重力活用해 燃料節減… ‘다누리’의 宇宙航海挑戰[世上 바꾸는 科學/金性洙]

東亞日報
入力 2022年 8月 8日 03時 00分

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天體物理學者가 본 달 探査船

발사 40분 뒤 발사체로부터 분리돼 1차 목표 궤적에 진입한 다누리. 다누리는 12월 31일 달 상공 100km의 원 궤도에 진입할 예정이다. 스페이스X 유튜브 캡처 — 發射 40分 뒤 發射體로부터 分離돼 1次目標軌跡에 進入한 다누리. 다누리는 12月 31日 달 上空 100km의 圓軌道에 進入할 豫定이다. 스페이스X 유튜브 캡처

김성수 경희대 후마니타스 칼리지 및 우주탐사학과 교수 — 金性洙 경희대 후마니타스 칼리지 및 宇宙探査學科敎授

우리나라의 첫 달 探査船人 ‘다누리’가 5日, 美國 플로리다州 케이프커내버럴 우주군 基地로부터 스페이스X의 팰컨9 로켓에 실려 宇宙로 發射됐다. 다누리는 넉 달이 넘는 多少 긴 旅程을 거쳐 12月 16日 달 軌道에 다다른다. 그런 다음 數次例의 機動(로켓 噴射) 끝에 12月 31日 달 上空 100km의 圓軌道에 進入해 1年 동안 광시야 偏光카메라 等搭載體 6種을 통해 各種任務를 遂行한다.

한국 최초의 달 궤도선 ‘다누리’가 6월 대전 유성구 한국항공우주연구원 위성조립실에서 최종 점검을 받는 모습. 다누리는 개발
과정에서 중량이 크게 증가해 중력을 활용해 연료 소비를 줄이는 ‘저에너지 전이’ 방식으로 변경돼 5일 발사됐다. 한국항공우주연구원
제공 — 韓國最初의 달 軌道船 ‘다누리’가 6月大田儒城區韓國航空宇宙硏究院衛星組立室에서 最終點檢을 받는 모습. 다누리는 開發過程에서 重量이 크게 增加해 重力을 活用해 燃料消費를 줄이는 ‘低에너지 轉移’ 方式으로 變更돼 5日發射됐다. 韓國航空宇宙硏究院提供

흥미로운 일은 이제부터 始作이다. 우연한 契機로 다누리는 韓國의 첫 달 探査船이라는 것 以上의 意味를 갖게 됐기 때문이다. 다누리는 ‘低에너지 轉移(Low-energy transfer)’ 方式을 利用하는 世界에서 세 番째의 探査船이다. 그것도 앞선 두 事例와 全혀 다른 契機로 이 方式을 擇하게 돼 世界宇宙探査學界의 耳目을 集中받게 됐다.

달에 軌道船이나 着陸線을 보내는 方式은 두 가지가 一般的이다. ‘直接前이’와 ‘位相轉移’ 方式이다. 直接轉移는 3∼6日이 걸리고 位相轉移는 몇 週假量 걸린다. 直接轉移는 ‘地球의 駐車軌道(parking orbit·宇宙飛行體가 目標軌道로 突入하기 前暫時 머무는 軌道)’에서 單番에 달 軌道까지 直接 가는 方式으로, 轉移에 걸리는 期間이 짧다. 反面位相轉移는 여러 番의 작은 起動을 통해 高度를 徐徐히 높여 結局 달 高度에 이른다. 地球를 빙빙 돌면서 조금씩 距離를 벌려 달에 이르는 셈이다. 이 方式은 달로 가는 동안 宇宙船軌道를 正確히 把握하고 修正하는 데 유리하다.

當初 다누리는 位相轉移方式으로 한 달에 걸쳐 달 軌道에 다다를 豫定이었다. 한데 開發過程에서 重量이 크게 增加해 任務軌道를 修正해야 하는 狀況을 맞았다. 當初 100km 高度의 圓軌道에서 1年 동안 任務를 遂行하려던 計劃이었다. 그러나 近월點(近月點·軌道上에서 달에 가장 近接한 地點) 高度 100km, 遠月點(遠月點) 高度 300km의 楕圓軌道에서 9個月任務遂行後 100km 圓軌道에서 3個月任務遂行으로 바뀔 危機에 놓이게 된 것이다.

한데 이렇게 되면 다누리에 실린 네 個의 科學搭載體 모두에 致命的이다. 科學搭載體의 任務成功確率이 高度에 直結돼 있기 때문이다. 그 理由는 이렇다.

달은 完璧한 球(球)가 아니어서 軌道船에 持續的인 重力攝動(攝動·引力에 起因한 攪亂運動)李加해져 軌道船은 한두 달만 지나도 圓軌道에서 徐徐히 벗어나게 된다. 高度를 維持하기 위해선 方向을 바꾸는 작은 엔진인 追擊機를 週期的으로 噴射해 軌道를 補正해야 한다. 이때 燃料가 많이 必要하다. 달로 가는 동안의 軌道補正, 달 任務軌道로의 進入, 任務軌道維持를 위한 機動에 必要한 燃料의 量은 宇宙船의 무게에 比例하여 커진다. 그런데 다누리는 燃料 탱크의 크기가 定해진 後探査船重量이 늘었기 때문에 任務軌道를 維持하는 데 必要한 燃料의 餘分이 줄어든다. 이런 狀況을 避하려면 軌道維持에 燃料가 덜 드는, 더 높은 高度로 任務軌道를 바꾸는 수밖에 없다.

이런 問題를 解決하기 위해 다누리의 總括責任機關인 韓國航空宇宙硏究院과 다누리의 審(深)宇宙通信 및 航行을 돕고 있는 美國航空宇宙局(NASA·나사)李 머리를 맞대어 찾아낸 解決策이 바로 低에너지 轉移이다.

低에너지 轉移는 달 軌道까지 가는 時間이 많이 걸리는 代身燃料를 아낄 수 있다. 地球, 太陽, 달의 重力을 利用하려면 數個月에 걸쳐 달까지 거리의 네 倍인 150萬 km 距離까지 갔다 와야 하지만, 달 任務軌道進入에 必要한 燃料의 4分의 1假量을 節約할 수 있다. 軌道進入에 드는 燃料를 아껴 任務軌道維持에 燃料를 더 配定할 수 있는 것이다.

低에너지 轉移는 세 가지 理由로 燃料面에서 效率的이다. 달 空轉半頃까지 가는 데 必要한 推力에 아주 조금만 더 보태면 150萬 km까지 갈 수 있고, 이 地點에서는 아주 작은 推力으로도 近地點을 駐車軌道에서 달 空轉半徑으로 크게 바꿀 수 있으며, 높은 곳에 있다가 달 空轉半徑으로 내려오다 보니 달 近處에서는 아주 작은 推力만으로 달에 ‘捕獲’될 수 있다.

달로 가는 任務에서 低에너지 轉移를 처음 使用한 것은 1990年發射된 日本의 첫 달 探査船 히텐(Hiten)이었다. 히텐은 1年間 달보다 먼 곳까지 나갔다 돌아오기를 反復하는 主任務를 遂行한 後 달로 低에너지 轉移를 試圖했으며, 달 重力場에 捕獲되어 얼마間 머무는 데 成功했다. 低에너지 轉移를 擇한 두 番째 달 探査船은 2011年에 發射된 美國의 그레일(GRAIL)이다. 그레일의 任務는 달 表面과 內部의 重力場分布測定이었다. 달 軌道投入柔軟性等의 理由로 任務設計初期부터 低에너지 轉移가 選擇되었다.

우리의 다누리는 이들과 全혀 다른 理由로 低에너지 轉移를 選擇했다. 비록 開發過程에서의 施行錯誤에서 비롯된 것이기는 하나, 그 德分에 우리나라의 첫 深宇宙探査任務에 興味 있는 觀戰 포인트를 하나 더 提供하게 된 것 같아 그것으로 洽足하다.

다누리가 成功하면 우리나라는 世界에서 일곱 番째로 審宇宙探査를 遂行하는 나라가 된다고 한다. 하지만 이는 유럽聯合을 하나로 計算했을 境遇이고, 英國, 프랑스, 獨逸, 이탈리아 等의 유럽 內宇宙强國을 個別的으로 考慮하면 우리가 열 番째 나라가 된다. 現在 우리나라의 經濟規模가 世界 10∼12位水準인 것을 勘案하면 이番 다누리 任務는 너무 이른 것도, 너무 늦은 것도 아닐 것이다. 15∼18世紀에 걸쳐 人類文明全體에 엄청난 變化를 가져다준 大航海時代가 只今宇宙를 舞臺로 다시 始作되고 있다. 李大變革에서 우리가 또다시 뒤처지지 않도록 단단히 準備를 해야 할 것이다.

金性洙 경희대 후마니타스 칼리지 및 宇宙探査學科敎授

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