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작성자 이창호
작성일 2004-12-26 (일) 17:57
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ㆍ조회: 1531      
[현대] 우주개발=우주탐사 (브리)
우주탐사 宇宙探査 space exploration

우주선(宇宙船)을 사용해 지구대기 밖의 우주를 탐사하는 행위.

대기 밖에서 작동하는 비행체인 우주선으로는 대기관측 로켓, 인공위성, 달탐사선, 행성탐사선, 태양계 외 탐사선 등이 있다. 최초로 실질적인 우주비행을 생각한 과학자에는 러시아의 K.E. 치올코프스키, 미국의 R.H. 고다드, 독일의 H. 오베르트 등이 있다. 그러나 우주비행이 실용적인 수준에 이른 때는 제2차 세계대전말 독일이 항공기와 유도 미사일(유명한 것으로는 V-2가 있음)용 로켓을 개발했을 때부터이다. 1945년 독일의 패망과 함께 연합국(영국·프랑스·소련)과 미국은 독일이 개발한 로켓 동력에 관한 지식을 얻었다. 1950년말에 미국과 소련은 이러한 기술적 지식을 토대로 우주선을 만들기 시작했다.

1957년 10월 4일 소련은 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호를 발사했으며, 그후 미국과 소련은 일련의 우주탐사계획을 수립했다. 1호가 발사된 지 1개월 만에 스푸트니크 2호가 '라이카'(이당시는 우주선을 지구에 귀환시킬 방법이 없었으므로 스푸트니크 2호의 전지가 다 소비됨과 동시에 약을 주입해 죽였음)라는 개를 태우고 발사되었다. 미국 최초의 인공위성인 익스플로러 1호가 1958년 1월 31일 발사되었으며, 같은 해 미국정부는 미국항공우주국(NASA)을 설립했다. 소련과 미국은 이후 수십 년 동안 우주개발에서 서로 경쟁하며 발전해왔다. 1961년 4월 12일 소련은 최초로 유인 비행체를 지구 주회궤도(周回軌道)로 발사시켰으며, 미국은 1969년 7월 20일 2명을 최초로 달 표면에 착륙시켰다. 20번째의 유인 우주비행 기념일인 1981년 4월 12일 미국은 최초로 재사용할 수 있는 우주선인 우주왕복선을 발사했다 (→ 색인 : 달 탐사)

우주비행의 요소

우주선 설계상의 기본적인 개념

우주선은 대기관측 로켓, 인공위성, 우주탐사선 등을 포함하는 일반적인 용어이다. 이들은 우주선에 장착되어 탈출속도(escape velocity : 어떤 천체의 중력장에서 물체에 초속만을 가해 무한대의 먼거리까지 그 물체를 나르는 데 필요한 최저속도)를 주는 우주발사체(Space Launch Vehicle/SLV)와는 구별된다. 우주탐사선은 지구 탈출속도보다 더 큰 속도로 발사되어 지구 인력권에서 벗어나는 우주선이다. 우주탐사선은 달탐사선, 행성탐사선, 태양계 외 우주탐사선 등으로 구분된다.

우주선은 유인·무인 우주선, 또는 능동·수동 우주선으로 분류된다. 수동위성은 무선신호를 전송하지는 않지만, 무선통신신호를 반사시키는 역할을 하며 광학적 또는 레이더로 추적할 수 있다. 능동위성은 무선신호를 전송하므로 추적이 더 쉬울 뿐만 아니라 자신의 기기에 의해 지상국이나 다른 우주선으로 자료를 전송한다. 우주선은 크기·모양·목적 등이 서로 각각 다르기 때문에 우주계획에 따라 구별하는 것이 편하다. 우주계획에는 소련의 스푸트니크·보스토크·소유스·베네라 계획 등이 있고, 미국의 익스플로러·인텔샛·아폴로·보이저·우주왕복선 계획 등이 있다.

대부분의 우주선은 일반적으로 동력공급장치, 선내추진장치, 통신장치, 자세제어장치(우주선의 선수를 특정방향으로 유지하고 선택된 목표로 정확히 향하게 하는 장치), 주변제어장치(온도·압력 조절장치와 유독성 물질 제거장치 등이 있음), 유도·속도 제어장치, 컴퓨터와 보조 하드웨어, 선체(다른 모든 부분장치를 물리적으로 지지하는 우주선의 골격), 우주선의 상태를 점검하는 장치 등의 9가지 부속장치로 이루어져 있다.

우주로의 발사

중력

우주발사체의 추진력이 발사시 우주선 중량의 2배이면, 이 우주선은 9.8㎨의 초기 가속도로 상승한다. 추진용 연료가 분사되어 소비되기 때문에 우주선은 점점 가벼워져 가속도가 증가한다. 우주선이 상승함에 따라 지구의 인력은 서서히 감소한다. 160km 고도에서의 인력은 지구 표면에서보다 5% 정도 작으며, 2,700km 고도에서는 절반(4.9㎨)이 된다. 지구인력은 우주비행에서 아주 먼거리에서만 무시된다.

단분리

이 용어는 여러 개의 로켓 추진장치가 층층이 설치되는 기법을 설명할 때 사용된다. 가장 아래에 있는 제1단은 점화된 뒤 우주선을 이륙시키고, 초기 속도를 증가시킨다. 추진제가 모두 소비되면 제1단은 분리되어 떨어지고 제2단이 점화된다. 제1단이 분리되면서 우주선은 가벼워진다. 이때부터 추력이 더 낮은 제2단이 제1단의 동력에 의해 도달한 속도부터 우주발사체와 우주선을 가속시키기 시작한다. 대부분의 우주발사체는 3단으로 구성되어 있다 (→ 색인 : 다단계 로켓).

가속률

일반적으로 우주선이 지구대기를 벗어나고, 필요한 속도를 얻을 때까지의 시간이 길어지면, 엄청난 양의 로켓 추진제가 소비되므로 비경제적이다. 그러나 너무 가속되면 우주선에 과도한 외력이 작용하게 되므로 가속의 상한을 규정하고 있다.

탄도 로켓

여기에는 대기관측 로켓, 지구 주회궤도 로켓, 지구탈출 로켓, 행성간 비행 로켓 등 4가지 종류가 있다 (→ 색인 : 탄도).

대기관측 로켓

1945년 상층대기 연구를 위해 처음으로 발사된 이 로켓은 거의 수직으로 발사된다. 일반적으로 1단인 이 로켓 발사체의 임무는 16~32km 고도까지 도달하는 것이다. 이때부터 이 로켓은 중력에 의해 속도가 감소되어 결국 지구로 다시 떨어진다. 이 로켓에 탑재된 자료수집용 계기는 방출되어 낙하산에 매달려 내려오거나 발사장의 추적소로 무선송신된다.

지구 주회궤도 로켓

지구 주회궤도 비행은 수직으로 발사된 뒤 원하는 고도에서 궤도속도에 도달할 때 지구 표면과 나란하게 비행하도록 비행체를 기울인다. 정확한 순간에 로켓 기관이 분리된다. 그후 최종단의 로켓에 부착된 우주선은 지구를 돌면서 자유낙하한다. 200km 고도에서는 궤도속도가 약 2만 9,000km/h이다. 이곳은 거의 대기 위쪽이므로, 공기저항이 매우 작아 우주선은 오랫동안 궤도를 돌 수 있다.

지구탈출 로켓

우주선이 지구 중력으로부터 완전히 탈출하려면 궤도비행에 필요한 속도보다 더 큰 발사속도를 가져야 한다. 궤도비행에 필요한 속도와 같이 탈출비행에 필요한 속도도 고도가 증가함에 따라 감소한다. 공기저항을 무시하고 지표면에서의 탈출속도는 약 4만km/h이다.

행성간 비행 로켓

지구와 가장 가까운 행성인 금성과 화성 간 거리는 이 세 행성이 태양 주위를 서로 다른 속도로 공전하므로 매우 많이 변한다. 가장 좋은 발사시기는 약 2년마다 온다. 다른 시기에도 비행할 수 있지만, 속도가 더 커야 하고 시간도 더 오래 걸리며, 또한 동일한 발사체에 대해 적재가능한 화물량도 줄어들게 된다. 지구-금성 또는 지구-화성 간 비행 경로는 가장 경제적인 비행을 위해 행성간 궤도관계의 변화를 이용한다 (→ 색인 ; 행성간 탐사).

우주비행에 필요한 기술

항법

우주공간에서는 운동물체에 대한 많은 외부영향 때문에 직선이나 일정한 속도로 두 지점 사이를 비행하는 것이 거의 불가능하다. 그러므로 우주항법은 관성유도(慣性誘道:외력뿐 아니라 태양·별의 인력과 무관하게 자이로스코프의 관성에 의해 유도되는 것)를 기본원리로 한다. 3개의 자이로스코프와 가속도계를 사용하여 3개의 축 가운데 하나 또는 모두에 대한 속도변화를 정밀하게 측정할 수 있다. 자세를 바꾸고 소형 제트 기관이나 로켓 기관을 점화시켜 비행경로를 수정할 수 있다 (→ 색인 : 항법시스템).

랑데부와 도킹

랑데부는 한 우주선이 다른 우주선에 접근하는 동작이다. 우주활동에서 랑데부는 비행체들의 궤도를 일치시킨 뒤 한 우주선이 다른 우주선 주위로 다가가는 동작을 말한다. 최초로 랑데부에 성공한 우주선은 제미니 6·7호이다. 두 우주선이 서로 결합하는 도킹은 아폴로 우주선이 달착륙에 필요했던 기술의 필수적인 요소였으며, 유인 우주비행에 매우 중요하다. 조립된 부분들을 궤도로 올려보내 거대한 우주정거장으로 조립하거나 지구-화성 등의 장거리 우주비행을 달성하기 위해서는 랑데부·도킹 기법이 필수적이다. 더욱이 승무원들의 근무교대와 긴급구조활동에 랑데부와 도킹이 꼭 필요하다.

재진입과 회수

재진입은 우주선이 지구대기로 되돌아오는 것을 의미한다. 재진입시 지구를 둘러싸고있는 비교적 고밀도 기체층의 공기역학적 마찰력은 우주선의 제동력(制動力)으로 이용된다. 그러나 동시에 우주선의 앞쪽은 공기와의 심한 마찰로 높은 열을 받게 된다. 내화물질로 만들어진 방열재로 우주선을 보호하는 것은 재진입시 마찰열을 견디기 위한 기술 중 하나이다.

그러나 우주선을 안전하게 재진입시키기 위한 근본적 방법은 재진입각을 정밀하게 제어하는 것이다. 만일 재진입각이 너무 작으면 우주선은 대기 밖으로 튕겨나가며 너무 크면 방열재는 초고온에 대해, 승무원들과 우주선은 높은 중력에 의해 견디지 못한다. 마지막 하강단계에서, 유인우주선은 낙하산을 펼쳐 땅·물에 연착륙(軟着陸)한다. 그러나 우주왕복선의 재진입법은 완전히 다르다. 우주왕복선은 활강(滑降)에 의해 하강하여 비행기처럼 활주로에 착륙한다.

우주계획

우주발사체

대기관측 로켓도 지구 대기권 밖에 도달하지만, 우주발사체(SLV)라는 용어는 주로 위성을 궤도에 올려놓거나 우주선을 지구 탈출속도로 발사시키는 로켓 부스터(rocket booster)를 의미한다. 1950년에 이르러 로켓 추진기술은 인공위성발사계획을 실현시킬 수 있는 수준에 도달했다. 18개월의 국제 지구 관측년(International Geophysical Year/ IGY:1957. 7. 1~1958. 12. 31) 동안 전세계에 걸친 과학적 연구는 지식축적의 기반을 제공했다.

1955년 미국과 소련은 IGY에 대한 국가적인 지원의 일부로서 위성 계획을 발표했다. 미국과 소련만이 로켓 동력 발사체에 사용되는 장거리 탄도 미사일 기술을 갖고 있었기 때문에, 몇 년 동안은 두 나라만이 우주선을 발사시켰다. 위성을 3번째로 발사한 국가는 프랑스이며(1965), 그다음으로 일본(1970)· 중국(1970)· 영국(1971) 순이다. 서유럽 국가들은 독자적인 발사능력을 갖기 위해 유럽 우주기구(ESA)의 후원 아래 1970년대에 소모성 우주발사체인 아리안(Ariane)을 개발했다.

무인계획

여기에는 대기관측 로켓 계획, 과학위성·탐사선 계획, 달·행성 계획 등이 있다.

대기관측 로켓 계획

로켓을 상층대기탐사에 사용한 최초의 계획은 1946~51년에 수행되었는데, 이때 미국 육군은 뉴멕시코에서 약 60대의 V-2를 거의 수직으로 발사했다. 1t의 군용 V-2 탄두(彈頭)는 과학장비로 대치되었다. 이 로켓은 지상 40~160km의 고도(항공기의 최대고도보다는 높고, 위성의 최소궤도보다는 낮음)에서 측정함으로써 과학적 연구를 계속하는 데 가치가 있었다(→ 색인 : 나이키 미사일, 에어로비).

과학위성·탐사선 계획

이러한 계획에는 우주의 자연현상(예를 들면 자기장)을 측정하는 우주선들이 포함되어 있다. 이러한 자료는 태양계의 진화론과 지구 및 인간에게 영향을 미치는 자연의 기본적인 과정·힘 등에 관한 이론들을 발전·증명하는 데 중요하다. 미국의 과학위성 계획에는 OSO(Orbiting Solar Observatory) 계획, ATM(Apollo Telescope Mount) 계획, SMM(Solar Maximum Mission) 계획 등이 있다. 이 계획들은 태양의 전자기 복사 에너지와 태양의 총발산 에너지량 같은 정보를 조사한다.

태양관측위성인 OSO는 1985년 스페이스랩 2호를 실은 우주왕복선에 탑재된 태양망원경으로 구성되어 있다. 소형 우주선인 파이어니어 계열은 태양계의 먼 우주에서 활동하는데, 대표적으로 자기장 측정, 플라스마 분석, 우주선· 태양풍 연구 등과 관련된 실험을 한다. 미국의 익스플로러 우주선들은 자기권, 밴 앨런 복사대, 우주복사, 태양풍, 전리풍 등을 측정했다. 거대한 위성인 OAO(Orbiting Astronomical Observatory)는 지구 대기에 의한 흡수·변형 때문에 지상의 천문학자들이 관측할 수 없는 전자기 스펙트럼의 전영역지도를 작성할 수 있다.

이제까지 지구 주회궤도에 놓인 것 가운데, 가장 크고 강력한 천문위성은 허블 우주망원경(HST)이다. 1990년 우주왕복선에 의해 궤도에 올려진 HST는 가스성운, 은하, 퀘이사, 태양계의 여러 행성 등과 같은 천체들을 관측하기 위해 설계되었다. HST는 주반사거울에 결점이 있었지만 세밀한 상을 계속 전송하고 있다. 이외에도 초자외선 탐사선(Extreme Ultraviolet Explorer/EUVE), X선 망원경을 탑재한 뢴트겐스트라렌 위성(Rontgenstrahlen Satellite/ROSAT), 적외선 감지기를 장착한 우주공간 탐사선(Cosmic Background Explorer/COBE) 등 전자기 스펙트럼의 다른 영역에서 방사선을 방출하는 거대한 물체들에 대해 조사하는 궤도 관찰 체계도 있다.

궤도지구물리관측선(Orbiting Geophysical Observatory/OGO)은 지구 궤도 위성으로서 무게가 450kg 이상 되는, 20~30개의 실험장비를 갖춘 규모가 큰 과학위성이다. 이 위성은 지구와 태양, 우주 환경 간의 관계를 연구하기 위해 고안되었다. 한편 지구환경오염에 대한 우려가 높아지면서 미국과 유럽우주국(European Space Agency/ESA)은 위성을 이용하여 대기권 오염, 열대우림 파괴, 플랑크톤 증대 등에 관한 정보를 수집한다. 미국의 연구자들은 1990년대말부터 15년 이상 소요될 것으로 예상되는 지구관찰체제(Earth Observing System/EOS)라 불리는 대형 연구 계획을 추진하고 있다.

달 계획

1959년 소련의 루나 3호는 처음으로 달 뒷면의 사진을 촬영했다. 다른 루나 계열 비행체는 달궤도를 돌거나 역추진 로켓으로 비행속도를 줄여 연착륙한 뒤 그 표면을 텔레비전 영상으로 전송했을 뿐만 아니라 달 토양의 강도특성을 시험했다. 1970년 9월 연착륙한 루나 16호는 달 표면의 토양표본을 채취한 후 이것을 가지고 지구로 귀환했다. 1970년 11월 루나 17호는 월면차를 착륙시켜 달계획에서 중요한 발전을 이룩했다. 텔레비전이 장착된 이 차는 지구로부터의 원격제어에 의해 수km의 달 표면을 탐사했다.

미국의 달탐사 계획에는 레인저 계획, 서베이어 계획, 루나 오비터(Lunar Orbiter) 계획이 있다. 레인저 우주선은 달 표면에 충돌하기 전 달에 3,000m까지 근접해 달의 텔레비전 영상을 전송했다. 서베이어 우주선은 달 표면에 연착륙해 달 표면의 텔레비전 영상과 달 토양과 화학조성에 대한 정보를 지구로 전송해 왔다. 루나 오비터는 아폴로 우주선이 착륙할 지역에 대한 고화질의 달 표면 영상을 보내왔다.

행성 계획

미국과 소련은 태양계 행성을 관측하기 위해 우주선을 발사했다. 소련은 우주선을 화성과 금성으로 여러 차례 발사해 1967년 베네라 4호가 성공했다. 이것과 이어지는 우주비행에서 계기 캡슐이 낙하산을 이용하여 고온·고밀도인 금성에 연착륙되었다. 베네라 9·10호(1975)는 최초로 다른 행성 표면의 사진을 촬영했다.

미국의 매리너(Mariner) 계획은 화성·금성·수성을 스쳐 지나가도록 설계된 행성간 탐사선으로 이루어져 있다. 1962년에는 매리너 2호가, 1967년에는 5호가 금성을 통과하면서, 온도와 대기밀도를 측정했다. 1964년에는 매리너 4호가, 1969년에는 6·7호가 화성 표면의 사진을 찍어 대기를 분석하고 화성에 대한 열지도를 작성했다. 1971년 5월 발사된 매리너 9호는 화성의 인공위성이 되어 2대의 텔레비전 카메라로 깨끗한 영상을 지구로 전송하여 많은 새로운 사실을 밝혔다. 화성의 넓은 영역이 지도로 작성되었으며, 이 행성의 두 위성인 포보스와 데이모스가 사진으로 촬영되었다. 1973년에는 수성을 탐사하기 위해 매리너 10호가 발사되어 이 행성을 최초로 근접 촬영했다.

미국의 우주계획 역사상 가장 흥미있는 행성간 우주비행 중 하나는 1975년 바이킹(Viking) 1·2호를 화성을 향해 발사함으로써 시작되었다. 1976년 바이킹 1·2호 착륙선은 연착륙에 성공하여 최초로 장기간 동안 표면물질, 대기, 다른 행성에서의 생명체 존재 가능성 등을 분석했다. 목성을 근접비행한 최초의 우주선은 1972, 1973년에 미국이 발사한 파이어니어 10·11호이다. 이 두 우주선은 자료와 이 행성에 대한 수백 장의 사진을 전송했다. 파이어니어 11호('파이어니어 새턴'이라고도 함)는 1979년 토성 고리를 근접 통과했다. 파이어니어 10호는 1983년 6월 13일 인공체로서는 최초로 태양계를 빠져나갔다.

보이저 1·2호는 목성과 토성까지의 근접비행을 하기 위해 NASA에 의해 1977년 8, 9월에 각각 발사되었다. 1979년 이 두 탐사선은 목성 근처에 도달했는데, 그뒤 보이저 1호는 1980년 토성까지 비행했고, 보이저 2호는 이듬해 토성과 충돌했다. 보이저 2호는 1986년 1월 천왕성을 지나가면서, 그때까지 예기치 않았던 이 행성과 그 위성들이 특징을 밝혀냈으며, 1989년 8월 해왕성 옆을 비행하면서 해왕성의 대흑점·고리·위성에 대한 세부영상을 지구로 전송했다. 1990년 보이저 1호는 태양으로부터 약 60억km 거리에서 60장의 태양계 행성 사진을 마지막으로 전송했다. 보이저 1호는 21세기초까지 행성간 공간의 자료를 계속 전송할 것으로 기대된다.

소련은 1981년 베네라 13·14호를, 1983년 베네라 15·16호를 발사했다. 이 우주선들은 금성 표면에 착륙선을 착륙시켰으며, 베네라 15·16호에는 그 운반선에 영상 레이더가 설치되었다. 1985년 소련은 베가(Vega) 1·2호를 발사했는데, 이것들은 금성 대기로 기구(氣球) 탑재 계기장치를 발사시킨 뒤에 핼리 혜성이 지구에 가장 가까이 접근하는 1986년에 그 혜성을 접근비행하는 임무를 수행했다. 1985년 유럽 우주국(European Space Agency/ESA)은 혜성 탐사선인 지오토(Giotto)를 발사시켰다. 고분해능(高分解能) 카메라가 탑재된 지오토는 혜성의 코마(머리)와 핵에 대한 자세한 영상을 얻었다. 1985년 일본도 이러한 종류의 탐사선들을 발사했는데, 이 중 하나는 약 10만km 거리에서 핼리 혜성을 근접통과했다.

미국의 행성간 탐사는 1989년 금성 탐사선인 마젤란(Magellan)의 발사와 함께 다시 시작되었다. 1990년 8월 금성 궤도에 진입한 이 탐사선은 구름에 가려진 금성 표면의 90% 이상을 촬영했고 전파고도탐지기를 이용해 최초로 금성의 지형도를 정밀하게 제작했다. 1989년에 발사된 또 다른 탐사선 갈릴레오(Galileo)는 1995년 12월 목성 궤도에 진입했다. 기기 고장으로 주 안테나는 작동하지 않았으나 보조 안테나가 목성과 주변 위성을 촬영하여 지구로 전송했다.

1993과 1996년에는 화성 탐사 임무를 띤 화성 탐사선, 옵서버호와 패스파인더호, 글로벌 서베이어호가 발사되었다. 이 중 옵서버호는 화성에 도달하기 전에 실종되었고 패스파인더호는 안전하게 착륙하여 화성에 관한 정보를 모아 지구로 전송하고 있으며, 글로벌 서베이어호도 화성 표면을 정밀 촬영하여 전송하고 있다. 1990년에 NASA와 유럽우주국은 공동으로 태양 현상을 연구하기 위해 율리시스호를 발사했다. 한편 2001년에는 미국의 탐사선인 슈메이커호가 소행성 에로스에 착륙했다. 달, 화성, 금성과는 다른 소행성에 인간이 만든 우주 탐사선이 착륙한 것은 슈메이커호가 처음이다.

유인계획

보스토크 계획과 머큐리 계획

미국과 소련은 우주계획의 주요 목표인 유인비행을 수행했다. 1961년 4월 소련은 Y. A. 가가린을 보스토크 1호에 탑승시켜 지구 주회궤도로 발사했다. 미국은 유인우주선으로서 최초로 머큐리 우주선을 발사했다. 보스토크와 머큐리 비행으로 인간이 무중력 상태에서 임무를 수행할 수 있으며, 우주선이 우주공간에서 기동성을 갖지 않다는 것이 증명되었다. 1960년 제미니 계획은 표적 비행체와 랑데부 및 도킹 기술(아폴로 달착륙 계획에 필수적이었던 기술)을 개발하기 시작했다.

소유스

1967년 4월 소련은 지금도 비행하고 있는 가장 크고 복잡한 우주선인 소유스 1호를 발사했다. 이 우주선의 우주비행사인 V. M. 코마로프는 낙하산 회수장치의 고장으로 죽었다. 소유스 3~8호는 랑데부 및 도킹에 관련된 우주임무를 성공적으로 완수했다.

1970년 6월 소유스 9호는 18일의 유인우주비행 기록을 세웠다. 이 우주비행사들이 지구로 귀환한 뒤 근육조정능력과 정상적인 수면습관을 회복하는 데 2일 정도의 시간이 걸렸다고 보고된 바 있다. 1971년 4월 소유스 10호는 우주정거장인 살류트와 랑데부하기 위해 3명의 우주비행사를 태우고 발사되었다. 발사된 지 27시간 후에 이들 우주비행사들은 길이 14m의 살류트 우주실험실로 건너갔다. 성공적인 비행은 이것이 재진입하는 동안 출입구 밀폐장치의 사소한 고장으로 인해 우주선 내의 공기가 빠져나가 3명의 우주비행사 전원이 사망하는 비극으로 끝났다.

그후 소련의 우주정거장 계획이 다시 재기되는 데 3년이 걸렸다. 살류트 3호(1974)로 소련은 장기간 거주계획을 시작했다. 곧이어 독자적인 임무를 갖는 소유스 계획과 살류트 계열 우주선의 지원을 위한 우주정거장 계획 등의 서로 다른 2개의 계획이 등장했다. 더 개량된 살류트 6·7호를 이용하여 소련은 승무원들이 우주정거장을 타고 생활·연구할 수 있는 기간을 점차 증가시켜 결국 그 기간이 211일이 되었다.

1986년 2월 소련은 영구 유인 궤도설비의 모체로 사용하기 위해 설계된 새로운 우주정거장을 설계했다. 미르(Mir)로 알려진 이 우주정거장은 대부분이 자동화되었으며, 화물수송·유인우주선·생활공간·연구설비 등으로 사용될 수 있는 확장 모듈용으로 6개의 도킹 개구(開口)가 설치되어 있다. 모듈에는 6명까지의 승무원들이 탑승할 수 있고, 많은 우주비행사 승무원들이 미르에 탑승하여 오랫동안 우주비행을 할 수 있도록 되어 있다.

그러나 1991년 소련 중앙정부가 붕괴된 뒤, 여러 공화국들이 자신의 영토 안에 위치한 우주설비에 대한 소유를 주장하여 소련의 우주계획에 대한 예산문제가 심각해졌다. 우주비행사인 S. 크리발레프는 6개월의 우주비행을 위해 1991년 5월 미르 우주정거장을 떠났다. 발사장이 위치한 공화국이 자국 출신의 우주비행사를 미르 우주정거장으로 발사할 것을 요구함에 따라 러시아인의 후임자와 교대될 수밖에 없었다. 미르에 탑승한 채 교대자를 313일 동안 기다렸던 크리발레프는 소련의 우주계획에 대한 불확실한 미래의 상징이 되었다.

아폴로 계획

1961년 5월 J. F. 케네디 대통령은 "미국이 1960년대가 다 가기 전에 유인우주선을 달에 착륙시키겠다"고 했다. 이 계획에 붙여진 이름이 아폴로였다.

1967년 2월 지구궤도로 발사되는 최초의 유인 아폴로 계획은 1967년 1월 카운트다운 도중 우주선 선실 내부에 화재가 발생하여 농축산소 주변으로 번져 3명의 우주비행사가 죽는 사고가 일어나 연기되었다. 1967년 11월 무인 아폴로 우주선이 궤도로 발사되었다. 2번 이상의 무인 아폴로 비행이 성공적으로 이루어진 후, 1968년 10월 11일 3명의 우주비행사가 탑승한 아폴로 7호가 달착륙선이 착륙하고 있는 동안 달 주위를 돌고 있는 사령선을 실험했다. 1968년 12월 21일 발사된 아폴로 8호는 달 주회궤도에 진입한 뒤 10회 선회했으며, 그뒤 지구로 안전하게 귀환했다. 이 우주비행은 텔레비전으로 생중계되었다.

1969년 3월 3일 발사된 아폴로 9호는 10일 동안 비행하면서 지구 주회궤도에서 달착륙선의 작동을 시험했다. 5월 18일에 발사된 아폴로 10호는 아폴로 8호와 마찬가지로 달 주회궤도를 선회하면서, 2명의 우주비행사가 달착륙선으로 달 표면에서 1만 4,300km 높이까지 내려가 선회했다.

1969년 7월 16일 N. A. 암스트롱, E. 올드린 2세, M. 콜린스가 탑승한 아폴로 11호가 발사되어 아폴로 10호와 마찬가지로 달 주회궤도에 진입했다. 암스트롱과 올드린은 달착륙선으로 옮겨 타고, 7월 20일 그리니치 평균시(GMT)로 오후 8시 17분에 달에 도착했다. 암스트롱은 오전 2시 56분에 달 표면에 첫발을 내디디면서 "이것은 인간에게 작은 발자국이지만, 인류에게는 하나의 큰 도약이다"라고 말했다. 올드린도 암스트롱과 함께 사진을 찍고, 약 21.7㎏의 달 토양(2가지 코어 표본을 포함)을 채취하고, 측정용 막을 치고, 지진계와 레이저빔 반사용 장비를 설치하고, 성조기를 꽂고, 태양풍 실험장비를 설치하는 데 약 2시간을 보냈다. 이 모든 행동이 달착륙선으로부터 떨어진 거리에 설치된 카메라를 통해 지구의 텔레비전으로 중계되었다.

아폴로 12~17호가 그뒤 4년에 걸쳐 발사되었다. 하나를 제외한 모든 우주선이 달 표면 탐사, 표본채취, 실험장비 설치 등의 달 우주비행의 임무를 성공적으로 완수했으며, 모든 우주선의 승무원들이 무사히 귀환했다.

스카이랩과 아폴로-소유스 시험계획(Apollo-Soyuz Test Project/ASTP)

미국 최초의 우주정거장인 스카이랩은 1973년 5월 14일 발사되었다.

1973년 5~11월 각각 3명의 우주비행사로 구성된 3개의 팀이 교대로 스카이랩에 탑승하여 171일 13시간을 생활하며 연구했다. 이 우주비행은 우주환경과 장기간의 우주생활에 대한 생물학적 관계를 이해하는 데 공헌했다. ASTP는 미국과 소련이 공동으로 수행한 유일한 유인 우주비행이었다. 1975년 7월 15일 각각 다른 발사장에서 발사된 아폴로 우주선과 소유스 19호 우주선은 2일 후 미국이 만든 도킹 모듈(docking module)로 궤도에서 랑데부·도킹했다. 이 두 우주선이 서로 연결된 2일 동안 두 국가의 우주비행사들은 공동으로 지구관찰을 비롯해 천문·의학·기술에 대한 실험을 했다.

우주수송 시스템(Space Transportation System/ STS)

미국의 우주계획은 1981년 4월 12일 재사용을 위해 설계된 유인우주선인 우주왕복선을 처음으로 발사하여 새로운 우주시대를 열었다. 우주왕복선은 날개가 달린 궤도선, 낙하 탱크, 2개의 고체추진제 로켓으로 이루어져 있다. 궤도선은 화물과 승무원을 수송하며, 3개의 주기관뿐만 아니라 사실상 모든 컴퓨터 및 전자식 하드웨어를 포함하고 있다.

발사시 왕복선의 고체추진제 부스터와 액체추진제 로켓 기관은 함께 점화되어 이륙 후 약 2분 동안 추력을 발생시킨 뒤 로켓 부스터는 분리되어 재사용을 위해 낙하산으로 해양에 떨어진다. 이 고체추진제 로켓 부스터는 20회를 사용할 수 있다. 주기관은 계속해서 6분 30초 동안 연소되어 이 왕복선에 궤도속도의 99%를 제공해 준다. 이 시점에서 외부 탱크는 분리·낙하하여 지구대기에 진입하면서 분해되며 2개의 가동기관이 이 왕복선을 궤도로 올린다. 재진입시에는 이 기관들이 역추진 로켓으로 재점화된다. 고급 실리콘으로 만들어진 타일은 왕복선이 대기를 제동장치로 사용함에 따라 알루미늄 선체에 발생하는 높은 마찰열로부터 선체를 보호한다. 왕복선이 느려지고 대기의 밀도가 커짐에 따라 날개에 양력이 발생하여 이 비행체는 초음속 글라이더가 된다.

우주왕복선 계획에 참여하기 위한 노력으로 ESA는 모든 우주과학 분야의 실험을 하기 위해 몇 가지 형태로 조립할 수 있는 스페이스랩(Spacelab)의 제작을 제안했다. 궤도선의 화물칸에 실려 운반되는 우주실험실은 우주공간에서 연구하는 데 필요한 장소와 설비를 제공하는 일종의 우주정거장으로 사용된다.

예산 감축과 더불어 왕복선의 주기관을 개발할 때와 최초의 궤도선인 컬럼비아호에 내화 타일을 붙일 때의 문제로 인해 초기 발사가 3년 뒤로 연기되었다. 처음 4차례의 임무는 비행개발을 위한 것으로 2명의 우주비행사가 타고 있었다. 첫 비행의 화물은 개량된 계기장비로 이루어졌으며, 2~4번째 비행은 왕복선이 지구관측과 우주과학 및 군사실험에 적합한지를 입증하기 위해 설계된 화물을 운송했다.

1982년 11월 5번째 우주비행에서 왕복선은 2개의 통신위성을 발사하는 최초의 상업적 활동에 이용되었다. 왕복선은 우주공간에서 과학실험을 하는 것 이외에도 고장난 인공위성을 회수·수리하는 데도 사용되고 있다.

왕복선 계획은 1986년 1월 28일 챌린저호가 이륙한 후 73초 만에 폭발하여 7명의 승무원 전원이 죽는 큰 실패를 겪었다. 승무원 중에는 최초의 민간인(고등학교 교사)도 포함되어 있었다. 부스터 로켓의 접합이 불안전하여 발생한 것으로 판명난 이 사고는 25번째 왕복선 우주비행에서 발생했는데, 설계상의 문제를 수정하기 위해 비행이 보류되었다. 왕복선 비행은 나머지 3대의 궤도선인 디스커버리호·콜럼버스호·아틀란티스호에 새로운 안전장치를 설치한 1988년에 다시 시작되었다. 4번째이자 마지막 왕복선인 엔데버호는 1991년에 만들어졌다. 엔데버호는 1992년 챌린저호 발사 실패 후 처음으로 발사에 성공했다. 챌린저호의 대체 기종인 엔데버호의 첫 비행 목적은 궤도를 이탈한 통신위성을 회수하는 것이었다. 이후로도 엔데버호는 몇 차례 우주로 쏘아 올려져 각종 실험과 우주정거장 건설에 이용되었다.

우주왕복선 계획은 챌린저호 사고 이전에도 많은 문제가 있었다. 발사 횟수는 원래 계획에 미달되었고 비행비용은 예상한 것보다 더욱 많아졌다. 그러나 왕복선은 기존의 우주선으로 할 수 없는 임무를 가능하게 했으므로 그 중요성이 계속 대두되었는데, 이러한 임무로는 영구 유인 우주정거장의 조립과 보급이 있다. NASA는 1960년대 이후 이러한 우주정거장 계획의 가능성을 연구했지만, 다른 계획이나 예산상의 문제로 인해 항상 보류되었다. 그러나 1984년 미국 정부는 NASA가 1990년대 우주정거장을 개발하도록 위임했다. '프리덤'(Freedom)이라는 이름을 가진 이 우주정거장 계획은 설계와 예산 문제로 어렵게 되었다. 그후 NASA의 제안으로 미국ㆍ러시아ㆍ일본ㆍESA 등 16개국이 참여하는 국제우주정거장 건설계획이 세워져 1998년부터 우주정거장 건설에 필요한 자재를 미국과 러시아의 우주선에 실어 쏘아 올리고 있다.

실용위성

이 위성은 통신위성, 지구관측위성, 항법위성(航法衛星) 등 일반적으로 3가지로 분류된다.

통신위성

수동 반사체 기구위성인 에코(Echo) 1호 이후 10년 만에 통신위성은 전세계 통신에서 중요한 부분을 차지하게 되었다. 1971년 1월 발사된 인텔샛(Intelsat) 4호는 3,000~9,000개의 전화 회선이나 12개의 컬러 텔레비전 채널을 처리하거나 조합할 수 있었다. 1975년 이후 개량형 인텔샛 4A 위성이 국제 통신망에서 인텔샛 4호를 대체하기 시작했다. 더욱이 미국의 콤스타(Comstar)· 샛콤(Satcom)· 웨스타(Westar)와 캐나다의 아니크(Anik) 등과 같은 국내용 통신위성은 특정 국가의 특수한 요구를 충족시켰다. 통신위성을 통해 음성·텔레비전·팩시밀리·고속자료전송 등이 중계된다.

프랑스와 서독이 공동으로 재정지원하여 만든 심포니(Symphonie)라고 하는 2대의 개량형 통신위성은 1974, 1975년 플로리다 주 케이프커내버럴에서 발사되어 서부 유럽-아메리카 대륙-아프리카 간에 전화·텔레비전·데이터 서비스 등을 제공하기 위해 아프리카 연안 앞바다 상공의 궤도로 발사되었다. 소련이 발사한 3대의 몰니아(Molnia) 통신위성은 남반구와 북반구에 걸친 타원궤도를 돌며 정보를 전송했다. 이러한 배치로 인해 각각의 위성은 지상에서 1일 8~9시간 동안 보인다. 따라서 이 위성 3대가 적절히 떨어져 있으며 24시간 동안 통신이 가능하게 되었다. 실용기술위성(Applications Technology Satellite/ATS)은 더 높은 전송 주파수대와 개량형 전송 안테나 등과 같은 새로운 기기와 발전된 통신 기법을 시험하기 위해 미국이 발사한 위성이다.

지구관측위성

이 위성은 지구를 관측하기 위한 사진촬영으로부터 발전되었다. 기상(또는 기후) 위성들은 지구전체를 관측한다. 극궤도에서 지표면 사진은 주사되어 지상수신국으로 전송된다. 위성을 통한 기상 및 그 이동에 대한 전세계적인 관측은 모든 국가에서 중요하게 되었다. 허리케인의 형성과 이동을 추적·예보하여 많은 인명을 구할 수 있게 되었다.

최초의 기상위성은 타이로스(Tiros)이다. 이 위성은 기상학자들이 폭풍을 추적·예측·분석할 수 있도록 구름사진을 전송했다. 1970년에는 최초의 실용적인 제2세대 기상위성이 발사되었다. 여기에는 밤인 곳의 영상을 직접 판독·저장할 수 있는 주사복사계가 설치되어 있으며, 24시간이 아니라 12시간마다 전세계를 관측할 수 있다. 1974년 5월 세계 최초의 동기궤도(同期軌道) 기상위성인 SMS 1호가 미국에서 발사되었다. 1975년 2월에 발사된 SMS 2호를 이어 10월에는 정지실용환경위성인 GOES가 24시간 동안 미국의 기상정보를 제공하기 위해 궤도에 올려졌다.

SMS 시험위성과 GOES는 전세계 기상을 지배하는 메커니즘에 대한 이해를 더욱 높이기 위한 국제 계획인 지구대기연구계획(GARP)에 참여했다. 이러한 전세계적인 시스템에서 또다른 요소에는 1977년 발사된 일본의 기상위성인 GMS와 ESA의 메테오샛(Meteorsat)도 포함되어 있다. 메테오르(Meteor)라고 하는 소련의 기상위성은 1969년 이후부터 기상사진을 전세계로 보내고 있다.

지구관측위성은 지도를 더욱 정교하게 개선시키는 데 사용되기도 한다. 위성의 고도를 알고 있으면, 지구상의 두 지점 사이의 각을 관측하여 두 지점의 거리를 구할 수 있다. 위성 관측은 이전까지 불가능했던 전세계의 대륙을 하나로 연결할 수 있도록 했다. 1965년 NASA는 지구역학실험 해양위성인 GOES 1호를 처음으로 발사했으며, 1968년에는 GOES 2호가 발사되었다. 이 위성의 목적은 10m 이내의 정확도로 전세계의 모든 대륙을 연결하는 통합된 3차원 틀을 제공하기 위한 것이다.

1978년 100일 동안만 작동되었던 시샛(Seasat) 위성은 이제까지 만들어진 가장 자세한 해양 표면과 해류 지도를 작성하기 위해 영상 레이더를 사용했으며, 이전까지 알려지지 않았던 해저 지형을 밝혀냈다. 1985년 발사된 미국 해군의 지오샛(Geosat)은 동일한 종류의 레이더 영상을 얻기 위해 개발되었다. 미국은 1972년, 후에 랜드샛(Landsat) 1호로 다시 명명된 최초의 지구자원기술위성(ERTS)을 발사했다.

이 위성은 약 910km 고도의 극궤도에서 다(多)스펙트럼 영상을 지구로 전송했다. 이 영상은 여러 학문분야의 과학 조사원에게 농업·산림·광물·수자원·해양자원 등에 대한 데이터를 제공한다. 궤도를 도는 우주선을 통하여 지구관측 이외에 곡물면적을 추정하고, 도시개발을 감시하며, 공기·수질 오염지역과 광물·석유가 존재할 수 있는 지질계통을 파악하고, 지도·항해도를 개선시키며, 홍수피해를 연구하고, 수자원을 관리하는 데 이용된다.

항법위성

항법위성인 트랜싯 계열은 최초 1960년 미국 해군에 의해 처음 발사되었는데, 군사적인 이유로 1967년까지 비밀에 붙여졌다. 원래 이 위성은 날씨에 관계없이 핵잠수함의 위치를 정확히 판단할 수 있도록 하기위해 개발되었으나, 그후 일반 선박이나 항공기에도 사용되었다. 이 항법위성을 이용하면 적의 관측에 염려가 있는 전자기 신호를 낼 필요가 없다는 군사적인 이점도 있다. 하지만 이 항법체계를 위한 장비가 비싸서 상선에서는 널리 사용되지 않는다.

물리적 과학에 대한 공헌

태양 현상에 관한 자료

관측된 태양활동과 서로 연관된 측정에서의 변화는 태양 내부에서 발생하는 과정에 관한 새로운 지식을 제공하고 있다. 스펙트럼의 가시광선 영역에서 태양복사는 일정하지만, 자외선 복사와 X선 복사는 변하며, 태양은 백열 가스의 방식으로 복사하며 자외선과 X선 복사는 태양원반의 영역이 아니라 채층(彩層)과 코로나 같은 태양대기의 더 높은 영역에서 발생하는 것으로 알려졌다. 스카이랩의 태양 망원경은 코로나에서 태양풍의 발생원일 것으로 생각되는 '구멍'(차가운 영역)을 발견했다 (→ 색인 : 인공위성).

달·행성 탐사

달의 물리적 성질은 이전에는 불가능했지만 우주탐사라는 방법을 통해 밝혀졌다. 아마도 가장 중요한 발견은 표면물질의 연령이 46억 년으로 측정되었다는 것이다. 달에 관한 또다른 발견으로는 생명체와 물이 없고 암석의 화학적 조성이 다르다는 것만 제외하고 지구의 암석과 비슷하고 달이 매달 지구에 가장 가까이 접근할 때를 전후해서 지진계에 많은 '달 지진'이 기록되었다는 것이다. 그리고 태양풍은 달에 접근함에 따라 교란되지 않는데, 이는 지구의 전리층(電離層)과 유사한 하전입자들의 층이 없다는 것을 의미한다 (→ 색인 : 달 탐사).

금성을 근접 비행한 미국과 소련의 우주선을 통해 이 행성에 관한 것이 많이 밝혀졌다. 구름으로 뒤덮여 있는 표면온도는 540℃에 가깝고 두꺼운 대기는 주로 96% 이상의 이산화탄소와 3.5%의 질소로 이루어져 있음이 확인되었다. 파이어니어 비너스 우주선은 금성이 화산활동을 한다는 것을 밝혀냈다. 이전에 화산활동을 하는 것으로 밝혀진 천체는 지구와 목성의 위성인 이오뿐이었다. 화성의 화산은 휴화산이다.

미국의 매리너 우주선은 화성으로부터 1,380km 이내의 거리에서 비행하면서 극관(極冠)의 사진을 찍고 달과 같이 분화구가 많이 분포되어 있음을 밝혀냈다. 그러나 먼지로 뒤덮인 편편하고 특징이 없는 평원이 있고 극관은 얼어붙은 이산화탄소가 0.6m 두께의 지각을 이루고 있는 것으로 보인다.

과학자들은 바이킹 1·2호가 전송한 자료를 계속 연구하고 있다. 이 우주선은 화성의 상태에 대한 과학적인 지식을 광범위하게 넓혀 주었다. 이 행성의 대기는 주로 이산화탄소로 이루어져 있으며, 미량이지만 질소·아르곤·크립톤·크세논·산소가 확인되었다. 습도는 매우 다른데, 여름반구가 겨울반구보다 습도가 더 높다. 바이킹의 생물학적 실험은 생명체의 흔적을 밝히는 데 실패했을 뿐만 아니라 어떤 유기화학물질도 발견하지 못했다. 그러나 2000년에 글로벌 서베이어호가 보내온 화성 표면 사진에 호수나 얕은 바다가 있어야 생성되는 충적층이 발견되면서 화성에 물과 생물이 존재했을 가능성이 다시 제기되었다.

보이저 우주선은 목성과 토성에 대한 과학자들의 견해를 완전히 바꾸어놓았다. 얇은 고리들이 12만 8,000km의 고도에서 목성을 두르고 있는 것이 발견되었으며, 이 행성을 뒤덮고 있는 구름에서 번개가 발생하는 것도 발견되었다. 목성의 가장 두드러진 특징인 대적점(大赤點)은 그 가장자리를 따라서 360km/h 이상으로 6일마다 1바퀴씩 회전하는 거대한 소용돌이임이 발견되었다. 또한 보이저호의 자료를 통해 3개의 새로운 위성과 이오의 화산활동도 발견하게 되었다.

토성의 구름 꼭대기는 목성보다 색이 더 옅지만, 그 고리는 더 짙은 것으로 판명되었다. 이러한 고리계는 오래전 천문학자들에게 알려진 3개의 주요 고리 안에 수천 개의 작은 고리들이 복잡하게 이루어져 있음이 발견되었다. 세퍼드 위성은 고리의 바깥쪽 가장자리에서 발견되었다. 흑점은 고리들을 통해 고체로서 회전하는 것처럼 보인다. 어떠한 고체 구조도 이러한 방식으로 존재할 수 없기 때문에 어떤 종류의 전자기 효과가 있는 것으로 믿어진다.

Macropaedia

참고문헌

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출전 : [브리태니커백과사전 CD GX], 한국브리태니커, 2004
   
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