이에 아시아 국가 중 가장 앞선 기술력을 자랑하는 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 달 탐사 프로젝트를 통해 한국형 달 탐사 프로그램의 국가적 의미와 가치를 되짚어보고 성공적 운용방안 등을 제시해보고자 한다.
[01] 우주로 비상하는 일본
일본 도쿄 나리타국제공항에서 극심한 교통체증을 뚫고 2시간을 달려 도착한 도쿄 조후시. 이곳 도심 속 평범한 외관의 빌딩에 JAXA의 도쿄 본부가 자리 잡고 있다. JAXA는 2003년에 창설된 일본 우주항공 분야 연구개발(R&D)의 본산이다. 일본이 2007년 아시아 국가 가운데 최초로 달 탐사위성 ‘셀레네(가구야)’를 달 궤도에 안착시키고 2010년 ‘하야부사 1호’로 세계 최초의 소행성 표본채취에 성공하는 등 우주강국의 반열에 오를 수 있었던 데는 JAXA의 힘이 절대적이었다. 작년 12월 3일에도 JAXA는 두 번째 소행성 탐사선 ‘하야부사 2호’의 성공적 발사를 이끌어내며 전 세계의 주목을 받았다.
세계 4대 우주강국 도약
달 탐사와 관련해 JAXA의 차기 주자는 오는 2020년 발사 예정인 ‘셀레네 2호’다. 달을 공전하며 원거리 탐사를 수행했던 셀레네 1호와 달리 달 표면에 직접 탐사 로버를 착륙시켜 운용하는 것이 목표다.
이를 위해 JAXA는 현재 ‘달·행성 탐사 프로그램 그룹(LPEPG)’의 주도 하에 달 착륙선과 로버의 설계, 착륙 시스템 등 핵심 기반기술 개발에 역량을 집중하고 있다. 또한 H2-A 로켓 발사체와 탑재체, 통신 시스템의 고도화에도 만전을 기하고 있다.
하라다 마리코 JAXA 홍보팀장은 “일본 달 탐사 프로젝트의 궁극적 지향점은 달과 지구의 생성기원 규명”이라며 “셀레네 2호의 성공은 아시아 최강을 넘어 미 항공우주국(NASA), 유럽우주기구(ESA), 러시아연방우주국(RSA)과 어깨를 견줄 세계 4대 우주강국으로 도약하는 발판이 될 것”이라고 밝혔다.
아직 설계안이 확정되지는 않았지만 JAXA는 착륙선의 착륙 오차범위를 100m로 설정했다. 하시모토 다쓰아키 박사(LPEPG 그룹장)는 “목표 착륙지점과 실제 착륙지의 오차를 100m 내외로 줄이겠다는 의미”라며 “카메라가 촬영한 실시간 영상을 달 표면 지형도와 비교해 착륙선 스스로 착륙 지점을 찾아가는 자동화 시스템을 구현할 계획”이라고 설명했다.
로버의 경우 80×65×20㎝의 비교적 소형으로 설계됐다. 4개의 바퀴와 1개의 로봇 팔을 지니고 있으며 태양전지로부터 동력을 얻는다. 태양이 없는 야간에는 고성능 리튬이온 배터리가 동력을 공급하게 된다. 특히 로버가 달 표면의 모래구멍에 빠져 오도 가도 못하는 상황을 막고자 약 20도의 경사를 오를 수 있는 능력을 부여할 예정이다.
하시모토 박사는 “달 표면 탐사는 300℃에 달하는 극심한 일교차와 미세먼지 방호 대책 등 궤도선 탐사와는 또 다른 차원의 극한환경 극복이 필수적”이라며 “중국과 인도가 일본을 맹추격하고 있는 만큼 실패는 없다는 각오로 작은 것 하나에도 완벽을 기하고 있다”고 전했다.
2025년 유인 달기지 건설 추진
하라다 팀장은 달 탐사를 포함한 우주 탐사의 성공 키워드로 민관학연의 유기적 협력을 꼽는다. NASA·ESA·RSA가 반세기 가까이 우주 탐사를 주도할 수 있었던 것도 정부와 산업계·학계와의 탄탄한 협력 네트워크에 기인한 바가 크다는 설명이다.
하라다 팀장은 “JAXA만 해도 공식 달 탐사 프로젝트 팀원은 6명에 불과하지만 대학·산업체 등의 협력인력을 포함할 경우 전체 연구팀 규모는 200명 이상”이라며 “진정한 우주강국이 되려면 원천기술 확보만큼 학계와 산업계의 동반성장을 꾀하는 정책적 노력도 게을리 해서는 안 된다”고 밝혔다.
아시아 국가 가운데 현재 JAXA가 느끼는 최대 경쟁상대는 단연 중국이다. 중국의 경우 달 궤도선 발사는 일본보다 늦었지만 정부의 전폭적 지원 아래 이미 2013년 12월 ‘창어 3호’가 월면차 ‘위투’를 달 표면에 내려놓는 데 성공했다. 또 2017년 창어 5호를 발사, 달에서 표본을 채취해 지구로 가져온다는 계획의 일환으로 작년 11월 시험선을 달 근처로 보낸 뒤 지구로 귀환시키는 데 성공하기도 했다.
이에 대해 하시모토 박사는 중국이 시간에서 일본을 앞서고 있을 뿐 달 탐사 기반 기술력은 일본이 우위를 점한다고 강조한다. JAXA는 하야부사 1호를 통해 사실상 행성 착륙과 표본채취, 지구 귀환 기술을 모두 확보하고 있다는 이유에서다. 지난 2011년 동일본 대지진과 후쿠시마 원전 사고 이후 재해복구에 정부 예산이 집중되면서 셀레네 2호의 발사 일정이 당초 로드맵보다 5년 지연되기는 했지만 크게 조급함을 갖지 않는 것도 이 때문이다.
하시모토 박사는 “소행성은 달보다 작고 거리도 멀어 모든 면에서 한 차원 높은 정밀도가 요구된다”며 “착륙 정확도만 보면 NASA를 능가한다고 해도 과언이 아니다”라고 말했다.
JAXA는 셀레네 2호의 성공 이후 곧바로 창어 5호와 동일한 임무를 띤 셀레네X 프로그램을 가동하고 달 기지 건설로 달 탐사의 화룡점정을 찍을 계획이다. 하시모토 박사는 “예정대로 예산 편성이 이뤄진다면 2020년 셀레네 2호의 달 착륙, 2025년께 우주비행사의 장기체류가 가능한 달 기지 건설을 목도할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
12명 닐 암스트롱 이후 지금까지 달표면을 밟아 본 사람 수. 이들 모두는 미국 아폴로 프로젝트에 참여했던 우주비행사들이다.
100mg JAXA의 소행성 탐사선 하야부사 2호가 지구로 가져올 소행성 표본의 중량. (목표치)
[INTERVIEW] JAXA 달·행성 탐사 프로그램 그룹장
타츠아키 하시모토
Q. 달 궤도선 가구야의 과학적 성과는?
가구야는 달 궤도를 돌면서 달의 표면 전체를 관측했다. 특히 달의 중력장과 자기장을 매우 정밀하게 측정했다. 이중 중력장 연구를 통해 달의 뒷면 지각이 앞면보다 두꺼우며 달의 앞뒷면 분화구의 중력분포가 다르다는 사실이 밝혀졌다. 자기장 연구에서도 달의 극 위치가 바뀌었음을 확인해 달의 형성과 진화를 이해하는 데 중요한 자료를 제공했다
Q. 우주 탐사에서 달 탐사가 갖는 의미는?
지구에서 가장 가깝기 때문에 우주 탐사 기술을 연마할 최적의 장소이자 외계행성 탐사의 중간 기착지로서 가치를 지닌다. 또한 달 탐사와 우주 탐사는 과학적 의미 외에 현실적 이유도 있다. 바로 자원의 확보다. 달에만 해도 희토류와 티타늄·헬륨3 등 고부가가치 광물자원이 다량 묻혀 있다.
Q. 달 이외의 외계행성 탐사 계획은 없나?
몇 가지 프로젝트가 진행되고 있다. JAXA는 지난 2010년 세계 최초의 금성탐사선 아카쓰키호 발사에 성공했지만 금성 궤도 진입에는 실패했다. 하지만 엔진상태가 양호해 올해 다시 궤도 진입을 시도할 예정이다. 이외에 오는 2016년께 수성 탐사선을 발사한다는 계획도 갖고 있다.
Q. 후발주자인 한국에 조언을 해준다면.
민관학의 유기적 네트워킹을 바탕으로 정부의 전폭적 지원이 필수적이라고 본다. 충분한 예산과 전문인력의 확보가 달 탐사의 성패를 좌우할 수 있기 때문이다. 또 달 탐사는 지구 궤도에 인공위성을 띄우는 것과 달리 돌발 상황이 다수 발생할 수 있는 만큼 기초 설계단계부터 기반기술 연구를 철저히 수행해야 한다. 덧붙여 NASA, ESA, JAXA 등 선발주자들과의 협력도 기술력을 빠르게 끌어올릴 바람직한 방법이다. 이 점에서 한국과 일본이 참여 중인 NASA 주도의 ‘국제 달 탐사 네트워크(ILN)’에서 많은 것을 얻을 수 있을 것으로 본다.
[02] 한국형 달 탐사 프로그램
최근 일본·중국·인도 등 아시아 국가들을 중심으로 제2차 달 탐사 경쟁이 본격화되고 있다. 전문가들은 우리나라가 이 경쟁에서 밀리면 우주 강국들과의 기술격차에 따른 국제협력 기회 상실로 이어져 우주 탐사라는 무대에서 완전히 도태될 수 있다고 지적한다.
이에 우리 정부도 오는 2017년 달 궤도선, 2020년 달 착륙선의 독자 발사를 골자로 한 한국형 달 탐사 프로그램을 수립했다. 그리고 한국항공우주연구원을 비롯한 15개 정부 출연 연구원과 대학들이 선행연구를 공동으로 진행해왔다. 하지만 작년 12월 국회의 내년 예산안 처리 과정에서 달 탐사 예산이 전액 삭감되며 사업 차질에 대한 우려의 목소리가 커지고 있다.
2020년 달 착륙선 발사 고수키로
당초 상정된 2015년도 달 탐사 예산은 총 410억8,000만원이다. 달 탐사선 본체와 시스템 개발에 214억8,000만원, 달 궤도선·착륙선·과학탑재체 개발에 77억원, 우주인터넷·원자력전지·로버 개발에 59억원이 배정됐었다. 또 발사체 상단과 심우주 통신 지상국 개발비로 각각 37억원, 23억원을 지원할 계획이었다. 그러나 이번 예산 삭감으로 이 모든 분야의 연구개발(R&D)에 크고 작은 차질이 불가피할 것으로 전망된다.
그나마 다행인 것은 미래창조과학부가 2020년으로 예정된 달 착륙선 발사 일정을 유지하기로 내부방침을 정했다는 점이다. 이와 관련, 작년 12월 12일 국가우주위원회 산하 우주개발진흥 실무위원회에서 후속대책을 논의했으며 올해 4~5월께 열릴 국가우주위원회의 정식 안건으로 다뤄 세부일정을 조정할 방침이다.
김대기 미래부 우주정책과장은 “현 상황에 맞춰 최적의 방안을 모색하고자 기존 로드맵을 심도 깊게 검토 중”이라며 “1단계 궤도선 발사는 1년 정도 늦춰지겠지만 최종 착륙선 발사는 순연 없이 이행에 문제가 없을 것으로 본다”고 밝혔다. 이를 위해 미래부는 관련 예산이 정상 반영될 2016년 이전까지 항우연의 달 탐사 연구사업과 출연연 공동연구사업으로 돌파구를 찾을 생각이다. 두 사업에 할당된 출연연들의 자체예산 약 77억원을 투입, 올해 1년간 달 탐사선 본체와 시스템 설계에 주력함으로써 일정 지연을 최소화하겠다는 것이다.
탁민제 KAIST 항공우주공학전공 교수는 “한국형 달 탐사 프로그램이 가진 유무형의 가치를 고려할 때 정치논리에 의한 예산 전액 삭감은 매우 유감스러운 일”이라고 전제하고 “하지만 출연연 고유사업비와 미래부의 우주핵심기술개발사업 예산 등 가용자금을 적극 활용하면 2020년 달 착륙선 발사는 충분히 달성 가능할 것”이라고 말했다.
산학연 협업연구 강화해야
한국형 달 탐사 프로그램은 크게 2단계로 진행된다. 1단계에서는 미 항공우주국(NASA)과 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)와의 국제협력을 통해 심우주 통신용 지상국을 구축하고 시험용 달 궤도선을 제작·발사하는 것이 목표다. 주지하다시피 완료 시점은 2018년이 될 공산이 크다. 그리고 2단계로 2020년까지 달 궤도선과 착륙선 개발을 마치고 한국형 발사체(KSLV-Ⅱ)로 자력 발사할 계획이다.
주광혁 항우연 달탐사연구실장은 “발사체부터 심우주 통신까지 우주 공간에서의 활동영역 확장을 위한 핵심 탐사기술 확보를 지향하고 있다”며 “달 탐사에 성공한 뒤 화성과 소행성·심우주로 탐사영역을 확장해나간다는 게 미래부와 항우연의 복안”이라고 설명했다.
현재 항우연은 ‘달 탐사 출연연 협력협의회’ 참여기관들과 함께 1단계와 2단계 사업에 필요한 기술들을 분류하고 있다. 주 실장은 “탐사선 본체와 탑재체·지상국·탐사로버는 국내 산학연이 주도적으로 개발하고 항법유도제어, 추진 시스템, 심우주 통신 네트워크 등은 국제협력의 힘을 빌리는 쪽으로 가닥이 잡히고 있다”고 전했다.
그는 또 “특히 KAIST·서울대·연세대 교수팀과 공동으로 시험용 궤도선 유도항법제어기술과 착륙기술 연구를 수행 중인데 좋은 협업연구 사례로 정착되고 있다”고 덧붙였다.
한국형 발사체 개발도 순조롭게 진행 중이다. 미래부 계획에 따르면 지난해까지 7톤급 액체엔진, 2018년까지 75톤급 로켓엔진을 개발하게 된다. 또 2019년부터 75톤급 엔진 4기를 하나로 묶는 클러스터링 기술을 개발, 최종적으로 2회의 발사를 시도하게 된다.
다만 전문가들은 달 탐사를 포함한 국내 우주 탐사 프로그램의 최대 걸림돌로 산학연 협력 네트워크의 취약성을 꼽는다. 그렇기 때문에 남은 기간 연구기관은 물론 학계 및 산업계의 체질 강화와 유기적 네트워킹에도 힘써야 한다고 강조한다.
탁 교수는 “학계의 경우 우주핵심기술개발사업과 국가우주연구실 지정사업 등에 힘입어 200여명의 대학 교수들이 달 탐사 선행연구에 참여하고 있다”면서 “반면 산업계는 우주항공 분야의 불확실성 때문에 선제적 투자가 쉽지 않은 만큼 정부 차원의 지원책 마련이 필요하다”고 밝혔다.
권세진 KAIST 항공우주공학과 교수도 “달 탐사 기반기술 연구는 지난 5년간 학계와 산업체에서 산발적으로 이뤄져왔다”며 “분산돼 있는 역량이 응집될 수 있도록 정부가 앞장서서 산학연 융합연구의 토대를 구축해야 할 것”이라고 강조했다.
[INTERVIEW] 항우연 달탐사연구실장
주광혁
Q. 우리나라의 달 탐사 기술력 수준은.
우리나라는 12기의 인공위성과 나로호의 발사 성공 경험에 기반해 달 탐사에 필요한 기본 역량을 갖추고 있다. 구체적으로 달 궤도선은 우주 강국 대비 60% 이상, 착륙선은 40~50% 수준으로 평가된다. 또 심우주지상국은 대형 전파안테나, 지상관제 시스템은 정지궤도 위성관제 시스템 구축 경험을 통해 60% 이상의 수준에 도달해 있다. 단지 탐사로버 기술은 상대적으로 경험이 미천해 격차가 가장 심한 축에 속한다.
Q. 달 탐사로 얻을 수 있는 가치는.
우주 탐사는 최첨단 과학기술의 결집체로서 과학·국방·문화·교육 등에 미치는 파급력이 매우 크다. 특히 정보통신기술(ICT), 항공, 로봇, 원자력 산업의 혁신적 진보가 기대된다. 또한 달은 희토류·헬륨-3 등 희귀자원의 보고로서 경제적 가치도 뛰어나다. 덧붙여 달 탐사 성공은 국격 향상과 국민적 자긍심 제고에도 큰 몫을 할 수 있다.
Q. NASA 등과의 국제협력 진행상황은.
작년 7월 NASA와 달 탐사 타당성 연구협약을 체결, 공동연구를 위한 워킹그룹을 구성했다. 현재 실질적이고 구체적인 협력 분야와 방법을 모색 중이다. 일례로 NASA의 달 광물탐사 프로젝트인 ‘리소스 프로스펙터 미션’에서 일부 부분품 설계와 제작에 참여하는 방안을 협의하고 있다. NASA의 심우주 통신네트워크를 활용한 달 탐사선의 공동관제도 논의되고 있다. 올해에는 ESA, JAXA, 인도우주연구기구(ISRO) 등으로 협력 범위를 확대해나갈 방침이다.
Q. 달 궤도선, 착륙선 개발현황은.
항우연은 이미 다양한 형태의 착륙선 설계에 착수했다. 내년부터 시험용 달 궤도선의 시스템 설계와 병행해 한국형 달 탐사선(궤도선·착륙선)의 개념설계와 선행연구를 수행할 예정이다. 기본설계에 따르면 시험용 궤도선은 높이가 1.5m, 너비는 1.6m다. 여기에 고해상도 광학망원경과 X선 분광계, 소형 영상레이더 등의 탐사장비를 탑재해 1년간 달 탐사 및 착륙선의 착륙장소를 물색하게 된다. 착륙선의 경우 높이 1.35m, 너비 1m, 중량 550㎏으로 고효율 하이드라진을 연료로 사용한다. 참고로 궤도선은 70% 이상, 착륙선은 50%가량 기존 기술의 활용이 가능할 것으로 전망된다.
