뉴허라이즌스호, 행성의 힘을 훔치다
‘저 하늘 끝에는 무엇이 있을까. 사람과 똑같은 생명체가 살고 있을까.’
맑고 청명한 여름날 밤하늘을 바라보면서 누구나 한 번쯤은 우주비행사나 천문학자를 꿈꿔 본 적이 있을 것이다.
지난주는 전 세계인이 하늘을 쳐다보며 이런 꿈을 다시 생각하게 했던 시간이었다. 미국 항공우주국(NASA)의 명왕성 탐사 계획에 따른 ‘뉴허라이즌스’호의 명왕성 근접 통과 덕분이다.
태양계 경계 탐사선 뉴허라이즌스호는 2006년 1월 미국 플로리다 케이프 커내버럴 기지에서 발사돼 9년 6개월여의 항해 끝에 지난 14일 오전 7시 49분 57초(미국 동부시간 기준)에 명왕성과 1만 2500㎞ 떨어진 최근접점을 통과하고 지금은 얼음과 소행성들로 구성된 태양계의 끝자락인 ‘카이퍼 벨트’와 ‘오르트 구름대’를 탐사하기 위해 전진하고 있다.
●우주선 자세까지 때에 맞게 바꿔야
지구와 48억㎞ 이상 떨어진 명왕성을 지나쳐 지금도 계속 멀어지고 있는 뉴허라이즌스호가 지상 통제센터에서 명령을 받아 회신하기까지는 9시간 가까이 걸린다. 빛의 속도로도 4시간 30분이나 걸리는 거리에 있는 뉴허라이즌스호는 어떻게 목적지인 명왕성을 정확하게 찾아갈 수 있었을까.
차선이 그려져 있지 않은 하늘과 바다를 항해하는 비행기와 선박, 지도조차 없는 공간에서 움직이는 인공위성과 우주탐사선 등은 유도항법을 이용해 목적지를 찾아간다. 유도항법은 물체를 어느 한 지점에서 다른 지점으로 일정 시간에 도착할 수 있도록 다양한 장비와 기술로 이끄는 방법이다. 보통 항공기나 선박 같은 경우는 목적지와 항로를 알고, 현재 위치와 속도만 알 수 있다면 원하는 장소까지 유도하기가 쉽다. 그러나 우주선은 위치와 속도뿐만 아니라 자세 정보도 필요하다. 우주선이나 인공위성은 태양광을 에너지원으로 하는 경우가 많아 태양전지판이 항상 태양 쪽으로 향하고 있어야 하고, 지구와의 통신을 위해 안테나 방향이 지구를 향하도록 끊임없이 자세를 조정해야 한다. 이 때문에 우주선이 목적지까지 실수 없이 도착하기 위해서는 속도나 위치뿐만 아니라 현재 자세정보까지 정확한 데이터가 필요하다.
●우주에서 길 찾는 4가지 방법
우주선이 목적지까지 가기 위해 이용하는 길찾기 방법은 크게 네 가지다.
첫 번째는 지문(地文)항법으로 지상에서도 많이 쓰이는 길찾기 방법이다. 광학 또는 레이더 영상으로 현재 자기의 위치를 확인하면서 입력된 목적지를 찾아가는 것이다. 대륙간 탄도미사일이 정확한 타격을 위해 끊임없이 레이더와 실제 영상을 비교하면서 길을 찾는 것과 유사하다. 지구와 가까운 달을 탐사할 경우 쓸 수 있는 방법으로, 달 표면에 대해서는 비교적 상세히 알고 있기 때문에 우주선은 발사 뒤 광학계나 레이더를 이용해 정확한 도착지를 찾아낸다.
다음으로는 천문(天文)항법이 있다. 항행 중에 태양이나 달, 행성 등 천체 간 두 점 사이의 각도를 정밀하게 관측해, 관측값과 관측 시간에 따라 ‘천측계산표’를 이용해 현재 위치를 찾는 방법이다. 또 우주선이 지나가면서 촬영한 별의 패턴과 별 카탈로그에 있는 별의 패턴을 비교해 좌표를 식별해 위치를 확인하기도 한다.
세 번째는 우주선의 운동에 의해 생기는 관성을 이용하는 관성항법이다. 우주선에는 회전운동을 측정하는 자이로와 직선운동을 측정하는 가속도계로 구성된 관성항법 장치가 설치돼 있다. 우주선은 관성항법 장치로 시시각각 변하는 가속도를 측정한 뒤 내부 프로그래밍된 미적분 계산식을 통해 현재 속도와 위치, 즉 지구로부터의 거리를 알 수 있게 된다. 마지막으로는 전파항법이 있다. 전파는 속도가 일정하며, 직진하고, 장애물이 있으면 통과하는 것이 아니라 반사된다는 특성들을 이용한 것이다. 우주선에는 지향성 회전안테나가 설치돼 있는데 여기서 마이크로파를 지구로 쏘면 지상에서는 이를 수신해 현재 방위와 거리를 알아낸다.
우주선은 이 네 가지 중 하나를 선택해 쓰는 것이 아니라 두세 가지를 결합시켜 위치를 파악하며 길을 찾는다.
●행성의 인력으로 먼 우주 여행
태양계에서 화성보다 바깥쪽인 심우주를 탐사할 때는 주변 행성의 중력을 이용하는 스윙바이(swingby) 또는 플라이바이(flyby)라는 항법을 사용한다. 뉴허라이즌스호가 명왕성까지 길을 찾아간 것도 바로 이 방법을 이용해서다.
우주선이 행성의 옆쪽으로 접근하면 행성의 중력에 의해 끌려 들어가면서 속도가 빨라진다. 중력권에 끌려 들어가면 우주선은 추락하게 된다. 그렇지만 행성의 자전과 공전이라는 회전력과 가속도를 이용해 끌려 들어가기 직전에 행성의 중력권을 벗어나면 속도가 빨라진 상태로 목적지를 향해 갈 수 있게 되는 것이다. 1961년 나사의 제트추진연구소(JPL)에서 인턴으로 근무하던 대학원생 마이클 미노비치가 제안한 것이다. 우주선 궤도를 잘 설계해 목표 행성까지 가는 동안 거치는 행성들의 중력권에 접근시키면 그 행성의 인력에 따라 속도가 빨라지고, 여러 행성들을 거칠 때마다 가속도를 얻어 더 먼 거리를 여행할 수 있다는 획기적인 아이디어로 1974년 나사에서 발사한 ‘매리너 10호’에 처음 적용됐고 보이저 1, 2호도 스윙바이 항법으로 태양계를 벗어날 수 있었다.
유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
