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우주선
우주선(宇宙船, Spaceship, Spacecraft)은 우주에서 이동하는 인공 물체를 말한다. 사람의 탑승 유무와는 관계없이 모두 우주선이라고 칭하므로, 우주왕복선, 인공위성, 탐사선 등을 모두 통틀어 우주선이라 부를 수 있다.
이 때문에 지구 정지궤도에 진입한 인공위성도 우주선이라고 부르지만, 예외적으로 유인 인공위성인 우주정거장만큼은 우주선이라고 부르지 않는다.
개요
우주선은 우주를 다니도록 만들어진 탈것 또는 장치이다. 준궤도 우주비행에서 우주선은 우주에 진입하여 궤도를 도는 일이 없이 행성(통상 지구)의 표면으로 돌아온다. 궤도 우주비행에서는 우주선은 행성 주위로 원을 이루는 궤도에 들어선다. 유인 우주비행을 위한 우주선은 승무원 또는 승객들을 내부에 실어 나를 수 있다. 로봇의 우주 임무를 위한 우주선은 자율적으로 또는 원격 조종으로 운영된다. 행성에 접근하는 로봇 우주선은 우주 탐사선이라 부른다. 행성의 궤도에 남는 로봇 우주선은 '인공위성'이 된다. 행성간 여행을 위한 성간 우주선은 실제로 존재한다.
우주선은 통신, 지구 관측, 기상, 내비게이션, 행성 탐사, 우주 여행 등 다양한 용도에 상용. 우주선과 우주 여행은 공상과학 소설에서 흔한 소재가 된다.
특징
최초의 우주선은 소련이 1957년에 쏘아올린 스푸트니크 1호 인공위성이다. 그 후 70년에 가까운 세월이 흘렀지만 우주선을 만들고 발사할 수 있는 나라는 아직도 전세계에 24개국 밖에 없다.
유인 우주선의 경우에는 훨씬 더 적어서, 미국, 러시아, 중국 세 나라만이 그 노하우를 보유하고 있다. 결정적으로 우주선 기술은 대부분 ICBM 기술로 전용될 수 있기 때문에, 절대 다른 나라에게 기술 이전을 해주는 법이 없다. 다만 ICBM화가 어려운 액체로켓들의 경우 예외적으로 일부분은 이전해주는 경우가 있기도 했다.
아래 나열된 가상의 우주선들이 대개 전투용인 반면, 현실의 우주선들은 전부 비전투용이다. 물론 군사용 인공위성이 많이 있지만 이들은 대부분 그저 첩보용이고, 아직까지 공격용 우주선이 제작된 적은 없다. 더군다나 모든 우주선이 그렇듯 엄격하게 관리되는데 공격용 우주선의 특성 상 군에서 관리해야 하기 때문에 더더욱 엄중한 관리가 필요하기도 하고 볼트 하나라도 제대로 조여지지 않으면 대형 사고로 이어지는 우주선의 특성상 현실적으로 운용하기 어려운 부분도 없지 않다.
구성 요소
우주선은 자세 측정 및 제어(ADAC, ADC 또는 ACS), 유도장치, 항법장치와 제어장치(GNC , GN&C), 통신 및 데이터 처리(CDH, C&DH), 온도조절장치(TCS), 추진장치, 본체 등의 장치들을 포함할 수 있다.
- 생명유지장치
- 자세 제어장치
- 항법장치
- 통신 및 자료처리
- 동력
- 온도 제어
- 추진
- 구조
- 적재화물
- 발사체
- 지상 관제소
- 작용 반작용
종류
탐사선
우주탐사선은 달, 화성 등 우주 천체를 탐사하기 위해 발사되는 우주선을 의미한다. 사람의 탑승 여부에 따라 유·무인 탐사선으로 구별된다. 최초의 유인 탐사선은 1961년 러시아의 우주비행사 유리 가가린을 태우고 지구 일주에 성공한 보스토크 1호다. 1977년 발사돼 태양계를 벗어나 천체를 탐사 중인 '보이저1·2호'가 대표적인 우주탐사선이다.
인공위성
인공위성(人工衛星, artificial satellite)은 우주에서 천체의 주위를 돌도록 만든 인공 구조물을 말한다. 인류가 만들어낸 가장 기초적인 우주선이며, 현재 발사되는 모든 인공위성의 99%는 지구 주변을 돌고 있다. 인공위성의 내부 구조는 간단하게 추진체, 컴퓨터장비, 전기공급, 뼈대 등으로 나눌 수 있다. 최초의 인공위성은 1957년 10월 4일에 발사된 소련의 스푸트니크 1호이다. 이때만 해도 그냥 우주에 뭔가 쏴 올렸다는 사실 만으로 상대방(미국)에게 충격과 공포를 주기 위한 목적이었지만, 점점 용도가 늘어가면서 현재는 용도에 따라 과학위성, 통신위성, 군사위성, 기상위성 등으로 나뉜다. 대한민국 최초의 인공위성은 1992년 8월 11일에 발사한 우리별 1호. 우리별 1호는 ESA(유럽우주기구)가 제작한 '아리안 로켓'에 실어서 발사했다. 북한은 스커드 미사일 기술로 자체 제작한 대포동 발사체를 이용해 '광명성 1호'라는 위성을 자체 발사하려 했으나 실패했고, 2009년 4월 5일에는 대포동 2호 발사체를 이용하여 '광명성 2호'를 발사하려 했으나 또 실패했다. 결국 성공한 것은 2012년 12월 12일 은하 3호에 실은 광명성 3호가 최초. 대포동2호는 2단 분리가 안 돼서 실패했다는 주장이 언론에 돌았으나 나중에 은근슬쩍 말이 바뀌어서 분리에는 성공했으나 우주궤도 진입에는 실패했다고 수정됐다.
유인우주선
이름 그대로 심플하게 사람을 태우고 우주로 가는 우주선이다. 탐사선과의 차이점은 사람이 타느냐 안 타느냐의 차이로 실제 달착륙선을 제외한 모든 탐사선은 "Unmanned Spacecraft". 즉 무인우주선이다.
무인우주선 제작과 유인우주선 제작기술 사이에는 넘사벽이 있다. 이거 하나 만드는 데 세계 최고 수준의 온갖 최첨단 기술이 총동원되어야 한다. 가장 중요한 차이점은 유인우주선은 탑승자(우주 비행사)가 살아서 지구로 돌아와야만 한다. 사람을 실어서 날려 보냈는데 못 돌아왔다가는 끔찍한 상황이 발생하기 때문에 정지궤도든 달이든 화성이든 일단 가면 무조건 돌아와야만 한다. 그렇기 때문에 대기권 재돌입 기술이 필요한데, 이게 건담에 달린 내열필름마냥 그냥 쭉 펴고 닥돌한다고 되는게 아니라 재진입 속도라든가 각도 등등 계산해야 할 것도 많고, 그 와중에 안에 있는 사람이 또 다치면 안 된다. 마치 포뮬러 원 레이싱카 좌석 한켠에 푸딩 접시를 올려놓고 뉘르부르크링 같은 코스를 달리고 트랙 출발선으로 돌아왔을 때 푸딩이 여전히 다과상에 올려도 좋은 상태로 온전하게 보존되어 있어야 하는 것과 같은 조건인 것이다.
또한 유인우주선은 탑승자가 살아야 하므로 우주공간에서 사람의 생명을 유지시키기 위한 온갖 장치를 주렁주렁 달고 나가야만 한다.
현재까지 자력으로 유인우주선을 제작한 나라는 딱 세 나라 밖에 없다. 미국, 러시아(= 소련), 중국. 민간 기업은 스페이스X의 드래곤 2 한 곳이다.
우주왕복선
미국항공우주국(NASA)이 개발한 우주수송수단이다. 스페이스 셔틀이라고도 한다. 우주공간과 지구 사이를 몇 번이고 반복해서 왕복할 수 있도록 만들어진 유인우주선으로써, 지구 근방의 우주공간의 생활화를 목적으로 사용하려는 것이다.
추진방식 및 형태
현 우주선들은 일단 대기권 밖을 벗어나 지구궤도 혹은 우주공간으로 들어가는 것은 현생 인류의 과학기술력으로는 가능하다. 그러나 그 이후가 문제다. 창작물의 우주선들은 온갖 SF적 초기술이 탑재되어 초광속 여행도 가능한 것들이 많지만, 현실의 우주선은 아직 화학 로켓 동력을 졸업하지 못하고 태양계 밖도 이제 간신히 도달해 신호를 기다리고 있는 상황. 최신형이라 해봐야 이온 엔진 정도이다. 태양풍을 추진력으로 이용하는 태양돛, 플라즈마 펄스를 추진력으로 삼는 플라즈마 로켓 등이 연구 중에 있지만, 실용화는 멀기만 하다. 지구 궤도용 인공위성의 주 동력원은 태양전지이며, 원거리 우주탐사선의 동력으로는 원자력 전지등이 쓰인다.
게다가 지구 상에서 건조된 우주선은 필연적으로 지구 중력을 벗어나기 위한 추력이 필요하기 때문에, 궤도 엘리베이터가 실현되기 전에는 일단은 로켓의 신세를 질 수밖에 없다.
화학엔진 (상용화 완료)
인공위성이나 탐사선에서 가장 전통적으로 오랫동안 사용되어 온 추진 방식은 연소를 이용해 추진체를 분사하는 화학엔진이다. 저궤도위성의 경우 발사체가 궤도에 올려주지만 정지궤도 위성은 천이궤도에서 정지궤도로 Apogee Motor(혹은 원지점엔진)을 이용하여 위성 자체적으로 이동해야 하며 탐사선의 경우는 설명할 필요도 없다. 궤도에 일단 안착한 이후에도 저궤도위성의 경우 희박하지만 공기마찰로 인해 고도가 떨어지는 이유로 정상궤도에서 이탈하고 정지궤도위성의 경우 달이나 태양같은 다른 천체로 인한 섭동때문에 정상궤도를 이탈하게 된다. 그러므로 궤도를 유지하기 위해서 자체 추력엔진이 주기적으로 사용된다. 일례로 대한민국의 정지궤도위성인 천리안2호에서는 추진제로 모노메틸하이드라진, 산화제로 산화질소를 사용한 엔진이 장착되어 궤도를 유지하는데 사용된다.
인공위성을 동작하는 전원으로는 태양전지에서 만든 전력을 이용하기 때문에 실질적으로 인공위성의 수명은 탑재된 연료의 소진여부에 달려 있다. 탑재된 연료를 거의 소진했거나 혹은 쓰임새가 다했을 경우에 저궤도위성의 경우는 역시 탑재된 엔진으로 속도를 줄여서 지구 대기로 진입시켜 태워버리거나 회수하고, 정지궤도위성의 경우는 반대로 속도를 늘려서 고도를 높여 폐기궤도로 이동시킨다. 만약 갑작스런 오동작으로 위성이 죽어버리거나 하게되어 엔진을 사용할 수 없게되는 경우에는 우주쓰레기가 되어 버린다.
중력(궤도운동) (상용화 완료)
대표적인 우주선인 인공위성은 인류가 개발한 가장 기초적인 우주선으로 추진방식은 추진제나 에너지를 이용하지 않고 특정 행성(지구)의 중력을 이용한다. 즉 자연의 힘을 그대로 이용하는 것이다. 아래에서 설명할 더욱 고차원적인 스윙바이도 중력을 이용하지만 인공위성은 그 원리를 처음 이해하고 실제 적용했기에 인류 역사에 의의가 있을 수 있다고 하겠다. 자연계에서 호를 그리는 운동을 하는 물체에는 호의 바깥쪽으로 나가려 하는 원심력이 작용한다. 행성(지구)가 위성을 잡아 당기는 중력과 위성이 밖으로 나가려고 하는 원심력이 서로 평형을 이루면 위성은 지구로 떨어지지도 않고, 떨어져 나가지도 않는 상태가 되어 일정한 궤도를 그리며 운행하게 된다. 이렇게 행성(지구)의 일정 중력 궤도에 물체가 잡혀 행성(지구)의 상공을 계속 돌면서 기상, 지표면 등을 관측하거나 통신위성 용도로 사용하게 된다. 위성을 적당한 궤도에 떨어뜨려 주기만 하면 되기에 우주공간의 모든 행성에 이 인공위성 적용은 자연계의 법칙에 의해 현 기술력으론 가능하다.
스윙바이(중력 슬링샷) (상용화 완료)
화학로켓으로는 지구외 행성까지 가는데 충분한 속도를 얻을 수 없기 때문에, 멀리 날아가야 하는 우주선의 경우 스윙바이 라는 기술을 사용해 속도를 얻는다. 실제로 목성 탐사선이나 태양계 외곽까지 날아간 심우주 탐사선들 모두 스윙바이로 가속을 했다.
스윙바이란 우주선이 공전하는 천체(태양의 둘레를 도는 행성)의 공전방향의 역방향으로 접근, 천체의 중력에 붙들리며 천체의 주변을 반바퀴 공전한 뒤, 이번에는 공전방향에 순방향으로 가속하여 천체로부터 빠져나오는 가속법이다. 앞서 설명한 행성의 중력을 보다 고차원적으로 이용한 기술이 스윙바이이며, 지구 밖 타행성으로 여행이 가능해지게 된다. 우주선은 해당 천체의 공전속도의 두배만큼의 속도를 얻을 수 있다. 물론 마법 같은 게 아니고, 탐사선이 가속되는 만큼 행성의 공전 속도는 느려지는 엄연한 상대적 운동이다. 무거워 봤자 고작 수 톤에 불과한 탐사선에 비해 천체들의 질량이 너무나도 크기 때문에 전혀 계측할 수 없는 것 뿐.
행성의 공전방향에 따라 가속한다는 설명을 보면 알겠지만, 스윙바이는 행성이 적절한 위치에 있어줘야만 이용 가능한 가속법이다. 예를 들어 보이저 1, 2호는 당시 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 그야말로 절묘하게 배치되어 있어 이를 이용해 이들 외행성을 모두 방문하며 이들로부터 가속력을 얻었는데, 이런 기회는 175년에 한 번밖에 오지 않는다. 이 행운의 대장정을 나사가 부른 명칭이 "그랜드 투어".
이온엔진 (개발 중, 일부 상용화)
연료를 이온화하여 분사하는 방식이다. 일반 화학 로켓에 비해 에너지의 효율이 수배 이상으로 극대화되어 단기간에 연료를 다 써버리는 화학 로켓과 달리 수십년 이상을 고갈없이 사용할 수 있다. 실제로 화학 로켓은 행성의 중력권을 벗어나는 데만 활용하고 연료가 소진되면 로켓은 버리고, 우주공간으로 나와서 꺼져 있던 이온엔진을 구동하기 시작하는 형태로 운영하는 경우가 많다. 인공위성과 스윙바이는 특정 행성 혹은 항성계에서만 쓸수 있다면 본 기술은 항성계(태양계)밖으로 우주선을 내보낼때 사용할 수 있는 사실상 인류가 개발한 첫 번째 기술로 실제로 미국 등 우주기술강국들이 태양계 밖으로 보내는 우주선들에 본 엔진을 적극 채택하고 있다. 다만, 추진력이 너무 약해 대기권통과시에는 쓸 수 없다. 우주에서는 공기저항이 없어 추진력을 계속 유지할 수 있어 효율성과 함께 주목을 받고 있다. 또한 소행성대의 세레스 탐사선인 돈 탐사선은 스윙바이를 쓰기 어려워 이온엔진을 장착하고 있다.
핵추진 로켓 (아이디어 수준)
원자로의 열로 기체를 데워 팽창하는 힘으로 추진하는 열핵추진과 핵폭발의 반동으로 추진하는 핵 펄스 추진 두 가지 방식이 있다. 핵추진 방식을 활용하면 이론상 빛의 속도의 12%까지 낼 수 있어 항성간 탐사도 불가능한 수준은 아니어서 70년대 초만 해도 오리온 계획이나 다이달로스 계획 등 여러 핵추진 방식의 우주 탐사 계획이 있었으나, 발사 중 지구에서 폭발할 위험성 때문에 핵 확산 금지 조약을 통해 핵을 이용한 우주탐사가 금지되어 모든 계획이 폐기 처분되었다. 이러한 탐사는 안전하게 우주에 핵 추진 로켓을 올려놓는 방법이 나와야 가능해질 것이다. 헤일로 시리즈의 UNSC함선이 이 열핵추진 원리로 기동한다, 정확히는 물이나 수소 반응물을 가열하여 엔진 노즐로 내뿜어낸다.
솔라 세일 (개발 중)
우주선에 커다란 돛을 달아 태양에서 나오는 빛의 복사압을 추진력으로 사용하는 방식이다. 일본과 미국에서 시험 우주선을 발사한 적이 있다.
일렉트릭 세일 (개발 중)
솔라 세일과 비슷하지만 복사압이 아닌 태양풍을 이용하는 방식이다.
헬리컬 엔진 (개발 중)
미 항공우주국 나사(NASA) 엔지니어인 데이비드 번즈가 특수 상대성 이론을 활용해 이론적으로 빛의 99% 속도까지 가속할 수 있는 헬리컬 엔진(Helical Engine)을 개발하고 있다고 한다. 간단한 원리를 설명하면 상자(우주선)안에 쇠공을 고무줄로 매달아 벽을 치면 상자가 움직이는 원리라고 한다.
워프 드라이브 (연구 중)
공상과학에서 단골로 등장하는 바로 그 추진 방식이다. 알베르트 아인슈타인, 킵손, 스티븐 호킹 등 물리학 논문들에 의하면 이론적으론 가능하다고 한다. 따라서 각종 연구와 개발 시도가 이뤄지고 있다. 간단히 설명하면 음 또는 허수질량을 가진 별난 물질(Exotoc matter)의 물리적 특성을 이용해 시공간을 접어 먼거리를 가깝게 이동하는 기술이다. 하지만 인류가 가진 자원과 재료공학 을 총동원해도 지금 있는 기술로 상용화는 불가능하다. 만약에 이 기술이 정말 가능해지면, 인류는 태양계 밖을 벗어나 은하간 여행도 가능해진다. 상용화만 가능하다면 그 결과는 인류의 우주 탐사 역사에 가히 혁명적인 발전을 가져다 줄 것이지만 정작 음의 에너지 영역이란 건 카시미르 효과를 통해 존재만 입증되었을 뿐 인류의 기술로 인공적인 생성은 불가능에 가깝다.
NASA의 이글웍스는 그 동안 이론 상으로만 제기돼 왔던 워프 엔진이 생각보다 쉽게 현실화될지도 모른다며 연구 중이기도 하다. 이 연구가 성공해 워프엔진을 만들면 지구에서 4.37광년 떨어져 있는 알파 센타우리까지 2주일 밖에 안 걸린다고. 이글웍스의 해롤드 화이트 박사가 이 연구를 이끌고 있다. 이 연구가 현실화된다면 이제 겨우 화성 정도를 손에 닿을만한 경제권으로 확장할 것을 계획 중인 인류에게 수백광년 수준의 공간이 인류의 생활권, 경제권으로 급격히 확대되고 생태계 역시 35억년 진화사에서 가장 급격한 확장의 시대를 맞이할 수 있다는 의미가 된다.
궤도 엘리베이터 (개발 중)
미국 NASA에서 개발 중이다. 현재 개발중인 모든 우주선은 지구 중력을 이기고 성층권 위로 우주선을 이륙시키는데 대부분의 에너지를 소진한다. 이를 극복하기 위해, 아예 이륙 과정을 생략할 수 있도록 무식하게 길고 커다랗고 튼튼한 엘리베이터를 설치하는 아이디어이다. 궤도 엘리베이터문서 참조. 실현되면 우주공간으로 우주선은 물론 많은 물자, 인력 이송 및 우주공간에서 우주선 조립도 가능해진다. 각광받는 주 재료는 탄소나노튜브.
세대 우주선 (공상물)
인류가 특정 목적(지구 멸망으로 인한 이주 등)으로 피치 못하게 항성 간 초장거리 여행 시, 심지어 워프, 초광속 여행이 가능해진다 해도 우주공간이 너무 넓어 인류가 여러 세대에 걸쳐 운영하는 공상속 우주선을 말한다. 당연히 현재 인류의 기술로는 건조가 불가능하다.
그 외
2014년에 NASA의 이글웍스(Eagleworks) 연구팀이 연료 없이 전자기파 조작 만으로 추진력을 얻는 새로운 우주선 엔진 실험에 관한 논문을 발표해 논란이 되기도 했다. 그러나 실상은 NASA의 공식 발표도 아니고 논문 자체도 피어 리뷰도 받지 않았고 정식 저널에 개제된 게 아니라서 정식 논문이라고 보기도 힘든 물건이었다. 그저 NASA의 직원 몇 명이 시험 삼아 테스트 해본 내용을 발표한 것 뿐이다. 인터넷 상에서 일반인들이나 관심을 가졌을 뿐, 당연히 학계에서는 관심조차 두지 않았다. 결국 후속 실험을 통해 유의미한 결과가 도출되지 않아 해프닝으로 끝났다.
그리고 원자력 추진 우주선 개발에 들어간다.
워프 기술과 대응되는 초공간 도약, 초광속 여행, 반중력 장치 등의 기술이 각종 공상물 등에 많이 존재하는데, 실현될지는 미지수다.
참고자료
- 〈우주선〉, 《나무위키》
- 〈우주선〉, 《위키백과》
- 〈우주선〉, 《두산백과》
- 〈탐사선〉, 《나무위키》
- 〈인공위성〉, 《나무위키》
- 〈유인우주선〉, 《나무위키》
- 〈우주왕복선〉, 《나무위키》
같이 보기
