우주탐사 매뉴얼

김성수 지음

위즈덤하우스 2023년 08월 11일 출간 종이책 : 2023년 07월 14일 출간

작품소개

책소개

천체물리학자이자 우리나라 달 천문학의 개척자 김성수 교수가 쓴 국내 최초 ‘우주탐사학’ 개론. 천문학, 물리학, 공학, 경제학을 다채롭게 넘나드는 실용 학문으로서의 우주탐사를 경험한다. 우주 공간의 이해부터 행성 간 궤도, 재사용 로켓의 경제학까지 우주과학에 관심 있는 이들이라면 꼭 알아야 할 물리학 지식을 담았다.

목차

책머리에
이 책의 사용 설명서
변수 및 상수 목록

PART 01 뉴 스페이스 시대의 시작
1.1 냉전 시대의 우주탐사
1.2 1990년대 이후의 우주탐사
1.3 민간 우주탐사 기업들의 등장
1.4 뉴 스페이스 시대
1.5 21세기의 대항해, 우주탐사

PART 02 비행기로 올라가기
2.1 날개 단면의 모양
2.2 양력과 항력
2.3 중력과 추력
2.4 양력의 크기
2.5 항력의 크기
2.6 제트엔진의 원리
2.7 비행기의 한계 고도
요약

PART 03 로켓으로 올라가기
3.1 로켓의 원리
3.2 비추력
3.3 로켓 방정식
3.4 노즐의 원리
3.5 노즐의 크기
3.6 추진제와 연소
3.7 추진제의 종류
3.8 다단 로켓의 필요성
3.9 로켓의 추력
3.10 공중 로켓 발사
요약

PART 04 우주 엘리베이터로 올라가기
4.1 우주 엘리베이터의 기본 개념
4.2 케이블의 무게중심
4.3 우주 엘리베이터에서 벗어난 물체의 운동
4.4 케이블의 장력과 단면적
4.5 케이블 소재
4.6 케이블의 질량과 평형추
4.7 승객과 화물의 수송
4.8 각운동량의 전달
4.9 우주 엘리베이터의 안전성
4.10 화성과 달에서의 우주 엘리베이터
요약

PART 05 지구궤도에 진입하기
5.1 준궤도 vs. 궤도
5.2 준궤도운동에 필요한 ∆v
5.3 궤도로의 진입 과정
5.4 궤도운동에 필요한 ∆v
5.5 지구궤도의 종류
요약

PART 06 궤도 바꾸기
6.1 제한된 2체 문제
6.2 호만 전이
6.3 이중타원 호만 전이
6.4 궤도면 전이
요약

PART 07 다른 천체로 가기
7.1 행성의 영향권
7.2 라그랑주 점
7.3 달 궤도로의 전이
7.4 다른 행성으로의 전이
7.5 지구 근접 천체로의 전이
7.6 인공중력
7.7 화학 추진 외의 추진 방식
요약

부록_ 제2의 대항해, 우주탐사
참고 문헌

책 속으로

이 책에서는 우주탐사의 다양한 사안에 대해 쉽게 전달하면서도 각각에 관련되는 물리학적 배경과 근거들을 어느 정도 충실하게 설명하려고 노력했습니다. _9쪽, 〈이 책의 사용 설명서〉 중에서

새로운 세계와의 새로운 연결은 예상치 못한 수준에서의 역사 전개를 야기할 수 있다. 달과 화성과 소행성은 15~17세기의 아메리카 대륙이자, 호주 대륙이자 남태평양의 섬들이 될 것이다. 달로의, 화성으로의, 소행성으로의 우주 비행 비용이 현재 지구 내 다른 대륙으로의 이동 비용 수준으로 낮아졌을 때의 인류는 어떠한 역사 전개를 맞이하게 될까? _35쪽, 〈PART 01 뉴 스페이스 시대의 시작〉 중에서

우주 엘리베이터의 기본 개념은 매우 혁신적이고 뛰어나지만 실제 설치 및 운용은 먼 미래라 할지라도 가능할지에 대해서는 의심이 여지가 많은 것이 사실이다. 하지만 우주 엘리베이터 케이블 내의 장력이나 케이블과 탑승칸이 가지는 운동 등은 물리학적으로 매우 흥미로워서 공부해볼 가치가 충분히 있다. _121쪽, 〈PART 04 우주 엘리베이터로 올라가기〉 중에서

다누리는 기존의 위상 전이 대신 저에너지 전이 방식을 택하기로 계획을 변경했으며, 이후 효율적인 저에너지 궤도 도출 및 실제 항행을 완벽하게 수행하는 데 성공했다. _278쪽, 〈PART 07 다른 천체로 가기〉 중에서

인공중력을 만들어내는 우주선 내의 사람은 실제로 어떤 상황에 놓이게 될까? 사람이 우주선의 ‘바닥’에 몸을 붙여 가만히 누워 있는 경우에는 실제 중력장에 있는 것과 차이를 느끼지 못할 것이다. 우주선 밖의 풍경을 쳐다본다면 우주선의 회전이 빠른 경우 멀미가 날 수도 있겠으나, 그것 외에는 우주선의 회전이 만들어내는 원심력을 중력과 구분하는 것은 사실상 불가능하다. _296쪽, 〈PART 07 다른 천체로 가기〉 중에서

빛은 질량을 가진 물체에 큰 압력을 가하지 못한다. 이 때문에 솔라 세일은 상당히 큰 돛을 필요로 하며, 질량이 작은 우주선을 오랜 기간에 걸쳐 천천히 가속해도 되는 우주 미션에만 사용될 수 있다. _310쪽, 〈PART 07 다른 천체로 가기〉 중에서

21세기는 태양계를 무대로 하는 제2의 대항해시대가 될 것이다. 15세기의 바다는 20세기의 우주 공간에 해당하며, 16세기의 신대륙은 21세기의 달, 화성, 소행성에 해당하게 될 것이다. 우리는 제2의 대항해시대인 우주탐사 시대를 맞이할 정신적, 지식적 무장이 충분히 되어 있는 상태일까? _337쪽, 〈부록〉 중에서

출판사 서평

우주탐사에 대한 현존하는 모든 지식을 담은 교과서
국내 최초, 천체물리학자가 펼치는 우주 물리의 실전 활용법

★단 한 번이라도 우주 탐험을 상상한 적 있다면 반드시 읽어야 할 책★

천체물리학자이자 우리나라 달 천문학의 개척자 김성수 교수가 쓴 국내 최초 ‘우주탐사학’ 개론. 천문학, 물리학, 공학, 경제학을 다채롭게 넘나드는 실용 학문으로서의 우주탐사를 경험한다. 우주 공간의 이해부터 행성 간 궤도, 재사용 로켓의 경제학까지 우주과학에 관심 있는 이들이라면 꼭 알아야 할 물리학 지식을 담았다.
우주탐사는 더 이상 미지의 영역이 아니다. 과학, 공학, 산업이 어우러져 철저한 계산 아래 실제로 진행되고 있는 치열한 현장이다. 지금 인류는 아르테미스 프로그램을 가동하며 달에 다시 사람을 보내려고 하고, 우주기지 루나 게이트웨이를 지을 예정이다. 또한 달 천문대를 세워 더 먼 우주를 탐색하며 탐사의 범위를 무한대로 넓히려는 계획을 세웠다. 무엇보다 달, 화성, 소행성 등에서 활용 가능한 자원을 찾는 등 새로운 산업의 문을 열고자 민간 기업들이 앞다투어 뛰어들고 있다. 이로써 지구의 재원이 막대하게 투입된 뉴 스페이스 시대, 곧 제2의 대항해시대가 열린 것이다. 우리는 눈앞에 다가온 우주로 나아갈 지식적, 정신적 무장이 충분히 되어 있는 상태일까?
더 적은 연료로 막강한 지구 중력을 벗어나는 법, 최소한의 금액으로 한 번이라도 더 지구궤도로 화물과 사람을 수송하게 하는 재사용 로켓의 효율, 혜성에 착륙선을 보내 자원을 채취하는 것의 득과 실, 태양계 내 탐사를 효율적으로 하기 위한 근지구 우주 공간의 탐색 등 상상 가능한 변수와 각종 궤도를 시뮬레이션하는 우주탐사학의 기초와 실제. 모두가 이야기하는 우주 이슈에 관심이 생겼다면, 우주탐사에 도전하고 싶은데 어디서부터 시작해야 할지 막막하다면 이 책이 바로 정답이다.

▶ 저자 김성수 교수는 우주탐사학 분야에서 전문적으로 활약하며 대학에서 우주과학을 가르치는 국내에 유례없는 천체물리학자다. 그는 NASA CLPS 프로그램(미국 내 민간 기업에 달 착륙선 제작부터 월면까지 보내는 기회를 제공하는 사업)의 ‘달 표토 3차원 영상 카메라’ 과학 책임자로서 우리나라 달 천문학의 위상을 드높이고 있다. 또한 세계 최초로 완벽한 달 표면 지도를 제작할 다누리 달 탐사선의 ‘광시야 편광 카메라’ 과학 책임자이기도 하다. 광시야 편광 카메라는 과학자들이 꼽은 ‘연구 성과가 가장 기대되는 탑재체’인 만큼, 모든 이가 그 결과에 주목하고 있다. 그리고 김성수 교수는 우리나라에서 완전히 새로운 분야였던 달 천문학에 매진하며 다수의 제자를 길러내 우주탐사 연구의 지평을 넓혔다. 이와 같은 학문적, 교육적 배경을 바탕으로 두드러지는 성과를 보여준 저자는 다양한 물리학을 고루 다루는 우주탐사학 안내서에 적임자다. 그는 ‘미래 세대가 자신감 있게 우주를 누비도록 도약점을 마련하고 싶다’는 뜻을 담아 무수한 경험을 반듯하게 정리해 《우주탐사 매뉴얼》을 펴냈다.

로켓의 경제학부터 궤도의 물리학까지
처음 만나는 우주탐사학 안내서

“비행기를 타고 올라가 공중에서 로켓을 발사하는 것은 왜 기대보다 덜 효율적일까? 35,800킬로미터 고도의 정지궤도에 이르는 비용과 그보다 10배 이상 먼, 달 공전 반경에 이르는 비용이 어떤 이유 때문에 비슷할까? 레이저 같은 빛을 쏘아 탐사선에 추력을 얻는 것은 정말 불가능한 일일까? 우주 엘리베이터는 상상으로만 가능할까? 달이나 화성, 소행성에서는 어떤 자원을 얻는 것이 경제적일까? 그리고 과연 꼭 필요한 일일까?”

이 책의 목적은 현재 활발하게 진행되는 우주탐사의 주요 이슈에 대한 과학적 통찰력과 식견을 기르고, 기반이 되는 물리학을 직접 풀이하는 것이다. 그동안 천문학, 물리학, 공학, 경제학에서 필요에 따라 우주탐사의 과학을 산발적으로 다루었다면, 저자는 이를 ‘우주탐사학’이라는 실용 학문으로 아울러 필요한 지식을 엄선했다. 당면한 뉴 스페이스 시대, 우주산업이 해결해야 할 복잡한 문제들을 파악하고 돌파구를 찾기 위해 명확한 질문을 던지는 법을 소개한다. 많은 매체에서 다루는 우주 소식을 파고들어 실제 현장에서 요구되는 사고 능력을 설명하며 과학의 언어로 답하는 과정을 고스란히 보여준다. 결국 저자는 이론에서 활용까지 자유롭게 물리학을 영위하도록 독자를 이끈다.
《우주탐사 매뉴얼》은 대중 과학 서적이면서 대학 교양과목의 교재로도 충분하다. 또한 우주탐사 입문서나 전문 교과 및 진로 선택과목의 참고서로도 활용이 가능하다. 독자가 대학 1학년 수준의 기초 물리학을 이해하고 있다고 가정하고 정보가 서술되었지만, 저자가 직접 만든 다양한 그림과 그래프를 참고한다면 누구나 무리 없이 흐름을 따라갈 수 있다. 우주과학에 관심은 있는데 물리학이 약하다고 생각하는 이들에게는 본문 양쪽의 여백에 있는 짤막한 핵심 설명과 각 장 마지막에 정리된 요점이 도움이 될 것이다.

지구를 벗어나기 위한 가장 효율적인 지식을 담다
우주탐사에 대한 질문에 제대로 답하는 실용 물리

“왜 다단 로켓일까? 고체연료, 액체연료의 장단점은? 로켓 배기가스의 속도, 연소율, 추력 사이의 상관관계는? 최적의 궤도가 나오는 발사장은 어떻게 찾는가? 원하는 궤도에 진입하기 위해 몇 번의 전이가 필요한가? JWST가 도달한 라그랑주 점의 의미는? 결국 원하는 천체까지는 어떻게 갈 수 있을까?”

《우주탐사 매뉴얼》은 냉전 시대의 우주 경쟁부터 21세기에 이르러 제2의 대항해시대가 열리기까지, 미지의 공간을 개척해낸 인류의 역사를 간단하게 훑으며 이야기를 시작한다. 그저 외워야만 했던 공식과 이론, 과거의 과학자들이 지구를 벗어나기 위해 궁리했던 생각이 현시대 자연과학자의 눈으로 흥미롭게 발굴된다. 한두 줄 수식으로만 기억되는 치올코프스키의 오래된 로켓 방정식, 한 장의 스케치였던 다단 로켓이 그대로 구현되어 지금, 실제로 쓰이는 과정은 정교한 과학적 상상의 놀라운 힘을 보여준다.
저자는 현재의 우주탐사에서 가장 중요하게 여겨지는 대기와 배기가스의 유체역학부터 다양한 종류의 로켓 추진 방식, 행성 간 항행, 인류 최대의 난제인 중력을 이겨내는 방법까지 실용성 높은 공식을 전문가의 입장에서 차근차근 설명했다. 또한 현장 작업자들이 고심하는 부분과 그 이유를 꼼꼼하게 짚고 합리적인 방식으로 계산한다. 이 분야에 관심 있는 ‘우주덕후’라면 종이 위의 수식이 궤도는 물론 로켓이나 우주선 등으로 형상화되는 특별한 경험을 할 수 있을 것이다.

최신 우주탐사 주요 이슈에 대한 이론적 기반을 담다
전문가들이 실제 작업 시 고려하는 사항 및 다양한 실전 사례 수록

한 번 보면 잊을 수 없는 재사용 로켓의 착륙은 어떻게 탄생한 것일까? 스페이스X 팰컨9 및 팰컨헤비의 엔진 추력, 버진갤럭틱, 블루오리진의 준궤도 우주여행, 액시엄스페이스의 우주정거장, 다누리의 저에너지 전이 방식, 나로 우주센터에서 발사한 로켓의 궤적 등 많은 인원이 참여한 거대 프로젝트들은 어떠한 이론으로 뒷받침되어 있을까? 이 책에서는 그동안 아무도 설명해주지 않았던 물리학이 활용되는 생생한 현장을 꼼꼼하게 들여다본다. 이는 지식이 교과서 속에 갇혀 있는 것이 아니라 최신 과학기술 영역에서 실제로 쓰임을 배우는 기회이기도 하다.
NASA CLPS 프로그램, 다누리 프로젝트 등에서 주요 과학기술을 책임져온 저자는 화려한 결과 뒤에 가려져 있던 숫자와 공식을 전면에 보여주며, 독자로 하여금 스스로 갈고닦은 과학 지식을 적용해보도록 했다. 우주 탐험을 한 번이라도 꿈꾼 이들이라면, 반드시 거쳐야 할 물리학 공부이자 유일무이한 단 한 권의 매뉴얼을 꼭 만나보자.

작가정보

저자(글) 김성수

경희대학교 후마니타스칼리지 및 우주탐사학과 교수. 경희대학교 우주과학과를 졸업하고 미국 UC 버클리에서 금융공학 석사를, UCLA에서 천문학 박사 학위를 받은 뒤 미국 STScI(Space Telescope Science Institute)에서 연구원으로 일했다. 2003년부터 경희대학교에서 교수로 재직하고 있으며 현재 다누리 달 탐사선의 광시야 편광 카메라 및 NASA CLPS 프로그램의 달 표토 3차원 영상 카메라 과학 책임자로 일하고 있다. 천문학 SCI 저널인 《한국천문학회지(Journal of Korean Astronomical Society)》의 편집 위원장을 역임 중이며 tvN 〈벌거벗은 세계사〉의 ‘21세기 우주 패권 전쟁’ 편에 출연한 바 있다.