연료 절약하며 먼 우주 항해 가능한 '플라이바이'기법

1962년 과학계서 제안후 최근 목성 탐사선에서까지 이용

행성과 항성의 중력으로 가속도 얻어 가는 고난이도 기술

중력새총 비행기법의 예시도. 목성(가운데 동그라미)의 중력권에 접근해 가속도를 얻은 뒤 관성의 힘으로 빠져나가는 우주선 궤도(오른쪽 화살표들)를 설명하고 있다./자료출처=NASA

액체로켓 탄생 후 지난 90여년간 선진국들은 초강력 발사체 개발에 매진해왔다. 미국 과학자 로버트 고다드가 세계 최초로 시험 비행에 성공한 액체로켓의 최대 추력은 불과 45kg 수준이었지만 40여년 뒤인 1969년 미국이 최초로 달 착륙에 성공했을때 쓴 ‘새턴-Ⅴ’로켓은 3,410톤에 달했다.

그러나 로켓과 우주선의 연료소모가 커 자체 힘만으로는 머나먼 우주는 커녕 태양계의 이웃 행성들조차 방문하기 쉽지 않다. 발사체가 지구를 떠나 우주 공간에 진입하려면 최소 초속 8㎞를 내야 하는데, 강력한 지구 중력과 대기 저항을 뚫고 이런 힘을 내려면 초당 1톤이 넘는 추진제(연료와 산화제의 통칭)가 소모된다. 우주 발사체들은 몸체의 대부분을 연료와 산화제 탱크로 채우고 있지만 자체 엔진으로는 수 분~수십 분밖에 비행할 수 없다. 이후엔 탐사선이나 셔틀 연료로 우주를 항해하지만 역시 한계가 뚜렷하다.

이런 딜레마를 해결한 것이 ‘중력 새총’ 효과다. 우주선이 지구를 떠난 뒤 항성(태양)과 그 주위를 도는 행성의 중력을 새총의 고무줄처럼 이용해 속도를 얻는 방법이다. 근접비행(플라이 바이·fly-by)이나 중력부스트(gravity boost)라고 하는데 1962년 러시아 출신 과학자 미셸 미노비치가 아이디어를 냈다. 태양계는 태양의 중력을 중심으로 움직이지만 우주선이 태양계의 각 행성 근처에 접근할수록 해당 행성의 중력은 태양의 중력보다 커지게 된다. 이렇게 행성이 잡아 당기는 힘을 역이용해 끌려가듯 속도를 얻은 뒤 그 관성을 이용해 공전하는 행성으로부터 멀어지고 이후 순항하다가 또 다른 행성에 접근해 그 중력의 힘으로 가속도가 붙은 뒤 다시 행성 중력권을 빠져나가는 식이다.

중력새총 기법을 활용한 갈릴레오 탐사선의 비행궤도가 점선으로 표시돼 있다. 해당 궤도는 지구(earth)와 금성(venus) 등에 여러번 번갈아 근접해 중력에 이끌려 가속도를 낸 뒤 목성(jupiter)에 도착할 수 있었다. /자료출처=NASA

미국은 1989년 발사한 목성탐사우주선 갈릴레오호를 발사 후 4개월 뒤 금성까지 근접비행하도록 한 뒤 그 중력으로 운동에너지를 얻어 다시 10개월이 지난 뒤 지구에 접근해 지구 중력으로 가속을 얻는 식으로 여러 번 행성 간 근접비행을 시도해 충분한 속도를 얻었고 이를 바탕으로 목성에 도달할 수 있었다. 오는 7월 목성궤도에 진입하는 주노호 역시 이같은 방식으로 연료를 아끼고 있다. 탁민제 카이스트 항공우주공학과 교수는 “플라이 바이 기법을 적용하려면 초고속으로 움직이는 행성들의 궤도와 중력을 정확히 계산하고 정밀하게 우주선을 제어할 수 있는 고난이도 기술이 필요하다”며 “우리가 달 탐사에 성공한 후 심우주 탐사에 나서려면 이같은 연구를 꾸준히 진행해야 한다”고 말했다. /민병권기자 newsroom@sedaily.com

서울경제