아직은 ‘부자들의 전유물’ 무중력 체험…대체재 없을까?

준궤도 비행은 포물선 그리는 단거리 탄도 미사일 비슷
궤도 비행은 관성으로 지구 계속 도는 인공위성과 같고
지구 지점간 잇는 로켓 비행은 대륙간 탄도 미사일 비견
미래 운송수단 꼽히는 하이퍼루프로도 무중력 체험 가능

7월11일(현지시각) 버진갤럭틱의 유니티 우주선에서 무중력 체험을 하고 있는 리처드 브랜슨 회장 일행. 버진갤럭틱 제공

7월11일(현지시각) 민간 우주비행 회사인 ‘버진 갤럭틱’은 창업주 리처드 브랜슨과 조종사를 포함해 모두 6명을 태운 유인 우주선 ‘VSS 유니티’(Virgin SpaceShip unity)의 우주비행에 성공했다. 우주선은 86km 높이까지 도달하고 4~5분 동안의 무중력 체험을 하면서 민간 우주비행사업이 다시 본격적으로 시작되었음을 알렸다. 7월20일에는 우주선 제조 및 우주비행 회사인 ‘블루 오리진’의 ‘뉴 셰퍼드(New Shepard)’ 유인 우주선이 우주비행을 할 예정이다. 100km이상 고도까지 상승하는 것을 목표로 한다.

두 회사가 제공하는 우주비행은 80km 또는 100km 이상 고도까지 올라갔다가 그대로 내려오는 준궤도(suborbital) 우주비행 또는 탄도(ballistic) 우주비행 방식이다. 비행시간은 로켓 추진이 시작된 후부터 약 10분 정도로 비교적 짧은 편이다. 높은 고도의 우주에서 지구를 보고 무중력을 체험하는 것이 두 우주비행 상품의 주된 목적이다.

이미 2001년에서 2009년 사이에 민간인이 국제우주정거장(ISS: Internationl Space Station)에서 며칠간 머물다 돌아오는 ‘우주관광’이 모두 여덟 차례 있었다. 러시아의 소유스 우주선을 타고 갔던 이 우주관광은 400km 고도의 우주에서 계속 지구 주위를 도는 궤도(orbital) 우주비행 방식이다. 이 우주관광에 참가한 이들은 짧게는 8일 길게는 14일간 우주에 머물렀고, 당시 가격으로 2천만달러에서 3500만달러의 관광 비용을 지불했다. 올해 말부터 스페이스엑스의 우주선과 러시아의 우주선을 타고 가는 우주관광이 다시 시작되는 것으로 알려졌다.[1]

▶관련 읽을 거리: 무중력-저중력 어떻게 만들고 어떻게 느낄까? (한겨레 사이언스온 http://scienceon.hani.co.kr/268697)

그림 1. 궤도 우주비행과 준궤도 우주비행 비교. 국제우주정거장(ISS: International Space Station)에 며칠 동안 머무는 궤도 우주비행은 고도 400km를 유지하면서 지구 주위를 돈다. 귀환 모듈을 타고 지구로 돌아오지 않는 이상 우주에 계속 머무를 수 있다. 준궤도 우주비행(또는 탄도 우주비행)은 100km 이상(버진갤럭틱 여행상품은 80km 이상)의 고도까지 올라갔다가 바로 다시 내려오는 비행이다.

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단거리 탄도 미사일과 인공위성

준궤도 우주비행 방식은 단순히 높은 고도에 올라갔다가 내려온다는 점에서 탄도 미사일과 비교된다. 최고 상승 높이가 100km를 조금 넘는 수준이어서, 비행궤적만 보면 단거리 탄도미사일(SRBM: Short-Range Ballistic Missile)의 비행궤적과 비슷하다. 수평과 수직으로 움직이는 거리가 비교적 짧기 때문에, 우주에서 추진력 없이 관성으로만 날아가는 구간에서는 거의 포물선 모양의 궤적으로 움직인다. 정확하게는 타원 모양의 맨 끄트머리에 해당하는 모양이다. 이 구간에서 승객들은 우주선과 같이 자유낙하를 하기 때문에 무중력 상태를 경험한다.

한편 궤도 우주비행은 로켓 추진력 없이 지구 주위를 계속 돈다는 면에서 인공위성과 비교된다. 로켓 추진은 발사할 때 주로 사용하고, 목표한 우주 고도와 속도에 도달한 이후부터는 로켓 추진을 사용하지 않고 관성으로만 날아가면서 지구 주위를 돈다. 고도를 수정하기 위한 특별한 상황에서만 추진체를 사용한다. 400km 상공을 도는 인공위성 또는 우주선의 속도는 초속 7.7km에 이른다. 인공위성이 지구 중력에 끌려 지구로 떨어져도 빠른 속도로 움직이는 인공위성 아래의 지구도 같이 휘기 때문에, 인공위성은 계속 비슷한 고도를 유지하면서 지구 주위를 돈다.

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대륙간 탄도 미사일의 비행 방식

단거리 탄도 미사일과 인공위성 사이를 잇는 중간 과정으로 대륙간 탄도 미사일(ICBM:Inter-Continental Ballistic Missile)이 있다. 사실상 인공위성을 날려 보낼 수 있는 기술이지만, 지구 주위를 돌지 않고 5500km 이상의 아주 먼 거리까지 날아가 떨어지는 비행 방식이다. 발사 후 처음 수분간은 로켓 추진력으로 속도를 초속 6km 이상으로 높이고 계획한 각도로 방향을 잡는다. 이후 추진력 없이 관성으로만 날아간다. 목표지점에 가까워지면서 고도가 낮아져 대기권에 진입하고 수 분 후 목표지점을 타격한다. 우주에서 로켓 추진 없이 관성으로만 날아가는 미사일의 궤적은 타원의 일부 모양이다.

북한이 2017년 11월28일에 시험 발사한 화성 15호의 경우 최대 고도 4475km에 이르렀고 지구상에서는 950km를 날아갔다. 시험발사때 상승고도와 지표면 도달거리를 측정하면 실제 상황의 최대 사정거리를 추정할 수 있다. 간단한 모델로 계산한 2017년 당시의 화성15호의 최대 사정거리는 1만km에 이른다. 미국의 참여 과학자 모임(UCS: Union of Concerned Scientists)은 화성 15호의 최대 사정거리가 1만3000km에 이르러 미국 본토 전역이 사정거리 안에 있다고 보았다.[2]

그림 2: 간단한 모델로 계산한 최대 사정거리 10000km인 대륙간 탄도 미사일의 비행궤적: 장축의 길이가 10873km이고 단축의 길이가 9895km인 타원의 일부 모양이다. 초기속도는 초속 7.2km에 이르고 최대 고도는 1320km에 이른다. 비행시간은 32분11초다. 공기저항 없이 초기속도로만 계산하는 가장 단순한 모델을 사용했다. 실제 상황에서는 발사 때 로켓 추진으로 속도를 높여 대기권을 뚫고 나가는 과정과 목표지점을 타격할 때 대기권을 뚫고 들어가는 과정이 있어서, 비행시간은 좀 더 길고 궤적에도 약간의 차이가 있다.

대륙간 탄도 미사일이 비행하는 방식과 비교할 만한 유인 우주비행 방식이 있을까? 스페이스엑스의 일론 머스크는 스타십이라는 대형 우주선을 이용해 대륙 사이를 이동하는 신개념 이동방식을 제시했다. 일명 ‘지구에서 지구로’(Earth to Earth) 방식이다.[3] 로켓 추진체로 발사해서 우주로 나간 다음 목표지점에 도달할 즈음 대기권에 진입해 착륙하는 비행 방식으로 대륙간 탄도 미사일과 사실상 같은 비행 방식이다. 사람이 타고 가기 때문에 목적지에 도착할 때 속도를 줄여 사뿐히 착륙한다는 점이 대륙간 탄도 미사일과는 다른 점이다.

‘지구에서 지구로’ 비행 방식이 실현된다면, 관성으로만 날아가는 우주비행 구간에서 무중력 상태를 경험할 수 있다. 약 1만1100km 거리의 뉴욕과 서울(인천) 사이의 이동시간은 40분 정도이며 약 30분 동안 무중력을 체험할 수 있다. 지구에서 가장 먼 거리인 20000km 떨어진 곳까지는 50분이면 갈 수 있는데, 이 경우는 약 40분 동안 무중력을 체험할 수 있다. 이 말은 곧 대륙간 탄도 미사일도 전 세계 어디든지 발사 후 1시간 안에 타격할 수 있다는 얘기도 된다.

그런데 문제는 가격이다. 10분 정도의 비행에 4분 정도 무중력을 체험하는 준궤도 우주관광 상품가격이 2억원을 훌쩍 넘는다는 것을 고려하면, ‘지구에서 지구로’ 방식의 초기 우주관광 상품가격은 이보다 훨씬 비쌀 것으로 보인다.

그림 3. ‘지구에서 지구로’(Earth to Earth) 방식의 비행궤적. 스페이스엑스 유튜브 동영상 갈무리

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저렴한 가격에 무중력 체험을 하려면?

수백억원이 드는 궤도 우주비행 방식의 우주관광은 고사하고 2억원이 넘는 준궤도 우주비행 방식의 우주관광도 단순히 부자라고 해서 선뜻 지불하고 참여할 만한 가격의 상품이 아니다. 하지만 단순히 무중력 체험이 목적이라면, 국제선 비즈니스석 수준의 가격으로 무중력 체험을 할 수 있는 상품으로 제로-G (Zero-G)라는 무중력 체험 상품이 있다.

지구위에서 수km 이내의 짧은 거리와 높이로 올라갔다가 떨어지는 자유낙하의 궤적은 포물선 모양이다. 제로-G는 개조한 여객기로 1만km 이하의 상공에서 포물선 모양의 자유낙하 궤적으로 비행해서 비행기 안에 무중력 상태를 만들어 경험하게 하는 상품이다. 한 번의 포물선 비행에 무중력을 경험할 수 있는 시간은 10~20초에 불과하지만, 한번 이륙한 후 착륙할 때까지 여러 번의 포물선 비행 무중력 체험을 할 수 있다. 포물선 비행궤적을 조절해서, 달과 화성의 중력처럼 저중력을 체험할 수도 있다. 가격은 한번 비행에 700만원이 넘는 수준이다.[4]

그림 4. 20초 동안 무중력 체험을 할 수 있는 하이퍼루프. 위 그림: 고중력 구간(중력가속도 2g)에 진입할 때의 속도가 시속 1000km일 때, 20초 동안의 무중력 체험 전후로 10초씩의 고중력 구간이 필요하다. 총 수평거리는 10.13km이고 출발지점과 비교한 최고 높이는 980m다. 아래 그림: 하이퍼루프의 상상도 (아래 그림 출처: Neuhausengroup (Wikimedia Commons))

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하이퍼루프를 이용한 무중력 체험

비행기를 타지 않고 포물선 자유낙하를 할 수 있는 방법은 없을까? 2012년에 일론 머스크가 언급하면서 대중의 관심을 받은 하이퍼루프라면 가능하다.

하이퍼루프는 거의 진공상태를 유지하는 튜브 속을 ‘캡슐'(capsule) 또는 ‘포드’(pod)라고 불리는 차량이 최대 시속 1200km 고속으로 달리는 미래의 이동방식이다.[5] 튜브 안의 공기 압력은 1기압의 천분의 1 수준으로 성층권과 중간권의 경계인 50km 상공에서의 기압과 비슷하다. 이때문에 캡슐이 공기저항을 거의 받지 않고 시속 1000km 이상의 속도로 움직일 수 있다. 지금은 실험단계로 일반인들이 실제 교통수단으로 이용할 수 있을지는 아직 미지수다. 하지만 하이퍼루프가 실현된다면, 포물선 모양의 하이퍼루프 터널을 지상에 만들어서 제로-G의 포물선 자유낙하 비행과 비슷한 무중력 체험을 할 수 있다.

캡슐이 포물선 모양의 자유낙하에 진입하려면 수평으로 달리는 캡슐의 주행 방향을 어느 정도 위로 향하게 해야 한다. 방향을 바꾸는 동안 캡슐 안에는 인공중력이 생기면서 중력이 커지는 고중력 상태가 된다. 캡슐에 타고 있는 사람이 큰 불편함이 없도록 방향을 바꾸는 정도를 조절해 인공중력의 크기가 너무 커지지 않게 할 필요가 있다. 캡슐이 움직이는 방향이 계획한 각도로 위로 향하게 되면 방향 바꾸는 것을 멈추고, 포물선 모양의 자유낙하로 진입한다. 이때부터 캡슐 안은 무중력 상태가 된다. 포물선 자유낙하 궤적이 끝나는 지점부터는 캡슐이 움직이는 방향을 서서히 수평 방향으로 바꾼다. 이때 캡슐 안은 다시 중력이 더 커지는 고중력 상태가 된다. (그림 4)

무중력 체험시간에 따른 하이퍼루프의 최고 높이는 <표1>에서 확인할 수 있다. 캡슐의 속도는 시속 1000km이고 고중력 구간에서 느끼는 중력의 크기는 지표면 중력의 2배라고 가정했다. 지상에 건설하는 만큼, 미리 계산한 포물선 모양에 가까운 산을 골라 그 위에 하이퍼루프 터널을 건설할 필요가 있다. 한국 지형에서는 출발지점과 비교해 최대 높이가 981m인 하이퍼루프를 건설해 20초 연속 무중력 체험하는 것을 상상해 볼 수 있다. 수천m 높이의 높은 산들이 있는 나라에서는 30초 연속 무중력 체험이 가능한 하이퍼루프도 상상해 볼 수 있다.

윤복원/미국 조지아공대 연구원(전산재료과학센터·물리학)

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주:

[1] "As early as late 2021, SpaceX may fly its first all-civilian Dragon mission", Eric Berger, 2021년 2월 1일, ARS Technica.

"Japanese billionaire, Russian actress to fly to ISS", Jeff Foust, 2021년 5월 13일, Spacenews.

[2] ‘North Korea says new missile puts all of US in striking range’, BBC news, 2017년 11월 29일, https://www.bbc.com/news/world-asia-42162462

[3] Starship | Earth to Earth, https://www.youtube.com/watch?v=zqE-ultsWt0

[4] 제로-G 웹사이트, https://www.gozerog.com/home/

[5] "Beyond the hype of Hyperloop: An analysis of Elon Musk's proposed transit system",

Brian Dodson, New Atlas, 2013년 8월 22일, https://newatlas.com/hyperloop-musk-analysis/28672/