생성하게 된다. 충격파는 비행체가 소리의 속도보다 빠를 때 급격한 변화를 만드는 경계라고 할 수 있다.충격파를 통과하면 유동이 압축되고, 비행체 주변의 공기가 충격파를 통해 앞으로 전달되지 못한다. 따라서 충격파를 지난 공기의 압력과 밀도는 커지고 온도는 높아진다.초음속 비행을 위해서는 충격파에 대한 이해가 가장 중요하다.현재의 상용 여객기는 구조적으로 초음속 비행을 할 수 없다. 여객기의 둥근 형상이 초음속 비행기의 뾰족한 형상보다 단면적이 넓어 항력이 가중되고 따라서 음속의 벽을 넘기 어렵다.실제 초음속 비행에서 발생하는 충격파의 모습(왼쪽)과 소닉붐(초음속 비행기가 내는 큰 소음)을 최소화한 초음속 비행기의 컴퓨터 시뮬레이션. 출처=미국항공우주국초음속 비행은 성층권 이상의 높은 고도에서 이뤄지는데, 저고도에서 초음속 돌파를 하게 되면 고고도보다 공기의 압력과 밀도, 온도가 상대적으로 높아 항력이 크고 온도가 크게 상승한다. 이른바 ‘소닉붐’ 현상도 발생한다. 충격파로 인해 급작스런 압력 변화를 겪은 주변 공기가 ‘쾅’ 하는 폭음을 내며 지상으로 전달되어 피해를 끼치기도 한다.◆극초음속극초음속(Hypersonic)은 통상 마하 5 이상의 영역이다. 초음속과 뚜렷한 경계가 없지만, 이 상태에서는 강한 충격파를 통해 고압, 고온으로 압축된 공기의 물리적인 성질이 변하게 된다. 높은 온도 때문에 공기를 구성하는 산소와 질소의 에너지가 높아져 분자가 원자로 분해되는 해리(dissociation), 원자와 전자가 서로 떨어지는 이온화(ionization) 현상이 각각 발생한다. 또한 전자기파의 에너지 이동인 복사(radiation) 현상으로 인한 가열과 고온 플라스마도(고체, 액체, 기체와 달리 이온화된 제4의 상태로 중성입자, 이온과 전자의 집합)도 관찰된다. 따라서 극초음속 유동에서는 물리·화학적 현상까지 고려해야 한다.극초음속 비행이 가장 많이 이용되는 분야는 우주선의 대기권 재진입(Atmospheric Re-entry)이다. 아폴로 우주선이 대기권에 재진입할 당시의 속도는 무려 마하 35(시속 4만1000㎞)에 달했다. 우주선은 빠른 속도로 인한 강한 충격파의 압축과 공기 마찰로 엄청난 고온에 노출된다. 주위의 온도는 섭씨 6000도 이상으로 올라가기도 한다. 이러한 극한의 유동에서 노출되는 열 유량과 공기역학적 힘을 정확하게 예측해 이를 견딜 수 있도록 우주선을 설계해야 한다.유럽우주기구(ESA)의 재진입 비행체 상상도. 출처=유럽우주기구서울에서 뉴욕까지의 거리는 약 1만1000㎞다. 여객기로도 14시간이 걸리는 장거리 비행이다. 극초음속인 마하 7로 비행할 수 있다면, 2시간 정도 걸리는 혁신을 가져올 수 있게 된다.로켓은 연소 효율이 제트 엔진에 비해 매우 낮아 수백㎞ 이상 극초음속으로 순항하는 데는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 충격파의 압축 효과를 이용한 ‘램·스크램제트 엔진’이라는 새로운 극초음속 추진기관을 연구하고 있다.미국항공우주국(NASA·나사)의 ‘X-43 스크램제트’ 비행체 시험발사 장면(왼쪽)과 ‘X-51A 스크램제트’ 비행체. 출처=미항공우주국이처럼 극초음속 기술은 항공우주공학자들의 기술 개발의 최전선에서 사용되고 있다. 앞으로 이용될 분야도 많고, 발전 가능성이 무궁무진하다. 특히 극초음속 환경에서 자연스럽게 발생하는 고온 플라스마에 대한 연구는 반도체 공정과 신소재 합성에도 이용되며, 고온 및 고강도 내열 소재의 개발에도 적용될 수 있다.장원근 호주 퀸즈랜드대 극초음속센터 박사과정

1968년 4월4일 아폴로 6호를 실은 ‘새턴-V’ 로켓이 발사대를 박차고 우주로 발사됐다. 모든 것은 문제없이 완벽해 보였다. 로켓이 떨리기 시작해 상하로 요동치기 전까지는 말이다. 이른바 ‘포고’라고 불리는 현상이다. 포고 현상은 로켓의 가속 운동과 엔진의 가동 과정에서 발생하는 진동이 로켓의 구조적 진동과 맞물려 공진하면서 로켓의 축을 따라 만들어지는 반복적인 진동을 가리킨다. 좀 더 구체적으로 살펴보자. 로켓이 발사돼 가속도가 붙고, 이에 따라 추진제 공급량이 늘어나다가 추력과 연소실 압력이 커지면서 역으로 추진제 공급량이 감소한다. 이는 추력과 연소실 압력의 하락으로 이어진다. 추력과 연소실의 압력이 계속 커졌다 작아졌다 하는 현상이 반복되면 진동은 점차 증폭되어 로켓은 아래 위로 요동치게 되는데, 이런 현상이 마치 어린이들이 이른바 ‘스카이 콩콩’이라 불리는 포고 스틱(Pogo Stick)을 타고 노는 동작과 비슷하다고 해서 포고(Pogo) 현상이라고 불린다. 아폴로 6호를 실은 새턴-V 로켓에 포고 현상이 발생했고 이로 인해 아폴로 6호에 탑재된 중요한 부품이 떨어져 나가면서 아폴로 우주선의 비행 경로는 원래 계획됐던 원 궤도가 아닌 타원 궤도로 바뀌어 버리는 문제가 발생했다. 다행히 아폴로 6호가 무인 우주선이어서 인명 피해는 없었다. 우주 임무에 결정적인 실패를 가져올 수 있는 포고 현상은 1962년 3월16일 미국 공군(US Air Force)이 ‘타이탄(Titan) II’ 미사일을 시험할 때 처음 확인됐다. 나사(NASA·미항공우주국)는 이 미사일을 개량해 인간을 태워 우주에 보내는 ‘제미니 미션’에 활용할 계획이었다. 타이탄 II는 비행중 주파수 10~13Hz의 진동이 약 30초 동안 발생했다. 이를 진폭으로 계산해보면 ±2.5G였다. G는 중력가속도를 가리키는데, ±2.5G의 진폭 환경이라는 것은 우주인이 초당 10번 이상 자기 몸무게의 2.5배나 되는 힘에 의해 앞뒤로 흔들리는 고통을 느끼는 수준이다. 연구진은 이런 상황에서는 우주인들이 정상적인 비행을 할 수 없다고 판단, 진동과 진폭을 줄이기 위한 연구에 박차를 가하기 시작한다. 연구진은 실패와 시행착오를 거듭한 끝에 연료 탱크의 압력을 높이고, 연료와 산화제를 공급하는 배관에는 축압기를 설치하는 방식으로 포고 현상을 해결해 결국 계획된 유인 우주 임무를 수행할 수 있는 디딤돌을 놓는다. 이후 나사는 모두 10회의 유인 우주 탐사를 수행하며 달 탐사에 다양한 기술과 경험을 축적한다. 나사는 포고 현상을 이해하고 이를 해결했다고 생각했지만 다른 로켓에서 같은 현상이 나타났다. 유인 아폴로 계획은 새턴-V 로켓을 썼는데, 아폴로 6호 발사에서 포고로 인한 진동이 기준치보다 높게 나타나 연구진을 당황케 했다. 새턴-V의 1단에 사용된 ‘F1’ 엔진의 진동이 발사체 구조 진동과 공진한 것이 원인으로 판명됐다. 유인 아폴로 계획 수행을 위해 엔진의 설계를 바꿀 시간적 여유가 없었던 나사는 추진제 탱크와 공급배관 사이의 밸브 안에 가스를 채워넣어 문제를 해결하고자 했다. 이 해결책은 유인 우주선 발사였던 아폴로 8호에 적용되어 어느 정도 성과를 거둔 듯 보였지만 이번에는 2단 엔진의 점화가 종료되기 50초 전 클러스터링(더 큰 추진력을 얻기 위해 여러 개의 엔진을 한데 묶는 것)이 된 ‘J-2’ 엔진이 진동하기 시작된다. 다행히 강한 진동은 아니어서 임무는 성공했지만 연구진은 또다시 포고를 잡아낼 방법을 찾아야만 하는 상황이 됐다. 이때가 1969년이었다. 이 문제를 해결하지 못하면 1970년이 되기 전 달에 인류를 보내겠다는 존 F 케네디 대통령의 계획은 물거품이 되는 상황이었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 각 단의 엔진 연소 시간을 바꾼다. 2단 로켓의 중앙에 위치한 J-2 엔진의 연소시간을 조금 줄이는 대신 그 주변에 있는 네 개의 엔진을 조금 더 길게 연소시켜 줄어든 추력을 메우는 방식이었다. 이 방법이 효과를 발휘해 이후에는 포고 현상으로 발사가 중단되거나 취소되지는 않았다. 이후 나사가 우주왕복선 프로그램(STS·Space Transportation System) 연구를 계획했을 때도 포고 현상은 언제든 등장할 수 있고 또 반드시 해결해야 할 중요한 문제 중 하나였다. 첫 포고 현상이 발견된 지 50년이 넘게 흐른 지금 발사체를 개발하는 연구진은 이를 어느 정도 완벽하게 이해하고 있다. 크게 걱정할 현상은 아니게 됐었지만 여전히 엔진 개발의 중요한 고려 대상이기는 하다. 엔진 시험 단계와 실제 발사체가 비행하는 조건이 다르기 때문에 언제라도 발생할 수 있는 현상인 탓이다. 한국항공우주연구원 홍보실