V-2 로켓, 아폴로 계획, 스페이스엑스 스타십까지…

 

인류의 우주탐사에 대한 노력과 궤도를

정확히 그려내는 친절한 안내서

우주탐사를 시간 순서로 따라가면서, 우주탐사의 과정을 체계적으로 이해하는 것은 여러모로 중요하다. 우주탐사와 관련된 과학기술을 이해하고 미래를 바라보려면, 어떤 이유로 어떤 탐사가 있었고, 그 이면에는 어떤 과학 지식이 관련되어 있고, 우주탐사와 관련된 문제와 사건은 어떻게 해결했는지를 따져볼 필요가 있다. 이 책은 이 부분에 중점을 두고 우주탐사의 역사를 풀어가면서, 모든 사람이 다가갈 수 있는 과학 개념으로 관련된 과학기술을 설명했다.

『우주탐사의 역사』는 현재의 우주탐사의 모습은 물론이고, 인류가 어떻게 우주탐사를 시작했으며 어떠한 노력과 과정을 거쳐 발전시켜 왔는지, 그 모든 역사에 대해 상세히 서술한 친절한 안내서다. 물리학적 지식을 곁들여 과학적인 정보를 풍부히 제공하면서도, 역사적 서술을 따라가는 재미 또한 놓치지 않았다. 우주에 가기 위해, 그리고 우주에 갔을 때 무엇을 하면 좋을지, 그리고 무엇을 하면 안 되는지에 대한 모든 이야기가 담겨 있다. 누리호로 지구 저궤도에 인공위성을 올릴 수 있는 자체 발사체기술을 확보한 대한민국은 인공위성을 넘어 달, 소행성, 행성 탐사 등의 더 높은 수준의 우주탐사를 기획하고 실현할 차례다. 이미 이 과정을 밟아간 우주탐사 선진국의 발자취를 살펴보고, 그 바탕에 깔린 과학기술을 이해하는 것이 필요한 시점이다. 이런 중요한 시점에, 『우주탐사의 역사』는 우주탐사에 관심 있는 모든 사람들이 꼭 읽어야 할 책이 될 것이다.

[목 차]
  

추천의 글

프롤로그

 

1장 초기 우주과학에서 나치 독일의 V-2 로켓까지

우주과학의 시작 | 현대 우주과학의 태동 | V-2 로켓의 등장 | 탄도미사일을 이용한 동물의 우주비행

 

2장 미국과 소련의 초기 우주 경쟁

인공위성 경쟁 | 인공위성 속도와 지구 중력 탈출속도 | 미국과 소련의 지구 중력 벗어나기 경쟁 | 유인 우주비행 경쟁

 

3장 초기 행성 탐사와 통신위성

지구 밖 행성에 가려면 | 우주선이 날아가는 방향이 중요한 이유 | 금성 근접비행과 화성 근접비행 | 통신위성: 통신이 주목적인 인공위성 | 공전주기를 지구의 자전주기와 맞춘 지구동기궤도위성 | 지구정지궤도위성: 적도 상공에 떠 있는 지구동기궤도위성

 

4장 다인승 유인 우주비행과 무인 달 궤도선·착륙선 경쟁

유인 달 탐사 계획의 시작 | 제미니 계획: 미국의 다인승 유인 우주비행 계획 | 계획대로 실행되지 못한 소련의 보스호트 계획 | 미국과 소련의 무인 달 궤도선과 달 착륙선 경쟁 | 달 궤도선보다 먼저 성

공한 달 착륙선

 

5장 새턴 로켓 개발과 아폴로 계획

유인 달 탐사는 어떻게 할까? | 속도증분으로 알아보는 유인 달 탐사 | 지구로 귀환할 때는 지구 대기의 공기저항을 이용한다 | 20세기 로켓 중 가장 강력했던 새턴 로켓의 개발 | 아폴로 계획 | 아폴로 11호, 달에 첫발을 딛다

 

6장 행성 궤도선·착륙선과 중력도움을 이용한 행성 탐사

궤도선이 근접비행보다 어려운 이유 | 금성 궤도선과 화성 궤도선이 되는 과정 | 행성 착륙선은 대기의 공기저항을 이용할 수 있다 | 목성과 토성을 탐사한 파이어니어호의 중력도움 항법 | 수성을 3회 근접 비행한 매리너 10호가 시행한 중력도움 | 1960년대 초 JPL의 젊은 인턴들이 발견한 특별한 사실행성 대탐사 계획을 실현한 보이저 2호

 

7장 맨눈 관측에서 우주망원경까지

맨눈 천체관측에서 망원경의 발명까지 | 다양한 빛을 이용한 천체관측과 우주망원경 | 지구 주위를 공전하는 우주망원경 | 태양 주위를 도는 우주망원경 | 태양-지구 L2 라그랑주 점에 설치된 우주망원경

 

8장 우주정거장의 역사

우주정거장이 필요한 이유 | 첫 우주정거장을 설치한 소련 | 우주정거장은 어떻게 폐기하나? | 살류트 1~5호와 6, 7호의 차이 | 미국의 첫 우주정거장 스카이랩 | 소련 동맹국 우주인과 함께한 인테르코스모스 계획 | 첫 모듈형 우주정거장 미르 | 국제 협업으로 만든 국제우주정거장 | 중국의 우주정거장 | 달 주위를 도는 우주정거장 루너 게이트웨이

 

9장 우주선과 로켓 재사용의 역사

스페이스엑스의 독주를 가능하게 한 우주선 재사용 | 새턴 로켓을 이용한 우주선 발사 비용 | 본격적으로 로켓과 우주선을 재사용하기 시작한 우주왕복선 | 우주왕복선의 발사 비용 문제와 두 번의 큰 사고 | 소련의 우주왕복선 부란 | 스페이스엑스의 로켓 재사용 | 발사체와 우주선 전체를 모두 재사용하는 스타십 | 무인 우주왕복선 보잉 X-37

 

10장 목성 궤도선과 토성 궤도선: 다중 중력도움의 결정판

궤도선이나 착륙선을 이용하는 행성 탐사 | 목성 궤도선이 어려운 이유 | 다중 중력도움으로 목성에 간 첫 목성 궤도선 갈릴레오호 | 갈릴레오호의 궤도선 역추진과 목성의 위성을 이용한 중력도움 | 태양광 패널 대신 사용한 '방사성 동위원소 열전기 발전기' | 목성을 향해 날아간 태양 탐사선 율리시스호 | 태양광 패널을 장착한 목성 궤도선 주노호, 주스호, 유로파클리퍼호 | 토성 궤도선 카시니-하위헌스호

 

11장 수성 궤도선과 태양 탐사선

지구에서 가장 가까운 행성은? | 탐사선이 수성에 곧바로 가려면 | 수성 궤도선이 되기 위해 감속해야 하는 속도 | 최초의 수성 궤도선 메신저호 | 이온 추진체를 사용하는 수성 궤도선 베피콜롬보호 | 수성보다 태양에 더 가까이 가는 태양 탐사선 파커호

 

12장 삼체문제와 탄도포획

이체문제와 삼체문제의 차이 | 라그랑주 점 근처에서의 움직임은 삼체문제 | 지구-달 라그랑주 점 주위를 도는 우주선 | 혜성의 궤도 변화와 중력도움 | 역추진 없이도 중력에 갇히는 탄도포획 | 탄도포획을 이용한 달 탐사선 | 탄도포획을 이용해 이온 추진체만으로 달 궤도선이 된 사례

 

13장 혜성, 소행성, 왜행성 탐사

행성과 소행성은 무엇이 다를까? | 긴 꼬리를 지닌 혜성과 혜성 탐사선 | 혜성 충돌 시험을 한 딥임팩트호와 혜성 주위를 공전한 로제타호 | 감자처럼 생긴 소행성을 탐사한 탐사선들 | 소행성 물질을 채집해 지구로 보낸 탐사선 | 소행성 충돌 실험 DART | 왜행성을 탐사한 돈호와 뉴호라이즌스호

 

14장 스타십을 이용한 유인 달 탐사와 화성 탐사

완전 재사용이 목표인 스타십 | 로켓 역사상 가장 강력한 스타십 | 스타십 1회 발사에 필요한 추진제 비용은 얼마일까? | 달 착륙선으로 사용하는 스타십 우주선 | 스타십 HLS의 달 탐사 과정 | 스타십 HLS는 얼마나 많은 연료를 충전해야 할까? | 스타십으로 화성에 가려면 | 화성에서 지구로의 귀환

 

에필로그

주

그림 출처

[본 문]
  

제2차 세계대전의 승전의 결과로 V-2 로켓과 관련 기술을 전리품으로 챙긴 미국과 소련은 로켓 개발을 이어가면서 동물을 우주로 보내는 시험도 수행했다. 앨버트 2로 불렸던 원숭이는 1949년 6월 14일에 미국에서 발사된 V-2 로켓을 타고 134킬로미터 상공의 우주에 올라갔다. 최초로 우주에 도달한 포유류 동물이었다. 하지만 귀환할 때 낙하산이 제대로 펴지지 않아서 살아서 돌아오지 못했다. 포유류가 아닌 동물까지 확장하면, 우주에 도달한 최초의 동물은 초파리로, 1947년 2월 20일에 미국에서 발사된 V-2 로켓에 실려 109킬로미터 고도까지 올라간 기록이 있다.

우주에 도달한 후 살아서 돌아온 최초의 포유류는 개였다. 1951년 7월 22일, V-2 로켓에 기반한 소련의 R-1 로켓은 데직과 츼간이란 이름의 두 마리의 개를 싣고 발사되어 101킬로미터 상공의 우주에 도달한 후 지상에 무사히 귀환했다. 이 로켓의 최대 속도는 초속 4.2킬로미터에 이르렀고, 로켓 추진을 멈춘 후 탄도비행을 하는 약 4분 동안 무중력상태였다. 2021년부터 본격적으로 시작한 블루오리진의 우주여행 상품도 이와 비슷한 높이까지 올라가 비슷한 시간 동안 무중력을 체험하는 우주여행 상품이다. 미국도 몇 차례 동물을 실은 로켓이 우주에 도달했지만 탑승 동물을 무사히 귀환시키는 데 실패하다가, 소련보다 많이 늦은 1959년 5월 28일에 두 마리의 원숭이를 실은 중거리 탄도미사일인 주피터 AM-18이 우주에 올라간 후 지상에 무사히 귀환하는 데 성공했다.

_1장 초기 우주과학에서 나치 독일의 V-2 로켓까지 / 27-28쪽

 

 

소련은 2년 넘게 유인 우주선을 발사하지 않다가, 미국이 제미니 계획을 마친 지 약 5개월이 지난 1967년 4월 23일에 소유즈 1호를 발사하면서 유인 우주비행을 재개했다. 하지만 소유즈 1호는 귀환하던 중 낙하산이 펴지지 않아 추락하는 사고가 일어나면서, 탑승했던 우주인 블라디미르 코마로프가 사망했다. 우주비행에서 우주인이 사망한 첫 사고였다. 코마로프는 보스호트 1호에 탑승했던 3명의 우주인 중 1명이었다.

최초의 다인승 유인 우주비행을 소련의 보스호트 1호에 내줬던 미국은 1965년 3월 제미니 3호 발사부터 1966년 11월 제미니 12호 발사까지 1년 8개월 동안 10회의 유인 우주비행을 수행했다. 1964년 10월 12일과 1965년 3월 18일에 보스호트 1호와 2호를 발사한 후 2년 넘게 유인 우주선을 발사하지 않은 소련과는 대조적이었다. 이때부터 미국은 우주 경쟁에서 소련을 따라잡고 앞서기 시작했다. 당시 NASA를 이끌었던 사람은 제임스 웹으로, 국무부 차관을 지냈던 관료 출신이었다. 과학자 출신이 아님에도 불구하고 그의 이름은, 2021년 12월 25일에 발사되어 요즘 왕성한 관측 활동을 하고 있는 제임스웹 우주망원경 이름에 쓰였다

_4장 다인승 유인 우주비행과 무인 달 궤도선·착륙선 경쟁 / 75-76쪽

 

 

아폴로 11호는 인류 역사상 처음으로 지구 밖 천체에 착륙한 첫 유인 우주선이다. 닐 암스트롱, 마이클 콜린스, 버즈 올드린이 탑승한 아폴로 11호는 1969년 7월 16일에 발사됐다. 발사 11분 23초 후에 약 185킬로미터 상공의 지구 저궤도에 올라 지구 주위를 한 바퀴 반을 더 돈 후, 남은 새턴 5 로켓의 마지막 3단 로켓을 5분 42초 동안 추진해 달로 향하는 달 전이궤도에 진입했다. […] 착륙 6시간 39분 후에 암스트롱은 달 착륙선에서 내려와 달 표면에 첫발을 디뎠고, 이 장면은 전 세계 6,000만 명 이상의 사람들이 TV 생중계로 지켜봤다. 1960년대 안에 달에 사람을 보내겠다는 1961년 존 F. 케네디의 선언이 실현되는 순간이었다. 이어서 올드린도 달 표면에 발을 디뎠다. 1967년 11월 9일에 발사된 아폴로 계획의 첫 우주선인 아폴로 4호부터, 1969년 7월 16일에 발사된 아폴로 11호까지, 불과 1년 8개월의 짧은 기간 동안 8회의 아폴로 우주선 발사로 달에 착륙하는 데 성공한 역사적인 쾌거였다.

_5장 새턴 로켓 개발과 아폴로 계획/ 104-105쪽

 

 

소유즈 11호는 1971년 6월 30일에 살류트 1호를 떠나 지구로 귀환했지만, 탑승한 우주인 전원이 사망한 채로 발견됐다. 대기권에 진입하기 전에 귀환 모듈의 공기가 빠져나가서 우주인들이 질식해 사망한 것으로 밝혀졌다. 대기권 안에서가 아닌 우주에서 우주인이 사망한 유일한 기록이다. 귀환 모듈의 내부 공간이 좁아서 3명의 우주인이 탑승해서 우주복을 착용하지 않았던 것도 사고를 피할 수 없었던 이유의 하나였다. 1973년 9월 27일에 발사된 소유즈 12호부터는 우주복을 착용할 수 있는 공간을 확보하기 위해 우주선 탑승 인원을 3명에서 2명으로 줄였다.

_8장 우주정거장의 역사 / 165-166쪽

 

 

DART는 디모르포스 소행성에 우주선을 충돌시켜서 디디모스 소행성 주위를 도는 공전궤도가 어떻게 변하는지를 측정한 실험이다. DART 탐사선은 2021년 11월 24일에 발사됐다. DART의 궤도는 지구의 공전궤도와 거의 비슷하게 날아가면서 지구에서 멀리 떨어지지 않은 곳을 날아가고 있었다. DART가 발사됐을 때 디디모스와 디모르포스 소행성은 화성 공전궤도 너머의 원일점에서 지구에 가까워지는 방향으로 날아오고 있었다. 2022년 9월 11일에는 충돌을 관측할 소형 큐브 위성인 리시아큐브(LICIA는 Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids의 줄임말)를 분리했다. 탑재된 이온 추진체로 비행 궤적을 정확하게 조절한 DART 탐사선은 2022년 9월 26일에 디모르포스 소행성과 충돌했다.

DART 우주선이 디모르포스 소행성에 충돌한 속도는 초속 6.58킬로미터였다. 충돌한 우주선의 질량인 560킬로그램으로 계산한 운동에너지는 12기가줄로, 약 3톤의 TNT가 폭발했을 때의 폭발 에너지와 비슷하다. 충돌의 결과로 소행성 물질이 뿜어져 나왔고, 1만 킬로미터에 이르는 긴 먼지 꼬리를 만들었다.

_13장 혜성, 소행성, 왜행성 탐사 / 306쪽

 

 

스타십은 로켓엔진으로 랩터엔진을 장착했다. 2024년 버전을 기준으로 1단 슈퍼헤비에는 총 33개의 랩터2엔진을 장착했다. 랩터2엔진 하나의 추력은 지상에서 230톤을 들어 올릴 수 있는 2,255킬로뉴턴이다. 33개의 로켓엔진이 최대 출력으로 작동하면 지상에서 7,590톤을 들어 올릴 수 있는 7만 4,400킬로뉴턴의 추력이 나온다. 로켓 역사상 가장 강력한 로켓으로, 추진제를 가득 채운 4,975톤의 스타십 전체를 1초에 초속 5미터 이상 수직으로 가속할 수 있는 힘이다. 2단인 스타십 우주선에는 6개의 랩터2엔진이 장착됐다. 최대 추력은 1만 4,700킬로뉴턴으로 지상에서 1,500톤의 질량을 들어 올릴 수 있는 힘이다. 랩터2엔진보다 17% 향상된 추력을 낼 수 있는 랩터3엔진을 장착하는 다음 버전의 슈퍼헤비는 지상에서 최대 8,877톤을 들어 올리는 추력을 낼 것이라고 스페이스엑스의 대표인 일론 머스크가 밝혔다.

_14장 스타십을 이용한 유인 달 탐사와 화성 탐사 / 316-317쪽

지웅배(우주먼지 (세종대학교 자유전공학부 조교수, 천문학자, 유튜브 〈우주먼지의 현자타임즈〉 운영)

우주가 일상이 될 거라면 당연히 우린 이곳에서 저곳까지 어떻게 갈 것인지, 지극히 일상적인 고민을 해야 한다. 시간, 비용, 그리고 낭만. 당신이 무엇을 가장 소중하게 생각하는지에 따라 당신이 선택할 수 있는 경로는 달라진다. 그리고 경험하게 되는 우주도 달라진다. 정말 우주에 가보고 싶은가? 아니, 적어도 머지않아 우리의 일상이 머리 위에서까지 펼쳐질 거라 생각하는가? 『우주탐사의 역사』는 우주에 가기 위해, 그리고 우주에 갔을 때 무엇을 하면 좋을지, 그리고 무엇을 하면 안 되는지에 대한 모든 이야기가 담겨 있다. 당신이 우주에서 인류 최초로 그 누구도 해보지 않은 짓을 할 정도의 무모한 인간이 아니라면, 당신이 우주에서 경험하게 될 모든 것들을 확인할 수 있다. 이미 이렇게나 많은 이들이 우주에 가기 위해, 그리고 우주에 가서 많은 짓을 했다. 그러니까 당신은 조금 덜 고생해도 된다.

 

항성 (천문학자, 유튜브 〈안될과학〉 과학커뮤니케이터)

스푸트니크의 첫 신호음부터 스타십의 귀환까지, 이 책은 인류의 우주탐사에 대한 노력과 궤도를 정확히 그려내는 친절한 안내서다. 로켓 방정식이나 중력도움과 같은 단순한 물리학 공식이 아닌, 그 자체가 탐사의 나침반으로 다가오는 순간, 우리는 왜 아폴로 8호가 그 크리스마스에 달을 돌아야 했는지, 왜 보이저호가 175년에 한 번뿐인 그해에 출발해야 했는지를 비로소 이해할 수 있게 된다. 저자의 시선은 냉정하지만 따뜻하다. 기술적 성취와 정치적 야망, 그리고 인간의 호기심이 어떻게 얽혀서 오늘의 우주탐사 시대를 만들었는지 균형 있게 들려준다. 우주탐사의 초심자는 큰 깨달음을 얻을 것이고, 애호가는 점들이 선으로 이어지는 쾌감을 이 책을 통해 엿볼 수 있다. 당신이 마지막 페이지를 덮으면, 우주탐사란 과거의 영웅담이 아닌, 바로 지금 우리가 써 내려가는 문명의 다음 문장임을 깨닫게 될 것이다.

 

이명현 (과학책방 갈다 대표, SETI KOREA 대표)

우주탐사는 한 개인이나 한 집단의 비전이나 욕망으로는 결코 이루어질 수 없는, 그야말로 거의 모든 것의 거의 모든 것이 결합해서 증폭되었을 때 실현될 수 있는 사건이다. 우주탐사는 다양한 집단의 천차만별의 동상이몽이 만나서 균형을 이룬 아슬아슬한 현상이다. 과학자는 우주탐사라는 행위를 통해서 호기심 충족을 꿈꾸고 정책 결정자들은 그들과 그들 집단의 번영을 꿈꾸고 일반인들은 그 열매를 탐닉한다. 이 책은 말하자면 그 실태를 파헤쳐서 보여주는 우주탐사 해부학 책이다.