중력이 잡아 당겨 대기권 진입 땐 초속 230m
연료 엔진 점화·낙하산 이용해 속도 줄여야
대기권 진입 각도는 반드시 7도 유지해야

오는 19일 오후 5시38분(한국시각) 한국 최초의 우주인 이소연(30)씨가 러시아 우주인 유리 말렌첸코, 미국 여성 우주인 패기 윗슨과 함께 지구로 돌아온다. 갈 때와 같은 종류의 소유즈 우주선을 타고 오지만 갈 때와 올 때는 전혀 다른 경로를 밟는다. 돌아올 때는 갈 때와 달리 속도를 줄이는 기술이 관건이다.

◆속도 늦추기가 핵심

소유즈 우주선이 국제우주정거장(ISS)으로 갈 때는 이틀 넘게 걸렸지만, 돌아올 때는 3시간23분밖에 걸리지 않는다. 완행열차로 갔다 KTX를 타고 돌아오는 셈이다.

이처럼 빨리 돌아올 수 있는 것은 지구 중력에 몸을 맡기기 때문이다. 우주로 갈 때는 지구 중력을 이기기 위해 엔진을 점화해 엄청난 속도를 냈지만, 돌아올 때는 가만히 있어도 지구 중력이 잡아당겨 엄청난 속도가 난다. 귀환선이 지구 대기권을 진입할 때 속도는 무려 초속 230m. 끝까지 이대로 가면 우주선은 산산조각이 날 수밖에 없다.

귀환선은 착륙 15분 전까지 8개의 과산화수소 연료 엔진을 점화해 그 반동력으로 속도를 줄인다. 이후엔 낙하산의 몫이다. 주 낙하산은 넓이가 1000㎡나 된다. 낙하산이 펴지면 귀환선은 지구 표면과 30도 각도로 기울어진다. 대기권을 진입할 때 마찰열로 달궈진 표면을 자연 바람을 이용해 식히기 위해서다. 착륙 직전에야 바로 서 지상과 수직이 된다.

마지막으로 착륙 2초 전 6개의 고체연료 엔진을 분사한다. 이 엔진은 착륙 속도와 우주인이 받는 힘을 15~30%가량 줄여 사뿐하게 착륙할 수 있도록 도와준다.

◆대기권 진입 각도는 7도 유지해야

귀환선은 대기권으로 진입할 때 진입 각도에도 신경을 써야 한다. 소유즈는 대기권 표면과 약 7도 각도를 이루며 진입한다. 만약 7도보다 작으면 물수제비를 뜬 조약돌처럼 대기권에서 튕겨나간다.

반대로 7도보다 큰 각도로 들어가면 지구가 잡아당기는 중력 가속도가 급증한다. 소유즈 우주선이 7도 각도로 진입할 때 우주인들은 약 7G(중력가속도 단위)의 가속도를 경험한다. 지상에서 느끼는 중력 가속도가 1G이다. 2G가 되면 자기 몸무게의 두 배로 누르는 힘을 느끼게 된다.

진입 각도가 1도 증가할 때마다 중력 가속도 역시 1G 정도씩 증가하는데 10도로 진입하면 우주선은 완전히 찌그러진다. 음식에 칼집을 낼 때 칼을 너무 눕히면 칼날이 들어가지 않고, 너무 세우면 생각보다 깊이 칼날이 박히는 것과 같은 원리다. 소유즈 귀환선은 진입 각도를 0.1도까지 정확히 맞춰 대기권으로 진입한다.

◆맨땅 헤딩은 넓은 초원 탓

소유즈 귀환선은 카자흐스탄 초원에 떨어진다. 그런데 도착 예정지역이 가로로 100㎞, 세로로 50㎞나 된다. 경기도 면적의 절반에 해당된다. 이마저도 최대 몇 백㎞까지 벗어날 때가 있다. 지난해 10월 돌아온 소유즈 우주선은 도착 예정지에서 무려 300㎞나 벗어났다.

신형 소유즈 귀환선에는 착륙의 정확도를 높이기 위해 속도 저감용 고체연료 엔진과 3축 가속도계 등이 추가로 장착됐다. 하지만 미국 우주왕복선이 활주로에 착륙하는 것에 비하면 말 그대로 '맨땅에 헤딩'하는 격이다.

KAIST 항공우주공학과 박철(75) 교수는 "이는 러시아가 기술이 부족해서가 아니라 카자흐스탄 초원 지역이 워낙 넓어 굳이 착륙지점을 정확히 할 필요가 없기 때문"이라고 말했다. 미국 역시 빈 땅이 많지만, 언제 민간에 의해 개발이 될지 몰라 일찍부터 착륙지점을 정확하게 맞추는 기술이 개발돼 왔다는 것이다.