과학자 콘스탄틴 치올코프스키가 들려주는 우주 비행 이야기

구소련의 물리학자이자 로켓 이론의 기초, 우주선 로켓의 창시자 콘스탄틴 치올코프스키의 우주 비행에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

 

우주로 날아가보고 싶은 적 있나요?

지구를 벗어나 우주로 날아가고 싶은 꿈은 인류가 오랫동안 품어 온 간절한 소망 중 하나입니다. 그러나 그건 마음속의 바람일 뿐, 그 꿈이 현실로 이루어지는 건 결코 쉬운 일이 아니었습니다. 아니, 이루어질 것이라고 생각한 사람은 거의 없었다고 하는 편이 맞을 겁니다. 비행기가 하늘을 날아다닌 20세기 초반까지도 우주 비행이 실현 가능하다고 본 사람은 그리 많지 않았으니 말입니다.

 

그래서 '우주 비행은 반드시 실현 가능하다', '우주는 인간의 새로운 놀이터가 될 거야'라고 외치면 미친 사람 취급을 받곤 했지만 그 대표적인 인물이 바로 치올코프스키입니다. 한 때 정신 나간 사람으로 여긴 사람도 있지만 이제는 우주 개발의 아버지로 추앙받고 있습니다.

 

치올코프스키는 우주 비행에 대해 '우주 공간으로 날아가려면 로켓을 이용해야 한다' , '로켓은 다단계 방식을 사용해야 한다'라고 구체적인 방식을 제시했습니다. 로켓 사용과 다단계 방식 이론은 우주 비행을 가능케 하는 결정적인 이론이 되었습니다. 지금까지 쏘아 올린 그 어떠한 우주선도 이 방식을 채택하지 않은 것이 없습니다. 러시아의 보스토크와 루나, 미국의 아폴로와 우주왕복선, 대한민국의 우리 별과 무궁화호 등이 모두 지구를 넘어 우주로 향하는 데 이 방식을 이용했습니다.

 

치올코프스키 덕분에 러시아는 치올코프스키(1857~1935)가 탄생한 100주년 되는 해인 1957년에 미국보다 먼저 우주 비행의 장을 활짝 여는 데 성공했습니다. 그때 우주로 날아오른 우주선은 스푸트니크 1호였습니다.

 

 

비행기는 왜 우주로 가지 못할까?

라이트 형제가 플라이어호를 타고 인류 최초의 실질적인 비행에 성공한 것이 1903년이었습니다. 그리고 미국의 아폴로 우주선 11호가 달에 무사히 착륙한 것이 1969년이었습니다. 이 두 역사적인 사건의 시간 간격을 들여다보면, 플라이어호와 아폴로 우주선 11호 사이에는 근 70여 년에 가까운 시간 차이가 나지요. 그러니 이런 궁금증이 일지 않을 수 없습니다.

'하늘을 나는 비행에 성공했는데, 왜 달까지 가는 데는 그리 오랜 세월이 걸린 걸까?'

 

지구는 둥그런 모양입니다. 우리 입장에서 보면, 지구 반대편에 있는 사람들은 거꾸로 서 있는 격입니다. 거꾸로 서 있으면 떨어져야 하는데 왜 떨어지지 않을까요? 그들도 우리처럼 별 이상 없이 걷고 뛰며 마음 편히 활동하고 있습니다. 그 이유는 지구에는 중력이 작용하고 있기 때문입니다. 그래서 지구를 벗어나려면, 지구 중력을 이겨야 합니다. 지구 중력은 우주로 나아가는 가장 큰 걸림돌이라고 할 수 있습니다.

 

지구의 중력은 위에서 아래로 작용하는 힘입니다. 하늘에서 땅으로 향하는 힘입니다. 우주 비행을 하려면, 중력과 반대로 날아올라야 합니다. 땅에서 하늘로 힘차게 솟아올라야 하는 것입니다. 중력을 이기고 솟구쳐 오르려면, 무엇보다 속도가 빨라야 합니다. 그러니 비행기가 지구 중력을 이기려면, 속도가 충분해야 합니다. 비행기는 속도가 느려서 우주로 나아가지 못하는 것입니다. 우주로 날아가는 속도를 '우주 속도'라고 부릅니다.

 

 

비행기가 우주에 나아갈 수 없는 두 가지 이유

우주 속도에는 제1 우주 속도와 제2 우주 속도, 그리고 제3 우주 속도가 있습니다. 제1 우주 속도는 인공위성을 지구 상공에 띄워 올리는 속도, 제2 우주 속도는 지구를 탈출해서 달에 갈 수 있는 속도입니다. 그리고 제3 우주 속도는 태양계를 벗어나서 다른 별 세계로 이동해 갈 수 있는 속도입니다. 이 가운데 가장 느린 것은 제1 우주 속도이고, 가장 빠른 것은 제3 우주 속도입니다.

 

우주 속도를 제1 우주 속도, 제2 우주 속도, 제3 우주 속도로 나누는 것은 중력이 지구에만 있는 힘이 아니기 때문입니다. 중력은 달에도 있고 태양에도 있고, 그 밖의 모든 별에도 다 있습니다. 그러니 천체를 빠져나오려면 어떻게 해야 할까요? 천체의 중력을 이겨야 합니다. 중력은 무거울수록 강합니다. 지구, 달, 태양 중에서 달이 가장 가볍고, 태양이 가장 무겁습니다. 지구의 중력은 달보다는 강하지만, 태양보다는 약합니다. 그래서 태양계를 벗어나는 제3 우주 속도가 가장 빠른 것이랍니다.

 

비행기는 시속 900여 킬로미터 남짓한 빠르기로 날아간답니다. 서울에서 제주까지 한 시간에 주파할 수 있는 굉장한 속도입니다. 그러나 이 속도조차 제1 우주 속도와 비교하면, 대략 15배 정도 느린 것입니다. 비행기가 하늘을 날아오르기는 해도, 우주 비행을 하지 못하는 결정적인 이유가 바로 이것입니다. 비행기의 속도가 우주 속도에 훨씬 미치지 못해서 결코 지구를 벗어날 수 없는 것입니다.

 

그리고 비행기가 우주로 나아갈 수 없는 또 하나의 큰 이유는 비행 방향입니다. 우주 비행을 하려면 속도와 함께 솟아오르는 방향도 중요합니다. 비행기는 땅바닥에 평행한 자세로 날아오릅니다. 수평하게 날면 멀리는 갈 수 있지만 높게는 날아오르기 어렵습니다. 우주로 나아가려면 수직으로 높이 날아서 지구 중력을 벗어나야 하는데, 수평 자세에서 그걸 이루기는 결코 쉽지 않습니다. 아니, 현재 과학 기술로 당분간 실현 불가능하다고 보아도 틀리지 않습니다. 그래서 비행기는 지구 중력을 이기고 우주로 나아갈 수 없는 것입니다.

 

 

치올코프스키의 우주 비행 이야기는 현재까지도 최첨단 과학 기술을 종합한 우주선 발사로 이어지고 있습니다.