JHK 로켓을 타고 미래와 우주 속으로!

인공위성, 그리고 대한민국 누리호 로켓의 전망

“이봐! 빨리 나와 봐! 지금 당장! 지금 아니면 안 돼!” 상점에서 물건을 고르고 있는데 직원이 동료 직원을 다급하게 흥분된 목소리로 불렀습니다. 뛰어나가는 직원들을 따라 저도 상점 밖으로 나갔습니다. 다들 깜깜한 밤하늘을 손가락으로 가리키며 “Space station(우주정거장)!”을 외치는 것입니다. 밝고 다소 길쭉한 불빛이 천천히 움직이고 있었습니다.
우리는 바로 ISS(국제우주정거장)을 보고 있었던 것입니다. 작년 캘리포니아에서 필자가 경험한 일입니다. 캘리포니아에서는 Elon Musk의 SpaceX사 덕분에 가끔씩 밤하늘에 아름다운 불빛을 동반한 로켓 발사 광경도 볼 수 있습니다. 도대체 왜 자꾸 로켓을 쏘냐고요?

우리는 지금 약 20년 사이에 통신 분야가 엄청나게 발전한 것을 느낄 수 있습니다. 휴대폰, GPS, 위성방송 및 드론 등을 통해 종이 지도나 나침반 없이 원하는 장소를 찾아갈 수 있게 되었고, 산간 오지 마을에서도 텔레비전 방송을 무리 없이 볼 수 있게 되었습니다.
통신 기술이 어떻게 이토록 발전할 수 있었을까요? 바로 인공위성이 지구 주변을 돌면서 통신을 할 수 있게 해주기 때문입니다. 우리는 지구 주변에 인공위성이 도는 길을 ‘궤도(Orbit)’라고 부릅니다.

어릴 적에 돌멩이를 매단 끈을 잡고 빙글빙글 돌면 돌멩이가 붕 뜨면서 나와 함께 도는 경험을 한 번쯤 해보았을 것입니다. 지구의 중력이 이 끈과 같은 역할을 해서 인공위성이 궤도를 따라 회전하게 하는 것입니다. 인공위성의 속도와 지구와 위성 사이에 작용하는 중력이 균형을 이루면서 궤도를 회전합니다. 중력이 위성을 잡아당기지 않으면(돌멩이의 끈을 잡고 있지 않으면) 위성은 회전속도 때문에 궤도에서 벗어나 궤도 밖으로 날아가 버릴 것입니다. 그러나 위성의 속도가 못 미치면 위성은 중력에 끌려서 지구로 떨어져 버립니다.

인공위성의 궤도에는 지구로부터의 거리에 따라 몇 가지가 있습니다. 지구 저궤도(Low Earth Orbit), 지구 중궤도(Mid Earth Orbit), 지구 동기궤도(Geosynchronous Orbit), 지구 정지궤도(Geostationary Orbit), 지구 고궤도(High Earth Orbit)가 그 중 대표적인 궤도입니다.

지구 저궤도는 지표면에서 약 160-2,000km의 상공을 말하며 대부분 많은 위성들이 이 궤도에 존재합니다. 주로 이동통신이나 정찰 목적의 위성이 이 궤도에서 돌고 있습니다. 앞서 말한 국제우주정거장은 약 350km 상공, 허블우주망원경은 약 610km 상공에 떠 있습니다. 지구 중궤도는 2,000-35,780km 이전까지, 지구 정지궤도나 지구 동기궤도는 약 35,780km 상공, 지구 고궤도는 그 이상을 말합니다. GPS용 인공위성은 대체로 지구 중궤도에 위치하고, 지구 정지궤도에는 위성 TV 또는 통신 및 기상 관측용 위성이 떠있습니다. 지구정지궤도는 글자 그대로 지구에서 봤을 때 위성이 정지해 있는 것처럼 보이는 궤도인데, 이는 위성이 지구의 자전 속도와 똑같은 속도로 돌고 있기 때문입니다.
이번 11월 28일 오후 4시, 대한민국은 한국형 발사체 누리호의 75톤 추력의 엔진을 탑재한 시험발사체 발사에 성공했습니다. 누리호는 2021년 발사를 목표로 1.5톤 중량의 인공위성을 600-800km 상공의 지구 저궤도 및 태양동기궤도에 올릴 수 있는 성능을 완성하기 위해 개발 중입니다. 이번 시험발사에서는 75톤 추력 엔진으로 151초 연소 시간 동안 75km 상공에 도달했고, 연소 종료 후에는 가속도 비행을 통해 최대 고도 209km까지 도달했습니다. 그래도 아직은 누리호의 최종 목표 궤도까지 도달하기에는 부족하지요? 그래서 더 큰 추력이 필요하기 때문에 이 75톤 추력의 엔진 4기를 묶어서 1단에서 약 300톤의 추력을 내고, 1단을 분리하면서 더 큰 가속도를 얻어 비행속도를 올리고, 2단에서 75톤 추력으로, 3단에서는 7톤 추력으로 비행속도를 올리면서 더 높은 고도로 점점 올라가는 것입니다.

한편, 대한민국은 75톤 엔진 개발 성공을 토대로 7톤 추력 정도의 엔진만 상단으로 장착하면 약 300-500kg 정도의 소형 위성을 지구 저궤도에 올릴 수 있는 소형 로켓을 빠르게 확보할 수 있는 가능성이 열린 것으로 필자는 판단합니다. 소형 로켓도 바로 지금부터 시행한다면 2021년 대한민국은 크고 작은 2종의 로켓을 한꺼번에 보유할 수 있게 되어 국제 우주 시장에서 더욱 큰 경쟁력을 갖출 것으로 생각합니다. 더구나 최근 위성 발사 시장은 대형보다는 소형 위성 발사 수요가 증가하면서 시장의 판도가 소형 로켓 쪽으로 바뀌고 있어 대한민국도 이런 변화에 발 빠르게 움직였으면 하는 것이 필자의 바람입니다.

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