한국항공우주연구원 달탐사 경로 `저에너지 트랜스퍼` 확정


1969년 미국 항공우주국(NASA) '아폴로 11호'의 우주인들이 역사상 최초로 달에 발을 내디딘 후 달은 항상 인류에게 도전과 호기심의 대상이었다. 유인(有人) 달 탐사 성공 50주년을 맞아 최근 세계 각국이 앞다퉈 달 탐사선을 발사하는 한편 다시 달에 인류를 보내기 위한 유인 달 탐사선 발사 프로젝트를 착착 진행하고 있다. 그런데 달 탐사 프로젝트를 진행할 때 중요한 것 중 하나가 바로 달까지 가는 방식이다.

그냥 지구에서 최단거리로 달을 향해 탐사선을 쏘면 되는 거 아닌지 단순하게 생각할 수도 있지만 실제로는 달에 가는 방식이 여러 가지가 있다. 달이 지구와 가장 가까운 거리에 놓였을 때 탐사선을 곧바로 쏘아 보낼 수도 있고, 지구 주위를 반복해 돌면서 점차 고도를 높여 천천히 달에 접근하는 방식도 있다. 최근에는 주변 천체의 중력 효과를 이용해 연료를 거의 쓰지 않고 달에 가는 방법이 주목받고 있다.

아폴로 11호를 비롯한 대부분 아폴로 달 탐사선은 '다이렉트 트랜스퍼(DT)'를 통해 달에 갔다. DT는 지구에서 달까지 가는 이동 경로(궤적)가 가장 짧다. 지구와 달 간 평균 거리인 38만㎞에 근접한 40만㎞를 날아가면 3~5일 만에 달에 도착할 수 있다. 소요 시간이 짧은 만큼 단기간에 탐사 임무를 마칠 수 있어 방사선 노출을 최소화해야 하는 유인 탐사에 적합하다. 하지만 달 궤도에 진입할 때 많은 연료를 필요로 한다는 게 단점이다.

탐사선이 최단거리로 비행해 달궤도에 진입하도록 하기 위해 지구에서 달을 향해 직선거리에 가깝게 쏘아 올린 만큼 달 근처에 가서는 탐사선 속도가 지구 주위를 공전하는 달의 속도보다 빠르기 때문에 달 궤도에 진입할 때 자동차 브레이크를 밟듯 한꺼번에 많은 연료를 써서 역추진을 해야 돼 연료 소모가 많다.

DT 방식만큼 많이 사용되는 지구~달 이동 경로는 '단계적 루프 트랜스퍼(PLT)'다. PLT는 지구에서 쏘아 올린 달 탐사선이 타원형을 그리며 지구 주변을 3.5바퀴가량 돌면서 고도(위상)를 점점 높여 달로 가는 경로다. 단계적으로 달에 접근하는 방식인 만큼 기술 난이도가 비교적 낮다. 다만 달로 직접 향하는 DT 방식과는 달리 돌아서 가기 때문에 달까지 가는 데 한 달 정도가 소요된다.

2007년 첫 달 탐사에 나선 일본은 PLT 방식으로 달 궤도선 '셀레네'를 달에 보냈다. 인도도 2008년 자국의 첫 달 탐사선 '찬드라얀 1호'를 보낼 때 PLT 방식을 취했다. 뒤이어 발사된 인도의 달 착륙선 찬드라얀 2호도 마찬가지였다.

김은혁 한국항공우주연구원(항우연) 달탐사사업단 선임연구원은 "달에 가기 전 지구 주변을 반복해 돌기 때문에 그 기간에 우주 환경에서 장비를 시험할 수도 있고, 만약 중간에 문제가 생길 경우 탐사선을 복귀시키거나 한두 바퀴 더 지구 주변을 돌고 달에 가도록 조정할 수 있기 때문에 달 탐사에 처음 나서는 국가의 경우 기술적 진입 장벽이 낮은 PLT 방식을 선호하는 경향이 있다"고 설명했다.

연료 절감이 최우선 고려 요소라면 '저에너지 트랜스퍼(WSB)'가 제격이다. WSB는 달 탐사선이 태양, 지구, 달 등 주변 천체의 중력 효과를 활용해 연료 사용은 최소화한 채 달에 도달하도록 정교하게 설계된 경로다. 마치 미끄럼틀에 몸을 맡기면 힘을 들이지 않고도 아래까지 쑥 내려갈 수 있는 것과 비슷한 원리다.

김 선임연구원은 "WSB는 태양과 지구, 달 중력의 복합적인 작용을 탐사선의 추진력으로 활용하는 경로"라며 "미세한 방향 조정만 하면 되는 수준이라서 이론적으로 연료를 거의 쓰지 않고 지구에서 달까지 갈 수 있다"고 설명했다. 하지만 WSB 방식에도 약점은 있다. 주변 천체의 중력 효과를 이용하기 위해 탐사선이 지구~달 직선거리(38만㎞)의 3~5배에 달하는 120만~190만㎞ 밖의 심(深)우주를 거쳐 돌아가야 하는 점이다. 총 비행거리만 240만~380만㎞로 그냥 지구에서 달까지 곧바로 날아가면 될 거리의 10배가량을 더 비행해야 하는 부담이 있다. 실제로 2011년 WSB 방식으로 달에 간 NASA의 달 탐사선 '그레일'은 약 300만㎞를 비행한 뒤에야 달 궤도에 진입할 수 있었다. 비행거리가 늘어나는 만큼 시간도 오래 걸린다. 경로에 따라 차이가 있지만 지구에서 달까지 가는 데 80~120일이 소요되는데 DT의 24배, PLT의 4배에 달한다.

달 탐사에 뛰어든 한국도 2022년 7월 '한국 시험용 달 궤도선(KPLO)'을 발사할 예정이다. 당초 우리 정부는 궤도선의 이동 경로를 일본·인도와 마찬가지로 비교적 쉬운 PLT로 설계했다. 하지만 최종적으로 항우연 달탐사사업단은 지난 18일 내부 기술검토회의를 연 뒤 달 궤도선을 연료 소모가 가장 적은 WSB 경로를 통해 달에 보내기로 결정했다. 궤도선을 개발하는 과정에서 중량이 목표치(550㎏)를 넘어선 678㎏으로 늘어나면서 정상적인 임무수행을 위해 연료 절감 필요성이 커졌기 때문이다. 탐사선은 무게가 무거울수록 더 많은 연료를 소모한다. 항우연은 WSB 경로를 택하면 달까지 비행하는 데 들어가는 연료를 줄여 달 궤도에 진입한 뒤 임무를 수행하는 동안 필요한 연료를 충분히 확보할 수 있을 것으로 보고 있다. 당초 한국이 계획했던 이동 경로인 PLT 방식보다 25% 이상 연료를 절감할 수 있다는 설명이다. WSB를 통해 달에 갈 경우 달 궤도 진입 시 탐사선의 이동 속력과 방향이 지구를 공전하는 달과 거의 같아 탐사선이 달 중력에 훨씬 쉽게 포획돼 달 궤도로 들어갈 수 있다는 장점도 있다.

WSB는 한국 달 궤도선에 달 극지 관측용 탑재체인 '섀도캠'을 싣는 NASA가 지난 10월 항우연과 양자 대면회의에서 제안한 경로다. 김영은 과학기술정보통신부 우주기술과장은 "이동 경로를 바꾸는 데 기술적으로 큰 문제가 없는 것으로 파악돼 NASA 제안을 수용하기로 했다"고 말했다.

다만 WSB 방식을 취할 경우 먼 거리를 움직이는 만큼 안정적인 장거리 통신 기술과 제어 기술을 확보해야 한다. 이상률 항우연 달탐사사업단장은 "통신 신호는 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 심우주의 달 궤도선과 지상국 간 통신이 원활히 이뤄질 수 있도록 만드는 게 최대 관건"이라고 말했다. 일반적으로 거리가 2배 멀어지면 통신 신호는 4분의 1로 줄어든다.

이와 관련해 지난달 NASA는 장거리 통신 보완을 위한 대형 안테나 설비 등을 적극 지원하겠다고 밝힌 바 있다. 따라서 한국은 WSB를 통한 이번 달 궤도선 임무를 통해 달 탐사 기술뿐만 아니라 심우주 통신 기술도 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 김 과장은 "향후 한국 달 궤도선을 쏘아 올릴 발사체 등 시스템 전반의 세부적인 조정을 거칠 예정"이라며 "필요할 경우 추가 예산을 반영할 수는 있으나 전체적인 달 궤도선 개발 일정에는 차질이 없을 것"이라고 밝혔다.

[송경은 기자]