지난 11월16일 미국의 달 탐사 프로젝트 '아르테미스 1호' 로켓에 실려 발사된 '오리온' 탐사선이 달을 지나 지구로 돌아오고 있다.

한 발 앞서 지난 8월5일 발사된 우리나라의 첫 달 궤도선 '다누리'는 약 4개월이 지난 현재 지구에서 약 44만㎞ 떨어진 곳에서 달을 향해 나아가고 있다.

올 하반기 달을 향해 발사된 두 우주선의 비행 기간 차이가 약 25배에 달한다. 다누리와 오리온의 비행 방식은 어떻게 다른 걸까. 

◇오리온, 지구 귀환 기동 시작…다누리, 지구서 44만㎞ 떨어진 곳에서 항해 중

오리온은 비행 16일 만인 지난 1일 오후 3시53분(현지시간) 달 주위의 '원거리역행궤도'(DRO, Distance Retrograde Orbit)에서의 비행을 마치고 지구로 돌아오기 위한 기동을 시작했다.

오리온은 비행 시작 4일 만인 지난 20일부터 달의 영향권에 진입해 달의 중력을 본격적으로 받았고, 이튿날 달 표면에서 약 128㎞(80마일) 떨어진 상공을 통과하며 달에 가장 가까이 접근했다. 이후 오리온은 DRO를 타고 지구에서 가장 멀리 떨어진 지점까지 도달했다가 지구 귀환을 시작했다.

한국항공우주연구원 등에 따르면, 다누리는 발사 후 120여일이 지난 현재 지구로부터 약 44만㎞ 떨어진 곳에서 항해를 이어가고 있다. 다누리는 현재까지 지구-달 항행 간 오차를 보정하기 위해 총 3차례에 걸친 궤적수정기동에 무사히 성공했다.

당초 다누리는 지난달 2일까지 총 6번의 기동을 거칠 것으로 예상됐는데, 항로에 큰 문제가 없어 수정기동 회수가 더 적어졌다.

다누리는 오는 17일 달 궤도에 도착할 예정이다. 달 궤도에 도착하기 전 오는 7~9일께 추가 궤적수정기동이 다시 한 번 진행될 수 있으며, 17일 달 궤도에 진입한 이후에는 감속을 비롯한 달 임무궤도 진입 기동이 5회 가량 계획되어 있다.

◇오리온, 빠른 '직접전이궤도' 활용…유인 탐사 시 인체 피해 최소화 목적

오리온과 다누리가 달 중력권에 들어서는 데 걸린 시간은 약 4일, 약 4개월이다. 분명 똑같은 목적지를 향해 가는데 이같이 차이가 나는 이유는 뭘까.

항우연에 따르면, 지구에서 달을 향하는 경로는 일반적으로 ▲직접전이궤적 ▲위상전이궤적 ▲WSB(BLT) 궤적 ▲나선전이궤적 등 4가지로 분류된다.

직접전이궤적이 가장 빠르게 달을 향할 수 있고, 나선전이궤적이 가장 오래 걸린다.다만  장 빠른 방법일수록 더 많은 연료가 소모된다. 

오리온이 이같이 빠르게 지구 귀환을 시작한 이유도 '직접전이궤적' 방식을 택했기 때문이다. 직접전이궤적은 이름 그대로 지구에서 달까지 최단거리를 채택해가는 방식이다.

직접전이궤적은 빠르게 달에 갈 수 있는 만큼 단점도 분명하다. 우주선의 속도가 가장 빠르기 때문에 달 궤도 진입 후 감속 기동에 많은 양의 연료가 필요해 비용이 많이 들고, 연료 소모가 큰 만큼 임무 기간도 짧아진다. 그만큼 궤도 조정 등에 연료를 소모할 여유도 없다. 달이 지구와 가장 가까운 날을 골라야 하기 때문에 발사가능시간대(론치 윈도우)도 한정돼있다.

오리온이 직접전이궤적을 선택한 이유는 이번 오리온 발사의 목적이 향후 있을 유인 달 탐사에 앞서 우주선과 승무원에게 미칠 영향을 테스트하는 것이기 때문이다.

심우주 환경에 오랫동안 노출될 경우 인체에 악영향이 있을 수 있기 때문에 빠르게 다녀오는 것에 초점을 둔 것. 50년 전 유인 달 탐사 임무였던 '아폴로 프로젝트'도 직접전이궤적을 활용해 달에 다녀왔다.

◇다누리, 느리지만 연료 소모 줄이는 'BLT 궤적'…천체 중력 이용, 1년 간 임무수행할 연료 확보

반면 다누리는 다소 시간이 걸릴 수밖에 없는 BLT궤적을 이용해 달을 향하고 있다.

BLT궤적은 달 방향이 아닌 태양 쪽으로 우주선을 발사하는 방식이다.

지구와 태양 사이에는 중력이 평형을 이루는 '라그랑주 포인트 L1'이라는 지점이 있는데, 이 곳에서는 약한 힘으로도 궤적을 크게 틀 수 있다. 이 지점에서 태양의 중력을 이용해 궤적을 크게 변화시켜 달에 도착할 때 보다 효과적으로 감속할 수 있다.

실제로 다누리도 지난 9월27일 지구에서 154만8272㎞ 떨어진 곳까지 비행하며 '지구에서 떠난뒤 가장 먼 거리'를 비행했다. 

BLT궤적은 이렇게 먼 거리를 항해하게 되지만 천체의 중력을 적극 활용한다는 점에서 연료 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

당초 항우연은 다누리를 1~2개월의 비행기간이 소요되는 위상전이궤적 방식으로 달을 보낼 계획이었으나, 준비 과정에서 다누리 설계 중량이 늘어나면서 불가피하게 연료를 더 적게 소모하는 BLT 궤적으로 방식을 바꾸게 됐다.

다누리가 속도가 아닌 연료 효율성에 초점을 둔 이유는 달 궤도를 돌고 곧바로 귀환하는 오리온과 달리 달 궤도에 진입한 이후 1년간 달 상공 100㎞에서 탐사 임무를 수행해야 하기 때문이다.

다누리가 속도가 아닌 연료 효율성에 초점을 둔 이유는 달 궤도를 돌고 곧바로 귀환하는 오리온과 달리 달 궤도에 진입한 이후 1년간 달 상공 100㎞에서 탐사 임무를 수행해야 하기 때문이다.

다누리의 무게가 늘어나면서 1년 간의 임무 수행을 위해서는 항해 과정에서 연료를 더 줄여야 할 필요성이 생겼고, 그 과정에서 위상전이궤적이 아닌 BLT 궤적을 선택하게 된 셈이다. 더욱이 다누리는 무인 달 궤도선인 만큼 오리온처럼 우주 환경이 인체에 미칠 악영향 등을 고려할 이유도 없다.