한국의 첫 달 탐사 목적 궤도선인 ‘다누리호’는 지금 어디쯤 날아가고 있을까... 달에 직접 내려앉아 탐사하는 착륙선을 보내기 이전에 먼저 달 상공에서 궤도운항을 하면서 달을 탐사하려는 궤도선 다누리호는 지난달 5일 발사된 이래 45일째인 2022년 9월 19일 10시 현재 지구로부터 152만㎞ 떨어진 우주 어느 지점을 여행하고 있다. 그동안의 누적 이동거리는 157만㎞이다. 5만㎞의 차이는 항로 변경 또는 수정 등에 따른 결과이다. 

                 ▲지구 중심으로 본 다누리호의 우주 항로 궤적. 1969년 인류를 최초로 달에 데려간 미국의 유인우주선 아폴로11호가 불과 나흘 만에 달에 간데 비하여 다누리호는 달 궤도까지 무려 132일 동안 아주 먼 길을 돌고 돌아가게 된다. 무거운 탐사장비로 인해 에너지를 줄이려고 태양과 지구의 중력을 이용하기 때문이다. 그림에서 왼쪽이 태양 방향이고, 작은 빨간 점이 태양과 지구의 중력 평형점으로 다누리호의 궤적 변경 반환점이다. <한국항공우주연구원 제공>

그런데 언뜻 이해하기 어려운 사안들이 몇 가지 있다. 지구와 달의 직선거리는 38만㎞인데, 정작 달로 간다던 다누리호는 왜 그보다 네 배나 더 먼 우주 어느 곳까지 날아갔을까? 반세기나 이전인 1969년 인류 최초로 사람을 달 표면에 보냈던 미국 우주선 아폴로11호는 불과 나흘 만에 달까지 갔는데 우리나라의 달 탐사선 다누리호는 왜 한 달 반이나 지난 지금까지도 그 먼 우주공간을 떠돌고 있을까? 이뿐만 아니라 앞으로 88일이나 더 우주를 돌아다닌 다음에 12월 17일에야 달 궤도에 진입한다 하니, 도대체 무슨 사정이 있는 것일까?

그 궁금증에 대한 답은 바로 ‘에너지 절약’이다. 한마디로 다누리호는 달 궤도에 진입할 때까지의 연료 소모를 줄이기 위해 지구와 태양과 달, 그리고 다누리호 본체까지 4개 물체의 ‘4체(四體) 중력’을 절묘하게 이용하고 있다.

다누리호가 지구를 떠날 때는 미국 플로리다주 케이프커내버럴 우주선 발사장에서 미국 발사 대행 업체 <스페이스 X>의 발사체 힘을 빌려 지구 중력장을 벗어났지만, 그 이후로는 혼자의 힘으로 달 궤도까지 가야 하는데, 한마디로 ‘무거운 짐’이 많아서 지구 태양 달 등 ‘중력 도우미들’의 힘을 보태어 가야 하므로 어쩔 수 없이 먼 길을 돌고 돌아가게 된 것이다.

즉, 다누리호가 달에 가까워질수록 달의 중력이 급격한 비율로 강하게 작용하므로 엄청난 가속도를 받게 되는데, 이 같은 달의 중력장을 뚫고 안전하게 궤도에 진입하려면 역방향으로 많은 에너지를 소모해야 한다. 이때의 에너지를 줄이기 위하여 이른바 ‘4체 중력’을 활용하는 것이다. 연료를 25%가량 줄일 수 있다고 한다.

                   ▲태양 중심으로 본 다누리호의 우주 항로 궤적. 8월 5일 지구를 떠난 다누리호는 태양 방향과 달 방향으로 여러 차례의 궤적 변경과 수정을 거쳐 우주여행 132일 만에 달 궤도에 진입한 뒤, 궤도 수정 운행을 거듭하다가 148일 만인 12월 31일 100㎞ 상공의 달 궤도에 안착하게 된다. <한국항공우주연구원 제공>

이에 따라 다누리호는 초기에 달 방향이 아닌 태양 방향으로 길을 잡아 태양의 힘으로 우주를 여행하다가 태양과 지구의 중력이 평형을 이루는 ‘라그랑주 포인트 L1’에서 방향을 반대로 바꾸어 지구와 달 쪽으로 다시 먼 여행을 하는 것이다. 다누리호는 지난 2일 지구에서 136만㎞ 떨어진 지점에서 이 같은 ‘궤적 수정 기동’에 성공했다.

다누리호는 이후 지구에 가까이 왔을 때 달과 함께 지구 궤도를 돌다가 어느 시점, 어는 지점에서 달의 중력에 ‘포획’되어 지구를 등지고 달에 접근하여 점진적으로 궤적을 줄여 나가는 운행을 거듭하여 안정된 지점에 이르면 달 고도 100㎞ 상공 궤도에 안착하고 내년 1년 내내 주어진 임무를 수행하게 된다. 임무 연장 여부는 1년 뒤 상황에 따라 결정한다.

이처럼 지구와 태양, 달의 중력을 이용해 넉 달 반 동안 우주여행을 하면서 다누리호는 마치 리본체조 선수가 허공에 리본을 돌릴 때처럼 유연하고 우아한 궤적을 그리게 되는데 관계자들은 이를 ‘리본 노선’이라고 부르기도 하고, 태양 쪽으로 갔다가 다시 지구와 달 쪽으로 돌아오는 형태를 빗대어 ‘부메랑 노선’이라고 칭하기도 한다. 또 나흘이면 갈 수도 있는 길을 넉 달 반이나 걸려 가므로 ‘완행 열차’라고 하기도 한다.

한편 다누리호가 넉 달 반 뒤 달 궤도에 안착하여 관측 임무를 개시하게 되면 한국은 세계에서 7번째로 달 탐사를 한 나라가 된다. 그동안 미국 러시아 유럽연합(EU) 중국 인도 일본 등이 달 탐사를 실행한 바 있다.

이번 다누리호 성공을 계기로 한국은 우주 탐사에 속도를 더해 2031년 달 착륙선을 보낼 계획이다. 다누리호는 달 상공을 궤도운행하는 궤도선이지만, 달 착륙선은 월면에 직접 내려 탐사활동을 하게 된다. ‘다누리’라는 말은 명사 ‘달’과 동사 ‘누리다’의 합성어인데 한국이 진정으로 ‘달나라’를 누려볼 날이 가까이 온 듯하다. 

▲다누리호가 지구를 떠난 지 24일만인 8월 29일 지구로부터 태양 방향으로 130만㎞ 떨어진 우주에서 지구와 달의 모습을 한 컷의 사진에 담았다. 지구와 달의 크기가 매우 실감 나게 비교된다. 우리나라의 발사체가 지구중력권을 벗어난 것은 다누리호가 처음이며, 지구에서는 결코 볼 수 없는 달의 뒷면을 촬영한 것도 이번이 처음이다. <한국항공우주연구원 제공> 

내년 1년 동안 달 탐사 임무를 수행할 다누리호에는 다음과 같은 첨단 장비들이 실렸다. 달에 묻힌 지하자원을 탐사할 <감마선 분광기>, 달 궤도에서 인터넷 통신을 시도할 <우주 인터넷 시스템>, 달 표면 토양을 연구할 <광시야 편광 카메라>, 2031년 우리나라 달 착륙선이 내릴 장소를 찾는 <고해상도 카메라>, 달의 진화과정을 연구할 <자기장 측정기>, 미국 항공우주국과 공동으로 달의 영구음영지역, 즉 영원히 햇빛이 들지 않는 특정 구역을 탐사할 <섀도 캠> 등.