▲ (그림 1) 화성 주위를 돌고 있는 노조미 우주선의 상상도 ⓒ

 

1998년 7월 4일. 일본의 규슈 최 남단에 위치한 가고시마 현의 우찌노우라 우주기지에서 중량 540kg의 그리 크지 않은 중형급 행성 탐사선 한 대가 일본에서 자체 개발한 M-V3 로켓에 실려 우주 공간으로 발사되었습니다.

이 행성 탐사선의 이름은 노조미「のぞみ」, 우리말로는 `희망`을 뜻합니다. 노조미는 일본 최초의 화성 탐사선으로써 14 종류의 다양한 관측 장비를 싣고 있었습니다. 이날 발사된 노조미 우주선은 스윙바이(swing-by) 기술을 이용하여 달의 뒷면을 촬영한 다음 다시 지구 뒤를 돌아서 화성으로 가기로 되어 있었습니다.

화성 도착 예정 날짜는 발사 일로부터 약 1년 3개월 뒤인 1999년 10월 경이었습니다. 노조미는, 우주 공간에서 붉은 빛을 발하는 미지의 땅 화성이 더 이상 미국과 러시아, 유럽 연합 만이 갈 수 있는 곳이 아니라는 `희망`을 일본 국민들에게 안겨주었습니다.

화성 탐사선 노조미의 발사는 광활한 우주 공간을 대상으로 벌어지고 있는 신 개척시대의 경쟁에 드디어 일본도 뛰어 들었다는 일종의 신호탄이었던 셈입니다. 그러나 아쉽게도 노조미는 당초에 예정되었던 경로를 따라가는 데에는 실패하고 말았습니다.

앞서 언급한 스윙바이란 행성이나 달과 같은 천체의 곁을 스치듯이 지나쳐 감으로써 행성의 중력을 이용하여 우주선의 속도를 증가시키는 기술을 말합니다.

행성에 너무 가까이 접근하면 대기 마찰 때문에 오히려 속도가 줄어들거나 행성 표면으로 곤두박질 할 수 있고 반대로 너무 멀리 떨어지면 가속 효과를 제대로 얻을 수 없기 때문에 적절한 고도를 유지하도록 우주선을 조정해야 하는 쉽지않은 기술입니다.

미국이나 유럽의 행성간 우주선의 비행에서는 연료 절감을 위해 이전부터 많이 사용하던 기술이었으나 일본으로서는 아직 경험을 쌓지 못한 기술이었습니다.

노조미의 경우에는 연료 절약과 탐사선 운용의 경험을 쌓기 위해 스윙바이 기술을 자주 사용하였습니다. 달의 뒷면을 보기 위해 달을 지나칠 때에도 달의 중력을 이용한 스윙바이 기술을 시험 하였고 지구 주위를 다시 돌아 화성으로 향할 때에도 이 기술을 사용하였습니다. (그림 2)가 원래 예정되었던 노조미의 궤도입니다.

(그림2) 노조미의 원래의 예정 궤도 (출처: http://www.planet-b.isas.ac.jp)

그런데 달의 뒷면을 촬영한 다음 화성 행 궤도에 들어서기 위한 지구 스윙바이를 수행하면서 문제가 생기고 말았습니다. 어찌 된 영문인지 스윙바이를 하면서 화성까지 가는데 필요한 만큼의 충분한 속도 증가 분을 얻지 못한 것이었습니다.

결국 화성까지의 여행에 필요한 속도 증가 분을 얻기 위해 할 수 없이 예정에 없던 엔진 분사를 해야 했고 그 바람에 화성에 도착할 때 사용하기 위해 남겨 두어야 할 연료의 상당 부분을 써버리고 만 것입니다.

화성 근처까지는 갈 수 있지만 화성의 중력에 포획되기 위해서는 주엔진을 사용해서 속도를 조절해야 하는데, 그럴만한 연료가 충분치 않게 된 것입니다. 충분한 속도 증가 분을 얻지 못한 원인에 대해 나중에 조사한 바로는 산화제 가압 밸브의 고장으로 인해 엔진이 제 효율을 내지 못했고 그 때문에 스윙바이를 할 때 적절한 고도 조절을 하지 못했기 때문으로 추정되었습니다.

이 문제가 발생한 날이 1998년 12월 20일. 이 때부터 노조미 관제 팀은 20여일 동안 밤 잠을 포기하고 새로운 경로를 찾는 일에 매달렸습니다. 전 일본 국민의 이목이 집중된 최초의 화성 탐사 임무를 포기하느냐 마느냐의 중대 기로에 서 있었던 것입니다.

관제팀이 해결해야 할 문제는 어떻게 하면 부족한 연료를 가진 우주선이 화성의 중력에 포획되어 화성 선회 궤도를 돌도록 만드느냐는 것이었습니다. 1998년에서 1999년으로 넘어가던 연말연시에 휴일을 반납하고 고생하던 노조미 관제팀은 새해 1월 13일에 드디어 해결책을 제시하였습니다. 관제팀이 제시한 해결 방안은 어떤 것이었을까요?

그 해결 방안을 이해하려면 두 가지 사항을 먼저 알고 있어야 하는데 하나는 지구와 화성이 태양 주위를 아주 빠른 속력으로 공전하고 있다는 것이고 두 번째는 독일의 천문학자 케플러가 발견한 케플러 제2법칙 즉, 면적 속도 일정의 법칙입니다.

지구와 화성은 태양의 주위를 공전하고 있습니다. 따라서 지구 상에 있는 우리는 느끼지 못하지만 우리 지구는 지금 이 순간에도 1초에 29.8 km 라는 아주 빠른 속력으로 계속 움직이고 있습니다.

화성은 지구보다 약간 느려서 1초에 24.2 km 정도의 속력으로 움직입니다. 그러므로 우리가 보기에는 틀림없이 정지해 있지만 지구 상에 있는 모든 물체는 태양 기준에서 볼 때 초속 29.8 km 라는 속력으로 움직이고 있는 셈입니다. 마찬가지로 화성에 있는 모든 물체는 화성 기준에서는 속력이 0이어도 태양 기준으로는 초속 24.2 km 의 속력을 가지고 있는 것입니다.

자, 여기까지는 이해가 됩니까? 이해가 된다면 그 다음으로 케플러가 말한 면적 속도 일정의 법칙이 무엇인지 알아보겠습니다. 약 400년 전, 독일의 천문학자였던 요하네스 케플러는 스승인 티코 브라헤가 남긴 천체 관측 자료를 연구하여 행성 운동의 특성을 세가지 법칙으로 정리하여 발표하였습니다.

그 첫번째가 타원 운동의 법칙, 두 번째가 면적 속도 일정의 법칙, 세 번째가 조화의 법칙입니다. 타원이란 그 중심에서 원주까지의 거리가 일정하지 않고 어느 한쪽으로 길게 늘어난 모양을 하고 있습니다. 이때 중심에서 가장 먼 지점을 원점(遠點,apoapsis), 가까운 지점을 근점(近點,periapsis)이라고 합니다.

지구 주위를 도는 위성의 타원 궤도에 대해 말할 때에는 지구를 뜻하는 `지(地)`를 사이에 넣어서 흔히 `원지점(apogee)`,`근지점(perigee)`이라고 말합니다. 마찬가지로 태양 주위를 도는 행성이나 행성간 우주선의 궤도에 대해서는 `일(日)’을 사이에 넣어서 `원일점(aphelion)`,`근일점(perihelion)`이라는 용어를 사용합니다.

그런데 케플러가 발견한 행성의 타원 궤도 운동 특성에 의하면 태양 주위를 도는 타원 궤도상의 행성이나 우주선은 원일점에서는 속도가 느려지고 반대로 근일점에서는 속도가 빨라지는 특성을 가지고 있습니다.

그래서 행성이나 우주선이 동일한 시간 동안에 원일점 부근에서 움직인 만큼의 원호가 만드는 부채꼴의 면적과 근일점 부근에서 움직인 만큼의 원호가 만드는 부채꼴의 면적은 동일하다는 것이 면적 속도 일정의 법칙입니다 (그림 3 참조).

(그림 3) 면적 속도 일정의 법칙

케플러의 법칙들을 지구-화성간 우주선의 궤도에 적용하면 근일점과 원일점에서의 우주선의 속도를 계산할 수 있습니다. 지구의 공전 궤도가 화성의 공전 궤도보다 안 쪽, 다시 말해서 태양에 더 가까우므로 우주선의 관점에서 보면 지구 부근이 근일점, 화성 부근이 원일점이 될 것입니다. 이렇게 놓고 계산을 해보면 근일점에서의 우주선의 속도는 대략 초속 32.6 km, 원일점에서의 속도는 대략 초속 21.8 km 가 됩니다.

자, 지금까지 말한 두 가지 사실을 염두에 두고 앞서 나온 문제로 다시 되돌아 가봅시다. 노조미 관제 팀이 연료 부족 문제를 해결하기 위해 내놓은 방안은 무엇이었을까요?

(그림 3)을 다시 한번 봅니다. 그림에서 근일점은 지구의 공전 궤도에 해당한다고 했습니다. 그러면 노조미 우주선을 탑재하고 발사대 위에서 발사를 기다리고 있는 로켓을 생각해 봅시다. 이 로켓은 지구 기준에서 보면 틀림없이 정지해 있지만 태양 기준에서 보면 초속 29.8 km라는 속도로 이미 움직이고 있습니다.

그 로켓에 탑재된 노조미 우주선도 마찬가지로 같은 속도로 이미 움직이고 있습니다. 노조미 우주선을 화성으로 보내기 위해 로켓이 하는 일은 이미 초속 29.8 km로 움직이고 있는 노조미 우주선에 초속 2.8 km 만큼의 속도를 더해 주는 것입니다.

작은 숫자인 것처럼 보이지만 초속 2.8 km의 속도를 더해주려면 아주 커다란 로켓이 필요합니다. 그래서 결국 태양 기준에서의 노조미 우주선의 운동 속도는 초속 32.6 km가 되어 우주선은 지구를 떠나 (그림 3)과 같은 타원형 궤도를 따라 화성으로 갈 수 있게 됩니다.

화성에 도달할 즈음의 우주선의 속도는 앞서 말한 바와 같이 초속 21.8 km가 됩니다. 화성의 공전 속도는 앞서 말했듯이 초속 24.2 km. 그렇다면 화성의 공전 속도와 우주선의 속도 사이에는 초속 2.4 km의 속도 차이가 생깁니다.

화성에 도착하기 위해서는 우주선에 장착된 주 엔진을 사용해서 속도 차이 만큼을 가속시켜 주어야 하는 것입니다. 그렇게 하지 못하면 우주선은 화성 주위에 남지 못하고 그냥 지나쳐 가버리게 되지요. 그런데 노조미의 경우에는 이 때 필요한 연료량이 부족하게 된 것이 문제였습니다.

필요한 연료량이 부족하다면 어떻게 하여야 할까요? 남아 있는 연료량에 맞게 화성의 공전 속도와 우주선의 속도 차이를 줄이면 되지 않을까요? 화성의 공전 속도를 임의로 조절할 수는 없는 노릇이고, 원일점에서의 우주선의 속도를 올리는 방법은 없을까요?

(그림 4) 노조미의 수정된 궤도 (출처: www.aric.or.kr 항공우주연구정보센터)

노조미 관제 팀이 내놓은 해답은 우주선 궤도의 근일점 거리를 늘리는 것이었습니다. (그림 3)에서 태양으로부터 근일점까지의 직선 거리를 근일점 거리, 원일점까지의 직선 거리를 원일점 거리라고 합니다. 그리고 근일점 거리와 원일점 거리의 합의 절반을 장반경이라고 합니다.

원일점 거리는 그대로 두고 근일점 거리를 늘리면 장반경이 늘어나게 되고 결과적으로 근일점과 원일점에서의 우주선의 속도를 약간 증가시키는 결과를 가져옵니다. 그 이유는 타원 궤도 운동을 하는 물체의 속력이 그 궤도의 중심에 있는 천체의 중력 세기와 장반경 길이에 의해 결정되기 때문입니다. 그러면 어떻게 근일점 거리를 늘릴 수 있었을까요?

바로 앞서 나왔던 스윙바이 기술을 사용했던 것입니다. 노조미 관제 팀은 지구와 화성이 적당한 위치에 오는 시기를 기다렸다가 노조미 우주선이 지구 주위를 스윙바이 하도록 조종하였습니다.

그 결과 연료를 거의 사용하지 않고서도 궤도의 장반경을 늘릴 수 있었고 남아 있는 연료만으로도 충분히 가속할 수 있을 정도로 우주선의 화성 도착 속도를 증가시킬 수 있었습니다. 그대신 적당한 시기를 기다려야 했으므로 화성 도착은 예정보다 4년 뒤인 2003년 12월 경으로 미루어졌습니다.

애당초 2년의 수명을 예상하고 설계된 우주선이라 예정보다 3배 정도 늘어난 장기간의 비행을 견디어낼 지에 대해서는 확신이 없었지만 관제팀은 다른 대안이 없다고 판단하였습니다. (그림 4)에 있는 궤도가 바로 관제팀이 고심 끝에 만들어낸 새로운 궤도입니다.

이렇게 연료 부족 문제를 해결하기 위한 방안을 어렵사리 만들어 냈건만 노조미는 왜 화성에 도착하지 못했을까요? 아니, 도착은 했습니다만 그냥 지나쳐 가버린 것이었습니다. 왜 그랬을까요?

관제 팀이 우려 했던 최악의 상황이 또 한번 발생한 것이었습니다. 노조미가 수정된 궤도를 따라 비행하고 있던 2002년 4월에 태양 표면에서 아주 드물게 발생하는 거대한 플레어(flare)가 폭발하였습니다.

이로 인해 우주 공간의 전하 밀도가 급격하게 증가했고 힘들게 화성을 향해 가고 있는 노조미 우주선은 고에너지 전하 입자들의 엄청난 공격에 무방비로 노출되었습니다. 우주선의 전기 계통이 전자 총탄 세례를 받은 격이었습니다. 이 때문에 위성의 통신 장치가 상당 부분 손상을 입었고 주 엔진에 연료를 공급하는 밸브의 히터에 전기를 공급할 수 없게 되었습니다.

우주 공간은 아주 춥기 때문에 엔진을 사용하지 않는 평상시에는 밸브와 배관들이 얼어 붙은 상태로 있습니다. 그래서 엔진을 사용하기 전에는 반드시 히터를 켜서 밸브와 배관을 녹여야 하는데 그 기능이 고장이 났고 결국 주 엔진이 작동 불능이 된 것이었습니다.

결국 이런 두 가지 문제로 인해서 만신창이가 된 노조미는 가까스로 화성에 도착은 했지만 거기에 머무르지 못하고 그냥 지나쳐 가버리게 된 것입니다. 지나쳐 가기는 했지만 태양계 밖으로 나가는 것은 아니고 지구와 화성을 오가는 타원 궤도를 영원히 돌게 됩니다. 말하자면 태양 주위를 도는 소행성이 되는 셈입니다.

 (그림 5) 노조미의 조립 광경 (출처: http://www.planet-b.isas.ac.jp)

자, 그렇다면 결과적으로 노조미 우주선 프로젝트는 실패한 것일까요?
이 프로젝트에는 일본 돈으로 약 168억엔이 소요되었다고 합니다. 우리 돈으로 치면 1,700억원 가까운 돈입니다. 노조미 우주선에는 14가지의 관측 장비가 탑재되어 있었는데 그 중에서 절반 가량은 작동조차 해보지 못했습니다.

주 임무가 화성 표면의 사진 촬영과 화성 대기 관측이었으나 얻은 자료는 없습니다. 틀림없는 임무 실패입니다. 그러면 1,700억원이라는 돈이 그냥 날아간 것일까요? 국민의 세금이 그냥 낭비된 것일까요?

 (그림 6) M-V3 로켓에 탑재되는 광경 (출처: http://www.planet-b.isas.ac.jp)

일본은 노조미 우주선의 개발과 운용에서 얻은 경험과 지식으로 그 다음 프로젝트를 진행하고 있습니다. 소행성에 착륙해서 표면 물질을 채집하여 지구로 가져오는 야심찬 계획인 뮤제스-C (MUSES-C) 탐사선이 지난해 5월에 이미 발사되었고, 달 탐사선인 루나-A와 셀레네가 올해와 내년에 각각 발사 될 예정으로 있습니다.

노조미의 뒤를 이어 행성 탐사 임무로써 금성 탐사선인 플래닛-C (Planet-C)가 개발 중에 있고 심지어 10년 뒤에 명왕성 탐사 계획까지 준비하고 있습니다. 이들에게는 각각의 프로젝트 하나 하나가 우주대국 일본을 건설하기 위한 디딤돌이 되는 셈입니다. 한,두 개 프로젝트의 실패는 그들에게는 이미 예정에 있는 것이나 다름없습니다.

1960년대 초, 일본에서 수상을 모셔 놓고 로켓 발사 실험을 한 적이 있었다고 합니다. 그런데 수상이 보는 앞에서 로켓이 폭발하고 만 것입니다. 그때, 당시의 일본 수상은, 사표를 써놓고 기다리던 연구 책임자와 실무 연구진들을 관저로 초청해서 저녁 식사를 대접하며 로켓 개발을 포기하지 말 것을 당부했다고 합니다. 몇 년의 세월이 지난 뒤에 다시 그 수상을 모셔놓고 멋지게 로켓 발사를 성공시켰다는 일화가 전해지고 있습니다.

비록 화성 탐사 임무는 실패했지만 노조미 개발팀은 아래에 있는 두 장의 사진을 무척 자랑스럽게 여긴다고 합니다. 지구와 달을 한 컷의 사진에 촬영한 것, 그리고 달의 뒷면을 촬영한 것은 아시아 국가 중에서는 처음이기 때문이라고 합니다. 화성 표면의 사진을 찍지는 못했지만 10여년에 걸친 프로젝트(노조미 프로젝트는 1990년에 시작되었습니다.)를 진행하면서 일본의 기술진은 정말로 귀중한 경험과 노우하우를 얻었습니다. 그리고 그들은 그것을 발판으로 조금씩 그들의 영토를 넓혀가고 있습니다.

(그림 7) 노조미에서 촬영한 지구와 달 (JAXA. 일본우주항공연구개발기구)

 

(그림 8) 노조미에서 촬영한 달의 뒷면 (JAXA. 일본우주항공연구개발기구)

[김방엽 항공우주연구원 선임연구원] (Reference Site)
http://www.isas.jaxa.jp/e/enterp/missions/nozomi/index.shtml
http://www.aric.or.kr/foreign_trend/history/list.asp?classify_la=25&classify_sm=27
http://www.planet-b.isas.ac.jp/index-e.html

 

2004.04.28 17:12

 

※ 출처 - ⓒScience Times http://www.sciencetimes.co.kr/