달 탐사 위해 확보해야할 기술들 한국의 달 탐사 프로젝트(4 지구궤도 위성과 기술적인 차이 > 달

1992년 8월, 국내 최초의 인공위성인 우리별 1호를 발사한 이래 우리나라는 아리랑위성, 과학위성, 천리안위성 등 크고 작은 10개 이상의 위성을 개발해 왔다. 소형 저궤도위성은 수출도 할 수 있는 수준의 기술을 보유하게 되었다.

지구 궤도의 인공위성 개발에 필요한 기계, 전기, 전자, 소프트웨어 기술은 해외 기술 도입 없이도 해낼 정도의 수준에 올랐다. 위성 운영과 자료 처리 부분에서도 위성자료 수요자들의 요구사항을 큰 무리 없이 처리할 수 있는 상황이다.

반면에, 달 탐사를 성공시키기 위해서는 지금까지의 지구궤도 인공위성과 크게 다른 환경에서 작동하는 탐사선을 개발해야 한다. 무엇보다 지구 정지궤도 위성보다 거의 10배 먼 거리에서도 탐사선을 완벽하게 운영해야 한다.

지구가 아니라 달 주변을 돌아야 하므로, 달까지 가는 방법과 달에서의 운영을 위한 항법기술도 우리에게는 새로운 분야이다. 탐사선은 달 주위를 돌고 있어서 지구와의 통신 시간과 교신이 가능한 안테나 시설 면에서도 비교적 제한적이다.

현재 우리나라가 보유한 인공위성 기술 수준에 비춰볼 때 달과 행성, 소행성, 혜성처럼 지구 궤도 밖의 천체에 탐사선을 보내기 위해 먼저 확보해야할 기술에는 어떤 것이 있을까.

우선, 지구 중력권을 벗어날 만큼 강력한 로켓이 필요하다는 점은 쉽게 추측할 수 있을 것이다. 이 부분은 한국형 발사체 KSLV-2가 담당하게 될 것이므로 여기서는 달 탐사선 개발 측면에서 반드시 필요한 대표적인 기술들 몇 가지를 살펴보기로 한다.

달 궤도 진입하려면 ‘이원추진제’ 액체 엔진 사용

탐사선이 달로 향하는 전이 궤도에 진입하고 나면 로켓의 제일 마지막 단 엔진이 분리되고 그 후에는 오로지 탐사선 자체에 장착된 엔진의 힘으로 모든 궤도 조정을 진행해야 한다.

이를 위해 탐사선에 액체 추진 엔진(Liquid Thruster Engine)을 장착해서 궤도 조정에 사용한다. 단거리 미사일 등에 많이 사용되는 고체 연료 로켓은 일단 점화가 되면 연소 중단과 재점화가 불가능하기 때문에 달 탐사선의 궤도 조정용으로 사용하기는 거의 불가능하다.

액체 추진 엔진의 기본 원리는 로켓과 동일하다. 산소가 없는 우주에서 작동해야 하므로 연료와 산화제를 같이 싣고 가서 연소실(Combustion Chamber)이라 부르는 튼튼한 용기 속에서 연소시켜 추력을 얻는 것이다.

구조를 단순화하고 제어를 간단이하기 위해 연소 과정 없이 가스를 고속으로 내뿜어 추력을 얻기도 한다. 이 두 종류가 대표적인 우주추진 방법인데 전자를 이원 추진제 (Bi Propellant) 방식, 후자를 단일 추진제 (Mono Propellant) 방식이라고 한다.

우리나라가 지금까지 개발한 지구 위성들은 궤도 조정을 위해 큰 추력을 요구하지 않았기 때문에 단일 추진제 방식으로도 충분했지만 달 탐사에서는 상황이 다르다.

이원 추진제 방식을 사용하면 동일한 연료 무게를 싣고도 강력한 추력을 낼 수 있으나 연료와 산화제를 동시에 제어해야 하는 고도의 정밀성을 요하기 때문에 신중한 설계는 물론이며 많은 실험과 성능해석 과정을 필요로 한다. 달 탐사 성공을 위해서는 가장 먼저 습득해야하는 기술이다.

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단일 추진제 (Mono Propellant) 엔진과 이원 추진제 (Bi Propellant) 엔진. ⓒ NASA

최소 직경 18m 이상 반사판 가진 안테나가 필요

달까지의 평균 거리는 38만km가 넘는다. 탐사선이 안정적인 임무수행을 하려면 그 정도 거리에서 지구와의 안정적인 통신이 확보되어야 한다. 송신 출력도 강해야 하지만 통신 전파의 빔 형상(Beam Pattern)을 아주 좁고 일정하게 유지해서 멀리까지 전파가 도달하도록 제어하는 기술도 중요하다.

워낙 먼 거리인데다 쓸 수 있는 전력에 한계가 있어서 대부분의 우주 통신에서는 전파의 빔 폭(Beam Width)을 아주 좁게 해서 에너지를 집중할 수 있도록 안테나를 제작한다. 그러다 보니 탐사선의 자세제어나 지상 안테나의 방향 제어가 정밀하지 못하면 안정적인 통신은 매우 힘들어 진다.

또한 지상에서의 송신 빔 폭을 줄이기 위해서는 지상 안테나의 반사판을 크게 할수록 유리하다. 따라서 달 탐사선과의 통신을 위해서는 최소 직경 18m 이상의 반사판을 가진 안테나가 필요하다.

지구와 탐사선과의 거리가 멀어짐으로써 생기는 또 하나의 통신상의 문제는 통신 속도의 저하이다. 사용할 수 있는 주파수 대역폭이 제한되어 있고 탐사선과 지구와의 상대 속도가 계속 변하기 때문에 주파수 변이(도플러 효과, Doppler Effect)로 인해 데이터를 안정적으로 송수신할 수 있는 통신 속도(Data Rate)에 제한이 생긴다.

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호주 캔버라의 NASA 심우주통신 안테나. ⓒ NASA
궤도 레인징 기술을 이용하는 우주항법

로켓과 분리된 후 탐사선이 달에 가기까지 어떤 항법 기술들이 필요한 걸까? 궤도선이나 착륙선은 우주공간에서 어떻게 길을 찾는 것 일까? 차들이 도로를 운행할 때처럼 GPS를 쓰는 걸까?

아쉽지만 우리가 흔히 사용하는 GPS 위성은 고도 2만km 상공에 있기 때문에 그 이상 올라가는 정지궤도 위성이나 달 탐사선에게는 무용지물이다. 그러면 대체 어떻게 길을 찾아 가는 걸까? 우주공간에는 아무런 표지판이나 화살표가 없는데 말이다.

한자어로 항법(航法, Navigation)의 사전적인 의미는 정해진 길을 따라 가도록 배나 항공기를 조종한다는 뜻이다. 즉, 따라 가야 할 경로가 정해져 있고 거기에서 벗어나지 않도록 위치와 방향을 조종한다는 뜻이다. 요즘은 육,해,공 어디서든 GPS 수신기만 있으면 길을 찾는데 아무런 어려움이 없다.

우주를 운항하는 인공위성도 마찬가지인데 단, 고도 2만km 보다 낮은 궤도에서 운행하는 인공위성에게만 해당되는 이야기다. 이 고도보다 높으면 GPS 위성의 신호를 받을 수 없기 때문이다.

GPS 항법을 사용할 수 없는 정지궤도위성과 지구 밖 우주선들은 항법을 위해 무선 전파 또는 레이저 광선으로 거리와 방향을 측정하는 방법을 사용한다. 지상 안테나에서 무선 전파나 레이저를 쏘아서 궤도선에 반사되어 돌아올 때까지 걸리는 시간을 측정해서 위치를 파악하는 것이다.

달 탐사나 행성 탐사에서처럼 거리가 아주 먼 경우에는 통신 주파수에 나타나는 도플러 효과(Doppler Effect)를 이용하기도 한다. 도플러 효과는 지구와 탐사선간의 상대 속도가 변하기 때문에 나타나는 것이므로 이를 측정하여 궤도 결정 (Orbit Determination) 과정을 거치면 탐사선의 궤도와 시간별 위치를 알 수 있게 된다.
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두 물체간의 거리 변화에 따른 도플러 효과를 설명하는 그림: 왼쪽부터 a) 거리가 변하지 않아 도플러 효과가 나타나지 않음, b) 거리가 가까워져서 수신 주파수가 높아짐, c) 거리가 멀어지므로써 수신 주파수가 낮아짐. ⓒ NASA





김방엽 한국항공우주연구원 책임연구원다른 기사 보기
저작권자 2015.11.10 ⓒ ScienceTimes

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