나사가 인간을 우주로 보내는 과정

나사는 앞으로 20년 이내에 화성에 유인 탐사선을 보낼 계획이다. 역사상 가장 강력한 로켓을 만들어야 한다는 뜻이다.

나사가 2019년 쏘아 올리기로 한 우주 캡슐 오리온은 정교하게 계산된 궤도를 따라 25일간의 선회 임무를 떠난다. 우선 지금까지 만든 로켓 중 가장 강력한 우주 발사체가 오리온을 싣고 대기권을 벗어난다. 그 후 오리온은 지구로부터 약 39만4천5백 킬로미터 떨어진 곳까지 날아가 달의 공전 궤도를 돌고, 시속 약 4만 킬로미터의 속도로 지구 대기권에 재진입한다.

2020년대에 나사는 비슷한 도전을 다시 시도할 계획이다. 그때는 2019년에 쏘아 올릴 로켓과 달리 사람을 태운 탐사선을 발사할 예정이다. 인간이 지금껏 가보지 못한 우주의 구석까지 갔다가 지구로 돌아오는 것이다. 우주비행사를 소행성과 화성, 그리고 그 너머에까지 보내기 위해 수십 년간 기울여온 인류의 노력이 드디어 결실을 맺는다고 할 수 있다.

나사는 이번 임무의 실험과 준비 과정을 엿볼 기회를 특별히 제공했다. 공학자들이 초대형 로켓과 유인 탐사 캡슐을 어떻게 개발하고 끝없이 실험하는지 5개 공장에서 20일간 관찰했다. 나사의 공학자들은 로켓 부품을 옮기는 동안의 방향과 엔진 진동이 발사체의 다른 부분에 미치는 영향 등 모든 사항을 기록하고, 작은 로켓 모형을 만들어 풍동 실험을 거듭한다.

거대한 우주선은 나사의 바지선 페가수스에 올라 미슈 공장과 스테니스 우주 센터를 거친다. 마지막으로 케네디 우주 센터에 도착하면 유압 실린더를 이용해 발사 및 비행 상황과 유사한 조건을 만들어 수백만 파운드의 압력을 연료 탱크에 가하는 실험을 한다. “‘자르기 전에 두 번 재라’라는 말이 있죠? 우린 두 번 재는 수준이 아니에요.” 로켓 탑재부 담당자 앤디 쇼어가 말했다.

연료 탱크 돔, 루이지애나 미슈 조립 공장. 나사는 마찰 교반 용접법을 사용해 코어 스테이지 대부분을 조립한다. 알루미늄판 사이에 금속 실린더를 회전시키며 알루미늄을 가열해 버터처럼 부드러운 상태를 안정적으로 유지하는 방식이다. 이 방법으로 갈라짐이나 오염물질의 방해 없이 금속을 접합할 수 있다. 접합부를 수작업으로 매끄럽게 처리한 후에는 초음파와 엑스레이를 사용해 결함 유무를 판별한다.

수소 연료 탱크, 루이지애나 미슈 조립 공장. 약 40미터 높이의 수소 연료 탱크는 다루기 힘들고 예민해서 수평에서 수직으로 또는 수직에서 수평으로 위치를 바꾸는 데 3일이나 걸린다. GPS가 달린 크레인 두 대와 정렬 상태를 확인하는 레이저 측정기까지 필요하다. 혹시 모를 상황이 발생하면 비상 정지 버튼을 누를 직원이 의자에 앉아 대기한다.

발사체 스테이지 어댑터, 앨라배마 마샬 우주 비행 센터. NASA의 기술자 2명이 3개월에 걸쳐 8.5미터 높이의 어댑터에 수작업으로 단열재를 뿌린다. 어댑터는 캡슐 스테이지와 코어 스테이지를 연결한다. 그들은 단열재를 뿌릴 때마다 층을 고르게 만들기 위해 50회 이상 시험 스프레이를 하며 수백 시간 넘게 연습했다. 단열재를 뿌릴 때의 폴리우레탄 거품은 흰색과 비슷하지만, 발사 시 자외선에 노출되면 유명한 ‘로켓 오렌지색’으로 변한다.

오리온과 우주 발사 시스템  1 발사체 스테이지 어댑터 우주로 발사할 때 93도가 넘게 오르는 표면 온도를 견딜 수 있다. 2 RS-25 엔진 두 개의 부스터와 결합하여 약 3천6백28톤의 추력을 낸다. 지금까지 개발한 어떤 로켓보다도 강력하다. 3 오리온 캡슐 6인승이며 사상 최대의 단열판을 갖췄다. 4 액화수소 탱크 영하 2백52도로 냉각된 액화 수소가 약 2백만 리터 들어간다.

“점화할 때 오렌지색으로 이글거리는 빛이 보이죠. 그다음엔 엔진이 내는 음파가 가슴을 치는 게 느껴져요. 감동적인 경험이에요.”
– 댄 아담스키 나사 협력업체 에어로제트 로켓다인의 우주 발사체 프로그램 총괄자.

RS-25 엔진, 미시시피 스테니스 우주 센터. 사진 속의 엔진 4대가 모여 우주 발사체를 띄운다. 이 엔진은 연료 탱크 안의 연료 온도가 영하 2백52도에서 3천3백15도까지 변해도 버틸 수 있다. 엔진 제작을 담당한 협력업체는 이륙할 때 약 9백7톤의 추력을 낼 수 있도록 엔진 성능을 개선했다. 나사의 엔지니어들은 최근 실험에서 종 모양 노즐 주변의 음향을 분석해 뼛속까지 울리는 진동을 견디도록 했다.

RS-25 엔진, 미시시피 스테니스 우주 센터. 사진 속의 엔진 4대가 모여 우주 발사체를 띄운다. 이 엔진은 연료 탱크 안의 연료 온도가 영하 2백52도에서 3천3백15도까지 변해도 버틸 수 있다. 엔진 제작을 담당한 협력업체는 이륙할 때 약 9백7톤의 추력을 낼 수 있도록 엔진 성능을 개선했다. 나사의 엔지니어들은 최근 실험에서 종 모양 노즐 주변의 음향을 분석해 뼛속까지 울리는 진동을 견디도록 했다.

오리온 시험용 캡슐, 텍사스 존슨 우주 센터. 미 해군은 오리온이 지구로 귀환해 바다로 떨어졌을 때 비행사들을 구출하기 위해 시험용 캡슐로 훈련한다. 또 다른 시험용 캡슐은 발사대 인근에 번개가 쳤을 때 로켓에 미치는 영향을 조사하기 위한 실험을 거친다. 나사는 시험용 캡슐을 사용해 비상상황 발생 시 대응 절차를 마련한다. 예를 들어 갑작스러운 태양 폭풍으로 인한 방사선을 막기 위해 꽉 찬 화물 가방으로 우주 비행사 주변을 둘러싸는 것 등이다.

오리온의 우주 항해 1 발사 지구를 한 바퀴 돈 후, 달을 향해 돌진하기 전 20분 동안 가속하며 속도를 시속 9천6백56킬로미터까지 높인다. 2 360도 회전 항로의 끝자락에 다다랐을 때, 오리온은 인류가 지구를 벗어나 가본 곳보다 약 3만7천14킬로미터나 더 멀리 날아갔을 것이다. 3 재진입 오리온은 지구로 귀환 시 달의 중력을 이용해 가속력을 추가로 얻는다.