한국 달 탐사 15년

2022년 8월 5일 한국은 최초의 달 궤도선 다누리를 발사하며 우주탐사 시대를 열었다. 한국이 우주탐사를 처음 선언한 것은 2007년으로, 실제 발사까지 15년이 걸렸다. 우주개발 선진국보다 60여 년 뒤에 시작한 한국의 첫 우주탐사 도전은 우여곡절의 연속이었다.

그 도전의 시작과 끝에 이상률 한국항공우주연구원 원장이 있다. 인공위성 전문가인 이상률 원장은 항우연에서 2008년 한국의 달 탐사선 초안을 만들었고, 달 탐사 사업단장을 거쳐 원장으로 현재 달 탐사 사업을 총괄하고 있다. 이상률 원장과 함께 파란만장했던 한국의 달 탐사선 개발 15년을 되돌아보고 미래 우주개발 방향을 전망해 본다.

아시아 달 탐사 경쟁 속 ‘깜짝 선언’으로 시작된 달 탐사

달 탐사에 관한 한국 정부의 첫 공식 기록은 2007년 11월 발표된 ‘우주개발사업 세부실천로드맵(안)’이다. 9개 부처 합동으로 낸 로드맵에서, 정부는 “우주탐사 프로그램을 중장기적으로 추진”한다고 밝혔다. 궤도선인 달 탐사 위성 1호를 2017~2020년 개발하고, 착륙선인 달 탐사 위성 2호를 2021~2025년까지 개발한다는 목표였다.

< 한국이 달 탐사 목표를 처음 밝힌 우주개발사업 세부실천로드맵 >

“달 탐사 계획은 정부 수준에서 선언적으로 들어온 거예요. 우리가 ‘달 탐사를 하자’라고 실무에서 건의했던 게 아니에요. 로드맵 작업을 하는 저희들도 몰랐어요. 마지막에 2007년 11월에 실무반 의견을 다 모아서 정부가 최종적으로 로드맵을 만들었을 때 달 탐사 계획을 공표한 거예요.”

실무진도 몰랐던 정부의 ‘깜짝 선언’이었다. 당시 항우연 다목적위성 5호 사업단장이었던 이상률 원장은 세부실천로드맵 수립에 인공위성 분야 대표로 참여했다. 달 탐사선은 달의 인공위성이기 때문에 인공위성 개발기술을 기반으로 한다. 그런데 그조차도 몰랐던 달 탐사 계획이 최종 발표에 갑자기 등장했다.

2007년 11월 정부는 왜 갑작스럽게 달 탐사를 발표했을까. 이 원장은 주변국의 달 탐사가 결정에 영향을 미쳤다고 봤다. 그해 9월 일본은 10년의 준비기간을 거쳐 달 궤도선 ‘셀레네(일본명 카구야)’ 발사를 성공시켰다. 10월에는 중국이 달 궤도선 ‘창어 1호’를 성공시키며 우주탐사에 가세했다. 이듬해인 2008년에는 인도가 달 궤도선 ‘찬드라얀 1호’를 발사할 예정이었다. 한국 최초의 우주인 배출 사업이 진행되며 우주개발에 대한 국민의 관심도 고조됐다. 1960년대 미국과 소련의 달 탐사 경쟁에 이어, 아시아가 제2의 달 탐사 경쟁 시대를 열고 있었다.

< 왼쪽부터 일본의 달 궤도선 셀레네, 중국의 달 궤도선 창어1호, 인도의 달 궤도선 찬드라얀 1호. >
- 출처 JAXA, CNSA, ISRO

달 탐사선 초기 구상은 한국형 발사체를 이용한 550kg 달 샘플 귀환선

목표만 발표됐을 뿐 세부 계획은 전혀 없었다. 정부출연연구기관인 항우연은 자체 과제로 달 탐사 계획을 수립하기로 한다. 이 원장은 당시 TF 단장을 맡아 67명의 연구원과 함께 한국의 첫 달 탐사 계획을 마련했다. 달 탐사선의 규모는 한국형 발사체 개발을 전제로 정해졌다.

“달 탐사 계획에서 첫 번째 나온 질문은 발사를 어떻게, 뭐로 할 거냐였습니다. 당시 한국형 발사체 개발이 조심스럽게 준비되던 상황이었는데, 정부 의견은 ‘역사적인 이벤트를 하는데 당연히 우리가 발사체를 개발하면 우리 발사체로 우리 달 탐사선을 하는 게 맞지 않겠냐’라는 얘기가 나왔어요. 그러다 보니까 규모가 작은 대신에 문제 자체가 굉장히 명확해졌죠.”

< 2008년 8월 우주개발진흥전략 심포지엄에서 달 탐사 계획을 발표하는 모습. 당시 이상률 원장은 달에 착륙해 과학표본을 채취하고 다시 지구로 돌아오는 샘플 귀환선을 제안했다. >

3단형인 한국형 발사체에 고체로켓을 4단처럼 써서, 그 위에 달 탐사선을 올리자는 게 초기 구상이었다. 이 방식으로 달에 보낼 수 있는 탐사선의 무게는 550kg였다. 한국형 달 탐사선의 목표 중량은 이렇게 550kg으로 정해졌는데, 제작 과정에서 다누리의 실제 중량은 678kg으로 목표를 초과했다. 발사체로 인한 탐사선 중량의 제약은 다누리의 궤적 설계를 변경하고 발사 일정을 2020년에서 2022년으로 연기한 주요 원인이 됐다. 이 원장은 안타깝다고 소회를 밝혔다.

“(탐사선 중량을 정한) 2008년은 한국형 발사체가 설계도 되기 전이잖아요. 굉장히 정확하지 않은 숫자로 탐사선 목표 중량을 가정한 거예요. 그런데 누리호가 개발된 지금 시점에서 보면, 만일 고체연료를 이용하면 사실 550kg이 아니라 730kg까지 늘어났어요.”

발사체 기술이 확보되지 않은 채 달 탐사선을 추진하면서 빚어진 시행착오였다. 달 탐사선을 먼저 보낸 우주 선진국은 모두 본격적인 우주개발 전에 자체 우주발사체를 보유했다. 1990년 1단형 고체추진 과학로켓(KSR-Ⅰ)을 시작으로 우주발사체 개발에 나선 한국은 2022년 6월 21일 누리호 발사로 우주발사체 자체 개발에 성공한다. 다누리는 그로부터 불과 한달여 만에 스페이스X사의 팔콘9으로 발사됐다.

이 원장은 “1990년대에 (자체 발사체 없이) 우주개발에 나선 후발국 가운데 누리호와 같은 발사체를 개발하고 달 궤도선을 보내는, 실질적인 결과를 내고 있는 나라는 사실 한국이 유일하다.”고 강조했다.

밀고 당긴 발사 일정, 전액 삭감된 첫 예산
“2008년부터 예산 투입했다면…”

달 탐사는 장기 계획이지만, 국가 우주 정책은 그렇지 못했다. 이 원장은 “나로호 1차 발사 시기였던 2009년엔 달 얘기는 아예 거론을 못하게 했다”고 기억했다. 항우연은 기관장 재량사업으로 2010년부터 3년간 달 탐사를 위한 기초연구를 수행하기도 했지만, 조직개편 등 내부 사정으로 도중에 연구가 차질을 빚기도 했다.

“2020년까지 달에 태극기가 펄럭이게 하겠다” 달 탐사는 2012년 말 대통령선거에서 다시 소환됐다. 박근혜 후보는 2025년 달 착륙선 계획을 5년 앞당겨 공약했다. 달 궤도선 발사 시기는 2017년으로 앞당겨졌다. 박 후보가 대통령에 당선되면서 달 탐사는 국정과제가 됐다.

처음부터 무리한 일정이었다. 인공위성 개발에 평균 5년 이상이 걸리는데, 달 궤도선을 3년 만에 발사하는 것은 불가능했다. 더욱이 첫 예산부터 전액 삭감됐다. 2014년 말, 정부 예산안 원안에 없던 달 탐사 예산 410억 원이 국회 예산 심의 과정에서 추가되자 야당은 이른바 ‘쪽지 예산’이라고 반발했다.

2016년에서야 정부 차원의 ‘달 탐사 1단계 사업’이 시작됐다. 달 궤도선 발사 목표 시기는 1년 미뤄진 2018년이었다. 당시 결정 회의에서 이 원장은 “2018년 발사가 불가능하다”고 입장을 밝혔다. 궤도선의 설계가 없는 상황이었다. 결국 이듬해 달 궤도선 발사 목표 일정은 2020년으로 원위치됐다.

우주탐사 목표가 제시된 직후부터 장기 계획과 예산 지원이 있었다면 어땠을까.

“우리가 장기적으로 쭉 끌어올 수도 있었는데 그렇게 되지 않은 부분은 좀 아쉽죠. 2008년도부터 작은 예산이라도 단계적으로 쭉 왔다면 2020년, 2022년에 달 궤도선을 만드는 자체가 아주 어려운 일이었다고 생각하지 않고요, 불가능하다는 생각은 더더욱 안합니다.

2008년도에 처음 계획하면서도 제가 그런 얘기를 했었어요. 위성 쪽 입장에선 발사만 해결되면 2020년 달 탐사선을 보낼 수 있다. 왜냐하면 인공위성 설계와 개발에 우리가 자신감을 가진 상황이었기에 그건 할 수가 있다. 얘기를 많이 했던 건, 탐사선을 보내서 뭘 할 거냐, 다른 쪽에서 하지 않은, 우리만의 뭐가 있어야 하지 않냐 였거든요.”

한때 연구원 85% “달 탐사 실패할 것” 비관
BLT 궤도설계 성공하며 반전

위기는 내부에서도 있었다. 2019년 항우연은 다누리의 중량이 목표했던 500kg에서 678kg으로 무거워지자 다누리의 임무 궤도 변경을 시도했다. 연료 사정을 고려해 달 상공 100km 원 궤도에서 1년간 임무를 수행하려던 계획을 9개월간 타원궤도를 돌고 3개월간 100km 원 궤도를 도는 것으로 변경해 정부 승인까지 받았다. 그러나 NASA는 원래의 협력조건을 충족해달라며 기존 임무 궤도를 요구했고, 대신 달까지 가는 항행을 연료 소모가 적은 BLT 궤적으로 제안했다. 이 과정에서 연구원 간 이견이 커지며 내부 갈등이 깊어졌고 연구수당 지급을 두고 소송도 제기됐다.

달까지 가는 궤적 설계를 다시 해야 하는 상황이 닥치자, 달 궤도선 사업이 실패할지 모른다는 불안감이 항우연을 뒤덮었다. 2019년 11월 달 탐사 사업단장을 맡은 이 원장은 상황을 진단하기 위한 설문조사를 했다. 연구원의 85%가 달 탐사가 실패할 것이라고 응답했다.

이 원장은 달 탐사 사업단 전원이 참여하는 1박 2일 워크숍을 열고 “여러분 과반이 반대하면 하지 않겠다”고 조직을 추스렸다. 궤도설계팀 ‘비탁’을 새로 꾸리고 BLT 이론의 창시자 에드워드 벨 브르노를 직접 만나 궤도설계에 자문을 요청했다. 이 원장이 매주 회의를 함께하며 진도를 챙기고 연구 결과를 NASA와 공유했다. 7개월간의 우여곡절 끝에 6명의 연구진은 BLT 궤적 설계에 성공했다. 이 원장은 “개인 능력이 굉장히 우수한 연구원들이 많다”며 “우리 팀이 아주 잘했다”고 자평했다. 궤도 설계에 성공한 뒤 다시 실시한 설문조사 결과는 정반대가 되어 있었다.

다누리 이후의 우주개발
“30년 후 상상해야 도약 가능”

다누리 이후 한국의 우주개발 목표는 2032년 달 착륙선 계획이다. 1.8톤 규모의 달 착륙선을 차세대 발사체로 발사한다는 목표다. 이 원장은 “누리호의 개발경험이 있지만 새로운 엔진을 만들기 때문에 발사체 개발이 가장 큰 도전이 될 것 같다”고 설명했다. 착륙선 설계에서는 인도와 이스라엘의 착륙선이 실패한 연착륙 기술이 제일 어려울 것이라고 내다봤다.

달 탐사 이후 미래 우주개발은 어디로 나아가야 할까. 이 원장은 이제 ‘정답 없는 우주개발’을 준비해야 할 2단계라고 지적했다. 지난 30여 년간 한국의 우주개발 1단계가 선진국을 추격하는 모델이었다면, 다음 도약을 위해서는 긴 호흡이 필요하다고 강조했다.

국가의 총력을 들여 단기 목표를 세우는 우주탐사나 우주개발을 하기보다는, 국민적 합의를 바탕으로 적정 수준의 예산을 정해 의미 있는 목표를 낼 수 있도록 장기 지원하는 게 바람직하다는 것이다. 프로젝트형 우주탐사도 필요하지만, 다양성과 상상을 펼칠 수 있는 기초 연구를 병행할 수 있도록 지원해야 한다고 제안했다.

“우리가 2~30년 후를 뭔가 준비하려고 하면 이제는 정답이 없는 거죠. 준비는 누군가 계속 해야 해요. 지금까지는 사실 저희들이 그걸 못했습니다. 누군가가 ‘30년 후에는 무슨 기술이 나올까’ 이런 것도 상상하면서 준비를 해야 된다는 거죠. 그러다 보면 다른 나라를 절대적으로 넘어설 수는 없다 하더라도 부분적으로는 넘어서는 성과가 생길 겁니다.”

나사가 사활 건 ‘아르테미스’ 계획.. 다누리도 뛴다.

지난 8월 5일 다누리가 미 플로리다주에서 솟구쳐 오르자 미 나사는 홈페이지를 통해 다누리 발사 성공을 알리며 기민하게 대응했다. 다누리가 1년 동안 펼칠 탐사 임무에는 달의 영구음영지역 관측도 포함됐다. 이 결과는 현재 나사가 사활을 걸고 있는 ‘아르테미스’ 계획에 반영될 예정이다. 나사가 우리나라 다누리를 관심 있게 지켜보는 이유다.

아르테미스 약정 성과물 ‘섀도우캠’

미국은 아르테미스 계획을 홀로 추진하지 않는다. 다른 나라와 아르테미스 약정을 개별 체결하며 협력을 추진하고 있다. 우리나라는 2021년 5월 전세계 10번째로 미국과 아르테미스 약정을 체결했다. 다누리에 탑재된 미 나사의 ‘섀도우캠’은 아르테미스 약정의 성과물로 꼽힌다.

섀도우캠은 고감도 카메라로 달의 극지방 영구음영지역을 관찰해 물 존재 여부 등을 확인하게 된다. 물의 존재가 확인되면 향후 아르테미스 우주선의 착륙지를 선정할 때 주요 참고 자료가 된다.

다누리에 섀도우캠이 탑재되는 대신 나사는 우리나라에 심우주 항행과 통신 기술을 제공한다. 이에 따라 우리는 다누리를 24시간 추적할 수 있는 심우주통신망(DSN)을 이용할 수 있게 됐다. DSN은 미국 LA 골드스톤, 스페인 마드리드, 호주 캔버라에 위치해 있다.

나사는 다누리가 생산하는 탐사 자료를 적극 활용하기 위해 2020년 12월 미 과학자 9명을 선발했다. 이들에게는 3년 동안 모두 300만 달러가량이 지원되며 섀도우캠 등 다누리 탑재체 탐사 자료를 활용한 연구가 진행될 예정이다.

미 달 착륙선에 한국 탑재체 실려

아르테미스 약정에 따른 한미 협정은 다누리에서 그치지 않는다. 미국은 아르테미스 하위 프로젝트로 민간 달 수송 서비스 CLPS(Commercial Lunar Payload Services) 계획을 진행하고 있는데 여기에 우리나라도 참여한다.

CLPS는 민간이 만든 달 착륙선에 과학 탑재체를 실어 2022년부터 매년 발사하는 게 골자다. 이를 통해 달에서 과학탐사를 진행하고 아르테미스 계획에 유용한 정보를 수집한다. 우리나라는 한국천문연구소의 주관으로 국내 대학과 민간 기업이 개발한 과학 탑재체 4종을 실을 계획이다.

2024년 발사 예정인 달 착륙선(인튜이티브 머신즈 제작)에 ‘달 우주환경 모니터(LUSEM)’을 제작, 탑재한다. 달 표면에는 우주에서 날아오는 고에너지 입자가 있는데, 이를 관측하는 게 목표다. 달 표면 우주방사선 측정기(LVRAD)는 달의 방사선 환경이 생체 조직에 미치는 영향을 분석하고, 달 표면 자기장 측정기(LSMAG)는 달의 자력원이 지하 어느 깊이에 묻혀있는지 조사할 계획이다. 달 표토 3차원 영상 카메라(GrainCams)는 지구로 가져올 수 없고 달에서 채취할 수도 없는 달 토양의 미세 구조 촬영을 처음으로 시도한다.