사람 태우고 달 비행하는 아르테미스Ⅱ 프로젝트 카운트다운

아르테미스 II 임무를앞두고 미국 플로리다주 케네디 우주센터발사대에 세워진 초대형 우주발사시스템(SLS)과 그 상단에 탑재된 오리온 우주선. 미국항공우주국 제공

미국항공우주국(NASA)이 초대형 우주발사시스템(SLS)과 유인우주선 오리온의 발사를 준비하면서 아르테미스 계획에 다시 세계의 시선이 쏠리고 있다. 아르테미스 계획은 미국이 주도하는 국제 유인 달탐사 프로그램이다. 총 3단계로 구성되는데, 2022년 무인우주선이 달 궤도를 돌고 복귀하는 아르테미스 I 임무가 성공적으로 마무리됐다. 지금 NASA가 진행하는 아르테미스 II는 1972년 아폴로 17호 이후 54년 만에 인간이 지구 저궤도를 벗어나 달 주변을 유인 비행하는 프로젝트다. ‘착륙 없는 비행’이 될 이 임무는 향후 유인 달 착륙(아르테미스 III 임무)을 앞두고 사람을 태운 심우주(deep space) 비행 능력을 검증하는 첫 단계가 될 것으로 보인다.  

사람을 태운 심우주 비행 시험

아르테미스 II는 SLS‐오리온 통합 시스템이 사람을 태운 채 우주 탐사 임무를 수행할 수 있는지를 점검하는 유인 비행 시험이다. NASA는 본래 2월 초 SLS와 오리온 우주선의 발사를 예정했으나, 최종 준비 시험 중 연료 충전을 위한 ‘웻 드레스 리허설’에서 액체수소 누출 문제가 발생해 발사 목표 시점을 3월 이후로 미뤘다. 영하 253℃ 극저온 상태로 보관해야 하는 액체수소는 효율은 높지만 취급이 까다로워 아르테미스 I 준비 과정에서도 비슷한 문제를 일으킨 바 있다.

2022년 아르테미스 I 임무에서는 SLS와 오리온 우주선을 무인으로 발사해 달 궤도 비행부터 귀환까지 시스템 작동을 점검했다면, 아르테미스 II는 실제로 인간을 안전하게 실어 나를 수 있는지 성능을 시험한다. 달 표면에 내려서는 순간 착륙선, 우주복, 표면 이동, 전력 공급 등 새로운 변수가 한꺼번에 추가되기 때문에 그 전에 먼저 우주선이 제대로 작동하는지부터 입증하는 것이다. 아폴로 계획 때도 1968년 12월 아폴로 8호가 달 궤도 비행을 먼저 수행하고 약 7개월 뒤 아폴로 11호가 착륙에 성공했다. 아르테미스 II는 바로 그 아폴로 8의 역할을 다시 수행하는 셈이다. 

발사에 성공하면 SLS는 오리온을 지구 저궤도 바깥까지 밀어 올린 뒤, 상단 추진단이 오리온을 달 전이 궤도로 보낸다. 이후 오리온은 약 38만㎞ 떨어진 달을 향해 비행하고, 달 뒤편을 스쳐 지나면서 달 중력을 이용해 궤도를 바꾼다. 그러고 나서 추가 엔진 점화 없이 달 중력만으로 지구로 되돌아오는 ‘자유 귀환(free-return)’ 궤적을 따라 복귀한다.

달로 향하는 순간부터 우주선은 점차 지구 자기장의 보호를 벗어나는데, 이 영역은 우주공학상 심우주로 분류된다. NASA는 이 비행 동안 오리온이 심우주 환경에서 정상적으로 작동하는지 추진·전력·통신 같은 하드웨어 성능뿐 아니라, 생명 유지 장치와 운용 절차까지 실제 조건에서 검증한다.



전체 비행 기간은 약 10일이다. 이 기간에 오리온은 스스로 에너지를 생산하고 생명 유지 장치를 가동하며 통신과 항법을 유지해야 한다. 특히 달 뒷면을 지나는 구간에서는 40여 분 동안 지구와 통신이 완전히 끊겨 우주선의 자율 운용 능력을 시험하게 된다. 지구 귀환 시 오리온은 시속 약 4만㎞로 대기권에 재진입하며, 외부적으로 약 2700~2800℃에 달하는 고온에 노출된다. 이후 감속, 낙하산 전개, 해상 착수로 이어지는 모든 절차를 성공적으로 진행해야 한다. 

달 착륙으로 가는 구체적 발판 마련 

아르테미스 II의 목표는 우주선 비행 성능을 점검하는 것에 그치지 않고, 사람이 실제로 심우주 환경에서 생활하고 임무를 수행할 수 있는지를 확인하는 데 있다. NASA는 심우주 방사선 노출량, 수면 패턴 변화, 피로 누적 정도 등을 정밀 분석해 우주비행사의 심우주 체류 가능성과 반복 운용 가능성을 검증할 계획이다. 

이를 위해 아르테미스 II에는 사령관 리드 와이즈먼, 파일럿 빅터 글로버, 미션 스페셜리스트 크리스티나 코흐, 캐나다우주국 소속 제러미 핸슨 등 총 4명의 승무원이 탑승해 우주로 향한다. 아폴로 시대 달 탐사에 참여한 24명의 우주비행사가 모두 미국 국적 백인 남성이었던 것과 달리, 이번에는 여성과 유색인종, 비미국인 우주비행사가 참여하는 매우 상징적인 구성이다. 

이들은 아이폰 같은 상업용 스마트폰을 사용해 사진과 영상을 직접 촬영하는 시험도 진행한다. 방사선과 극한 온도, 무중력 환경에서도 스마트폰이 안정적으로 작동하는지를 확인하기 위해서다. 시험이 성공적으로 진행될 경우 40만㎞ 밖에서 촬영된 이미지와 영상이 향후 우주 임무의 기록 방식에 새로운 선택지가 될 수 있다. 

아르테미스 II는 국제 협력 구조 하에서 수행되는 임무이기도 하다. 이번 비행에는 독일, 아르헨티나, 사우디아라비아 등이 개발한 큐브위성이 함께 실려 우주 방사선 환경과 통신기술에 관한 데이터를 분담 수집한다. 한국 역시 한국천문연구원과 국내 기업이 개발한 방사선 관측 큐브위성 K-라드큐브(K-RadCube)를 로켓에 탑재해 발사한다. K-라드큐브는 고타원 지구궤도(HEO)에서 지구를 둘러싼 밴앨런 복사대의 우주 방사선을 고도별로 측정하고, 인체 조직을 모사한 재료를 이용해 방사선이 사람과 전자장비에 미치는 영향을 분석한다.

NASA는 아르테미스 계획을 통해 장기적으로 달 궤도 거점을 활용하는 탐사 체계를 구축하고자 한다. 아르테미스 II를 통해 확보되는 데이터를 바탕으로, 유인 달 착륙 임무인 아르테미스 III의 구체적인 임무 방식과 일정 범위를 확정할 예정이다. 

아르테미스 III는 지구 출발부터 귀환까지 약 30일간의 임무로 계획돼 있다. 오리온으로 달 궤도에 진입한 뒤, 우주비행사 2명이 착륙선을 타고 달 남극 인근 표면에 내려 약 일주일간 머물면서 과학 관측과 샘플 채취를 수행하게 된다.

아르테미스 III에서도 지구부터 달 궤도까지 사람을 실어 나르는 역할은 SLS와 오리온 우주선이 그대로 맡지만, 스페이스X가 개발 중인 스타십(Starship) HLS가 착륙선으로 사용될 예정이다. NASA는 아르테미스 III 발사 시점을 2028년 전후로 잡고 있으나, 아르테미스 II 결과를 토대로 달 표면에서의 실제 활동 계획과 일정을 최종 확정할 전망이다.