현재, 그 주인공들은 모두 명석한 두뇌와 패기를 자랑하는 20대의 젊은이들이다. 기말고사를 준비하느라 벼락치기에 여념이 없는 공학도일 수도 있고, 이라크 상공에 출격해있는 공군 파일럿일 수도 있다.
어쩌면 응급실에서 고단한 야간근무를 서는 인턴일 수도 있다. 약 10년 후면 이들은 110만 파운드의 고체 추진체를 실은 로켓 위에서 안전 벨트를 매고 앉아있게 될 것이다. 그러면 이 추진체는 4.5의 중력가속도로 이들을 2만5천 피트 상공으로 날려 보낸다. 그런 다음, 제2단계 로켓이 발진하면서 지구 궤도에 안착하게 된다.
그 곳에서 우주선을 달 궤도로 보내줄 또다른 로켓과 도킹한다. 입력된 프로그램에 따라 작동하는 컴퓨터를 통해 우주선 밖으로 나와 달 착륙선에 올라탄 4명의 승무원들은 달에 착륙하게 된다.
모두 우주복을 착용한 채, 달 착륙선의 출입구를 열고 걸어 나와 어디선가 본 듯한 인류의 위대한 첫발을 다시 한번 내딛게 되는 것이다.
그렇다고 해서 이 여행의 목적이 과거의 향수를 재현하기 위한 것은 아니다. 고도로 정교한 우주선을 갖춘 판타스틱 4에게는 과거 닐 암스트롱과 버즈 알드린만이 꿈꿀 수 있었던 대임무가 주어진다.
오랜 세월이 걸린 여행
아폴로 17호가 발사됐던 1972년부터, 물론 아직까지 계획단계이긴 하지만, 4명의 승무원을 태운 탐사선이 다시 달에 도착하게 되는 2018년까지 달은 지구 주위를 약 600회 정도 선회하게 된다. 지구 궤도 위로 다시 날아오르기까지 46년이라는 세월이 걸린 것이다.
아폴로호 탐사가 이루어지던 시기에 달 표면에 발을 내딛은 사람은 겨우 12명이었다. 그러나 달에는 아직 탐사해야 할 곳이 셀 수없이 존재한다.
과학자들은 달 표면 아래에 얼음이 존재할 것으로 믿고 있다. 얼음은 인류 탐사활동 기지를 세우고 로켓 연료를 제작하는데 아주 유용한 물질이다. 또한 지구와 가장 흡사하고 그렇기 때문에 과학자들과 미래의 식민지 개척자들 모두 크나큰 관심을 갖고 있는 화성으로의 기나긴 우주비행을 준비하는데 승무원들의 훈련 기지로도 사용할 수도 있을 것이다.
그러나 이미 입증된 바 있듯이, 인간을 다시 우주 공간으로 내보내는 것은 그 어떤 일보다 힘든 계획이다. 냉전 이후, 미국 정부는 달과 화성 탐사에 필요한 자금을 충분한 수준으로 확대하는데 머뭇거려왔다.
여기서 논의된 두 탐사 계획 모두 현 부시 대통령이 제안한 것들이다. 결국 가장 중요한 문제는 달과 화성에 도착할 수 있는 우주선과 그 안전성, 그리고 감당 비용이었다.
그러나 이제 마이클 그리핀(Michael Griffin) 국장의 적극적인 사업추진 덕분에 나사는 마침내 CEV(Crew Exploration Vehicle)로 명명된 우주선 설계 작업에 착수할 수 있었다.
1 나사는 차세대 승무원 발사 비행체를 제작하기 위해 아폴로호 시절의 디자인으로 눈을 돌리고 있다. 그러나 그 내부는 현대적 시스템과 하드웨어를 사용하게 된다.
2 CEV가 우주왕복선과 동일한 중량을 실어 나르지는 못 하지만 그 용도 및 비용 면에서는 훨씬 더 효과적이다.
3 우주비행사들이 CEV에 탑승하여 달 표면으로 내려갈 때, 달 궤도상의 사령선에 굳이 누군가 남아 모니터링할 필요가 없다. 승무원 모두 달 표면에 발을 내딛을 수 있다.
이번 달, 록히드 마틴, 노스롭 그루만-보잉 팀은 나사의 세부 요건들을 점검한 후, CEV 설계 제안서를 제출할 예정이다. 나사가 올 여름, 최종 사업자를 선정하면 CEV는 2012년, 처녀 궤도 비행을 시작하게 된다.
아마도 240 마일 상공의 국제우주정거장도 거치게 될 것이다. 그리핀 국장이 주장하는 것처럼 CEV가 비용 및 성능면에서 그 탁월성을 입증한다면 달까지 24만 마일의 비행에도 적합 판정을 받게 된다.
CEV는 모듈 시스템이기 때문에 경우에 따라 엔지니어들은 수명 연장 장치를 추가하거나 화성까지 장거리 비행시간 동안 승무원들이 생활할 수 있는 모듈 제작이 가능하다. 3천5백마일 이상 떨어져 있는 화성까지의 비행은 2020년 이후에나 가능하다.
그렇다면 그리핀 국장은 이 모든 계획을 어떻게 실행할 수 있을까?
해답은 아주 단순한 접근 방식에서 찾을 수 있다. 바로 혁신을 추구하지 않는 것이다. CEV의 혁신은 어떠한 획기적인 변화도 시도하지 않고 안전하게 기존의 지식과 장비를 고수한다는데 있다.
왜냐하면 CEV는 아폴로호의 형태와 로켓, 그리고 무인 위성 제작에 사용된 수많은 신형 부품의 혼합물이 될 것이기 때문이다. 이는 나사에게는 신기원을 열어주는 프로젝트가 아닐 수 없다.
아폴로호와 아폴로 계획은 아주 혁신적인 프로젝트였지만 CEV는 의도 면에서 볼 때, 혁신과는 거리가 멀다. 우주비행에 있어 혁신은 높은 위험과 천문학적 비용을 낳는 주된 요인이기 때문이다.
나사측은 13년간에 걸쳐 CEV 프로젝트에 1천40억 달러가 소요될 것으로 집계하고 있다. 물가상승률을 감안했을 때, 아폴로호 소요 경비의 55%에 밖에 되지 않는 금액이다. 또한 신뢰도면에 있어서도 실패할 확률을 2천분의 1로 아주 낮게 보고 있다. 아폴로호보다 무려 10배나 안전하다는 말이 된다.
“우리가 추구하는 것은 최신 기술, 최고 기술이 아니다. 우리가 찾는 것은 기존의 비행 경험을 통해 이미 입증된 기술이다.”라고 노스롭 그루만-보잉 팀의 CEV 프로젝트 부책임자인 레오나드 니콜슨(Leonard Nicholson)은 말한다.
“이번 프로젝트의 가장 근간이 되는 것은 각 부분들의 조합으로 발휘될 성능이다.” 책임감 강한 가장처럼 그리핀 국장은 포르쉐 대신 도요타 캠리를 구매하기로 결정했다. 사실, 캠리도 아주 멋지다. 이 캠리가 이제 달까지 날아가는 것이다.
비행계획
달까지의 비행에는 두 단계의 발사가 필요하고 지구와 달 궤도, 이렇게 두 번 멈추게 된다.
비행계획
무인 중량물 발사 로켓이 지구 궤도상으로 달 착륙선과 지구 중력장 이탈 장치를 운반한다. 그리고 며칠 후, 승무원 발사 비행체가 승무원 캡슐과 기계선을 동일 궤도상에 올려놓게 된다(1).
출발
승무원 캡슐과 기계선이 달 착륙선과 지구 중력장 이탈 장치와 도킹한 후, 로켓이 발진하면 우주선 전체가 달로 날아가게 된다 (2). 연소 로켓은 폐기한다 (3).
도착
모선이 달 궤도를 돌고 있는 동안 4명의 우주 비행사들은 태운 후 모선과 분리된 달 착륙선이 달 표면에 내려앉는다 (4). 승무원들은 최장 6개월 동안 달 표면을 탐사하게 된다 (5).
귀환
모선으로 귀환하기 위해 달 이륙 로켓이 착륙선 아래쪽에서 점화된다 (6). 달 궤도를 돌고 있는 모선과 합체한다 (7). 사용한 이륙 로켓을 우주 공간에서 폐기한 후 승무원들은 이제 지구를 향해 비행한다 (8). 대기권 재진입하기 위해 지구 궤도에서 승무원 탑승 캡슐이 분리된다 (9).
아폴로를 모방하다
2018년, 4명의 우주 비행사를 태우고 이 탐사선이 출발하는 날, 사람들은 CEV의 사령선을 보며 그 옛날 아폴로호의 사령선을 보는 듯한 착각을 일으킬 것이다.
그리핀 국장이 최근 기자회견에서 밝힌 바에 따르면 “형태가 상당히 흡사하다”고 한다. 대기권 진입에 따르는 물리적 현상에 변화가 없기 때문이라고 그 이유를 설명했다.
지난 여름, 광범위한 연구 활동을 벌인 나사는 공학적 측면에서 익히 알려져 있는 우주선 디자인들을 모두 살펴보았다. 그 결과, 아폴로호가 가장 훌륭하다는 것이 다시 한번 입증되었다고 그리핀 국장은 밝혔다.
하지만 CEV에 탑승하는 승무원들은 앞으로 자신들이 생활하게 될 캡슐이 아폴로호보다 훨씬 더 널찍할 뿐만 아니라 내부 디자인에서도 엄청난 변화를 느낄 수 있을 것이다.
현재, 우주 비행사, 과학자 및 엔지니어들로 구성된 팀이 초보적 단계이긴 하지만 승무원 캡슐의 실제 모형을 만들어서 실험에 들어간 상태다. 출입구, 창문, 좌석, 콘솔 등을 어디에 배치할지도 이미 결정되었다.
발진체에 있는 원뿔형의 승무원 캡슐 바로 아래에는 로켓 엔진 및 동력 장치들을 탑재한 원통 모양의 유선형 부분의 기계선이 자리잡게 된다.
나사는 기계선 로켓의 동력원으로 액화 산소와 액화 메탄을 희망하고 있다. 그 이유는 이론상으로 이 두 물질을 화성의 토양에서 추출할 수 있다고 보기 때문이다. 그럴 경우, 귀환시 필요한 연료까지 싣고 가지 않아도 되는 것이다.
| 임시 달 기지 |
| 달에서 우주비행사들이 수행하게 될 임무는 아직 명확히 정해지지 않았다. 첫 번째 달 탐사 기간은 4~7일 정도로 예상되지만 CEV는 승무원들이 달 표면에 남아있더라도 CEV는 최장 6개월 동안 자동으로 달 궤도를 운항할 수 있도록 설계중이다. 구상단계에 있는 달 탐사 시나리오 중에는 달 남극 지역에서의 얼음 탐사 작업도 포함되어 있다. 달에 기지를 건설하는데 반드시 필요한 것이 바로 물이기 때문이다. |
승무원과 기계선을 우주 공간으로 끌어올리는 일은 승무원 발사 비행체인 2단 로켓이 맡게 된다. 제1단은 우주선에서 차용한 고형 로켓 부스터로, 거대한 오렌지색 연료 탱크 양쪽에 고정된 한 쌍의 부스터를 통해 첫번째 상승이 이루어진다.
고형 로켓 부스터는 지금까지 제작된 우주선 장비 가운데 가장 신뢰도가 높은 부분이며 이미 유인 우주선에서도 그 성능이 입증되었다. CEV의 주 엔진과 마찬가지로 승무원 발사 로켓의 제2단은 액화 산소와 액화 수소가 결합되어 연소한다.
CEV와 탑승 승무원들은 우주왕복선처럼 로켓 측면이 아닌 로켓 상단에 위치하기 때문에 떨어지는 파편들과 충돌하는 일도 없다. 이것이 바로 CEV가 아주 안전하다고 나사에서 내세우는 두 가지 이유 중 하나다.
또 다른 하나는 비행중지 시스템으로 고형 부스터가 수직 이륙중에 폭발하는 경우, CEV 기수 부분에 달려있는 로켓이 발사되면서 CEV를 폭발물로부터 최대한 멀리 이동시킨 후 낙하산을 이용하여 바다로 안전히 강하하게 한다는 것이다.
일단 우주에 진입하게 되면 CEV는 아폴로 우주선처럼 위성발사, 기지건설 운반체라기 보다는 한마디로 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 택시에 가깝다고 할 수 있다.
하지만 성능이 아주 탁월한 택시다. “국제우주정거장에 과분할 정도로 성능이 뛰어나다. 하지만 분명 국제우주정거장에 도착하긴 한다.” 라고 휴스턴에 위치한 나사 존슨 우주 센터에서 CEV 책임자 대행인 브라이언 앤더슨(Brian Anderson)은 말한다.
최대 6명까지 싣고 비행할 수 있으며 로봇을 이용하여 짐을 우주정거장으로 실어 나르기도 한다.
일반적으로 고열로부터 우주선체를 보호해주는 수천장의 타일이 CEV에는 없다. 대신 대기권 재진입시까지 기계선 내부가 방열판으로 감싸져있기 때문에 우주상에서 미소 운석에 의한 손상을 걱정할 필요는 없다.
마찰력으로 우주선의 낙하 속도가 떨어지면서 CEV의 캡슐은 최종 접근을 위해 낙하산을 펼치게 된다.
앤더슨이 이끄는 CEV 팀은 이미 이런 낙하산을 설계중이며 첫 번째 낙하 실험을 이번 달 실시할 계획이다. “우리의 모토는 ‘일찍, 그리고 자주 실험하자’이다. 지금부터 결점을 찾아내고 보완해야만 2012년에 제대로 비행할 수 있다.”
달, 그 다음은 화성
달까지의 비행에는 이 외에도 하드웨어가 추가적으로 필요하다. 승무원발사비행체에서 CEV가 분리되기 며칠 전, 역시 우주선에서 분리된 이보다 훨씬 크고 무거운 발사체가 달 착륙선과 지구 중력장 이탈 로켓을 지구궤도상에 미리 배치해 놓게 된다.
CEV는 이 두 모듈과 도킹을 시도하고 이렇게 합체된 우주선은 지구중력장이탈 로켓을 이용하여 달 궤도를 향해 날아간다. 그러면 4명의 승무원들은 달 착륙선에 탑승하여 CEV와 분리를 시도한 후 달의 표면에 내리게 되는 것이다.
이 승무원들이 달에서 어떤 임무를 수행하게 될지는 아직 미정이다. 아마도 달의 남극에서 얼음을 발견하거나 달기지로 이용하기에 적합한 여타 잠재 지역을 물색하는 임무가 주어질 수도 있다.
어쩌면 달에 인간 거주지를 짓는데 필요한 도구와 물질을 실험하는 일을 하게 될지도 모른다. 과거 나사의 역사학자로 활동했고 현재는 스미소니언 연구소(Smithsonian Institution)에 근무하고 있는 로저 로니우스(Roger Launius)는 남극연구소기지와 비슷한 전진기지를 구상하고 있다.
바람이 많은 부는 지구의 남극 기지들은 콘크리트 건물이지만, 달에는 바람이 없다는 점을 감안하여 탄성 자재를 사용하고 원자력 발전을 동력원으로 하는 기지가 건설될 수도 있을 것이다.
CEV를 통해 “우리 인간이 달에 영구적 삶의 터전을 마련하는 것은 어느 정도 가능해졌지만 그 필요성에 대해서는 의구심이 들지 않을 수 없다”고 그리핀 국장은 말한다. 분명, 후임자를 위해 여지를 남겨놓으려는 것이다.
2020년 당시, 나사 국장이 달에 관심을 갖는다면 CEV를 이용하여 달 기지를 건설할 수도 있다. 그리고 거기에서 끝내지 않고 내쳐 화성까지의 비행을 원한다면 주어진 예산 범위내에서 CEV로 얼마든지 가능하다.
| 지구로의 최종 귀환 |
| 승무원들이 달 이륙 로켓을 이용하여 모선으로 돌아오고 나면 연소된 로켓은 우주상에서 폐기된다. 우주선의 지구 귀환을 위해 기계선의 엔진을 점화한다. 지구 궤도에 진입한 후에는 승무원 탑승 캡슐이 기계선과 분리되면서 지구 대기권으로 재진입하고 지상에 최종 착륙하기 위해 낙하산을 펼치게 된다. |
물론, 실제로 화성 비행이 이루어지기까지는 수많은 공학적 요건들이 충족되어야만 한다. 특히 수명 연장 및 방사능 차단 같은 분야가 바로 그런 예들이다.
화성까지의 비행은 2020년이 지나고도 한참 후에나 가능해질 것 같다. 그리고 CEV가 족히 10년 넘게 활동한 시점에나 실현될 수 있을 것이다.
그러나 나사 및 관련 하청 업체들에 따르면, CEV는 우주왕복선의 가장 큰 문제점인 노후화를 걱정하지 않아도 된다고 한다. CEV는 여러 가지 기술적 부분들을 한데 조합해 놓은 것이기 때문에 추후, 최신 첨단기술을 접목시키기가 훨씬 더 용이하다는 것이다.
여전히 남아있는 과제
우주 여행에 대한 열망으로 들떠 있는 사람들 중에는 달을 거치지 않고 곧장 화성으로의 비행을 주장하는 이들도 있다. 또 기술적 한계를 밀어붙이며 새로운 방안을 모색해야 한다는 사람들도 있다.
하지만 그런 주장들은 그 실현 가능성이라는 벽 앞에서 맥없이 고개를 숙이고 만다. 오랜 세월, 묵묵히 우주 여행의 꿈을 키워온 사람들일수록 그리핀 국장의 캠리 접근방식이 나사가 주어진 예산내에서 사업을 추진시킬 수 있는 최선의 방법이라는데 동의하고 있다.
그렇다고 해서 이 사업이 아무런 문제없이 순조롭게 출발할 것이라는 말은 아니다. 우주왕복선에서 CEV로의 전환에만도 수많은 예산 문제들이 산적해 있다. 나사측은 2010년경에 우주왕복선 사업에서 완전 철수할 계획이다.
그로부터 2년 후, CEV가 처음으로 궤도진입 임무를 수행하게 된다. 이 2년이라는 시간동안, 나사 내부적으로 수많은 실직이 발생할 수 있다. 그러나 현재 나사 전체 예산 가운데, 우주왕복선이 거의 대부분을 차지한다 해도 과언이 아니다.
그리고 이렇게 우주왕복선 프로젝트에 재정이 집중되다 보면 결국 CEV 사업은 예산이 부족하게 된다.
향후 5년에 걸쳐 수행하게 될 유인우주선 사업 예산만 하더라도 이미 50억 달러의 차질이 불가피하다고 미 의회는 내다보고 있다. 백악관과 미 의회에서 예산을 증액하지 않는 한, 자금 부족으로 CEV 사업은 몇 년씩 연기될 수밖에 없다.
하지만 CEV가 예정대로 발사된다 하더라도 나사는 달 탐사에 필요한 예산 확보가 어렵기는 마찬가지다. 그런데도 나사는 이 사업을 추진하고 있다. 지금까지 수행했던 어떤 유인 탐사 프로젝트 가운데서 가장 현실성 있는 복안이기 때문이다.
영구 거주
재임 초기, 그리핀 국장은 일부 엔지니어링 분야에서 나사가 세계적으로 단연 최고라고 주장했다.
그 후, 그는 재빨리 하청업체에 CEV 설계 작업을 위임하기로 한 이전 계획을 번복하면서 나사에서 직접 CEV의 기본 설계안을 지시하게 하고 액화산소/메탄 로켓, 낙하산, 승무원 탑승 캡슐 디자인 같은 핵심 작업에 착수케 했다.
록히드 마틴과 노스롭 그루먼-보잉 팀은 대부분의 경우, 혁신적 측면이 아닌 과거 우주비행 관련 기록 및 비용효과 측면에서 각자 사업계획을 놓고 경쟁을 벌이고 있다.
그렇다고 해서 모든 문제가 해결된 것은 아니다. 몇 가지 문제점들이 여전히 남아있는데 예를 들면, CEV 캡슐이 강하할 때 낙하산만을 이용할 것인지, 아니면 역추진 로켓 또는 에어백을 사용할 것인가 하는 것들이다.
“이 모든 전체 프로젝트가 경주처럼 진행되지 않는다. 그냥 이 모든 것은 한꺼번에 이루어지는 것이다. 이 일은 우주 공간 및 달에서의 체류 기간을 확대하고 궁극적으로 화성 탐사를 위한 토대를 구축하는 작업이라고 할 수 있다.” 노스롭 그루먼 CEV 팀을 이끌고 있는 더그 영(Doug Young)의 말이다.
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