하늘문이 열리는 시간 (토막 과학상식) - Launch Window (Nature's Window? or God's window?)

지금까지 밤에 발사된 로켓들은 대단히 많다.

인공위성이 탑재된 로켓일 지라도 밤에 발사된 로켓들은 결코 적지 않다.

태양광의 입사각은 크게 문제가 되지 않는다.

고도 600km 상에서는 이미 그 고도에 올라서 위성을 궤도비행에 충분한 속도를 얻도록 하는 과정에서 지구 반대편 까지 비행할 수 있기 때문이다.

지구 중력 탈출 속도는 초속 8km
(8km/s)

만약 어떤 가상의 초인적인 투수가 지면과 평행하게 야구공을 8km/s 의 속도로 던질 수가 있을 경우

그 야구공이 결코 절대 주변의 방해물과 부딪히지 않는다는 다소 무리한 가정하에
(다소 무리가 많은 그야말로 지나치게 단순한 가정하에)

그 야구공은 인공위성이 될 수 있다.





실질적으로 위성 발사체의 하는 일 이란

600km 고도에서 위성을 지면과 평행한 각도를 유지한채 8km/s 의 속도를 부여하는 것

그것이 발사체가 실제로 수행하게 되는 일이다.

즉 누리호가 지상에서 발사된 뒤

위성이 3단 엔진에서 분리 될 때

그 위성은 대한민국에서 지도상으로 지구 반대편 즈음에 도달하게 된다.





바로 위와 같은 이유로 인하여

인공위성 발사체들이 과거에는 밤에 발사된 사례가 결코 적지 않다.

즉 현실적으로 위성의 컴퓨터와 전자장치의 가동에.필수적인 충분한 양의 태양광의 입사광량을 고려한다면 오히려 밤에 발사하는 편이 오히려 더 유리하다.





※ 그렇다면 도대체 왜 하필이면 오후 4시일까?

그건 발사의 각도가 지구의 자전에 영향을 받기 때문이다.



탄도 미사일을 예로 들어 설명하자면

미사일을 고각으로 쏘아올리면 그 미사일은 높이는 올라가지만

결코 직선거리를 멀리 날아가지는 못 한다.

그렇다고 낮은 각도로 쏘아올리면 멀리는 날아갈 수 있지만

높이 올라가는 것은 불가능하다.

그와같은 발사의 각도와 비행의 고도 그리고 전체 비행 거리간의 함수관계는 인공위성 발사체에도 절대적으로 동일하게 적용된다.

수직발사 → 수직상승 → 충분한 고도에 도달하게되면 서서히 탄도비행으로 비행궤도에 변화를 줌 → 탄도비행이 어느 순간 지면과 평행한 각도를 유지 → 가속과 감속을 거듭하여 위성이 궤도상에서 독립적인 위치를 얻기에 충분한 지구중력 탈출 속도에 도달 → 발사체로부터 위성 분리 후 발사체는 해수면을 향하여 지정된 지점을 향한 자유낙하
→ 분리된 위성은 태양광으로부터 에너지를 얻어서 전자적인 작동을 시작하고 내장된 컴퓨터는 내부에 저장된 연료를 바탕으로 위성의 궤도와 자세를 제어하기 시작 → 어느정도 제어가 끝나면 위성은 안정적인 궤도를 얻게 됨 → 위성이 궤도비행을 시작하고 난 뒤 안정적인 궤도에 도달하기 전까지 모든 발사체는 목표 해수면상에 도달








즉

"하늘문이 열리는 시간" 이란

발사체가 인공위성을 지구 중력 탈출 속도를 보유한 채 정상 궤도에 올려놓기 위한 어떠한 최적의 발사 각도를 실질적으로 보유하게 되는 "매우 특별한 어떤 날" 을 의미한다.

(발사 각도는 위의 조건들을 고려하여 미리 계산하여 두는데 왜 지정된 별도의 날자가 필요한가 그것은 성공률을 높이기 위한 다음의 세 가지의 요건의 충분한 충족이 우주 천체들간의 간섭으로 인하여 반드시 어떠한 특정한 날과 시간으로 한정되기 때문이다.)





1. 그러나 이 때 이미 지상에서 궤도위에 올려놓은 인공 천체들의 숫자는 무려 1만개를 초과한다.

즉 다른 궤도 비행중인 위성들과의 충돌을 피해야 하는데 이는 부차적인 요인이고



2. 지구 중력 탈출 속도에 올려놓기 위한 발사체의 궤도 비행은 필연적으로 지구의 자전이 발생시키는 비행물체와 지표면간의 상대속도의 차이라는 강력한 상대속도 차이의 저항과 직면한다.

자전방향으로 쏘아올리면 궤도비행에 충분한 속도를 얻는것이 불가능하고

자전의 반대 방향으로 쏘아올리면 궤도비행에 충분한 상대속도를 얻기에 용이하다.

(여기까지만 해도 단순한 수학적 요건 즉 사실상 단순한 -말이 단순이지 절대 단순하지 않다. 어디까지나 다음 요건에 비하여 단순한 - 발사 각도의 수학적인 계산 요건에 해당되지만 다음의 마지막 요건이 사실 가장 중요하다.)


아무튼 1. 의 방해물을 피하면서 2. 의 용이한 조건을 얻어야 하는데


여기서 가장 중요한 마지막 3. 이 있다.







3. 지구의 자전은 발사체가 궤도비행에 충분한 속도를 얻는 과정에서 달과의 인력간 간섭 즉 조수 간만의 차로 표현되는 중력의 변화에 대단히 취약하다

(지정된 지구중력 탈출 속도란 지구와 달의 인력간 간섭이 발생시키는 지구와 달의 중력가속도의 변화에 따라서 반드시 가변하게 되는데)

(만약 이 방해요인에 강력하게 영향을 받는 시간에 발사할 경우 발사체와 인공위성 모두 자세의 제어와 속도의 가속과 감속등 지나치게 많은 미세 조정에 너무나 많은 에너지 즉 연료가 소모되게 되고 위성 자체도 궤도에 진입하기 위한 자세 제어 과정에서 내장된 연료 전체를 거의 다 소모하게 되기 때문에 거의 반드시 발사가 실패하게 된다는 것이다.)







즉

8km/s 로 간단하게 표현되는 지구 중력 탈출 속도는 단순히 대명사에 가까운 어떠한 표현일 뿐이고


실제로는 지구의 자전이 달과 인력의 간섭을 주고 받는 과정 중에서 그 지구 중력 탈출속도 역시 반드시 가변하게 된다는 것이다.




실제로 지구와 달 간의 서로간의 중력가속도가 시시각각 가변하기 때문이다.

여기에 지구의 중력가속도변화에 달 다음으로 크게 영향을 주는 세번째로 큰 천체가 태양이고

마지막으로 간혹 금성이 지구 궤도에 근접하는 경우에도

역시 하늘문이 열리는 시간을 얻는데 방해 요인이 된다.






즉 발사체가 위성이 지구중력 탈출 속도에 도달하기에 충분한 상대 속도를 얻기 위한 최적의 발사 각도가 있는데

그 발사각도로 그냥 아무날이나 쏜다고 그냥 되는 것이 아니고

1. 과 2. 와 3. 을 함께 고려해서

그 발사가 반드시 성공하기에 충분한 최적의 조건을 얻게 되는 바로 그 '날' 이 반드시 있는데

그 '날' 을

바로

"하늘문이 열리는 날" 이라고 한다.



하늘문이 열리는 날에도 시간이 정해지는데
중요한 두 가지 조건 중 하나는 발사체가 위성을 분리할 때 충분한 태양광 입사광량을 얻어야 한다는 조건과 다음의 마지막 가장 중요한 조건에 의하여 정해진다.

밤에 발사하는것이 유리한데도 왜 낮인가

오후 4시는 이미 검증된 시간들 중 하나이며

그동안 성공적으로 발사된 로켓들의 발사 시각은

자정 또는 그 부근

일몰 직후

오후 4시

오후 2시

정오 등등이 있는데

이 시간들 중에서

조수 간만의 차에 의한 지구와 달의 서로간의 중력가속도의 변화로 부터 반드시 가장 적은 영향을 받는 시간으로 정해진다.

충분한 태양광의 입사광량을 위성이 얻는 것은 물론 매우 중요하지만 그것은 전체 비행거리가 매우 길기 때문에 전자에 비하여 상대적으로 중요도가 떨어지며

그보다는 지구와 달 태양간의 중력가속도의 변화라는 방해요인들이 가장 적은 시간대로 정해지는 것이다.

발사체인 로켓도

발사목적인 위성도

내장된 연료의 양이 극히 제한적이기 때문이다

또한 위성이 궤도에 오른 이후에도

한 번 궤도에 오른다고 끝이 아니라

발사된 위성의 목표 수명 기간동안 반드시 필요한 비행 궤도의 변화와 미세한 자세제어 감속과 가속에 필요한 충분한 잔여 연료를 남겨 놓을 수 있어야

그래야 비로소 그 위성의 발사가 성공이 되기 때문이다.

그러한 이유로 발사 당시에는 "발사의 목표가 되는 위성이 발사체로부터 분리되는 그 순간에 반드시 모든 방해로부터 완벽히 해방된 어떠한 특정한 시간" 을 반드시 필요로 하게 되는데

그야말로 천우신조

즉 하늘의 보살핌이라고 해야 마땅할만큼

정말로 위성 발사에 최적의 조건이 되는 시간대가 우연히 실재하고 있었던 것이다.

그렇기에 초기 인공위성 발사를 위한 모든 제작진들이 그 시간을 정말로

"아 이것은 그야말로 하늘의 문이 열리는 시간이다."
(Launch Window)
(하늘의 창문이 열리는 시간)
(발사, 창문은 너무 심한 뚱딴지에 가까운 직역이므로)
(너무나 좋은 기회)
(로켓의 발사를 위한 너무나 좋은 'window')
(누구의? 어디의? window?)
그것이 존재하는 장소 또는 예비한 주체를 생략한 훌륭한 시적 함축 - 생략으로부터 비롯되는 - 기법
(굳이 공식 번역에 의구심을 가질 필요가 없는)
(아마 본디 뜻은 대 자연의 Window 였을 것이다.)
(용어의 창시자가 과학적 탐구를 일생의 목표로 하는 진짜 과학자들이었으므로)
(다만 하늘의 창문이라는 의역도 그렇게 잘못된 것은 아니다. 다만 의미가 정확하게 전달되었다고 보기는 힘들다.)
(그러나 대 자연의 선물에 대한 감동이든 아니든 사람이 생각하기에는 거의 궁극적인 무엇인가로부터 너무나 훌륭한 선물을 받은 것 같은 벅차오르는 감동이 너무나 잘 녹아있는 표현이다.)

라고까지 표현하게 된 것이다.

(인간이 통제하여 창출해낸 시간대가 아니라
인간이 그런 시간대가 있기를 바랐을 뿐인데
마치 하늘님께서(혹은 대 자연에서) 미리 예비라도 해 두신듯)
(마치 대자연이 인간에게 줄 선물을 미리 준비하여 둔 듯)
(정말로 그러한 시간대가 이미 존재하고 있었던 것)

(본래 영문에는 약자등을 비롯 해서
위와같은 시적인 함축적 표현들이 대단히 많다.)
(그것은 그쪽 문화다.)

(아무튼 이 사건에 대한 필자의 입장은 다음과 같다.)
(인간이 신의 존재 유무에 대한 무도하기 까지한 오만한 판단을 해서는 안된다.)
(인간은 신이 아니다.)
(오로지 신 자신만이 자신의 존재를 증거할 수 있다.)
(믿으면 믿는것이고 아니면 아닌 것이다.)
(그러나 그것은 개인적인 가치관일뿐 사회의 규범과 법 위에 설 수 있는 근거가 될 수는 없다.)
(인간은 신이 아니기 때문이다.)

(어쨋건 로켓은 그 어떠한 역경이 있어도 크기만 크면 이 난관을 헤쳐나갈 수 있다. 그러나 인공위성은 궤도에 오른후 최소 6년간 경우에 따라서 그 이상 훨씬 더 긴 기간을 내장된 연료로만 버텨야 한다 현존하는 기술력으로는 위성에 대하여 외부에서의 연료 보급이 거의 불가능하기 때문이다.)

(만약 우주 정거장 등에 위성을 도킹 시킨다면 그 위성은 더이상의 추진력을 상실하게 된다.)

(외부의 물체와의 그 어떠한 접촉도 거의 불가능한 것이 바로 위성이다.)

(물론 필자에게는 실제로 그날 즉 오늘 오후 4시 라고하는 어떠한 특정한 시간 산정에 반드시 필요한 실측의 데이터나 실제 사용된 수학공식은 없다.)
(그러나 필자는 모르는 것이 더 낫다.)


※ 보다 더 정확히 하자면

오로지 그 때에 쏘아야
비로소
위성이 본 궤도에 오르기 위한 최적의 조건

즉 "하늘문이 열리는 시간" 에 진입한다.



그 외적 요인으로는 다음의 몇가지가 존재한다.

(대기권은 성층권 부터 기상현상이 존재하지 않으며 기상현상은 오로지 성층권 이하에서만 존재한다.)
(물론 당연히 위의 조건들을 모두 충족 하면서 기상도 맑아야 한다.)
(그것은 위성과의 통신에 지대한 영향을 끼치고 발사 당시 로켓의 연료 소모량에도 큰 영향을 끼친다.)
(로켓에 작동 이상을 초래할 수도 있는 중대한 요인임은 분명하다.)
(계절에 따라서 그 속도와 방향이 바뀌는 제트 기류 역시 로켓의 연료 소모량과 정상 가동 여부에 영향을 주는 중대한 또 다른 요인이 된다.)
(전리층의 상태는 위성과의 통신뿐만 아니라 로켓과 위성 내부의 전자장치등의 상태에 큰 영향을 주는 요인이 되며)
(태양의 흑점 하나만 폭발해도 궤도상의 위성에게는 치명타가 될 수 있다.)
(특히 발사 당일에 흑점 폭발이 발생하면 그 발사는 절대 실패한다)
(위성과 지상간 교신이 절대 불가능하게 되기 때문이다.)
(그러나 상기의 요인들은 물론 중대한 고려요인들이기는 하지만 "반드시 그날" 이라는.식의 특정된 날자 라고 지칭하기에는 조금 부족한 요인들이다.)
(심지어 시간까지 지정하기에는 다소 부족한 요인)
(특정 시기 즉 특정한 계절 또는 월 정도로만 지정해도 충분히 커버가 가능한 매우 긴 시간간격을 가진다.)
(경우에 따라서 주 단위의 몇일과 몇일 식이 될 수는 있지만 그건 그 당시에 기상이 극도로 불안한 특수한 경우에 한정된다.)
(앞선 시험 발사가 여러차례 실패해서 이제는 기회의 문이 좁아지게 되었다는 식의)

(무엇보다 기상조건은 특별히 흑점폭발이 예상되는 것이 아닌 한 위성이 로켓으로부터 분리되어 궤도에 오르는 바로 그 순간에 대한 방해요인은 될 수가 없고)

(제트기류는 매우 강력하지만 계절에 따라서 속도와 방향이 서서히 그리고 매우 천천히 바뀔 뿐 날자 단위로 보았을 때에는 거의 일정한 속도와 방향을 유지하는 기류이며 시시각각 그 속도와 방향등이 바뀌는 난기류는 결코 아니다)
(즉 로켓은 본래 제트기류를 뚫고 대기권을 탈출할 수 있는.능력을 기본 전제조건으로 제작된다.)
(왜냐면 제트기류는 항상 그곳에 존재하는 방해요인이기 때문이다.)
(다만 경우에 따라서 우연히 결정적인 방해요인으로 작용하기에는 충분하다.)
(물론 우천시에 굳이 발사를 강행하지는 않는다.)
(관측도 통신도 모두 어렵기 때문이다.)

(결정적으로)
(무기로서의 미사일은 반드시 전천후다.)
(특히 ICBM 은 기상조건에 거의 영향받지 않는다.)
(필요하면 우천시에도 발사할 수 있다.)
(비가오는 날 이라고 해서 대한민국에 핵우산이 씌워지는 것은 아니다.)

(다만 위성은 발사시점 당시에 비행궤도 전체에 대한 극도의 주의를 요하기 때문에 미사일보다는 상대적으로 기상조건에 영향을 크게 받는 것이 조금 다르다.)

(미사일은 목표까지.비행만 하면 되고 비행도중 궤도가 조금 틀어져도 유도기능에 따라서 자세를 제어하면 그만이지만 위성은 그러한 작은 요인에도 최종 궤도진입에 충분한 장해 요인이 될 수 있기 때문이다.)
(다만 결정적 요인이라고 보기는 힘들다는 것이다....)







아무튼 대한민국 역사상 최초다.

대한민국이 명실공히 전 세계에서 가장 발달된 최신형의 ICBM기술을 보유한 실제의 ICBM 핵심 기술의 보유국이 되는 것이기 때문이다.





이는 그야말로 대한민국 역사상 최대의 과학적 외교적 치적이며 너무나 훌륭한 업적이다.

그 모든 과학 기술들을 축적 하기도 힘들었고

축적된 과학기술을 바탕으로 실제 제작에 착수하는 것 자체가 주변국의 반대를 실제로 외교적으로 무마할 수 있어야 하는 일 이었다.

그 어떠한 나라도 주변국이 최신 기술을 바탕으로 제작된 ICBM 을 새롭게 보유하는것을 결코 그냥 달갑게 여길 수만은 없었다.

그야말로 확실한 우방국이 아니라면

반드시 누가 반대해도 반드시 반대할 일이었던 것이다.



그야말로 현 정권 최고의 군사적 과학적 외교적 치적이고

아마 현정권이 아니면 해내기가 너무 힘들었을 일이었을 것이다.





1. 무역 전쟁 승리

2. 코로나와의 승리

3. 한국형 스텔스 전투기 보유

4. ICBM 의 보유

5. 연 4% 경제성장

(세월호 본격 인양부터 시작하여 한일 외교 정상화를 비롯한 수많은 업적과 남북미 대화 구도의 형성 그 외 부패의 척결을 위한 피나는 쇄신 코로나 사태를 안정화시키기 위한 수많은 현장 인력의 과감한 대규모 투입)

(지금 우리 나라의 이 정권이 앞으로도 항구히 지속 될 수만 있다면 이 나라의 미래는 대단히 밝다.
당장의 현재의 불안 요인들이 많이 있지만 합리적인 대화와 국민 대 화합으로써 반드시 그 위기를 극복 하시리라 믿는다.)

합리적인 정권이 반드시 국가에 필요한 이유다.