[스페이스]②대기권 재진입이 어려운 이유 : 팰컨9의 재사용

대기권으로 진입하고 있는 우주 귀환 캡슐 상상도. [사진 출처=NASA]

[아시아경제 김종화 기자] 지구 궤도를 돌 때 우주선은 보통 초속 7~12㎞의 속도로 움직입니다. 이 속도를 줄이기 위해 대기권 진입 각도를 조정하는데 이 과정에 우주선 표면은 엄청난 충격과 열을 받게 됩니다.

대기권 재진입 각도가 낮으면 대기권을 뚫지 못하고 그냥 튕겨 나갑니다. 물위 돌을 던져 튕기는 물수제비의 원리와 같습니다. 반대로 진입 각도가 높으면 마찰이 커 속도가 너무 느려지거나 과열돼 추락하게 됩니다. 우주선의 형태와 저항 등을 감안한 적합한 재진입 각도를 먼저 계산하는 이유입니다.

공기가 없는 우주 공간에서 지상 80㎞ 높이에서 공기와 접촉하면 우주선의 표면 온도는 갑자기 1500℃~1만℃까지 올라갑니다.보통 우주선이 대기권으로 재진입할 때 공기와 닿는 부분이 뾰족하면 궤도면에서 진입각을 1~2도 정도로 설정하고, 넓적하면 5~6도 정도로 조정합니다.

공기와 닿는 부분이 넓고 평평한 우주왕복선은 대기권에 재진입할 때 기수를 약 40도 정도 들어 올려 바닥이 먼저 닿게 합니다.진입 속도가 초속 8㎞ 정도인 우주왕복선은 1500℃ 정도의 열이 발생하고, 초속 12㎞의 속도로 지상을 향하는 귀환 캡슐의 온도는 무려 1만℃까지 치솟습니다.

이 때 우주선의 외부는 엄청난 화염에 휩싸여 통신이 끊어지는데 이를 '블랙아웃(Black out)'이라고 합니다. 이 때 지상에서는 우주선의 상황을 알 수 없어 초긴장하게 됩니다. 컬럼비아호 사고 당시에도 잠시 통신이 끊겼는데 이 때문입니다.

공기층으로 우주선이 음속의 수십 배 속도로 진입하고, 이 때 발생한 엄청난 충격파가 우주선의 속도를 줄여주는 만큼 우주선의 표면은 이 충격과 열을 이겨내야 합니다.

그래서 우주선의 표면에는 특수 제작된 내열 타일이나 방열판을 부착합니다. 우주왕복선은 세라믹 소재의 내열 타일을 공기와 부딪히는 부분에 부착하고, 아폴로나 소유스와 같은 우주선은 고체 상태로 있다가 열을 받으면 기화하는 특수 재질의 방열판을 사용합니다.

공기층이 촘촘해 대기밀도가 높은 지상 가까이 우주선이 내려오면 낙하산을 펴서 육지나 바다로 떨어집니다. 스스로 비행할 수 있는 우주왕복선은 비행기처럼 글라이딩 하면서 충분히 감속한 후 활주로에 착륙합니다.

한국항공우주연구원 관계자는 "우주왕복선과 우주선이 서로 다른 소재를 사용하는 것은 재사용을 위한 것"이라면서 "다시 사용해야 하는 우주왕복선은 내열성과 내구성이 좋은 세라믹을 사용하고, 한번 쓰면 다시 사용할 수 없는 우주선은 표면이 타서 없어지는 방열판을 사용한다"고 설명했습니다.

스페이스X의 발사체 팰컨9호가 귀환에 성공하는 모습. 재사용 로켓인 팰컨9호는 싣고간 우주선을 궤도로 보낸 뒤 하늘에서(사진 맨 왼쪽) 정해진 지점으로 내려와 가뿐하게 착지했습니다(사진 맨 오른쪽).[사진출처=유튜브 화면캡처]

이제는 재사용이 화두라는 이야기입니다. 지난해 3월 30일 NASA 케네디우주센터에서 위성을 탑재한 스페이스X의 팰컨9 로켓이 발사됩니다. 이날 발사된 발사체(팰컨9)의 1단 로켓은 2016년 4월 국제우주정거장(ISS)에 보낼 화물수송선 드래곤을 발사할 때 사용됐던 로켓입니다. 한번 사용했던 발사체가 재사용되면서 우주개발 역사에서 또 하나의 이정표를 세우는 쾌거를 보여준 날입니다.

스페이스X는 2015년 12월 1단계 추진 로켓의 지상 회수에 성공했고, 이듬해 4월에는 로켓을 바다 위 무인선에 착지시키기도 했습니다. 이 회사는 육지에서 3개, 바다에서 5개 등 모두 8개의 재사용 가능 로켓을 회수했습니다.

항우연 관계자는 "현재 발사체의 1회 발사 비용은 팰컨9의 경우 약 5000~6000만 달러에 달하는데 이것을 100분의 1 수준으로 낮추겠다는 게 스페이스X가 로켓을 재사용하려는 궁극적 목표"라면서 "비용을 낮추는 로켓 재사용의 핵심은 결국 대기권에 재진입할 수 있는 로켓을 개발하는데 있다. 극한의 기술력을 필요로 하는 우주개발의 역사는 새로운 장으로 접어 들고 있다"고 말했습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr