2020년경 달에 다녀올 한국형 발사체

2020년경 달에 다녀올 한국형 발사체

1단 로켓, 착륙 장치 기술 개발에 만전

 

 

정부는 오는 2018년경 달 궤도 위성을 먼저 띄워 기술력을 확보한 뒤 2020년경 한국이 독자 개발한 ‘한국형 발사체(KSLV-Ⅱ)’에 착륙선을 실어 달(Moon)에 보낸다는 원대한 달 탐사 프로젝트를 추진하고 있다.
2011년 수립한 제2차 우주개발 진흥계획에 따라 달 궤도위성은 2023년, 착륙선은 2025년까지 개발할 예정. 정부의 달 탐사에 대한 의지가 다른 어느 때보다 강하지만 성공하기까지 많은 과제가 남아 있다.

▲ 국내 위성 자력발사 1호 로켓 'KSLV-1'  ⓒ연합뉴스

 

전문가들은 “지구와 불과 약 38만4천400km 떨어진 달의 환경이 매우 특이해 우주선 발사에서부터 궤도 진입 그리고 달 표면 착륙에 이르는 전 과정이 매우 복잡하고 위험할 수 있다”고 경고한다. 달 탐사 프로젝트가 매우 어렵고 복잡한 기술을 요한다는 것.

 

1단 로켓 없는 달 탐사는 불가능

 

최초로 달에 착륙한 유인 우주선은 새턴 Ⅴ형 로켓을 장착한 아폴로 11(Apollo-11)호다. 새턴 Ⅴ형 로켓은 높이가 111m, 연료를 포함한 무게가 2천910톤에 이르는 거대한 로켓이었다. 이 로켓의 맨 꼭대기에 탈출 캡슐, 아폴로 사령선, 기계선, 착륙선 등이 차례로 배치되었다.

이 아폴로 11호 우주선은 매우 복잡한 경로를 거쳐서 달에 갔다 왔는데 먼저, 케이프케너배럴 케네디우주센터서 쏘아 올려진 아폴로 11호는 지상 60km 상공에서 1단을 분리했다. 바로 2단 엔진이 점화됐고, 이 연료가 바닥나자 3단 엔진이 점화되면서 190km 상공의 지구 궤도에 올라갔다.  

우주선은 지구를 1.5바퀴 돈 뒤에 달로 향했는데 이때 우주선에서 사령선과 기계선이 분리됐고, 착륙선이 한 바퀴 돌아 거꾸로 사령선 모듈(우주인들이 생활하는 공간)에 도킹한 다음에 3단 로켓이 분리돼 떨어져 나가면서 우주선은 달로 향하는 긴 여정에 올랐다. 중간에 달의 궤도에 진입하기 위해 궤도 수정을 했고, 달 궤도 위에서 두 명의 우주인들이 사령선에서 착륙선으로 옮겨 탄 다음에 달 표면에 착륙했다.

 

달에서 임무를 완수한 우주인들은 다시 날아올라서 사령선에 도킹한 다음에 지구로 향했다. 중간에 지구 궤도에 진입하기 위해 궤도 수정을 한 다음에 기계선을 떼어 낸 다음에 고도 120km 상공에서 대기권에 재돌입했다. 엄청난 중력가속도에 의한 마찰열로 완전히 까맣게 그을린 탈출 캡슐은 바다에 입수한 후, 미 해군 함정에 의해 구조됐다. 

 

이 복잡하고도 긴 여정에 수많은 기계와 장비들이 쓰였지만 과학자들은 이중 가장 중요한 장비로 1단 로켓을 꼽는데 주저하지 않는다. 전문가들은 “우주선을 쏘아 올리는 발사체에서 가장 핵심적인 것은 중력을 거슬러 발사체를 우주공간으로 올려주는 1단 로켓”이라고 입을 모은다.

▲ 달 착륙은 진공상태에서 이루어지기 때문에 어려운 기술이 요구된다.  ⓒ연합뉴스

 

지난 1월말 성공한 나로호 1단 로켓은 추력이 170톤으로 알려졌는데 이에 비해 한국형 발사체인 KSLV-2(Korea Space Launch Vehicle 2)에 탑재되는 로켓은 추력 300톤짜리이며, 1단에 4기, 2단에 1기의 로켓이 들어가는 75톤급 액체 엔진이다. 항우연에 따르면 우리나라는 이미 상당한 1단 로켓 기술을 확보한 것으로 알려졌다.

 

생각보다 어려운 달 착륙 기술

 

“한 사람에게는 작은 발걸음이지만 인류에게는 커다란 도약이다.” 1969년 7월 20일 인류 역사상 처음으로 달에 발을 내디딘 닐 암스트롱은 달 착륙 순간에 이렇게 말했다.

 

1950년대에 미국과 구소련은 달에 착륙하기 위해 구소련은 루나 프로그램으로 달탐사선을 개발, 1959년 루나 2호를 최초로 달에 보냈고, 라이벌 미국은 아폴로 프로그램을 통해 1969년 최초로 유인 달착륙선을 보내는 데 성공했다.

 

그런데 미국과 구소련이 번갈아 수십 대의 달 착륙선을 보냈지만 달 표면에 충돌하지 않고, 사뿐히 내려앉은 것은 루나 9(Luna-9)호뿐이다. 그만큼 달 착륙은 우주선을 궤도에 쏘아 올리는 것만큼이나 어려운 기술을 요한다. 전문가들은 “지구와 환경이 다른 달은 무중력 진공 상태로 공기역학 기술은 통하지 않는다”고 지적한다.

 

미래창조과학부에 따르면 한국형 달탐사선은 무인 탐사선으로 궤도선과 착륙선 2종으로 구성되며, 발사체의 탑재능력에 따라 발사중량 550kg내의 소형 경량으로 개발될 예정이다. 전문가에 따르면 달 표면에는 착륙선 본체만 착륙하고, 이때 안정적인 착륙을 위해 본체에 있는 액체연료를 사용한다. 이 방식은 착륙선의 소형화와 경량화에 유리한 것으로 알려졌다.

 

달착륙선은 달궤도 진입 이후 성공적인 착륙이 돼야 주어진 임무수행이 가능하다. 전문가들은 “착륙시, 달착륙선은 높은 충격하중을 받는데 이로 인해 탑재장비가 파손될 수 있기 때문에 착륙선의 전복 및 쓰러짐을 막기 위한 장치가 반드시 요구된다”고 말한다.

 

착륙 장치에는 연착륙(soft-landing)을 위한 충격흡수 메커니즘이 필요하고, 진공 상태인 달의 환경을 고려해 비행기나 자동차에서 쓰는 유압식 충격흡수 장치는 사용하지 않고, 소형 로켓을 사용하는 것으로 알려졌다.

 

아폴로 우주선의 경우, 두 개의 엔진을 착륙선에 장착했는데 주엔진은 착륙시, 부엔진은 재점화시켜 날아 오를 때 사용한 것으로 알려졌다. 현재 달 탐사를 원하는 우주 강국들은 로켓 못지않게 착륙장치 개발에도 심혈을 기울이고 있다.

 

조행만 객원기자 | chohang3@empal.com 저작권자 2013.09.27 ⓒ ScienceTimes