위대한 여정 - 우주 탐사선

august 의 軍史世界  2005/10/05

1. 지금도 날고 있는

와우 !~ 우리 인간은 너무 잘났어 달도 가는데...

오래전 이런 말이 유행하였던 적이 있었습니다. 

"인간이 달에 가는 세상에" 

1969 년 아폴로 11호가 달에 다녀온 이후 우쭐하여진 인간들이 그 잘난 척을 과시하기 위해 나온 대표적인 말들 중 하나였습니다.  즉, 인간이 달에도 가는데 무엇인들 못하랴하는 만용의 극치였습니다.  

이후 Star Wars 씨리즈 처럼 광활한 우주가 배경으로 등장하는 영화를 보면 마치 항공기를 이용하여 대륙간 여행을 하는 것처럼 우주여행이 쉬운 것으로 묘사 되고는 합니다.

 

아마 앞으로는 이렇게 우주여행 할꺼야...

하지만 현재까지 이런 잘난 인간들이 지구를 벗어나 가장 멀리 가본 곳은 달이고, 인간이 만든 것 중 태양계를 벗어날 만큼 멀리 날려 보낸 비행체는 지구가 탄생하고 지금까지 단 4 개뿐입니다.

[ 최초로 태양계를 벗어나 비행하고 있는 파이오니어 10호 ]

이들 비행체는 발사순서대로 Pioneer 10 호,  Pioneer 11 호, Voyager 2 호, Voyager 1 호 입니다. 

비록 이들 무인 우주선들은 아폴로계획이나 우주왕복선등에 비해 덜 알려져 있고 일반인의 관심도 덜하지만 과학적 성과는 그 어떤 우주 개발 프로젝트보다 위대한 것이었습니다.

[ 우주탐사의 신기원을 이룩한 보이저 ]

비록 제가 엔지니어나 이 분야를 전공한 사람은 아니지만 Pioneer 와 Voyager의 위대한 여정에 관련된 글을 보면, 비록 무생물이지만 가슴 뭉클한 감동을 느낄 때가 한두 번이 아니었습니다. 

소형승용차보다 작은 조그만 우주 탐사체가 몇 십년의 세월 동안 묵묵히 자기 임무를 수행하였고, 앞으로도 몇 백년 아니 몇 백만년을 더 비행 할지 모르는 모험을 계속 하고 있기 때문입니다. 

[ 그들의 위대한 여정은 계속되고 있습니다 ]

위에서 언급한 4 개의 우주 탐사체는 흔히 말하는 것처럼 인공위성이 아닙니다. 

인공위성이라 함은 발사되어 지구같은 행성의 궤도를 도는 비행체를 말하는데 이들 우주선은 최초 계획부터 태양계를 벗어난 비행을 염두에 두고 제작되었기 때문입니다. 다시 말해 태양이라는 항성의 굴레를 벗어나기 위한 목적으로 제작되었습니다.

( * 명칭을 알기 쉽게 하자면 태양-항성, 지구-행성, 달-위성 )

[ 화성과 목성사이의 소행성대를 통과 하는 것은 상당히 어렵고 운도 있어야 합니다 ]

그러면서 이들 우주 탐사체는 이전 탐사선들이 가지 못하였던 소행성대 Asteroid Belt ( 화성과 목성사이에 존재하는 수많은 암석 행성띠로, 원래 화성과 목성사이에 있던 행성이었으나 폭발하여 파편형태로 존재하고 있다고 추정함 ) 너머에 있던 목성, 토성, 천왕성 등의 탐사도 목적으로 하고 있었습니다.

[ 파이오니어에 탑재 된 지구 안내도와 인사하는 인간의 모습 ]

그리고 태양계 저 너머 미지의 세계로 비행 도중 혹시 만나게 될지도 모를 고등 지식을 가진 외계인들을 위해서, 지구와 지구인에 대한 정보를 담은 백금 레코드판을 부착하고 있습니다.  한국말을 포함하여 디스크에 기록된 지구인들의 인사말은 미지의 외계인들에게 지구인들이 전하는 현재까지 유일한 기록매체입니다. 

이제부터 이들의 위대한 여정에 대해서 간략하게 알아보겠습니다.



2. 당대를 뛰어넘은 기술 

1972 년 3 월 2 일 40만 파운드의 추력을 가진 아틀라스 로켓이 무인우주선을 탑재하고 케이프 케너베럴 우주기지를 박차고 하늘로 솟아오릅니다.  그리고 지난 2003 년 1월 23일 NASA 는 어느 우주선이 임무가 끝났다고 공식 선언합니다. 

이 우주선이 바로 Pioneer 10호 였습니다.

 

  

[ 파이오니어 10호의 발사 모습 (좌)  / 보이저 1호가 촬영한 지구와 달이 함께 한 실사 ]

즉, Pioneer 10호 는 무려 30 여년이 넘는 세월 동안 묵묵히 자기 임무를 완수하였다는 이야기 입니다. 

하지만 그 임무라는 것은 이제는 Pioneer 10호와 지구간의 통신이 안 되는 것을 말하는 것이지 비행이 중단 되었다는 것은 아닙니다. 앞으로는 지구로의 간섭이나 보고 없이 미지의 세계로 단독 비행에 나서게 되었음을 의미하는 것입니다.

 

  

[ 보이저 탐사선에 탑재한 지구의 소리 디스크 (좌)와 지구 안내도 ]

Pioneer 10호는 앞전에 설명한 것처럼 태양계를 넘어서 비행하도록 계획된 최초의 우주선이었습니다.  그리고 이 과정중 위험지대인 소행성대를 통과하여 목성을 근접하여 탐사하도록 계획 되었습니다. 

그러기 위해서는 지금까지의 우주선과는 달리 여러 가지 새로운 기술이 필요하였습니다.

이때 개발된 기술은 이후 Voyager 뿐만 아니라 장거리 우주 탐사를 위해 필요한 원천 기술이 되며, 일부는 현재 우리의 실생활에도 영향을 미치고 있습니다.

[ 보이저 1호가 촬영 한 목성의 생생한 실사 ]

첫째, 동력의 문제였습니다.

일반적으로 기존 우주선은 태양전지판을 통하여 전력을 얻어 동력원으로 사용합니다만 비행 할수록 태양으로부터 멀어지는 Pioneer 10호는 기존의 방법이 무의미 하였고 몇 십년 이상을 작동하려면 획기적인 내부 동력원이 필요 하였습니다.

[ 대통령에게 선보인 소형 핵발전기 ( 1959 년 ) ]

그래서 개발된 것이 핵발전기였습니다. 소형 원자로를 탑재하여 적어도 향후 50 년간 동력원으로 사용 한다는 것이었습니다. 

비록 발사시 사고가 있을 경우 방사능 누출 위험성 등의 문제점이 제기 되었지만 사실상의 현실적인 대안이 없었고 그 점은 지금도 마찬가지 입니다. 다시 말해 아직까지도 이를 대체할만한 실제 운용 가능한 동력원을 인류는 실현시키지 못하였습니다.

둘째, 자기제어 自己制御 문제였습니다. 

달만 해도 통신으로 1~2초의 거리이기 때문에 만일 우주선에 문제가 발생하면 리얼타임 통제가 가능하지만 목성을 넘어서는 빛의 속도로도 5 시간 이상 걸리는 원거리 이므로 만약 우주선에 돌발적인 사고가 생길 경우 이를 지구에서 통제 한다는 것은 불나서 다 타고난 후 소방차가 출동하는 것과 같은 이치이기 때문입니다.

[ 파이오니어 10호의 구조도 입니다.  보이저도 상당히 유사한 형태로 제작 되었습니다 ]

 
때문에 당시 기술진은 AI ( 인공지능 )에 대해 연구를 하였고 이를 바탕으로 우주선에 발생한 문제는 스스로 알아서 해결하도록 프로그래밍 개발을 합니다. 

LISP 나 Prolog 같은 초기의 인공지능 프로그래밍 언어는 이런 연구 결과에 영향을 받은 것이며 최근 우리의 실생활에 많이 응용되고 있습니다.

셋째, 씨스템의 콤팩트화 문제였습니다. 

소형승용차보다 작은 우주선에 원자로를 탑재하고  각종 과학 측정기기 및 통신기기를 50년 이상 작동하려면 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어도 최대한 콤팩트 시킬 필요가 있었습니다.

[ 파이오니어와 보이저 탐사선과의 통신 안테나 모습 ]

오늘날이야 Giga Byte의 메모리와 고성능 CPU 가 별것 아니지만 Pioneer 계획이 처음 수립된 40 여년 전에는 상상도 못하던 이야기 입니다. 

때문에 극히 제한된 메모리와 CPU 능력을 고려하여 프로그램을 압축한다던지 그리고 압축된 상태로 지구에 데이터를 통신 보낸다던지 하는 기술이 필요하였는데, 이런 기술을 바탕으로 오늘날 휴대용 전자제품과 통신기기의 원천 기술이 확보 됩니다.

 

상상을 하여 보시기 바랍니다. 고성능 집적회로나 메모리의 개념도 미약하던 40 여년 전 이런 앞서간 연구를 진행하여 우주선에 접목시킨 당시 연구원들의 노고가 대탐사를 성공으로 이끌 수 있는 원동력이 되었지만 오늘날 우리 실생활에도 많이 이용되고 있습니다. 

이외에도 많은 놀라운 기술 연구가 있었지만 생략하겠습니다.




3. 개척자 Pioneer

요번 글의 주인공이 Pioneer 10호와 11호 이지만 일련번호에서 알 수 있듯이 Pioneer 씨리즈는 상당히 오래되고 그 성과 또한 훌륭한 프로젝트였습니다. 

Pioneer 계획은 1950 년대 중반 처음 구상되고 NASA 의 행성 간 탐사기구인 제트추진연구소 JPL 에서 실행을 주도 하였습니다.

[ 파이오니어 10호가 보내 준 목성의 실사 - 인류 최초의 경험이었습니다 ]

1958 년 10 월 11 일 달 궤도로 발사된 Pioneer 1호를 제외한다면, 프로젝트의 대부분은 지구 인근 행성들인 금성, 화성 등을 탐사하고 행성 간 입자 및 자기장효과를 측정하기 위한 목적을 가지고 있었습니다. 

대부분의 Pioneer 씨리즈는 금성 또는 화성과 지구 사이의 우주환경 관측을 위해 인공행성 괘도에 올라가 태양풍 및 우주선( 宇宙線 )에 대한 여러 자료를 관측하였습니다.

 

[ 10호, 11호 계획의 아버지 Herb Lassen ]

이러한 연구 결과를 바탕으로 이제까지 지구 인근의 행성들 사이의 탐사를 뛰어넘어 소행성대 밖으로 나가려는 계획을 추진하기로 하고 10 호와 11 호 두개의 탐사선을 제작하여 야심차게 새로운 도전에 나서게 되었습니다. 

이는 인류 최초로 목성과 토성을 탐사하려는 목적뿐만 아니라 궁극적으로는 태양계를 벗어난 외계에 인류의 창작물과 메시지를 보내려는 원대한 계획이었습니다.

 
Pioneer 10호

1972 년 3 월 2 일 발사되어 2003 년 1 월 23 일 공식임무가 종료 될 때까지 30 여 년간 탐사를 계속하였습니다. 

하지만 앞에서도 설명 한 것처럼 내부 동력의 소진 문제와 더 이상 지구와 통신이 불가능 할 만큼 멀리 떨어진 이유 때문에 임무가 종료 되었을 뿐이고 태양계 밖 미지의 세계로 비행은 계속 되고 있습니다.

[ 파이오니어 10호의 모습입니다. 11호도 같은 모양으로 제작 되었습니다 ]

Pioneer 10 호는 인류가 만든 것 중 최초로 소행성대를 넘었고 1973 년 12 월 최초로 목성 80,000 마일까지 근접합니다. 

이런 최초의 비행은 이후 Voyager나 Galileo 및 최근 토성의 위성인 Titan에 착륙 성공한 Hoigens 프로젝트에 많은 자료를 제공하여 주게 됩니다.

목성 근접에 성공한 Pioneer 10 호는 수많은 영상자료 및 분석 자료를 지구에 보내 주었고 이런 정보는 인류가 수천 년 동안 육안으로만 목성을 관측하여 축적된 정보를 뛰어 넘는 엄청난 양이었습니다. 

목성을 지나친 Pioneer 10호는 2003 년까지 비행 중 수집한 자료를 계속 송신하면서 태양계 외곽에 대한 귀중한 정보를 제공하였고 앞으로 2 백만 년 후에 68 광년 떨어진 Aldebaran에 도착 할 것으로 예상되고 있습니다.

 

Pioneer 11호

1973 년 4 월 5 일 발사되었습니다.  Pioneer 10 호의 탐사 경로와 비슷하였지만 중간에 탐사하였던 행성이 목성이 아닌 토성이었습니다. 이것 또한 인류 최초의 토성탐사로 기록 됩니다.

[ 파이오니어 11호가 보내 준 토성의 생생한 모습 ]

1979 년 무려 6 여 년간의 비행 끝에 토성에 도달하여 수많은 정보를 제공하는데 성공 하였고 1995 년 12 월 30 일 공식적으로 임무를 마치고 통신이 두절 됩니다.

[ 신비스러운 토성환에 대한 인류 최초의 근접 실사가 이뤄 졌습니다 ]

앞으로 4백만 년 후 Constellation 성운대에 도달 할 것으로 예상하고 있습니다. 

이런 Pioneer 시리즈의 놀라운 성공을 경험한 NASA 의 제트추진연구소는 연구 성과 및 개발 경험을 바탕으로 다시 한번 두개의 우주선을 태양계 밖으로 보낼 야심찬 Voyager 계획에 착수합니다.



4. 아무도 끝을 알 수 없다

180 년을 주기로 화성 밖에서 태양을 돌고 있는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등의 행성들이 일렬로 늘어서게 됩니다.  NASA 는 1980 년대가 이러한 때임을 알고 이들 위성을 순차적으로 탐사 할 계획을 세웁니다.

[ 위대한 여정 직전의 보이저와 타이탄 III 발사체 ]

행성에 우주선이 가까이 다가 갈수록 인력에 의해서 속도가 빨라지고 적당한 괘도를 타게 되면 그 반발력을 이용하여 다시 밖으로 튕겨나가는 원리를 이용하여 행성들을 차례차례 방문하려는 우주 탐사선을 제작하는데 이것이 바로 보이저 Voyager 프로젝트 입니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 목성의 위성 이오 ]

 
각이 큰 곡선 괘도를 타고 여행 할 Voyager 2 호가 1977 년 8 월 20 일 Titan III E-Centaur 로켓에 실려 발사되고, 뒤이어 1977 년 9 월 5 일 Voyager 1 호가 여행을 떠남으로써 그들 선배인 Pioneer 10 호, 11 호가 개척 하였던 위대한 여정을 뒤 따릅니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 목성의 위성 갈리스토 ]

좀더 완만한 곡선을 타고 비행하던 나중에 발사 된 Voyager 1 호가 2 호를 추월하여 1979 년 3 월에 목성에 도착하였고, 곧이어 2 호가 7 월에 목성에 접근합니다. 

그리고 선배 Pioneer 들 보다 깨끗한 화질의 목성사진을 보내 주었고 목성이 토성처럼 작은 띠가 행성주위를 돌고 있음을 밝혀냅니다.  또한 목성의 위성인 이오에서 활화산이 폭발하는 장면처럼 전혀 예상하지 못했던 놀라운 새로운 사실들을 알려 주었습니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 목성의 위성 유로파 ]

곧이어 토성으로 날아간 이들 탐사선은 1980 년 11 월에 1 호가 1981 년 8 월에는 2 호가 각각 토성에 도착하였습니다. 그리고 토성의 위성이 육안으로 확인 되었던 것보다 9 개가 더 많다는 사실을 밝혀내고 ( 이후 카니시 탐사 시 더 많은 위성들이 존재하고 있음이 밝혀졌습니다 ), 신비스러운 토성의 띠에 관한 정보를 보내옵니다. 

이런 성과를 바탕으로 2004 년 카시니 탐사선을 토성에 보내고 착륙선 호이겐스를 토성의 위성인 타이탄에 착륙시킵니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 천왕성 ]

비슷한 경로를 띄며 토성까지 날아온 Voyager 1 호, 2 호는 이후부터 별개의 여행을 떠납니다. 

1 호는 태양괘도의 상부방향으로 비행 방향을 바꾸어 태양계를 벗어나는 비행을 시작하고, 2 호는 1986 년 1월 에 천왕성을, 1989 년 8 월에 해왕성을 차례로 탐사하였습니다. 

Voyager 2 호의 천왕성과 해왕성에 대한 탐사는 현재까지도 유일무이한 위대한 업적입니다.  그리고 NASA 의 제트추진연구소 JPL 은 2004 년 이들이 태양계를 완전히 벗어났다고 선언합니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 천왕성의 위성 미란다 ]

플루토늄이 붕괴하면서 얻어지는 열로 310 와트의 발전을 하며, 지구와 쌍방향 통신을 하는데 20 여 시간이 걸리고 있는 이들은 Pioneer 처럼 몇 년 후 송수신이 불가능하고 내부 연료의 고갈로 공식적인 임무가 종료 될 예정입니다. 

하지만 앞으로도 20 년 이상의 내부 동력은 작동을 할 것 같다고 시스템 엔지니어인 Tim Hogle 씨가 밝힌 것처럼 단독의 비행은 계속 될 것입니다. 

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 해왕성 ]

1979 년에서 1989 년 사이 두 탐사선은 48 개의 위성과 네 개의 행성을 조사하였는데 "이 10 년 동안의 탐사는 아마도 인류 역사상 가장 위대한 임무였다 "고 보이저 임무의 기획 담당자였던 Charles Kohlhase 씨는 말 하였으며 august 또한 이에 전적으로 동의합니다.

[ 인류에게 처음으로 모습을 보인 천왕성의 위성 트리톤 ]

현재도 초속 20 Km 의 무서운 속도로 여행하고 있는 Pioneer 10 호, 11 호, Voyager 1 호, 2 호는 인류가 만들어낸 것 중 가장 멀리 또한 최초로 그들의 길을 스스로 개척하며 비행하고 있으며 이런 위대한 여정의 끝은 어디인지 아무도 모르고 있습니다. 

다만, 산술적으로 태양계와 가장 가까운 별까지 가는데 6 만년이 걸린다고 합니다.

 

거의 불가능 할지도 모르지만, 만일 수많은 시간이 흐르고 난 후 이들 탐사선을 우연히 발견한 고등 외계인이 지구인의 메시지를 듣게 되면 어떤 반응을 보일까요 ? 아니면 반가운 마음에 지구를 답방하였는데 혹시 잘난 인간들과 지구가 없어지지는 않았을지 모르겠군요.

[ august 의 軍史世界 ]

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