국가가 주도하는 우주개발을 의미하는 올드스페이스 시대를 지나, 기술의 진보로 새로운 비즈니스모델을 만들고 민간이 주도하는 뉴스페이스 시대로의 전환을 맞이하고 있습니다. 생소하게 여기지 않길 바라는 마음으로 우주탐사용어 중 궤도 관련용어와 무중력, 랑데부, 모듈, 방열판, 부스터에 대하여 알아봅니다.
우주탐사용어 : 궤도와 관련하여
궤도(orbit)는 어떤 물체가 중력이나 전자기력, 자기장 등의 역장에 영향을 받아 다른 물질이나 물체를 따라 운동하는 경로를 뜻하는 것으로 우주선이나 천체가 행성이나 다른 천체의 주위를 공전하는 경로를 말합니다. 궤도속도(orbital velocity)는 천체 궤도를 따라 회전하는 속도를 나타내며 지구나 다른 천체 주위의 궤도를 유지하는데 필요한 최저속도를 말합니다. 물체가 중력방향에 대해 수직으로 이 속도를 가지고 있다면 지구 주위를 공전하는 것이 가능합니다. 이것을 제1 우주속도라고도 합니다. 우주 속도란 지구에서 쏘아 올린 물체가 지구 주위를 돌거나 다른 천체에 도달하는데 필요한 속도를 말합니다. 제1,2,3 우주 속도가 있습니다. 지구 주위를 원궤도로 도는 인공위성의 속도는 7.9km/s인데 즉 이 속도 이하의 비행체는 결국 지표에 떨어지고 맙니다. 그러나 지표면 근처에서 물체를 수평방향으로 7.9km/s로 쏘아 올리면 지구의 둘레를 돌면서 떨어지지 않습니다. 지구의 제1 우주속도는 7.9km/s, 화성의 제1 우주속도는 3.5km/s, 목성의 제1 우주속도는 42.12km/s입니다. 탈출속도(escape velocity)는 물체의 운동에너지가 행성등의 중력 위치에너지를 넘는 속도를 의미하는 것으로 대개는 발사체나 우주 탐사선이 중력의 힘을 극복하고 행성이나 달 등의 중력장으로부터 탈출하기 위해 필요한 최저속도를 말합니다. 제2 우주 속도라고도 합니다. 지구의 경우는 11,9km/s, 달은 2.37km/s, 목성은 61.5km/s입니다.( 태양계를 벗어날 수 있는 속도를 제3 우주속도라고 하는데 42.5km/s입니다.) 궤도이탈(de-orbit)은 인공위성이나 우주선등이 궤도에서 벗어나는 것으로, 선회하고 있던 우주선이 행성의 대기권으로 진입하려고 로켓에 점화하는 일을 말합니다.
무중력 상태, 랑데부
엔트리( entry)는 우주선이 착륙하기 전 행성의 대기를 통과해서 움직이는 동안 우주공간을 비행하는 상태를 말합니다.
무중력상태(microgravity/free gravitaitional state)는 중력이 없는 상태가 아니라, 만유인력과 관성력이 서로 상쇄되어 그 합력이 0으로 간주될 만큼 작아지는 상태를 말합니다. 궤도를 비행하는 동안 우주선의 내용물과 승무원이 중력 때문에 형성되는 무게에 대한 느낌이 없이 자유로이 떠다니는 상태가 무중력상태입니다. 지구 400km 상공에서 돌고 있는 국제 우주정거장은 지구 주변의 궤도를 도는 원운동을 하는데, 이 원운동은 속력은 일정하고 방향은 끊임없이 변하는 가속도 운동을 하므로 지구 중력에 의한 효과는 상쇄되어 무중력상태를 유지하는 것입니다. 인공위성내부의 우주비행사들은 인공위성과 같이 방향이 바뀌는 가속도 운동을 하게 되므로 인공위성에 대한 상대속도는 항상 0이 됩니다. 그래서 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태로 있게 되는 것입니다. 랑데부(rendezvous)는 우주에서 조종을 통해 2개의 우주선이 같은 궤도로 만나 서로 나란히 비행하는 것을 말합니다. 우주정거장을 건설하는 경우 랑데부와 도킹을 필수적인 절차입니다. 우주공간은 고속으로 날아가는 두 우주선이 서로 부딪치지 않고 속도를 조절하여 상대속도를 0으로 만드는 고도의 기술력입니다. 단순히 접촉만을 의미하는 것으로 서로의 통로를 연결한다는 의미의 도킹(docking)과는 다릅니다. 세계 최초로 랑데부에 성공한 것은 1965년 3월 15일 미국 2인승 우주선 제미니 6호와 7호입니다. 또한 1975년 7월 17일 미국과 소련의 아폴로-소유스 테스트 프로젝트는 지구 궤도상에서 랑데부와 도킹에 성공함으로써 우주개발의 협력의 시대를 열었던 역사적 사건이었습니다.
모듈, 방열판, 부스터
모듈(module)은 우주선의 다른 부분과 떨어져 분리될 수 있는 일부분을 말합니다. 2022년 6월 5일 오전 중국의 독자 우주정거장 톈궁 건설을 지원하기 위해 세 번째 유인우주선 선조우 14호가 성공적으로 우주에 안착했습니다. 이어 오후 5시 42분경 우주정거장 핵심 모듈인 톈허와 도킹했다고 전했습니다. 방열판(heat shield)은 우주선이 대기권으로 진입하는 동안 마찰열로 불타버리는 것을 막고자 고안된, 우주선 표면을 감싸고 있는 절연막을 말합니다. 섭씨 1600도에 달하는 대기권의 열을 막아내기 위해 우주 왕복선 시기엔 세라믹 단열 타일을 부위별로 정교하게 열 한계를 고려하여 붙였습니다. 효과가 있기는 했으나 미국의 콜롬비아호에서처럼 타일이 깨져나가면서 생긴 틈으로 마찰열이 침입한 것처럼 문제가 있었습니다. 그래서 현재는 삭마 방열판( avlative shield) 소재를 사용합니다. 방열판의 소재가 처음부터 견디도록 하지 않고 오히려 마찰열에 녹아 표면부터 단계적으로 깎여 나가도록 만드는 것입니다. 대기권의 열을 흡수한 방열판의 표면이 차츰차츰 떨어져 나가면 우주선에서 열을 빼내는 효과를 갖는 것입니다. 방열판이 완전히 깎여나가기 전에 우주선이 대기권 진입을 마치고 감속을 하게 되면 성공입니다. 아폴로 미션 내내 이 방식으로 사용하였고 효과가 검증된 터라 지금까지도 사용 중입니다. 부스터(Booster)는 우주선을 발사하는데 필요한 에너지를 거의 대부분 공급하는 로켓을 말합니다. 최근에는 재활용 로켓 부스터의 상용으로 종전보다 훨씬 저렴한 비용으로 우주 로켓을 쏘아 올릴 수 있게 되었습니다. 기존에 우주선을 대기권 밖으로 밀어내는 로켓부스터들은 재활용이 불가하여 대기권에서 태우거나 적당히 지상에 떨어뜨려 회수하는 것이 최선이었습니다. 그러나 최근 스페이스 X사가 로켓을 제어하며 안전하게 지상기지에 착륙하게 함으로써, 재활용이 가능하게 만들었으며 이로 인해 우주비행의 단가가 낮춰질 수 있을 거란 기대를 갖게 하고 있습니다.
