항공우주 이야기 (Artemis II, 인류를 다시 달 궤도로 보내는 공학적 시험비행)

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  Artemis II, 인류를 다시 달 궤도로 보내는 공학적 시험비행

 

2026년 4월 1일, NASA의 Artemis II 임무가 미국 플로리다 케네디 우주센터 39B 발사장에서 발사되었다. 이번 임무는 단순히 우주비행사 4명을 달 근처까지 보내는 것이 아니라 인류가 다시 달을 향해 장기 유인 탐사를 시작할 수 있는지를 검증하는 중요한 공학적 시험비행이다. Artemis II는 NASA의 Space Launch System, 즉 SLS 로켓과 Orion 우주선이 실제 승무원을 태우고 수행한 첫 번째 유인 달 비행 시험이라는 점에서 큰 의미를 가진다. NASA는 이 임무가 약 10일 동안 진행되며 달 주변을 비행한 뒤 지구로 귀환하는 방식이라고 설명한다. 달 탐사는 지구 저궤도 임무와 달리 지구와의 거리가 수십만 km까지 멀어지기 때문에, 추진계·전력계·생명유지계·통신계·열방호계가 모두 독립적으로 안정성을 확보해야 한다. 따라서 Artemis II는 미래 달 착륙과 화성 유인 탐사를 위한 종합 시스템 검증에 가깝다.

 

< NASA의 아르테미스 II SLS(우주 발사 시스템) 로켓에 탑재된 오리온 우주선의 발사 장면 >

 

 

 

  궤도 임무 개요: 지구 궤도에서 달 자유귀환궤도까지

 

Artemis II의 비행 경로는 크게 지구 궤도 운용 단계, 달 전이 단계, 달 근접비행 단계, 지구 귀환 단계로 나눌 수 있다. 이 임무는 4명의 우주 비행사를 Orion에 태워 발사 후 지구 궤도에서 점검을 거친 뒤 달로 비행하고 다시 지구로 돌아오는 구조로 설계되어 있다. 따라서 Artemis II는 달 착륙 임무라기보다, 사람을 태운 Orion 우주선이 심우주 환경에서 정상적으로 작동하고 안전하게 귀환할 수 있는지를 확인하는 공학적 시험비행이다. 그 과정은 다음과 같다.

 

< Artemis II 임무 개요 >

 

 

 

  Launch – 발사

 

발사 단계에서 SLS 로켓은 Orion 우주선을 대기권 밖으로 올려 보내는 역할을 한다.

 

 

  Jettison Rocket Boosters, Fairings, and Launch Abort System – 로켓 부스터, 페어링, 발사 비상탈출시스템 분리

 

발사 후 SLS는 고체 로켓 부스터와 Orion 서비스 모듈을 보호하던 페어링을 차례로 분리한다. 또한 초기 상승 단계에서 비상 상황이 발생했을 때 Orion 우주선과 승무원을 안전하게 대피시키는 발사 비상탈출시스템도 함께 분리된다

 

 

  Core Stage Main Engine Cut Off – 코어 스테이지 주엔진 정지

 

우주 공간에 도달하면 SLS의 코어 스테이지 엔진이 정지하고 상단부와 Orion 우주선으로부터 분리된다.

 

 

  Perigee Raise Maneuver – 근지점 상승기동

 

Orion이 초기 준궤도 궤적의 원지점, 즉 가장 높은 지점에 도달하면 SLS 로켓의 상단부 엔진인 ICPS(Interim Cryogenic Propulsion Stage)가 엔진을 점화한다. 해당 연소는 궤도의 근지점, 즉 가장 낮은 지점을 안전한 고도인 100마일(약 160km)까지 높이기 위한 것이다. 이 연소가 완료되면 Orion과 ICPS는 안정적인 지구 저궤도에 안착하게 된다.

 

 

  Apogee Raise Burn to High Earth Orbit – 지구 고궤도 진입을 위한 원지점 상승기동

 

약 한 시간 뒤에 ICPS는 궤도의 근지점에서 다시 엔진을 점화한다. 해당 연소는 Orion을 지구의 고궤도까지 올려 보내기 위한 것이다. 이때의 고궤도는 원지점 약 71,656km, 근지점 약 185km의 궤도이다. 이때부터 Orion과 승무원은 아직 지구와 비교적 가까운 상태에서 약 23시간 동안 우주선 점검을 수행하게 된다.

 

 

  Orion Separation from ICPS followed by Proximity Operations Demonstration – Orion의 ICPS 분리 및 근접운용 시연

 

ICPS가 자신의 임무를 마치면 Orion에서 분리된다. 이후 ICPS는 근접운용 시연을 위한 목표물로 다시 활용된다. 해당 시험은 승무원이 Orion을 수동 모드로 안전하게 조종할 수 있는지를 확인하는 기회이다. ICPS는 미래 임무에서 Orion이 도킹해야 할 우주선의 역할을 대신하며 승무원은 Orion을 ICPS 쪽으로 접근시키고 주변에서 비행시키는 연습을 수행한다.

 

 

  Orion Upper Stage Separation Burn – Orion 상단부 이탈 연소

 

근접운용이 끝나면 승무원은 Orion의 궤도기동시스템 엔진을 사용해 ICPS로부터 멀어진다. 동시에 Orion은 멀어지는 상단부를 추가로 관측한다. 약 15분 뒤 ICPS는 자체 폐기연소를 수행하여 지구 대기권에 재진입해 태평양 상공에서 소멸하는 경로에 들어간다.

 

 

  Perigee Raise Burn – 근지점 상승연소

 

비행 1일 차 종료 시점에 승무원은 추가 엔진 연소를 수행한다. 해당 연소는 비행 2일 차에 예정된 달로 향하는 궤도 진입을 위한 연소를 위해 Orion을 올바른 궤도 형상에 맞추기 위한 것이다.

 

 

  Translunar Injection by Orion’s Main Engine – Orion 주엔진을 이용해 달로 향하는 궤도 진입

 

달로 향하는 궤도 진입은 해당 임무에서 마지막으로 수행되는 대형 엔진 연소이다. 해당 연소는 Orion을 달을 향한 경로로 추진하며 최종적으로 승무원을 지구로 다시 데려와 해상 착수하게 하는 자유 귀환 궤도에 올려놓는다. 임무 시작 후 이틀째에 이루어지지만 이 연소는 사실상 Orion의 지구 귀환을 결정하는 탈궤도 연소와 같은 역할도 한다.

 

 

  Outbound Transit to Moon – 달 전이 궤도 보정 기동

 

이후 3일 동안 Orion의 궤도 기동 시스템 엔진을 이용해 달 방향으로 세 차례의 작은 궤도 보정연소가 수행된다. 이 보정연소들은 우주선이 달 주변 비행 목표 경로를 정확히 유지하도록 돕는다. 비행 5일 차의 Orion은 달의 중력권에 진입하게 된다. 이 지점부터는 지구 중력보다 달 중력이 우주선에 더 강하게 작용한다.

 

 

  Lunar Flyby – 달 근접비행

 

Artemis II 승무원이 달에 얼마나 가까이 접근할지는 발사 시점에 따라 달라진다. 가능한 발사일마다 달의 위치가 다르기 때문에 정확한 거리는 달라지며, 달 표면 위 약 4,000~6,000마일(약 6437km~9656km) 범위가 된다. 이는 달 표면에서 약 80마일(약 129km)까지 접근했던 Artemis I보다 훨씬 먼 거리이다.

 

승무원이 달 표면에 가장 가까워지는 순간은 Orion이 달 뒤편을 비행할 때이다. 이때 승무원은 발사 시점에 따라 약 30~50분 동안 지구와의 통신이 끊기게 된다. 그동안 승무원은 달의 뒷면 사진과 영상을 촬영하고 통신이 회복된 뒤 지상 과학자들과 공유할 관측 자료를 수집한다.

 

 

  Trans-Earth Return – 지구 귀환

 

Orion이 달의 뒷면을 돌아 달 중력권을 벗어나면 연료 효율이 높은 자유귀환궤도가 지구-달 중력장을 활용해 Orion을 자연스럽게 지구 쪽으로 끌어당긴다. 달로 향할 때와 마찬가지로 귀환 중에도 세 차례의 작은 귀환 궤도 보정연소가 수행되어 승무원이 안전하게 해상 착수할 수 있도록 한다. 세 번의 보정연소 중 마지막 연소는 비행 10일 차, 대기권 진입 시작 약 5시간 전에 수행된다.

 

 

  Crew Module Separation from Service Module – 승무원 모듈과 서비스 모듈 분리

 

자신의 역할을 마친 Orion 서비스 모듈은 승무원 모듈에서 분리된다. 서비스 모듈에는 우주선을 조종하고 우주 공간에서 추진하는 연소를 담당한 엔진들이 들어 있다. 서비스 모듈이 분리되면 승무원 모듈의 열방호판이 드러나며 이는 재진입 과정의 고열로부터 우주비행사를 보호한다. 이후 서비스 모듈은 지구 대기권에서 소멸하게 된다.

 

 

  Entry Interface – 대기권 진입 시작

 

승무원 모듈의 반작용제어시스템 엔진은 최대 가열 구간에 대비해 열방호판이 진행 방향을 향하도록 자세를 조정한다. 지구 상공 40만 피트, 약 76마일(약 122 km) 고도에서 Orion은 발사 이후 처음으로 지구 대기의 영향을 받기 시작한다. 몇 초 안에 주변 대기와의 마찰이 증가하면서 우주선 주변에는 초고온 플라즈마가 형성된다. Orion은 약 화씨 3,000도, 섭씨로는 약 1,650도에 이르는 온도에 가까워져 플라즈마 때문에 승무원과의 통신은 일시적으로 차단된다.

 

 

  Splashdown – 해상 착수

 

Orion이 재진입의 고열 구간을 통과하면 전방 베이를 보호하던 덮개가 분리되고 낙하산 전개가 시작된다. 드로그 낙하산 두 개가 고도 25,000피트 (약 7.62 km)에서 펼쳐져 캡슐의 속도를 시속 307마일(약 494km)까지 줄인다. 고도 9,500피트(약 2.8956 km)에서는 파일럿 낙하산 세 개가 펼쳐져 최종 주 낙하산 세 개를 끌어낸다. 주 낙하산은 Orion의 속도를 시속 약 130마일(약 209.21km)에서 해상 착수 시 시속 17마일(약 27.36km)까지 낮춘다.

 

< Artemis II 궤도 영상 >

 

 

 

 

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원문            이진[dlwls5575@kaist.ac.kr]

편집             김준서[junnius@kaist.ac.kr]