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아하! 일상 속 과학 <8> 달로 가는 길

우주선도 중력 영향 … 연료 효율적 사용 위해 타원형 궤도 비행

  • 국제신문
  • 디지털콘텐츠팀 inews@kookje.co.kr
  •  |  입력 : 2019-07-11 20:25:12
  •  |  본지 18면
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지금으로부터 꼭 50년 전인 1969년 7월 20일 미국인 닐 암스트롱이 우주선 아폴로11호를 타고 달에 도착해 ‘고요의 바다’에 위대한 발자국을 찍었다.
   
1969년 7월 20일 아폴로11호가 인류 최초로 달 착륙에 성공했다. 아폴로11호에 탑승한 우주인 에드윈 올드린이 달 표면에 미국 국기를 꽂은 뒤 옆에 서 있다. NASA 연합뉴스
올 1월에는 중국의 창어 4호가 달 뒷면에 착륙, 탐사로봇인 위투 2호가 최초로 달 뒤편 ‘폰 카르만 크레이터’에 바퀴 자국을 남겼다.

달에서의 최초가 주목받는 이유는 달까지 가기가 쉽지 않기 때문이다. 가장 큰 걸림돌은 지구의 중력이다. 뉴턴의 사과처럼 지구 중력은 모든 물체를 잡아당긴다. 이를 이겨내기 위해 우주선에 연료를 많이 싣다 보니 전체 무게도 덩달아 늘어나기 마련. 이러니 달 항로는 모든 첨단과학기술을 동원해 가장 경제적이고 효율적인 방법을 찾는 게 과제다. 지구에서 달까지 가려면 직선으로 가는 것이 거리상 가장 짧다. 하지만 아폴로11호를 비롯한 탐사선 또는 우주선들은 직선길로 가지 않는다. 지구나 달 주변을 돌기도 하고, 타원을 그리면서 움직인다. 신호등도 도로도 없는 광활한 우주에서 왜 이런 타원형 궤도를 택할까.

   
일반적으로 지상에서 쏘아 올린 우주선이나 탐사선은 먼저 지구 저궤도에 도달한다. 지구 저궤도(LEO·Low Earth Orbit)는 보통 지상에서 200㎞ 이상 높이에서 지구를 둘러싸고 있는 궤도다. 중력이 거의 작용하지 않은 이 궤도에서 우주선은 지구 주위를 선회하면서 대기하다가 발사 가능 시간대가 오면 ‘지구-달 전이궤도(그래픽)’로 옮겨가게 된다. 이 궤도는 달의 위성궤도로 이어주는 길로서 타원형을 그린다. 이는 1925년 독일의 건축공학자 발터 호만이 ‘천체의 접근 가능성’이라는 책에서 소개한 것으로 ‘호만 궤도’, 또는 ‘호만 전이궤도’라고도 부른다. 천체의 중력장 안에서 움직이는 우주선이 하나의 원 궤도에서 다른 원 궤도로 이동할 때 연료의 소모가 가장 작은 항로다. 결국 타원의 경로는 가장 효율적으로 연료를 사용하기 위한 방법이다. 아폴로 11호는 호만 전이궤도를 따라 2, 3일 항해해 110㎞의 달 위성궤도에 진입했다. 이 궤도에서 2명을 태운 착륙선이 아폴로11호 우주선과 분리돼 15km의 최저 위성궤도까지 이동한 후 달에 착륙했다. 임무완수 후 상단만 분리된 귀환선이 110㎞ 상공의 우주선과 재도킹해 달을 선회하다 다시 역순으로 궤도를 거슬러 지구로 귀환했다. 돌아오는 궤도에서는 지구의 중력에 이끌려 돌아오므로 연료가 훨씬 적게 든다.

   
‘호만 전이궤도’는 다른 행성으로 갈 때도 적용된다. 얼마 전에 밀라노 수학자들이 ‘호만 전이궤도’를 적용한 화성 항로보다 경제적이고 편의성이 높은 항로를 밝혀내기도 했다. 새로운 항로는 우주선을 탄도 궤도로 발사하는 방법으로 화성 공전궤도 근처에서 자연스럽게 화성의 중력에 끌려가도록 하는 원리다. 기존 항로보다 연료를 4분의 1 절약할 수 있다고 한다. 단 화성까지 운항하는 시간이 기존 시간보다 몇 개월 더 걸릴 것으로 예상된다.

이은정 부산과학기술협의회 교육연구팀장
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