오늘은 아시는 분들은 다 아실..... 인류가 외행성계로 진출하는 사실상 유일한 방법, 스윙바이(SwingBy)에 대해서 조금만 이야기 해봅시다~
인류가 만들어낸 가장 거대한 로켓 새턴-V의 경우 자체 추력으로 다음과 같은 위성발사능력을 가지게 됩니다.
- 지구 저궤도(300~500km 고도)에 130톤 위성을 띄울 수 있음.
- 달까지 43톤의 탐사선을 보낼 수 있었음. (아폴로 우주선)
- 금성,화성까지 32톤의 탐사선을 보낼 수 있었음.
새턴-V 로켓은 발사중량이 무려 3,000톤에 이르는 3단짜리 괴물 로켓이죠.
(우주왕복선은 2,000톤급 입니다. 100톤짜리 왕복선을 지구 저궤도까지만 올릴 수 있었단~)
지구저궤도까지 위성 올리는것과, 달, 화성, 금성 등에 탐사선 보내는것은 추가로 추력(즉, 연료와 엔진 등 추가중량이 필요)이
필요해서 아다시피 지구상에서 첨 쏘아올리는 로켓의 크기와 무게가 기하급수적으로 증가하게 되죠.
자~ 여기서 보면 현재 인류의 기술력으론 달, 화성, 금성 까지는 로켓으로 쏴서 한방에 도달할 수 있다는 겁니다.
(물론 대형로켓이나 가능... 한국의 차기로켓 KLSV-II 같은 경우는 택도 없음... 달까지는 소형 위성이나 간신히 도달할 수준)
그런데 인류는 벌써 수성, 태양, 목성, 토성, 해왕성, 천왕성 등등 다 탐사했습니다.... 어찌된 일일까요?
그건 바로 워프항법.... 아니아니 스윙바이라는 기술을 개발했기 때문이죠. -_-;;;
[ 스윙바이 ]
- 행성 등의 공전에너지를 지닌 물체의 중력을 이용해 우주선에 추가 가속도를 얻는(훔치는) 방법.
간략한 원리입니다~ (쉽게 이해 되시죠?? 이해 안되셔도 상관없음)
즉, 우주선이 A라는 행성(주로 달, 금성, 지구)을 향해 같은 방향(행성의 공전방향)으로 가다가 그 행성의 인력에 끌려서
인공위성처럼 빙~ 돌때 그 행성의 공전속도를 추가로 얻게 되는 원리입니다. (속도 얻어낸 다음엔 방향 틀어서 목적지로 고고씽~)
특히, 스윙바이시 최대가속시점에 만약 우주선에 추력이 남아있다면 엔진을 가동시켜서 행성공전속도+엔진속도 합칠 수 있는데요..
여기서 엔진의 추가속도보다 몇배 더 많은 속도를 덤으로 얻게됩니다. ( 이 원리는 더 복잡하니 빼죠... 뭐 제곱 어쩌구 공식 -_-;;)
영화 아마겟돈 보면 부르스 윌리스가 탄 우주선이 달뒷면을 돌때 우주선이 엔진점화하여 최대가속하죠.
이 원리가 바로 그것입니다. 단순한 스윙바이 + 우주선의 엔진점화 = 몇배 더 되는 추가속도를 훔쳐냄.
그래서 지구에 충돌하려는 혜성의 속도(통상 마하80~100 정도로 지구에 접근하죠)에 맞추는 속력을 낼 수 있던거임...
상당히 과학적인 부분이라 나름 영화에서 고증에 신경쓴 티가 나죠.
인터스텔라에서 블랙홀 근처로 우주선을 항해시키고, 거의 블랙홀에 빨려 들어가기 직전에 추진력을 내서 블랙홀의 질량을 훔치는
스윙바이를 합니다. 블랙홀은 워낙 강한 중력원이라 거기서 나올때 가속도는 엄청났던거죠.
스윙바이는 한마디로 도달하려는 목표행성에 이를 추력이 부족할때 인근 행성(주로 금성, 지구 등)의 중력 도움을 받아
추가로 가속하는 원리입니다. 덕분에 우주선의 진행경로가 매우 복잡해지죠.
스윙바이는 행성의 거대한 질량이 가진 중력을 훔쳐내기에, 인공위성이 스쳐지나면서 행성의 운동속도 역시 작용-반작용으로 인해서
조금은 감소하게 됩니다만, 워낙 인공위성의 질량이 티끌보다도 훨씬 작기 때문에 표도 안나는 겁니다.
[ 1997년 발사된 토성 탐사선 카시니의 스윙바이 ]
카시니는 발사후 금성을 두번 돌고~ 지구를 다시 거쳐서 목성을 거쳐서 토성에 도달했습니다. (금성 2번, 지구 1번, 목성 1번 스윙바이)
[ 1998년 발사된 일본의 화성 탐사선 노조미 ]
일본은 당시 강력한 추력의 로켓이 없는데도 불구하고 (화성까지 노조미 탐사선을 한번에 보낼 능력 없었음)
스윙바이를 이용해서 화성까지 자력으로 탐사선을 보낸 의지의 케이스~
그냥 간단하게 로켓 추력 쎈거 못써서 지구를 무려 2번이나 스윙바이 해서 추가속도로 화성까지 안착.
[ 1989년 발사된 목성 탐사선 갈릴레오 ]
갈릴레오는 다음과 같은 순서로 스윙바이를 합니다.
- 발사 4개월 : 금성으로부터 2.2km/sec 속도를 훔쳐냄.
- 발사 10개월 : 지구로부터 5.2km/sec 속도를 훔쳐냄.
- 발사 2년 : 지구로부터 3.7km/sec 속도를 훔쳐냄.
그리고 천문학자들은 1976년부터 1980년 사이에 외행성 다섯개 (목성 - 토성 - 천왕성 - 해왕성 - 명왕성)가 일렬로 서서
175년만에 최적의 스윙바이 궤도에 서게 된다는 사실을 알아냅니다.
그걸 이용해서 외행성계, 태양계 바깥까지 탐사할 스윙바이 챤스가 생긴거죠.
파이오니아, 보이저 탐사선들은 그래서 그때 발사가 됩니다.
먼저 파이오니아는 가장 중력이 쎈 목성을 이용한 스윙바이로 태양계를 벗어나게 됩니다.
[ 파이오니아 10, 11호가 목성을 스윙바이 하는 궤적 ]
그리고 보이저 1, 2호는 다음과 같은 궤적으로 행성들을 차례차례 스윙바이 하죠.
스윙바이를 좀 더 쉽게 생각하시려면~
"마찰력이 전혀 없는 평지를 굴러가던 구슬이 갑자기 경사진 중력의 경사로(행성 근처)에 굴러 떨어져서 속도가 급격히 빨라진 후에,
경사로를 지나 아까보다 낮은 평지로 접어들고 보니 처음 굴러가던 속도보다 더 빨라져 있는 상태."
"그런데 그냥 중력의 경사로에 굴러 떨어지는것 보다, 떨어지면서 기왕이면 달리기까지 같이 하고 튕겨져 나가고 보면
속도는 가속도 + 달리기속도의 제곱을 얻게 됨."
공식으로 풀이하면 조금 복잡해지는데 암튼 그렇습니다.
