[기획] 달을 넘어 화성까지... 오리온 우주선 4일 첫 도전

아폴로 계획은 인류를 달에 보낸 것 이외에도 우주항공 분야에서 미국의 적수는 없다는 것을 세계에 알린 하나의 이정표였다. 그러나 그 후 45년간 인류는 달을 넘어 더 먼 우주로 나가기는커녕 다시 달에도 가지 못하고 있다. 심지어 인류의 달 착륙 자체가 사기라는 음모론까지 나오는 실정이다. 미국과 미국항공우주국(NASA)으로서는 자존심을 구기는 일이 아닐 수 없는데, 여기에 종지부를 찍고 인류를 달 너머로 실어나를 차세대 우주선이 테스트를 준비하고 있다.

▲ '인류 달 착륙은 사기' 음모론속 첫번째 비행 테스트

인류를 달 너머 저 멀리 우주로 보낼 차세대 우주선의 이름은 오리온(Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV))이다. 미국 현지시간으로 2014년 12월 4일 이 우주선이 첫 번째 비행 테스트를 시도한다.

오리온 우주선은 과거 미국 우주 과학의 자존심이었던 우주 왕복선(Space Shuttle)의 후속으로 개발된 것이다. 우주 왕복선은 멋진 외관과는 달리 실제로는 여러 가지 문제점을 안고 있었다. 일단 그 태생부터가 본래 목표와는 거리가 멀었다.

▲ 우주 왕복선 잇단 인명 희생 '실패'

본래 나사가 1970년 아폴로 프로그램을 종료하고 계획했던 것은 일회용 로켓을 대신할 반복 사용 우주선이었다. 비싼 로켓을 한 번 쓰고 버리니 비용이 너무 많이 든다고 여긴 나사는 여러 차례 반복 사용이 가능한 어미-자식형 로켓을 개발하려고 했다. 항공기의 형태를 한 대형 로켓에 이보다 작은 로켓이 올라타고 우주로 화물을 실어나르는 구상이었다. 이 경우 버리는 부분 없이 모두 재활용이 가능했다. 또 각 로켓은 항공기 수준으로 유지 보수가 간단해 유지비가 적게 든다는 구상을 하고 있었다.



하지만 1970년대 베트남 전쟁과 인플레, 석유파동 등을 겹치면서 예산 확보가 불투명해졌고 결국 계획을 대폭 수정할 수밖에 없었다. 최종적인 디자인은 결국 우리에게 친숙한 우주 왕복선의 모습으로 결정되었다. 이 디자인은 오비터라고 부르는 왕복선과 고체 로켓 2기는 재사용하고, 거대한 주황색의 연료 탱크는 일회용으로 사용하고 버리는 것이었다.

그런데 이 디자인은 구조가 너무 복잡했다. 우주 왕복선을 한번 발사하기 위해서는 거의 우주선을 새로 조립하는 수준의 노동력과 시간이 투자되었으며 비용 역시 천정부지로 뛰어올랐다. 그 결과 아이러니하게도 발사 비용을 낮추기 위해 막대한 예산을 투입해서 개발된 우주 왕복선이 오히려 기존의 로켓보다 더 비싸졌다.

하지만 더 당혹스러운 문제는 사고였다. 우주 왕복선은 135회의 임무 동안 2차례의 사고를 일으켜 탑승한 우주 비행사 전원이 사망했다. 우주 왕복선은 만약 사고가 나는 경우 비상 탈출 방법이 없었고, 단순 화물 수송 임무에도 사람이 탑승해야 하는 구조로 되어 있어 사고 시 물자만 잃는 게 아니라 인명까지 같이 희생당했다.

나사는 새로운 우주 수송 수단이 필요하다는 사실을 인정할 수밖에 없었다. 그래서 10여 년 전 새로운 방식의 로켓인 SSTO(Single Stage to Orbit)를 개발하고자 시도했으나 기술 및 예산 부족으로 중간에 포기했다. 이 실패를 딛고 우주 왕복선과 아폴로 우주선의 유산을 최대한 다시 활용한 우주선이 바로 오리온 우주선과 SLS(Space Launch System)이다.

▲ 오리온 우주선의 탄생

오리온 우주선은 그 외형에서 아폴로 우주선의 사령선과 유사하게 생겼다. 사실 재사용이 가능하다는 점을 제외하면 여러 가지 면에서 닮은꼴 우주선이다. 높이 3m, 지름 5m의 원뿔형 우주선인 오리온은 사실 아폴로 우주선과 같은 방식으로 낙하산을 써서 지구에 착륙한다. 오리온 우주선은 약 8t 정도 무게를 가지고 있으며 4명 정도의 우주 비행사가 탈 수 있는 공간이 있다. 이 우주선에 여러 가지 서비스 및 임무 모듈이 장착되어 임무를 수행한다. (세번째 사진 참조)

외형만 보면 사실상 우주 왕복선보다 퇴보한 것이 아닌가 하는 의구심도 들지만 실제로는 그렇지 않다. 나사가 다시 이 오래된 디자인을 되살린 것은 비상 탈출 시스템을 위한 것이다. 오리온 우주선을 발사 시에 마치 고깔모자 같은 구조물을 그 위에 올리는데 이는 비상 탈출 시스템이다. 로켓이 발사되는 과정에서 뭔가 이상이 감지되면 신속하게 이 비상 탈출 시스템의 로켓 작동해서 우주 비행사가 탑승한 오리온 우주선 부분만 분리한다. 그 후 오리온 우주선은 우주 비행사를 안전하게 태우고 지구로 귀환하면 되는 것이다.



이 오리온 우주선은 아폴로 우주선과 비슷하게 여러 가지 형태의 서비스 모듈 및 다른 우주선들과 결합할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 이 중에는 유인 화성 탐사 임무를 위한 우주선도 있고 알테어(Altair)라는 이름의 달 착륙선도 있다. 다만 현재까지 차기 유인 미션의 목표는 확정되지 않았다. 그러나 달에 갔다 온 이상 다음 목표는 그 너머의 화성이 될 가능성이 높다고 하겠다.

▲ 험난했던 로켓 개발... 좌절 연속

이 오리온 우주선은 본래 아레스 I(Ares I)이라는 로켓으로 실어나를 계획이었다. 아레스 I 로켓은 본래 우주 왕복선 양옆에 탑재되었던 대형 고체 로켓 부스터(SRB, Solid Rocket Booster)를 개조한 것으로 이 역시 재활용이 가능하게끔 디자인되었다. 다만 이 중형 로켓으로 인류를 화성까지 실어나를 수는 없으므로 또 다른 대형 로켓을 개발되었는데 아레스 V(Ares V)라는 이름을 가지고 있었다. 아레스 V는 너무 거대해서 다시 회수해서 재활용하는 것은 고려하지 않았다.



나사가 두 가지 로켓을 동시에 개발한 건 물론 우주 왕복선의 교훈 때문이었다. 화물 수송 임무도 사람이 탑승하는 우주 왕복선을 사용한 결과 실제로 실어나를 수 있는 화물도 적었고, 한번 사고가 나면 귀중한 인명이 모두 희생되었다. 화물 수송용 로켓을 따로 만들면 이와 같은 문제는 해결이 가능할 것으로 여겨졌다.

그러나 먼저 테스트 된 아레스 I 로켓부터 문제를 일으켰다. 고체 로켓 부스터는 본래 우주 왕복선 연료 탱크 양옆에 탑재하기 위해 개발된 만큼 사실 단독으로 1단 로켓으로 사용하기에는 부적합하다는 사실이 밝혀졌다. 진동과 안전성 문제가 제기되면서 2009년에 첫 번째 비행 테스트에서 성공했다는 사실은 퇴색되었다.

여기에다 2008년 이후 국제 금융 위기가 닥치고, 미국 연방 정부 적자가 눈덩이처럼 불어나면서 아레스 로켓과 오리온 우주선을 포함한 콘스텔레이션 계획(Constellation Project)은 사실상 좌초되었다. 예산이 없는 상황에서 나사는 차세대 우주 개발 계획을 포기하든지, 아니면 새로운 대안을 제시하든지 하는 선택의 갈림길에 서게 되었다.

▲ 지구 공전한 후 지구 대기권에 재진입 테스트

몇 차례의 우여곡절을 겪은 끝에 나사가 제시한 '더 저렴한' 대안은 두 개의 로켓 대신 하나의 로켓을 개발하는 것이었다. 그것도 가능한 우주 왕복선을 활용하는 방식이었다. 이 로켓의 이름은 SLS(Space Launch System)이다. 나사는 개발 비용 및 시간을 줄이기 위해서 우주 왕복선의 연료 탱크와 RS-25D/E 엔진을 사용하는 방식이 사용했다. (물론 그대로 사용하는 것은 아니고 상당부분 개조될 예정이다)

과거 우주 왕복선에 사용되던 고체 로켓 부스터는 역시 SLS의 양옆에 탑재되어 비용을 절감하게 된다. 다만 엄밀하게 말하면 여기에는 아레스 로켓의 유산이 들어가게 된다. 즉 아레스 I을 개발하는 데 사용되었던 5단 고체 로켓 부스터가 탑재되는 것이다. 이 로켓 부스터는 기존의 셔틀의 4단 부스터보다 더 강력하다.

본래 우주 공간에 화물(인간을 달 너머로 보내기 위한 우주선과 착륙선을 포함)을 수송할 대형 로켓과 오리온 우주선을 발사할 중형 로켓 두 가지를 개발하는 계획은 수정되어 코어 스테이지라고 명명된 1단 로켓과 고체 로켓 부스터는 공유하고 2단 로켓 이상 부위를 달리하는 방식이 사용된다. 비효율적이긴 하지만 두 개의 로켓을 개발할 예산이 없는 상태에서는 고육지책이라고 할 수 있다. 대신 SLS는 화물과 오리온 우주선을 발사하는 페이로드 70t급, 105t급, 130t급 등 여러 버전이 있다.



▲ 나사의 '유인 우주 탐사'로 이어질까

그런데 오리온 우주선은 아레스 로켓과는 별도로 순조롭게 진행되어 2014년에 최종 우주 비행 테스트를 진행할 수 있게 되었다. 문제는 이를 탑재할 SLS가 아무리 빨라도 2018년 첫 테스트 비행을 하게 되어 있다는 것이다. 이런 문제에 대비해서 나사는 대비책을 가지고 있는데, 그것은 현재 나사가 사용할 수 있는 가장 큰 로켓인 델타 IV 헤비 로켓을 사용하는 것이다.

오리온의 첫 번째 비행 테스트인 Exploration Flight Test-1(EFT-1)은 SLS 대신 델타IV 헤비 로켓이 사용된다. 이 테스트 비행에서 오리온 우주선은 지구 주변을 공전한 후 지구 대기권에 재진입해서 발사 및 대기권 재진입이 가능한지 테스트하게 된다. 단 승무원이 탑승하지 않은 무인 테스트이다.



이 임무는 과거 아폴로 계획에서 아폴로 4호가 1967년 담당했던 임무와 유사하다. 다음 단계 테스트는 2018년쯤에 진행될 EM-1(Exploration Mission 1)으로 오리온 우주선과 SLS가 결합해서 우주선을 달까지 수송하게 된다. 단 착륙은 하지 않고 달을 한 바퀴 돌고 오게 되는데, 이런 점에서 1968년의 아폴로 8호와 같은 성격의 임무가 될 것이다. 물론 이 테스트를 진행하려면 우선 첫 번째 시험 비행에 성공해야 한다.

이번 테스트는 미국이 다시 달 너머로 인간을 보낼 수 있을지를 시험하는 첫 번째 무대가 되기 때문에 미국은 물론 전 세계의 이목이 쏠려 있다. 실패가 나사의 유인 우주 프로그램의 종말을 의미하지는 않겠지만, 중대한 차질이 생길 수는 있다. 과연 어떤 결과가 나올지 주목된다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com