우주로 향하여

망원경에서 우주선까지

그림 1. 폴란드의 천문학자 코페르니쿠스. 그는 지구도 하나의 행성에 불과하다고 믿었다.

고대 천문학자들은 태양과 달 그리고 다른 행성들의 천구상의 겉보기 운동을 기록하였는데 이 천체 운동의 관측으로부터 하루나 한달, 그리고 1년의 길이가 결정되었다. 이 단위들로 엮은 달력에 따라 농사를 짓기 시작하였는데, 일년을 주기로 짓는 농작은 보다 정확하고 과학적인 천체 관측을 요하게 되었다. 또 바다를 항해하는 사람들은 별들이 일주 운동한다는 것을 알고 이들의 위치를 각도로 나타낼 수 있음을 알아냈는데, 이 것이 먼 발견의 항해을 떠난 탐험가들을 그들의 고향으로 되돌아 갈 수 있게 해주었다.

한편, 이러한 일상 생활의 응용 외에도 천문의 관찰은 지구에 관한 새로운 지식을 가져다 주었다. 그리스의 천문학자 에라토스테네스(Eratosthenes, 276~194 B.C)는 태양 빛을 이용하여 지구가 구형이라는 가정 아래 지구의 둘레를 측정 하였으며, 아리스토텔레스(Aristotle, 384~322 B.C)는 조석 간만의 차이를 달에 의한 인력으로 설명하였으며, 코페르니쿠스(N. Copernicus, 1473~1543) (그림 1)는 별의 관측을 통하여 지구가 만물의 중심이 아니라 태양계의 중심은 태양이며 지구도 태양 주위를 돌고 있는 행성 중의 하나라는 지동설을 주장하기도 하였다.

케플러의 법칙

케플러(J. Kepler, 1571~1630) (그림 2)는 코페르니쿠스의 지동설에 입각하여 그의 스승 브라예(T. Brahe, 1546~1601)가 남긴 행성의 운동에 관한 관측 자료로부터 화성의 궤도를 구하였는데, 궤도를 원이라고 가정할때, 브라예의 관측 결과와 8^o의 차이가 났다. 이러한 차이가 관측 오차가 아닐 것이라는 점과 이로부터 행성의 운행 속도가 일정하지 않다는 점에서 타원 궤도를 도입 하였으며, 세 가지의 중요한 천문학적인 발견을 하였으며, 이를 케플러의 법칙이라고 한다. 이 법칙으로부터 고전 물리학의 근간이 되는 뉴톤 역학이 탄생될 수 있었다.

<- 그림 2. 독일의 천문학자 케플러. 현대천문학을 확립하는데 기여를 하였다.

제 1 법칙	모든 행성은 태양을 촛점으로 하는 타원 궤도를 그린다.
제 2 법칙	행성과 태양을 잇는 가상 선분은 동일 시간에 동일 면적을 그린다. 즉, 행성의 공전 속도가 일정치 않다.
제 3 법칙	태양으로부터의 행성까지의 평균 거리의 세 제곱은 행성의 공전 주기의 제곱에 비례한다.

망원경의 발견

그림 3. 이탈리아의 천재 과학자 갈릴레이. 망원경을 발명하여 태양, 달, 행성들에 관한 보다 자세한 관찰을 하였다.

갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642) (그림 3)에 의해 발명된 망원경은 그동안 행해진 천체 관측에 일대 혁명을 가져다 주었다. 1610년 자기가 발명한 8배율의 망원경을 들여다 보고 있던 갈릴레이는 목성 주위를 도는 4개의 위성을 발견하여 모든 천체가 지구를 돌지 않음을 최초로 증명하였는데, 이는 코페르니쿠스의 지동설을 지지하는 결과가 되었다.

태양이나 달, 행성들이 구 모양을 하고 있으므로 천문학자들은 지구도 구 모양이어야 한다고 생각했는데, 뉴턴(I. Newton, 1643~1727)이 지구를 포함한 모든 행성들의 구 모양에 바탕을 둔 중력을 찾아냈다. 그는 중력의 법칙을 이용하여 별들의 운동은 물론 지구의 운동도 이 법칙을 따르고 있음을 밝혔다.

오늘날은 누구든지 지구도 태양을 도는 행성 중의 하나임을 알고 있으므로 지구에 대한 호기심도 과거보다 훨씬 덜하게 되었다. 그러나 태양계의 다른 행성이나 보다 먼 우주에 대한 호기심은 결코 줄어 들지 않아 계속 성능이 좋은 망원경이 개발되었다. 그러나 불행하게도 가장 성능이 좋은 망원경을 사용하더라도 다른 행성의 표면만을 단지 크게 알아 볼 수 있을 뿐이었다.

IGY와 스푸트니크

국제지구물리년(IGY) 기간인 1957년 10월 구 소련에 의해 최초로 발사된 스푸트니크(Sputnik) 1호는 미국을 자극하여 몇 달 후 익스플로어 (Explorer) 1호를 발사시켰다. 그 후 미·소 양국간 경쟁적으로 우주 개발 시대를 열었으며 모든 것이 달라지게 되었다.

무엇보다 지상에서 망원경으로 자세히 볼 수 없었던 태양계 안의 이웃 행성들을 관찰할 수 있게 되었으며, 우주선이 개발되고 다양하게 발사됨에 따라 짧은 시간 동안에 행성과 그 주변에 대한 우리의 지식은 이루 헤아릴 수 없이 급속도로 증가되었다.

더불어 지구에 대해서도 많은 것을 알게 해 주었다. 태양에 대한 연구로부터 태양 흑점 주기와 지구 장주기 기후 변화와의 상호 관계가 밝혀지기 시작하였으며, 금성과 화성의 관측으로부터 해양이 없는 곳에서의 기후 양상을 알게 되었다. 그리고 목성과 토성의 관측에서 이들 행성에 암석질 표면이 없으므로 대륙과 산맥이 없는 환경에서의 기후 양상을 알게 되었다. 또한 화성 표면의 연구로부터 침식에 관한 지식을, 매우 뜨겁고 이산화탄소가 많은 금성 대기의 연구로부터는 온실 효과를 알게 되었다. 또한 월석으로부터 지구의 나이를 알게 되었는데, 이런 것들 이외에도 수많은 정보들을 얻게 되었다.

더욱이 지구와 다른 행성들에 대한 연구는 새롭고 발달된 과학 기기 장비의 개발을 가져 왔는데, 기상 위성 티러스(Tiros), 지질과 광물 자원 탐사선인 랜드셋(Landsat) 위성 등에 탑재된 각종 고도의 관측 장비와 이들로부터 전송된 자료를 해석하는 컴퓨터 기술의 폭발적인 성장 등은 모든 것이 지구에 대한 우리의 지식을 증가시키는데 크게 공헌을 한 것들이다.

국제 우주년(International Space Year)

1992년은 ‘국제 우주년’(ISY, International Space Year)이다. 1992년은 콜럼버스의 아메리카 대륙 발견으로부터 500년째 되는 해이며, 인류 최초의 인공 위성이 발사된 국제 지구물리년에서 35년째가 된다. 국제 우주년의 취지는 사회의 많은 사람들에게 신세계로서의 우주에 대하여 생각하는 장을 제공함과 동시에, 우주 개발의 국제 협력을 더욱 추진하는 계기를 만드는 일이었다. 이러한 취지에 따라 1986년 미국 마쓰나가 상원 의원에 의해 제창되어 당시 미국의 레이건 대통령과 소련의 고르바초프 대통령의 지지와 국제 연합의 찬동을 얻어 국제적인 모임으로 발전하였다.

이 해에는 세계 많은 기관에 의해 이루어진 이제까지의 우주 개발에 대한 성과의 보고와 앞으로의 전망을 포함한 수 많은 행사가 계획되었다. 국제 우주년의 활동의 중심이 되는 것은 세계의 각 우주 기구로 부터 구성되는 국제 우주년 우주 기구 회의(SAFISY)인데 미국의 NASA(미국 항공 우주국), 유럽의 ESA(유럽 우주 기구), 소련의 인터코스모스 카운실 등 24개국 29기구의 멤버들로 구성되어 있다. 국제 우주년은 무엇과도 바꿀 수 없는 지구를 지키는 일을 사명으로 하고 있는데, MTPE(Mission to Planet Earth)라는 키 워드로 표현하고 있다.

우리의 일상 생활에는 기상 위성에 의한 일기 예보, 방송 위성에 의한 TV방송, 통신 위성에 의한 국제 통신 등, 이미 우주 개발의 성과가 이미 많이 나타나고 있다. 더욱이 최근, 지구온난화와 엘니뇨 같은 기상 이변, 오존홀, 사막화, 열대림 벌채 등의 전체 지구적 환경의 악화가 밝혀짐에 따라 이들 현상을 지구 규모로 관측하고 감시하기 위하여 인공 위성의 필요성은 더욱 커지고 있다. 이와 같이 지구에 대한 관심이 높아지는 한편, 인류는 지금 지구 밖의 행성계나 은하계로도 눈을 돌리기 시작하고 있다. 지상으로부터의 우주 관측은 대기의 영향으로 결코 만족스러울 만큼 충분한 것이 아니므로, 여기서도 인공 위성이나 인공 행성 및, 우주 정거장 등에 큰 기대를 걸고 있다.

이처럼 우주 개발은 일부 전문가들만의 전유물이 아니라, 온 인류가 함께 참가해야 할 성질의 것이다. 바로 1992년 국제 우주년을 계기로 우주와 인류의 미래에 대한 인식을 깊이 해 나가야 하겠다.

우주 개발의 발자취

우주는 우리 인류에게 남겨진 무한한 가능성의 개척지이다. 그곳은 우리가 사는 지구와는 전혀 다른 환경으로 중력이 없는 무중력, 공기가 없는 고진공, 그리고 무방비로 내리 쬐는 우주선(宇宙線) 등, 지상에서는 도저히 상상할 수 없는 혹독한 세계이다. 우리 인류는 겨우 반세기 남짓한 기간에 달에 진출하였고, 현재는 화성을 목표로 하고 있다. 여기서는 이 짧은 우주 개발의 역사에 있어, 인류가 가혹한 우주 환경을 어떻게 극복하고, 우주로 진출해 나갔는가 하는 과정을 간단히 정리해 보자.

스푸트니크

그림 4. 최초의 인공위성. 스푸트니크라는 이름은 우주라는 미지의 세계로 떠나는 "여행의 동반자"라는 뜻으로 붙여졌다.

1957년 10월 4일, 구소련이 발사한 스푸트니크 1호 (그림 4)가 지구 궤도 진입에 성공을 함으로써 세계 최초의 인공 위성이 되었다. 스푸트니크 (Sputnik)는 ‘여행의 동반자’(fellow traveler)라는 소련어로 “멀고도 외로운 우주로의 여행에 동반자가 되어 달라”는 뜻으로 붙여졌다. 그것은 지름 58cm, 무게 83.6kg의 알루미늄의 구체(球體)로서, 주위의 밀도와 온도를 측정하는 계측기를 싣고 있었다.

산소가 없는 우주에 나가려면 로켓을 사용하지 않으면 안된다. 일반 교통 기관인 제트기는 연료를 연소시키는데 필요한 산소를 공기 중에서 흡입하지만, 로켓은 연료와 함께 산소도 싣고 있어서 진공의 우주 공간에서도 계속하여 날 수가 있다.

한편, 로켓으로 물체를 궤도에 진입시키려면 고도 200km 이상에서 수평 방향으로 매초 7.9km의 속도를 주어야 하는데, 이를 ‘제 1 우주 속도’라 하며 로켓이 이만한 힘을 가지고 있지 않으면 물체는 다시 지상으로 떨어지고 만다. 스푸트니크 1호는 지상에서 우주로 나가기 위한 첫단계인 제 1 우주 속도를 처음으로 달성한 최초의 인공물이었다.

그 후, 구소련은 1957년 11월 3일 스푸트니크 2호를 발사 했으며, 2호에는 암컷의 라이카 개 한마리가 실려 우주선에 생명체의 탑승 가능성을 시험하였다.

최초의 유인 우주 비행

“....여기서 지구가 잘 보인다. 아름답다. 기분이 매우 좋다.”이것은 지구 밖에서 지구의 모습을 최초로 본 인류가 내뱉은 말이었다. 1961년 4월 12일, 소련이 발사한 보스토크 1호 (그림 5)는 지구 궤도의 진입에 성공하였는데, 그 속에는 구 소련의 공군 소령 유리 가가린(Gagarin)이 타고 있었으며, 그는 최초의 우주인으로서 앞에서와 같은 역사적인 말을 하였다. 보스토크 1호는 1인승 우주선으로 인간이 탄 부분은 지름이 겨우 2.3m인 공모양의 캡슐이었으며, 지구 궤도를 89분 걸려 1회전한 후, 108분만에 무사히 지구에 귀환하였다.

무중력과 시속 2만8천 km라는 초고속의 비행 환경에서 인간이 견딜 수 있는 가에 대한 가능성이 보스토크 1호의 성공으로 충분하게 증명이 되었다.

그림 5. 최초의 유인 우주선 보스토크 1호. 소련의 우주인 가가린이 탑승하였다.

미국의 유인 우주 비행

인공 위성 발사에서 소련에 뒤진 미국은 1958년 10월 NASA(미 항공 우주국)를 설립하였으며, 1959년에 전국에서 엄격한 심사를 거쳐 7명의 우주 비행사를 선발하여 마침내 머큐리 계획을 시작하였다. 그 들중 한 사람인 셰퍼드 (Sheppard)는 1961년 5월 5일에 머큐리 3호로 15분간 궤도 우주 비행을 하여 가가린에 이어 세계에서 두번째로 우주에 나갔다 온 사람이 되었다.

1960년 대에 이루어진 우주 개발은 미국과 소련의 격렬한 경쟁 의식으로 진행되고 있었기 때문 에, 우주 비행사는 우주로 나가는 기능자라는 범위를 훨씬 벗어나, 우주라는 미지의 영역을 개척 하는 파이어니어로서 국가의 위신을 짊어진 국가 대표자이기도 하였다. 즉 우주 비행사는 수많은 난관을 돌파한 엘리트중의 엘리트였다.

우주 유영

초창기의 우주 개발은 조금씩 구소련이 앞서 가고 미국이 추월하는 양상으로 전개 되었는데, 1965년 3월 18일 소련의 신형 우주선 보스토크 2호를 탄 레오노프(Leonov)는 우주선을 나와 이제까지 인류가 발을 들여놓은 일이 없는 우주 공간으로 나아갔다. 그와 우주선을 잇는 것은 오직 한 가닥의 생명줄 뿐이었다. 그의 눈에는 지구는 달리는 것처럼 회전하고 있었는데, 실제로 레오노프와 우주선은 초스피트로 지구를 돌고 있었다.

그림 6. 제미니 2호에 탑승한 화이트 비행사의 우주 유영

한편, 미국은 1965년 새로이 제미니 계획을 시작하였으며, 그 해 6월 3일에 발사된 제미니 4호에서 우주 비행사 화이트(White)는 사상 2번째의 약 21분 간의 우주 유영 실험을 하였다 (그림 6). 성공적인 우주 유영을 한 후, 우주선으로 돌아가라는 지시를 받은 화이트는 이렇게 말했다. “지금은 나의 생애에서 가장 슬픈 순간이다.”

열악한 우주 공간에서 견디기 위한 우주복의 개발은 필수적이었는데, 레오노프와 화이트의 우주 유영의 성공은 우주 공간에서도 인간이 충분히 활동할 수 있다는 것과 개발된 우주복이 우주에서 충분히 견딘다는 것을 동시에 입증 하였다.

보다 개선된 제미니는 궤도 변경을 하기 위한 제어 로켓으로 자력에 의해 코스를 바꿀 수 있었으며, 제미니 우주선의 랑데뷰·도킹 기술이 확립되어 최초로 제미니 6호와 7호는 랑데뷰 실험에 성공하였다.

달로 향하는 인류

그림 7. 달로 향하는 아폴로 11호. 아폴로 계획을 통하여 인간은 달까지 갔다가 되돌아오는 여행을 성공적으로 수행하였다.

그동안 우주 개발에 있어 옛 소련에 뒤져 오던 미국은 마침내 야심찬 계획을 수립하였다. 1969년 7월 16일, 미국의 케네디 우주 센터에서 새턴 V형 로켓에 실려 아폴로 11호가 발사되었다. 승무원은 암스트롱(N, Amstrong), 올드린(E. Aldrin), 콜린즈(Collins)의 3명으로 인류의 역사에 영원히 남을 대장정을 시작하였다. 바로 인간을 달에 보내어 다시 돌아 오게 하는 것이었다 (그림 7).

여기에는 달까지 갔다가 지구로 돌아오는 능력을 가진 로켓이 필요하였는데, 이제까지 없었던 강력하고 긴 항속 거리의 로켓이 개발되었다. 새턴 V형은 전체 길이 110.7m, 최대 지름 10.1m, 발사 중량은 2,941톤이라는 거대한 것이었다. 새턴 V형의 개발에는 모두 25만명의 기술자와 약 2,000개의 기업이 참가하였으며, 마침내 인류는 달까지 왕복할 수 있는 능력을 가진 로켓을 손에 넣게 되었다.

마침내, 1969년 7월 20일, 아폴로 11호는 지구를 떠난지 4일만에 달을 도는 궤도에 진입하여 암스트롱과 올드린은 ‘이글’(Eagle)이라 명명된 착륙선을 타고 콜린즈를 아폴로 사령선에 남겨둔 채, 달의 고요의 바다에 역사적인 착륙을 하였다. 바로 7월 20일 오후 4시 17분 40초의 일이었으며, 이어 6시간이 지난 오후 10시 56분 15초에 암스트롱은 인류로서는 최초로 달의 표면에 첫 발을 디뎠다 (그림 8). 암스트롱은 다음과 같이 말하였다. “이것은 한 사람의 인간에게는 작은 한 걸음이지만, 인류에게는 위대한 한 걸음이다.” 라고.

아폴로 계획은 17호까지 총 6번의 발사가 있었으며, 모두 12명의 우주 비행사가 달에 내려 섰다. 아폴로 계획에 투자된 비용은 총액 240억 달러이고, 최종적으로 2만개의 회사와 40만명의 인원이 동원된 이 계획은 우주 개발이라는 분야 뿐만 아니라, 전 분야에서 20세기를 대표하는 대계획이 되었다.

<- 그림 8. 달표면에 역사적 착륙을 한 아폴로 11호 승무원인 암스트롱(위)과 올드린(아래)

경쟁에서 협력으로

그림 9. 우주정거장. 미국의 스카이랩(위), 소련의 미르(아래)

1975년 7월 15일, 미국의 아폴로 18호와 소련의 소유즈 19호는 지구 궤도상에서 성공적으로 도킹하였다. 두 나라의 우주선이 도킹한 아폴로·소유즈 시험 계획에서 우주 비행사들은 서로 우주선을 방문하거나 공동으로 실험을 하였는데, 우주 개발이 경쟁의 시대에서 협력의 시대로 접어드는 계기가 되었다.

그동안 달로 향하던 우주 개발에서 1970년대에 들어 와서 우주 개발의 무대는 다시 지구 궤도상으로 옮겨졌다. 구소련은 1971년 ‘살류트’(Salute)라 불리우는 우주 정거장(Space station)을 발사하였으며, 미국도 우주에서의 실험을 목적으로 한 ‘스카이 랩’(Sky Lab) (그림 9, 위)계획을 실시하였다. 여기서 우주 비행사들은 천문 관측이나 무중력을 이용한 각종의 재료 실험을 하였다. 그 중에서도 우주에서 인체에의 영향에 관계되는 데이터들은 장래의 우주 스테이션이나 장기 우주 여행을 고려할 때 귀중한 기초 자료가 되었다. 현재 구소련에서는 미르(Mir) 우주정거장 (그림 9, 아래)을 통한 장기간의 우주 실험을 하고 있다.

이제까지의 우주 개발은 우주의 가혹한 조건을 어떻게 극복해 나가야 하는가가 기술 개발의 중심 과제였지만, 그 이후 우주 개발은 우주 환경을 적극적으로 이용해 나간다는 새로운 단계로 들어 서게 되었다.

쓰고 버리는 1회용에서 재사용의 시대로

그림 10. 우주왕복선 챌린저의 발사 모습.

1981년 4월 12일, 우주 왕복선(Space shuttle), 콜럼비아(Columbia)는 54시간 20분 54초의 비행을 끝내고 지상으로 귀환하여 무사히 에드워드 공군 기지에 그 모습을 드러냈다. 이때부터 우주에의 여행에 새로운 교통 수단인 우주 왕복선의 시대가 개막되었다 (그림 10). 새처럼 날고자 하는 인간의 꿈은 마침내 우주 여행에 있어서도 마음대로 이착륙이 가능하게 되었다.

우주 왕복선의 최대의 특징이자 장점은 ‘오비터’(Orbiter)라 불리우는 유인 궤도 비행을 할 수 있는 비행체를 반복해서 사용할 수 있다는 점이다 (그림 11). 이제까지의 로켓은 쓰고 나면 버리는데 반하여, 우주 왕복선은 발사때 필요한 외부 탱크만 교체하면 몇 번이고 계속해서 사용할 수가 있다.

한편, 우주 왕복선은 인간이 우주에서 활동한다는 점에서도 큰 성과를 올렸다. 인공 위성을 궤도에 진입시키거나, 고장이 난 인공 위성을 회수하거나, 우주에서 대형 구조물을 조립하거나 하는 보다 폭 넓은 목적에 대응할 수 있었다. 그리하여 우주 왕복선으로 인하여 인류의 우주 활동의 폭은 매우 크게 확대되었다.

그림 11. 우주 왕복선은 발사체인 로켓 부스터와 비행체인 오비터로 이루어져 있다. 오비터에는 페이로드베이라는 화물실이 있어 많은 화물을 적재한다.

그림 12. 오비터가 화물실을 열고 인공위성을 궤도에 진입시키고 있다.

또 다른 장점은 인공 위성을 직접 외계에서 궤도에 진입시키거나 발사하게 됨으로써 종래의 인공 위성 발사 방식에 큰 변화를 가져오게 되었다.

즉, 오비터에는 ‘페이로드 베이’(Payload Bay)라 불리는 충분한 화물실이 확보되어 있는데, 이 화물실에 하나 또는 여러개의 인공 위성을 적재하여 우주로 나간 뒤, 그곳에서 직접 발사함으로써 매 위성들을 지상에서 발사할 때 요구되는 대기권 탈출에 드는 엄청난 비용을 줄일 수 있게 되었으며, 보다 값 싸게 많은 인공 위성의 발사가 가능하게 되었다 (그림 12). 이로써 인공 위성을 발사하려는 많은 나라에서 우주 왕복선을 이용하는 기회가 많아지게 되었으며, 80년대 후반에는 수많은 외계 탐사선들이 우주 왕복선에 의하여 발사되고 있다

위험과 이웃하고 있는 우주 개발

1986년 1월 28일에 우주 왕복선, 챌린저(Challenger)는 발사 직후, 폭발을 하여 탑승원 7명의 목숨을 잃었다. 희생자 중에는 일반 시민으로서는 처음으로 고등학교 여교사인 마리 코프가 탑승하고 있어서 그 충격을 더해 주었다. 이 폭발 사고는 2번째의 사망 사고인데, 최초는 1967년 1월 아폴로 계획의 연습 중에 사령선 내부에 화재가 나 3명의 우주 비행사가 죽었으며 그 중에는 사상 2번째의 우주 유영을 한 화이트도 있었다.

그림 13. 소유즈 11호의 사고로 3명의 우주인은 전원 질식사하였다.

이런 사망 사고는 구소련에서도 발생하였다. 1967년 4월 소유즈 1호가 대기권 돌입 후, 지상에 그대로 충돌함으로써 우주 비행사 1명이 사망하였다. 1971년 6월에는 소유즈 11호에 탄 3명의 우주 비행사가 지구로 귀환 도중 사령선의 공기가 새어 전원이 질식사하였다 (그림 13).

우주 개발의 역사는 성공만의 역사가 아니다. 이와 같이 실패와 거룩한 희생 위에 현재가 있다는 것을 잊어서는 안될 것이며, 새삼스럽게 우주로 진출하는 일이 얼마나 어려운가를 실감시키고 있다.