새턴 로켓, 유인 달 탐사 경쟁의 승부를 가르다

[윤복원의 물리상식으로 푸는 요즘 세상][물리학자의 시선으로 보는 우주탐사 역사]
(5) 유인 달 탐사를 향한 여정

로켓다인 F-1 엔진 5개로 구성된 새턴 5형 로켓의 1단 로켓엔진과 폰 브라운. 출처: NASA

무인 달 탐사는 특별한 경우가 아니라면 지구로 돌아오지 않아도 된다. 달 궤도선은 달 주위를 돌고 달 착륙선은 달 표면에서 머물면서, 통신으로 지구와 정보를 주고받으면 되기 때문이다. 하지만 사람이 직접 달 탐사를 하는 경우에는 반드시 지구로 귀환해야 한다. 유인 정거장이나 거주시설이 없는 달에 사람이 영원히 머물 수는 없기 때문이다.

달 착륙선을 기준으로 달로 가는 편도비행은 크게 4단계의 과정을 거친다.

첫째는 지구에서 발사해 지구 주위를 도는 지구 저궤도에 올라가는 단계, 둘째는 지구 저궤도에서 달을 향하는 달 전이궤도로 진입하는 단계, 셋째는 달 전이 궤도에서 달 주위를 도는 달 저궤도로 진입하는 단계, 넷째는 달 저궤도에서 달 표면에 착륙하는 단계다.

지구 저궤도로 올라가는 첫째 단계와 달 전이궤도로 진입하는 둘째 단계는 로켓추진으로 우주선 속도를 늘리는 가속하는 단계지만, 달 저궤도로 진입하는 셋째 단계와 달에 착륙하는 넷째 단계는 로켓을 역추진해 우주선의 속도를 줄이는 감속하는 단계다. 가속과 감속은 로켓을 추진하는 방향만 다를 뿐 로켓을 사용하는 것 자체는 다를 바가 없다. 가속이건 감속이건 속도가 변하는 정도가 중요하다.

로켓 과학에서는 공기저항이 없고 중력도 없는 공간에서 얼마나 많은 속도 변화를 내는지를 나타내는 속도증분(δv: delta-v)을 중요하게 다룬다. 치올콥스키의 로켓방정식에 의하면, 우주선 총질량에서 로켓연료의 질량이 차지하는 비율과 로켓연료 분사속도에 의해 속도증분이 결정된다. 지구 저궤도에 오르는 단계에 필요한 속도증분은 초속 9.3km 이상으로 달 탐사 전체에서 가장 큰 부분을 차지한다. 달 전이궤도로 진입하는 단계는 초속 3.1km 정도의 속도증분이 필요하다. 달 100km의 달 저궤도에 진입하기 위한 속도증분은 초속 0.82km 이상이고, 달에 착륙하기 위한 속도증분은 초속 1.7km 이상이다. 편도비행 전체 과정에서 필요한 속도증분은 이를 모두 더한 값으로 초속 15km가 넘는다.

달 탐사를 위한 궤적과 각 단계에서의 속도증분. 유인 달 탐사선이 달에 가는 과정(위)과 유인 달탐사선이 지구로 귀환하는 과정(아래).

유인 달 탐사에서는 이 과정을 거꾸로 반복해 지구로 귀환해야 한다. 그런데 지구의 대기라는 특별한 조건이 있어서, 다음과 같은 3단계의 과정을 거친다.

첫째는 달 표면에서 이륙해서 달 저궤도로 올라가는 단계, 둘째는 달 저궤도에서 지구로 향하는 지구 전이궤도로 진입하는 단계, 셋째는 지구 대기에 진입해 착륙하는 단계다.

이번에는 첫째와 둘째 단계는 속도를 높이는 가속 단계이고, 마지막 단계는 속도를 낮추는 감속 단계이다. 달 표면에서 달 저궤도로 올라가려면 초속 1.7km 이상의 속도증분이 필요하고, 달 저궤도에서 지구 전이궤도로 진입하려면 초속 0.82km 이상의 속도증분이 필요하다. 지구 전이 궤도에서 지구에 다가가면 우주선의 속도는 초속 11.1km에 이른다. 이 속도를 완전히 줄여야 지구에 착륙할 수 있는데, 이 감속은 로켓이 아닌 지구 대기의 공기저항으로 해결하기 때문에 로켓추진은 거의 사용하지 않는다. 결국 달 표면에서 지구로 돌아오기 위해 필요한 속도증분은 초속 2.5km 이상으로, 지구에서 달 표면까지 가는 과정에 필요한 속도증분인 초속 15km 이상보다 훨씬 적다. 지구 대기의 존재 덕이다.

달 탐사를 위한 초속 17.5km 이상의 속도증분과 더불어 고려해야 할 것은 탐사선의 질량이다. 유인 달 탐사선은 우주인이 탑승해 8일 이상의 긴 시간 동안 비행을 해야 하므로, 탑승 공간도 충분해야 하고 우주인에게 필요한 장비와 화물도 많이 실어야 한다. 달 착륙선도 싣고 가야 한다. 그만큼 유인 달 탐사선의 크기와 질량은 무인 달 탐사선보다 훨씬 클 수밖에 없다. 탐사선의 질량도 크고 속도증분도 크기 때문에, 유인 달 탐사에는 훨씬 더 강력하고 큰 발사체가 필요하다.

미 항공우주국의 새턴 로켓의 3가지 버전. 왼쪽부터 새턴 1형, 새턴 1B형, 새턴 5형. 출처: NASA

독일 출신 폰 브라운이 지휘한 새턴 로켓 개발

유인 우주비행에 사용한 발사체만 보면, 1960년대 중반까지는 소련의 발사체가 미국의 발사체보다 확실하게 앞서는 것처럼 보였다. <표 1>에서 볼 수 있듯이, 보스호트 계획까지 소련의 발사체가 탑재할 수 있는 최대 화물질량은 미국 발사체보다 거의 2배 더 컸다.

하지만 미국은 1950년대 말부터 더 강력한 새턴 로켓을 개발하고 있었다. 첫 새턴 로켓인 새턴 1형(Saturn I)은 총질량이 510톤이고 지구 저궤도에 올릴 수 있는 최대 탑재화물질량은 9.1톤인 발사체였다.[1] 제미니 계획이 본격적으로 수행되기 전인 1964년 1월29일 시험발사에서 무인 궤도 우주비행에 성공했다. 새턴 1B형(Saturn IB)은 총질량이 590톤이고 지구 저궤도에 올릴 수 있는 최대 탑재화물질량은 21톤인 발사체였다.[1] 1967년 2월21일 발사 예정이었던 아폴로 1호에 사용할 예정이었으나 사령선 사전 시험에서의 사고로 취소되고 1968년 1월22일에 발사된 아폴로 5호 무인 궤도 우주비행에 사용했다.

새턴 로켓의 결정판은 새턴 5형(Saturn V) 로켓이다. 지구 저궤도에 올릴 수 있는 최대 탑재화물질량은 141톤이고 달까지 보낼 수 있는 최대 탑재 화물질량은 52.7톤인 대형 로켓으로, 총질량은 2800톤이 넘는다. 3단으로 구성된 이 발사체에서 가장 강력한 1단에는 지름 3.7m의 대형 로켓엔진인 로켓다인 F-1(Rocketdyne F-1) 5개를 장착했고 추력은 3만4500kN이다.[1][2] 이 추력은 해수면 높이의 중력에서 3500톤 이상의 질량을 들어 올릴 수 있는 힘이다. 첫 시험비행은 1967년 11월9일에 발사한 아폴로 4호 무인 궤도 우주비행이었다. 이후 유인 아폴로 우주선과 스카이랩 1호 발사에 쓰인 새턴 5형의 성능과 크기는 비슷한 시기에 진행된 소유즈 유인 우주비행에 쓰인 발사체를 압도했다.

새턴 로켓 개발의 중심에는 베르너 폰 브라운(Wernher von Braun)이 있었다. 1912년에 태어난 폰 브라운은 액체연료 로켓 연구로 1934년에 물리학 박사학위를 받았고, 1934년 말에는 그의 주도로 개발한 A2 로켓으로 두번의 시험 비행에서 각각 2.2km 상공과 3.5 km 상공까지 올라가는 데 성공했다. ‘로켓의 아버지’라 불리는 고다드가 1935년에 개발해 1.46km 높이까지 올라가고 4km의 수평거리를 날아간 로켓 시험비행보다도 이른 개발이었다. 그가 이끈 로켓 개발팀은 나치 독일의 지원을 받아 1942년 V-2 로켓을 개발했다. 최초로 100km 상공 우주에 도달한 로켓이었다. 이때 그의 나이는 불과 만 30세였다. 이 로켓을 이용한 미사일 공격으로 2차 세계대전 막바지에 유럽에 큰 피해를 줬다. 2차 세계대전이 끝난 이후 미국은 폰 브라운과 약 1500명의 로켓 개발자를 미국으로 데려와 로켓기술 전수와 개발을 이어갔다. 미국과 소련 사이의 우주경쟁이 치열했던 1960년에 폰 브라운은 나사의 마셜우주비행센터(Marshall Space Flight Center) 소장으로서 새턴 로켓 개발을 이끌었다.[3]

소련도 새턴 로켓에 버금가는 N1 로켓을 개발하고 있었다. 미국이 아폴로 4호를 발사한 지 16일이 지난 1967년 11월25일 소련은 N1로켓의 모형을 공개했다. N1 로켓 개발의 목적도 새턴 로켓과 마찬가지로 유인 달 탐사였다. 미국은 새턴V 로켓의 1단에 추력 7770kN의 대형 로켓엔진 5개를 묶어 장착하는 방식을 선택했지만, 아직 대형 로켓엔진을 개발하지 못한 소련은 N1로켓 1단에 지름 2m 추력 1753kN인 로켓엔진 30개를 장착하는 방식을 선택했다. 1단만 보면 최대 추력 4만5400kN으로 새턴 5형의 1단의 최대 추력 3만4500kN보다 크다. 하지만 총 4번의 시험발사를 모두 실패하면서 이후의 로켓 개발은 취소됐다.[4]

최근 다시 시작한 유인 달 탐사 계획인 아르테미스 프로그램(Artemis program)에서 스타십을 달로 보낼 예정인 스페이스엑스의 슈퍼헤비(SpaceX Super Heavy) 발사체가 추력 2300kN의 랩터 엔진 33개를 장착해 최대 추력 7만5900kN을 낼 계획이다. 상대적으로 작은 로켓엔진 여러개를 묶어 높은 성능을 내는 방식은 소련의 N1로켓 1단과 닮았다.

미국의 새턴 5형 로켓과 소련의 N1 로켓 비교. 미국의 새턴 5형 로켓은 실제 유인 달 탐사에 사용했으나, 소련의 N1 로켓은 시험발사에서 모두 실패했다. 그림 출처: Wikimedia Commons

아폴로 8호, 달 궤도까지 첫 왕복 유인비행

미국은 새턴 로켓의 개발과 함께 유인 달 탐사를 목표로 한 아폴로 프로그램도 진행했다.[5] 아폴로 1호는 1967년 2월 21일 우주인 3명을 싣고 새턴 로켓 1B형 (Saturn IB) 발사체로 발사될 예정이었다. 하지만 1967년 1월27일 사령선(Command Module) 지상 시험에서 화재로 3명의 우주비행사가 사망하는 사건이 발생해, 아폴로 1호의 발사는 취소됐다. 사망한 3명의 우주인 중에 거스 그리섬 (Gus Grissom)은 머큐리 계획의 두번째 유인 탄도 우주비행과 제미니 계획의 첫번째 유인 궤도 우주비행을 한 우주인이었고, 에드 화이트(Ed White)는 제미니 4호를 타고 궤도에 올라 미국인 최초로 우주유영을 한 우주인이었다.

아폴로 2호와 아폴로 3호라는 이름은 실제 우주비행에 사용되지 않았다. 아폴로 4호, 5호, 6호는 무인 우주비행이었다. 1967년 11월 9일 발사된 아폴로 4호는 새턴 5형 로켓을 이용해 첫 무인 우주비행을 수행했다. 고도 1만8092km까지 도달한 후 지구와 가까워지는 동안 로켓추진으로 더 가속해 사령선이 달에서 귀환하는 속도로 지구 대기권에 진입했다. 1968년 1월22일에 발사된 아폴로 5호는 달 착륙선을 지구 저궤도에서 시험하는 우주비행이었다. 아폴로 1호에 사용할 예정이었던 새턴 1B형 발사체를 사용했다. 1968년 4월4일에 발사된 아폴로 6호는 새턴 5형 로켓으로 달만큼 떨어진 거리까지 아폴로 우주선을 보낼 예정이었다. 하지만 1단과 2단 추진체에 문제가 발생해 지구에서 2만2000km떨어진 곳까지 갔다 오는 것으로 임무가 수정됐다.

아폴로 프로그램의 본격적인 유인 우주비행은 1968년 10월11일에 새턴 1B형 로켓으로 발사된 아폴로 7호부터 시작됐다. 11일 동안 지구 주위를 163회 돌고 10월22일 귀환했다. 최초로 TV 생중계를 했다. 새턴 5형 로켓을 이용한 첫 아폴로 유인 우주비행은 12월21일에 발사된 아폴로 8호로, 달 주위를 돌고 지구로 돌아왔다. 달에 착륙하지는 않았지만 지구를 벗어나 지구 밖 천체인 달 주위를 돈 최초의 유인 우주비행이었다. 원래는 1969년 초에 발사해 지구에서 수천km에서 수만km 떨어진 곳까지 가는 지구 중궤도(MEO)를 돌 예정이었지만, 달까지 가는 것으로 임무가 변경됐고 발사 일정도 앞당겨졌다.

1969년 3월3일에 발사된 아폴로 9호는 지구 저궤도를 돌면서 사령선과 기계선(Service Module) 그리고 달 착륙선(Lunar Lander)을 모두 포함한 완전체 아폴로 우주선을 시험하는 첫 임무였다. 10일간 지구 저궤도에 머물면서 사령선과 달착륙선 사이의 도킹과 같은 달 탐사 임무 중에 해야 하는 작업을 성공적으로 수행했다. 1969년 5월 18일에 발사된 아폴로 10호는 달 착륙선으로 달 표면 15.6km 상공까지 내려갔다 다시 올라오는 시험을 했다.

아폴로 우주선의 달 착륙선과 사령선, 그리고 기계선. 달 착륙선은 하강단과 상승단으로 구성되어 있다. 달탐사선 그림 출처: Wikimedia Commons

아폴로 11호, 달에 첫발을 딛다

아폴로 11호는 인류 역사상 처음으로 지구 밖 천체에 착륙한 첫 유인 우주선이다. 닐 암스트롱(Neil Armstrong), 마이클 콜린스(Michael Collins), 버즈 올드린(Buzz Aldrin)이 탑승한 아폴로 11호는 새턴 5형 로켓에 실려 1969년 7월16일에 발사됐다. 발사 11분23초 후에 약 185km 상공의 지구 저궤도에 올라 지구 주위를 1바퀴 반을 더 돈 후, 남은 새턴 5형의 마지막 3단 로켓을 5분42초동안 추진해 달로 향하는 달 전이궤도에 진입했다.[6] 3단 로켓에서 분리된 사령·기계선(사령선+기계선)은 180도 회전한 후 3단 로켓에 남아 있던 달 착륙선을 도킹해서 꺼낸 후 달을 향해 날아갔다.

7월 19일 달 뒷면에 도달한 아폴로 11호는 기계선 로켓 역추진으로 감속해 달 주위를 도는 궤도에 진입했다. 7월20일, 암스트롱과 올드린은 달 착륙선으로 이동했고 사령·기계선과 분리된 달 착륙선은 30초 동안 역추진해 달 표면 14.5km 상공에 접근하는 타원 궤도에 진입했다. 달에 가까이 접근했을 때 달 착륙선은 다시 756.3초 동안 역추진해 속도를 줄여 달 표면에 착륙했다. 착륙 6시간39분 후에 암스트롱은 달 착륙선에서 내려와 달 표면에 첫발을 디뎠고, 이 장면은 전 세계에서 6000만명 이상이 생중계로 지켜봤다. 1960년대 안에 달에 사람을 보내겠다는 1961년 존 F 케네디의 선언이 실현되는 순간이었다. 이어서 올드린도 달 표면에 발을 디뎠다.

달 표면에 과학 실험장치를 설치하고 21.55kg의 암석과 흙을 채집하는 등의 약 2시간13분 동안 달 표면 활동을 마친 후 달 착륙선에 돌아왔다. 우주인들은 착륙선에서 7시간 동안 잠을 잤고, 착륙한 지 21시간37분 후에 달 착륙선의 윗 부분인 상승단(ascent stage)만으로 이륙해 달 저궤도를 돌고 있던 사령·기계선과 도킹했다.[7] 암스트롱과 올드린이 사령선으로 이동한 후 달 착륙선을 떼어냈고, 기계선 로켓을 추진해 지구를 향하는 지구 전이궤도에 진입했다. 지구에 가까워졌을 때 지구 대기권에 재진입할 수 있는 위치와 방향으로 조절한 후 기계선을 분리하고 사령선만 대기권에 진입해 공기저항으로 감속해 태평양에 착수했다.

아폴로 11호의 달 탐사 과정. 아폴로 11호 발사 장면(왼쪽 위), 달 착륙 전 사령·기계선에서 달 착륙선이 분리된 장면(오른쪽 위), 우주인 올드린과 달 표면에 설치한 지진계(올드린 바로 옆)와 달 거리측정용 레이저 반사경(지진계 뒷 부분)(왼쪽 아래), 지구로 귀환해 태평양에 착수한 아폴로 11호 사령선(오른쪽 아래). 사진 출처: NASA

불운의 아폴로 13호, 비행 거리는 가장 멀어

아폴로 유인 달 탐사는 다단계 로켓의 대표적인 사례다. 새턴 5형 로켓은 3단 로켓이었고, 기계선의 로켓, 그리고 달 착륙선의 하강단의 로켓과 상승단의 로켓까지 포함하면 총 6단의 로켓이 사용됐다. 각각의 추진 단계에서 더는 필요 없는 로켓 엔진과 연료탱크 그리고 주변 구조물을 제거해 질량을 줄여서 더 효율적으로 가속할 수 있었다. 달 착륙선은 유선형으로 포장되어 있지 않고 다소 투박하게 울퉁불퉁한 모양을 그대로 드러내고 있다. 달 표면은 대기가 거의 없어서 공기저항을 고려할 필요가 없기 때문이다.

나사는 아폴로 11호부터 17호까지 13호를 제외한 총 6번 유인 달착륙에 성공했다. 아폴로 13호는 지구에서 약 33만km 떨어져 달에 다가갔을 무렵, 기계선의 산소탱크가 폭발하는 사고가 발생했다.[8] 달 착륙은 취소됐고, 3명의 우주인은 산소 여유분이 충분하지 않은 사령선에서 달 착륙선으로 이동했다. 이후 기계선의 로켓 대신 달 착륙선의 로켓을 이용해 지구로 귀환하는 궤도에 진입했다. 만약에 달 착륙 이후에 기계선 산소탱크 폭발이 일어났다면, 탑승한 우주인들이 지구로 돌아오지 못하는 최악의 상황이 벌어질 수도 있었다. 아폴로 13호는 달 뒷면을 지나갈 당시 달 표면 254km 상공을 지나갔다. 이때 지구에서의 거리는 40만171km로 인간이 지구에서 가장 먼 곳까지 간 거리이다.[9]

* 다음 편에서는 본격적인 행성 탐사 이야기가 이어집니다.

주

[1] “NASA, The First 25 Years: 1958-1983”, M. M. Thorne, National Aeronautics and Space Administration (1983), https://files.eric.ed.gov/fulltext/ED252377.pdf

[2] “Saturn V”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Saturn_V

[3] “Wernher von Braun”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Wernher_von_Braun

[4] “N1 (rocket)”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/N1_(rocket)

[5] “Apollo program”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_program

[6] “Lunar Mission Flight Path”, National Air And Space Museum, Smithsonian, https://airandspace.si.edu/multimedia-gallery/5317hjpg

[7] “Apollo 11 Lunar Module / EASEP - the NSSDCA - NASA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1969-059C

[8] “Apollo 13”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_13

[9] “The Most Extreme Human Spaceflight Records”, M. Wall, Space.com (2019), https://www.space.com/11337-human-spaceflight-records-50th-anniversary.html

윤복원/미국 조지아공대 연구원(전산재료과학센터·물리학) bwyoon@gmail.com