한 시대를 풍미했던 미국의 우주왕복선은 더 이상 볼 수 없다. 하지만 지금껏 많은 이들의 관심을 받고 있고, 앞으로도 그럴 것이다. 그런데 우주왕복선이 발사되는 광경을 보면서 이런 의문을 가져본 사람들이 많다.

"왜 우주왕복선은 거꾸로 뒤집혀서 날아가지?"

이 의문점에 대해 인터넷을 뒤져봐도 딱히 시원한 대답을 얻긴 힘들다. 왜 우주왕복선은 거꾸로 배면비행을 하는가? NASA 공돌이들이 도대체 무슨 이유로 우주왕복선을 뒤집어서 날렸는지 그 해답을 한번 찾아보기로 한다.

먼저 우주왕복선이 발사되는 영상 한가지를 살펴보자. 백문이 불여일견이라고 직접 눈으로 자세히 보는게 좋다.

자~ 이제 영상을 봤으니 자세한 해설에 들어가겠다. 우주왕복선이 거꾸로 날아가는 이유 뿐만 아니라, 몇가지 다른 사실들도 같이 설명해 본다.

우주왕복선은 보통 7명의 우주비행사와 24톤 남짓한 화물을 한꺼번에 우주로 나를 수 있다. 발사 직전에 승무원 탑승구를 분리하는 장면이다.

외부 연료통과 연결되었던 연료 주입용 장치를 분리한다. 우주왕복선의 메인엔진은 액체수소(연료)와 액체산소(산화제)를 사용하는데 모두 극저온 연료라서 연료 탱크 내에서도 조금씩 기화가 된다. 탱크 내부 압력이 높아지면 안되므로 기화된 가스를 상단의 압력 조절용 벨브로 조금씩 빼낸다. 로켓들을 발사하기 전에 꼭대기에서 수증기가 뿜어져 나오는 장면들이 많은데 모두 극저온 연료의 기화 가스를 빼내는 것이다.

우주왕복선 본체(오비터)는 약간의 궤도항해용 연료만 적재하고 있다. 위성궤도에 진입할 때까지 사용하는 메인엔진의 연료는 몽땅 외부연료 탱크에 적재되었고, 그걸 위 사진처럼 액체수소, 액체산소 각각의 배관으로 오비터로 공급한다.

메인 엔진을 점화하기 직전에 엔진 노즐에서 하얀 수증기가 뿜어져 나온다. 메인 엔진의 화염은 3,000도에 육박하므로 엄청난 고온에서 노즐을 식히기 위해 노즐 틈으로 차가운 액체 연료를 일부 순환시키며 냉각시키게 된다. 수증기는 그러한 냉각용 액체 연료가 노즐을 순환하다가 기화된 것을 밖으로 뿜어내는 것이다.

우주왕복선의 발사 장소인 케네디 우주센터 앞마당에는 저렇게 카운트 다운을 알리는 전광판이 설치되어 있었다. 역사적인 우주 로켓들의 발사를 함께 해왔던 저 전광판은 지금은 철거되어서 볼 수 없다.

발사 15초 전, 발사대의 아랫쪽으로 하얗게 뿜어져 나오는 것은 막대한 양의 물이다. 메인 엔진에서 뿜어져 나올 화염을 식혀서 발사대를 보호하는 역할을 한다. 메인 엔진이 점화되어 화염과 만나게 되면 엄청난 수증기가 발생 한다.

발사 9초 전, 메인 엔진 점화에 앞서서 노즐 주변에 불꽃을 뿜어낸다. 저것은 엔진을 점화시키기 위한게 아니라, 노즐 주변에 남아 있을 수소 가스를 미리 태워버리는 것이다. 엔진 점화시 노즐 주위의 수소 가스가 폭발하여 손상을 줄 수 있기 때문이다.

우주왕복선의 메인 엔진은 기체 내부에서 점화가 된다. 딱 한번만 점화 가능하고, 중간에 연소를 멈췄다가 재점화 할 수는 없다.

또한 우주왕복선 메인 엔진은 각 방향으로 무려 13°의 각도로 노즐을 움직일 수 있다. 이것은 김벌(Gimbal)이라고 부르며 추력편향으로 진행 방향을 조절하는 역할을 한다.

발사 6초 전, 메인 엔진이 점화 된다. 우주왕복선은 처음 이륙시 전체 추력의 71%를 좌우측에 부착된 커다란 대형 고체연료부스터(SRB)가 담당하게 된다. 메인 엔진은 비록 효율이 좋지만 이륙시 추력은 29%만 담당하며, 액체연료 방식이라 최대 출력까지 올리는데 시간이 약간 걸려서 미리 점화 시킨다.

드디어 우주왕복선이 발사 된다. 고체연료부스터(SRB)는 추력이 큰 대신에 연소 시간이 짧다. 흔히 고체연료로켓에 대해서 착각하는 것이 액체연료로켓에 비해 효율이 조금 떨어지니까 추력도 낮을거라고 생각하는 것이다. 하지만 고체연료로켓은 몸통 자체가 엔진이다. 만약 노즐의 구멍을 크게 하고, 한꺼번에 연소하는 고체연료의 양을 많게 설계하면 단시간에 매우 큰 추력을 얻기 수월하다. (물론 그러면 연소시간은 더 짧아진다)

고체연료부스터는 점화 즉시 최대추력을 내게 되므로, 이미 점화된 메인 엔진의 추력에 더하여 곧바로 우주왕복선을 상승 시킨다.

위 사진을 보면 우주왕복선은 처음 이륙시 고체연료부스터와 메인 엔진의 추력을 합쳐서 날아가기 때문에 전체 추력의 방향이 약간 엇각인 것을 알 수 있다. 실제로 우주왕복선은 일반적인 로켓처럼 수직으로 상승하지 않는다. 저렇게 약간 비스듬하게 옆쪽으로 밀려나면서 위로 상승한다.

우주왕복선은 처음에 부스터의 추력 71%, 그리고 메인 엔진의 추력 29%로 날아간다고 했다. 부스터는 로켓의 기수 정방향을 향하지만, 메인 엔진은 보시듯 약간 옆쪽으로 노즐이 기울어져 있다. 그리고 진행 방향은 두 추진력의 합이 가르키는 방향이다.

만약 고체 부스터의 힘이 더 강하거나 메인 엔진의 힘이 조금이라도 약하면 어떻게 되겠는가? 중력의 영향과 함께 부스터와 메인 엔진의 밸런스에서 우주왕복선은 조금씩 오비터 쪽으로 기울어지게 된다. 물론 메인 엔진의 추력을 더 높이면 외부연료통 쪽으로 기울일 수 있지만 그러기에 메인 엔진의 추력을 더 높이는 것은 굉장히 힘들다. (아니면 부스터의 추력을 줄이면 된다)

모든 우주 로켓은 처음 이륙하고 킥턴(Kick-Turn)이라는 것을 하게 된다. 로켓이 향하고자 하는 방향으로 슬쩍 로켓을 기울이는 것이다. 그러면 무거운 로켓의 무게 때문에 조금씩 수평선에 대해서 평행하게 기울어지게 된다. 중력의 힘을 이용해서 로켓을 조금씩 기울이는 것을 중력턴(Gravity-Turn)이라고 하며, 킥턴은 중력턴을 개시하기 위한 동작이다.

우주왕복선 역시 킥턴과 중력턴이 필요하고, 구조상 부스터와 메인 엔진의 추력 관계로 저렇게 배면으로 중력턴을 하는게 방향을 유지하는데 더 편하다. 어찌보면 우주왕복선 자체가 이륙시 저렇게 뒤집혀서 날아가도록 설계된 셈이다.

한가지 더 추가하면, 우주왕복선은 비대칭이므로 비행 도중에 연료소모로 인해 무게중심이 수직축이 아닌 수평축으로도 움직인다. 점점 오비터 쪽으로 무게중심이 대각선 이동을 하기 때문에 차라리 오비터가 뒤집힌 상태에서 날아가는게 상승할때 지구 중력에 대해 무게를 컨트롤하기 쉬운 편이다.

우주왕복선은 일반적인 로켓들에 비하여 초기 이륙시 추력대중량비(TWR)가 매우 높다. 그래서 고작 40초만에 거의 음속에 근접하게 된다. 로켓들은 구조역학적으로 최대공압이 걸리는 시기가 있는데 Max-Q라고 하며 가장 위험하다. 챌린져호도 이 순간을 견디지 못하고 폭발했었다.

우주왕복선은 Max-Q를 통과하면서 잠시 메인 엔진과 고체연료부스터의 추력을 70% 수준까지 줄이게 된다. 고체연료부스터는 추력 조절을 임의로 하지 못하므로 미리 이 시간대에 연료의 연소량이 적게 세팅되어 있다. 발사 후 1분 가량이 되면 다시 엔진들은 추력을 최대로 올리고 날아간다.

메인 엔진의 연료로 사용되는 액체수소/액체산소는 거의 완전 연소를 하므로 매연이 별로 없다. 하지만 고체부스터 연료는 알루미늄 분말과 합성수지 혼합물 등으로 만들어져서 매연이 장난 아니다. 환경적으로 그다지 좋진 못하다.

우주왕복선은 이렇듯 상승하면서 차차 거꾸로 기울어져서 날아간다. 최종적으로는 수평선과 거의 평행으로 기울어 진다.

발사 후 2분 가량 지나면 고체연료부스터를 분리하게 된다. 분리를 위해 고체연료부스터 상단의 분리용 로켓을 살짝 연소시켜서 안전하게 부스터가 멀어지도록 한다.

여기까지가 지상에서 촬영이 가능한 범위이다. 이 시기에 우주왕복선은 이미 50km 가까운 고도이므로 우주까지 거의 절반을 날아간 셈이다. 하지만 우주(100km 이상의 고도)까지 올라간다고 되는게 아니다. 위성속도인 7.8km/sec 이상의 속도를 내야 하므로 아직 우주왕복선의 속도는 한참 부족하다.

고체부스터는 저렇게 우주왕복선에서 분리가 된다. 외부연료통만 남은 우주왕복선은 이제 훨씬 가벼워져서 메인 엔진의 힘으로만 날아가게 된다. 하지만 고체부스터 분리 직후에는 아직 외부연료통에 많은 연료가 남아 있어서 메인 엔진의 추력대중량비는 고작 1.0에 간신히 도달한다. 지상에서는 저런 추력으로 이륙조차 할 수 없지만 이미 날아가는 관성이 있어서 버틸 수 있다.

이후 연료가 계속 소모되면서 우주왕복선은 막판에 G-Force를 3.0에 육박하도록 받는다. 그래서 오히려 메인 엔진의 출력을 조금씩 줄여가게 된다. 왜냐면 유인 우주선의 경우 사람이 중력가속도를 3.0 이상 견딜 수 있는 시간이 제한적이기 때문이다.

우주왕복선은 고체부스터를 분리하고 약 6분 30초 동안 더 메인 엔진을 연소시킨다. 아까 고체부스터가 있을때도 진행 방향이 약간 엇각이었지만, 부스터를 분리하면 더 큰 엇각으로 날아간다. 엔진의 화염이 향하는 반대 방향이 진행 방향이 된다. 절대 똑바로 날아가는게 아니다.

로켓들은 발사후 고작 2~3분 동안에 이미 우주권까지 상승할 수 있는 궤도를 얻게 된다. 그 다음에는 주로 로켓을 수평에 가깝게 기울여서 위성속도까지 가속하는데 더 많은 시간을 할애한다. 우주왕복선도 초기에 몇분간 비스듬하게 상승하고 계속 중력턴으로 결국 위 그림처럼 수평에 가깝게 날아간다.

여기서 우주왕복선이 배면비행을 하면 유리한 점이 또 한가지 있다. 기체의 조종석에서 지구를 바라볼 수 있다는 것이다.

그리고 기수를 들면서(배면 비행시) 가속하는 것이, 기수를 내리고 가속하는 것에 비해 중력가속도를 견디는데 조금 더 유리하다. 전투기들도 보통 급기동시에 기수를 치켜들면서 회전하지, 기수를 내리면서 회전하지는 않는다.

하지만 메인 엔진 연소를 멈추기 1분 30초전에 우주왕복선은 이제 정상위(?)로 빙그르 회전 한다. 저렇게 회전하는 이유는 외부 연료탱크를 분리하고 지구로 추락시킨 뒤, 우주왕복선은 조금 더 위로 상승해서 마저 위성궤도에 진입하기 때문이다. 연료탱크는 지구쪽으로 밀어내고, 오비터는 우주로 조금 더 올라간다.

이후 오비터는 메인 엔진의 강력한 힘 대신에, 약한 궤도 항행용 엔진을 사용해서 위성궤도에 안착한다.

하지만 이것이 끝은 아니다. 위성궤도에 안착한 오비터는 다시금 저렇게 뒤집어 진다. 이 부분에 대해서는 항공우주연구원에서 비교적 비슷하게 설명하고 있다.

"우주에서는 태양쪽을 향하면 매우 뜨겁고, 반대쪽은 차갑다. 우주왕복선의 배면 내열타일은 단열기능이 있어서 태양빛으로 우주선이 달궈지는 것을 막기 위함이다."

정확히 50점 짜리 답안이다.

우주왕복선은 통상 위성궤도에서 활동시 저렇게 배면 상태로 있게 된다. 그로 인해서 얻게 되는 이득은 아래와 같다.

1. 우주왕복선 내부의 열을 식히기 위함.

우주왕복선 화물칸 덮개의 안쪽은 각종 기기에서 발생되는 열과, 승무원 공간에서 배출되는 열기 등이 모여서 적재된 전자기기에 영향을 줄 수 있다. 이것을 식히기 위해 프레온 가스 등이 사용되는데 화물칸이 태양쪽에 노출되면 냉각을 제대로 할 수가 없다.

2. 승무원들이 항시 지구를 바라볼 수 있다.

위에서 말했듯, 조종석의 창문으로 지구를 바라보려면 배면 상태를 유지해야 한다. 저런 장관을 놓칠 수는 없다. 그리고 우주 공간에서 자신의 위치나 방위를 파악하려면 지구를 기준으로 삼는게 좋다. 우주에서는 무중력 상태라서 기체가 뒤집어 있어도 피가 거꾸로 쏠리지도 않는다.

3. 우주 데브리에서 기체를 어느 정도 보호할 수 있다.

우주 공간에는 미세한 파편이나 얼음 조각들이 떠다닌다. 만약 지구쪽으로 떨어지는 미세 데브리가 우주왕복선에 충돌한다면 피해를 줄 수 있다. 그나마 배면의 튼튼한 타일이 보호판 역할을 해서 데브리로부터 조금은 방어할 수 있기 때문이다.

물론 우주왕복선이 궤도상에서 활동중에 항시 배면 상태를 유지하는 것은 아니다. 경우에 따라서 자세제어를 통해서 이리저리 전환한다. 하지만 우주왕복선이 날아갈때 배면 상태를 왜 취하는지 질문은 많은데, 대부분 우주공간에서의 배면 상태에 대해서만 답이 있다. 우주왕복선이 이륙후 궤도에 올라갈 때도 왜 배면 상태를 취하는지 조금은 설명이 되었으리라 생각한다.