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우주선이란?
이번시간에는 우주선과 우주선의 궤도 진입과정에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
우주선(Spacecraft)은 우주를 탐사하거나 특정 임무를 수행하기 위해 설계된 비행체입니다. 과학 연구, 통신, 정찰, 우주 정거장 보급, 인간 탐사 등 다양한 목적을 수행합니다.
우주선은 유인 우주선과 무인 우주선으로 나눌 수 있으며, 행성 탐사, 궤도 운행, 심우주 탐사 등 여러 임무를 수행하도록 설계됩니다.
우주선의 주요 유형
유인 우주선
인간이 직접 탑승하여 조작하거나 탐사를 수행하는 우주선입니다.
• 아폴로 (Apollo): 1969년 인류 최초로 달 착륙 성공
• 소유스 (Soyuz): 현재까지 사용 중인 러시아 유인 우주선
• 스페이스X 드래곤 (Crew Dragon): 민간 기업 최초의 유인 우주선
유인 우주선은 생명 유지 시스템과 방사선 보호, 탈출 장치가 필수로 탑재됩니다.
무인 우주선
인간 없이 자동화 시스템으로 운행되며, 원격 조종이 가능합니다.
• 보이저 1호·2호 (Voyager 1 & 2): 태양계를 벗어난 최초의 인류 탐사선
• 허블 우주망원경 (Hubble Space Telescope): 우주를 관측하는 대표적인 망원경
• 퍼서비어런스 (Perseverance): 화성 탐사 로버
무인 우주선은 다양한 환경에서 오랜 기간 운용될 수 있도록 내구성과 자율성을 극대화해야 합니다.
궤도 우주선 (Orbital Spacecraft)
지구 또는 다른 천체의 궤도를 돌면서 임무를 수행하는 우주선입니다.
• 국제우주정거장(ISS): 지구 저궤도를 도는 유인 연구 시설
• GPS 위성: 위치 정보를 제공하는 인공위성
궤도 우주선은 연료를 절약하기 위해 지구 중력과 공전 속도를 활용하는 것이 중요합니다.
착륙선 & 로버 (Lander & Rover)
천체 표면에 착륙하여 탐사를 수행하는 우주선입니다.
• 아폴로 11호 착륙선 (Eagle): 최초의 달 착륙선
• 큐리오시티 (Curiosity): 화성 탐사 로버
✅ 팁:
천체의 대기와 중력을 고려하여 착륙 시스템(패러슈트, 역추진 로켓 등)을 최적화해야 합니다.
우주선의 주요 구성 요소
우주선의 설계에서 가장 중요한 요소는 무게 절감입니다. 연료 절약을 위해 경량화된 소재와 최적의 경로가 필수적입니다.
미래 우주선 기술
미래의 우주선은 더 빠르고 효율적인 추진 기술과 재사용 가능성이 높은 설계를 목표로 발전하고 있습니다.
주요 개발 방향:
• 핵 추진 엔진 (NTP, Nuclear Thermal Propulsion): 화성까지 3~4개월 내 도달 가능
• 광범위 재사용 가능 우주선: 스페이스X 스타쉽(Starship)과 같은 다목적 우주선
• 자율 AI 조종 시스템: 우주선 스스로 장애물을 회피하고 탐사 가능
우주선 발사 및 궤도 진입 과정
우주선이 우주로 가기 위해서는 강력한 추진력이 필요하며, 이를 위해 다단계 로켓을 이용합니다. 발사 후 중력과 대기 저항을 극복하고 목표 궤도에 진입하는 과정은 매우 정교한 계산을 필요로 합니다.
우주선 발사 과정
우주선이 우주로 가는 과정은 여러 단계로 나누어집니다.
① 발사 전 준비
• 발사 전 점검: 연료 주입, 시스템 점검, 날씨 확인
• 발사대 고정 장치 해제
기상 조건이 나쁘거나 기술적 문제가 발생하면 발사가 연기될 수 있습니다.
② 1단 로켓 점화 및 이륙
• 강력한 추진력을 내는 1단 로켓이 점화됨
• 중력을 극복하고 수직 상승
로켓이 충분한 속도를 얻을 때까지는 수직 상승하지만, 이후 공기 저항을 줄이기 위해 점차 기울어집니다.
③ 공기 밀도가 낮아지는 상층 대기 도달
• 약 10~20km 고도에서 로켓은 공기 저항이 감소하여 더 빠르게 가속
• 음속 돌파: 마하 1을 넘어 초음속 진입
이 시점에서 기체 구조에 강한 압력이 작용하므로 내구성이 중요한 요소가 됩니다.
④ 1단 로켓 분리
• 연료를 다 사용한 1단 로켓은 분리되고, 2단 로켓 점화
• 1단 로켓은 대기권으로 재진입하여 바다에 떨어지거나, 재사용 가능한 경우 착륙
스페이스X의 팰컨 9(Falcon 9)처럼 재사용 로켓은 착륙 후 다시 활용됩니다.
⑤ 2단 로켓 작동 및 속도 증가
• 2단 로켓이 점화되어 추가 가속
• 우주선이 시속 28,000km(7.8km/s)에 도달해야 지구 궤도에 안착 가능
이 속도를 “제1 우주속도”라고 하며, 이를 넘지 못하면 다시 지구로 추락합니다.
⑥ 페이로드 페어링 분리
• 우주선이 대기권을 벗어나면 보호 덮개(페어링) 제거
• 위성이나 탐사선이 노출됨
페어링을 제거하면 무게가 줄어들어 연료 소모를 줄일 수 있습니다.
⑦ 최종 궤도 진입
• 로켓 엔진 종료 후 관성에 의해 궤도 유지
• 미세 조정을 위해 궤도 수정 엔진 가동
정확한 궤도에 도달하지 못하면 추가적인 궤도 조정이 필요합니다.
우주선 궤도 진입 방식
우주선은 임무에 따라 다양한 궤도로 진입합니다.
임무에 따라 최적의 궤도를 선택해야 하며, 정확한 궤도 삽입이 이루어지지 않으면 임무 실패로 이어질 수 있습니다.
궤도 유지 및 이동
우주선이 궤도를 유지하거나 다른 천체로 이동하려면 추가적인 추진력이 필요합니다.
• 궤도 유지: 소형 추진기를 이용해 자세 조정
• 궤도 변경: 호만 전이(Hohmann Transfer) 등의 방법 사용
연료가 제한적이므로 최대한 효율적으로 궤도 변경을 수행해야 합니다.
궤도 이탈 및 우주 탐사
우주선이 지구 궤도를 벗어나 행성 탐사를 위해 출발할 때는 더 빠른 속도가 필요합니다.
• 제2 우주속도 (약 11.2km/s): 지구 중력을 벗어나는 속도
• 제3 우주속도 (약 16.7km/s): 태양계를 벗어나는 속도
행성의 중력을 이용하는 “중력 도움(Gravity Assist)” 기술을 활용하면 연료 없이 가속할 수 있습니다.
우주선이 발사되어 궤도에 진입하는 과정은 1단 로켓 점화 → 1단 분리 → 2단 로켓 가속 → 궤도 삽입 순서로 진행됩니다. 이 과정에서 정확한 속도와 방향 조정이 필수적이며, 연료 효율성을 극대화하는 것이 중요한 과제입니다.