현재 NASA에서 개발중인 오리온 다목적 유인 탐사선과는 관련이 없는 이야기입니다.
핵무기
1940년대 중반 핵분열의 놀라운 폭발력을 가진 핵무기를 본 각국의 정치인들과 과학자들은 이를 어떻게든 써먹으려는 계획을 세웠습니다. 대부분은 무기로, 그리고 몇몇은 평화적인 이용으로 사용하려는 계획이었습니다. 무기로써는 전술 핵포탄, 핵어뢰, 대공 핵미사일, 핵 로켓, 핵베낭, 핵지뢰, 핵 바주카 등 매우 괴악한 무기들을 만들어 냈고, 평화적인 이용으로도 핵폭탄을 터뜨려서 운하와 터널을 파려고 했었습니다. 이 막대한 에너지를 우주 탐사를 하는데 써먹을 방법으로 고안한 것이 이 글에서 다룰 핵추진 로켓입니다.
핵 펄스 추진 로켓
사실, 핵추진 로켓이라 함은 두 가지 의미가 있습니다. 열핵 로켓(Nuclear thermal rocket) 과 핵 펄스 추진 로켓(Nuclear pulse propulsion rocket)이 있는데요, 우리가 다루어 볼 것은 핵 펄스 추진 로켓입니다. 열핵 로켓은, 쉽게 말해서 원자로의 열로 연료(수소)를 데워 팽창하는 힘으로 추진하는 것입니다. 한편, 핵 펄스 추진 로켓은, 핵무기를 추진 동력으로 삼는 겁니다.
열핵 로켓(좌)와 핵 펄스 추진 로켓(우)의 상상도.
핵 펄스 추진 로켓의 방식은, 여러분이 생각하고 계신 그대로의 방식입니다. 핵무기 우주선 뒤쪽에서 폭발시켜, 그 반동으로 우주선이 날아간다는 방식입니다.
현재는 여러 가지 의미에 의해서 열핵 로켓이 조금 더 중점적으로 연구되고 있습니다.
오리온 프로젝트
초기의 오리온 계획 디자인
폭발물을 우주선 뒤에서 폭발시켜 추진력을 얻는다는 발상은 1881년 러시아의 폭발물 전문가 리콜라이 카르바치치에 의해 처음 제안되었고, 그 폭발물로 핵무기를 사용하는 우주선은 1946년 스타니스와프 울람에 의해 처음 고안되었으며. 1947년 로스 앨러모스의 프레드릭 라이네스와 함께 연구를 제시하였습니다.
실제 프로젝트가 "오리온 프로젝트"로 이름붙여져 시작된 건 1958년입니다. 이때는 테드 타일러와 프리먼 다이슨(그 다이슨 스피어를 제시한 사람입니다)에 의해 추진되었습니다. 프린스턴의 프린스턴 고등 연구소에서 연구를 진행하였으며, 당시에는 일반 화약식 폭발물로 모형 실험을 진행하였다가, 이후 1963년 부분적 핵실험 금지 조약(우주에서의 핵실험 금지)로 인해 프로젝트가 종료되었습니다.
당시의 모형 실험 영상. 폭발은 일반 폭발물을 사용하였습니다. 좌약처럼 생겼다
추진 방법
오리온 계획에서 계획된 추진 방법을 순서대로 나타내면, 다음과 같습니다.
1. 핵무기를 로켓에 잔뜩 실어둔다.
2. 기존 화학 로켓 (등의 방사능을 발생시키지 않는 방법)으로 로켓을 지구 궤도까지 옮긴다. 더 막나가면 이 단계는 생략될 수 있다.
3. 우주선 뒤쪽 살짝 떨어진 부분에 핵무기를 둔다.
4. 폭☆발 시킨다.
5. 핵폭발이 추진체(텅스텐 등)을 증발-플라즈마화시켜 우주선 방향으로 내뿜는다
6. 플라즈마 덩어리들이 우주선의 반사판에 부딛히며 우주선이 앞으로 나간다.
7. 목적지에 도착할 때 까지 3~6번 단계를 반복한다.
8. 도착.
핵 펄스 추진 로켓으로 화성까지 가는 동영상. 본선 자체가 화성에 착륙하는 방식입니다.
역시 좌약처럼 생겼다.
이건 본선+착륙선 구조로 되어있는 방식의 화성 탐사입니다.
잘 보면 날짜가 1969년으로 되어 있습니다. 즉, 계획대로 추진되었다면 달 착륙할 시점에 화성 착륙이 가능했었다는 소리(...)
구상한 이유
우선 기본적으로 가장 경제적이기 때문입니다. 인류를 달로 실어보낸 세턴 V 로켓의 1단의 원료는 등유였습니다. 네, 그 등유요. 현재까지 발사한 로켓들은 이런 추진체를 액체 산소와 섞어서 불태우는 방식으로 설계되었고, 이 과정에서 쓸데없이 소모되는 에너지가 많았습니다. 또한, 이런 추진체는 로켓을 가속시키는 데 필요한 에너지원으로써는 에너지 밀도, 즉 연비가 충분하지 않습니다. 나중에 개발된 이온 엔진의 경우에는 연비는 뛰어나지만 추력이 의미가 있을 만큼 크게 발생하지 않는 문제가 있습니다.
이런 상황에서, 엄청나게 많은 에너지를 내는 핵무기에 눈이 돌아간 건 어찌 보면 당연한 겁니다.
오리온 프로젝트는 미 공군에 의해 연구되었으며, 이후에 NASA가 연구하게 됩니다.
구조
기본적으로, 거대한 스카이콩콩처럼, 유압장치로 핵폭발의 충격파로 인해 뿜어저 나온 플라즈마를 반사하여 그것을 추진력으로 변환합니다. 크게 탑재 부분, 추진체(핵폭탄) 탄창, 추진 모듈로 나누어져 있습니다.
탑재 부분은 기본적으로 일반 우주선과 크게 다르지 않습니다. 우주인이 생활하는 부분이며, 핵폭발에 의한 방사능을 방호하기 위해 금속으로 처리되어 있습니다.
추진 부분
추진 부분에서는, 각각의 핵무기를 정가운데에 있는 관으로 옮기고, 그 관에서 핵무기를 발사하여 판에 뚫어놓은 구멍을 지나 우주선의 뒤쪽에서 폭발시키는 방식으로 계획되어 있었습니다. 핵무기가 폭발하면 플라즈마화 된 추진체가 반사판에 닿고, 방어판(반사판)이 뒤로 밀려나며 유압 장치에 폭발력을 분산하게 됩니다.
추진용 핵무기 하나.
기본적으로 이들의 핵무기는 그림에서 보다시피 성형작약 구조로 되어 있습니다. 중간의 핵장치에서 핵무기가 폭발하고 그 충격파가 중간에 충전재를 거치고, 이후 추진체를 플라즈마화시켜 발사하게 됩니다.
각각의 핵무기는 만들어지는 함선의 종류에 따라 수십 톤에서 수십만톤(Mt)의 TNT에 해당하는 폭발력을 가졌습니다.
구상품들
여러 오리온 우주선들의 상상도. 하지만 대형 버전은 나와있지도 않다.
그 어마어마한 스케일을 한 번 봅시다.
궤도 시험용 오리온 계획의 구상도.
기본적으로는, 기존의 화학 로켓을 이용하여 우주로 올린 후 곧바로 출발하거나, 궤도상에서 조립하여 출발하는 방식으로 계획되었습니다. 이 과정에서는 당시 동시에 계획 및 제작되던 새턴 V의 1단-2단 로켓을 사용할 계획이었습니다.
한편, 현대, 혹은 그 이후에 구상하는 계획으로는 우주 엘리베이터를 사용하여 조립하는 방식으로 우주에서 건조하는 방법도 논의되고 있습니다.
1. 초기 구상
일단 지표면으로부터 핵무기를 이용하여 추진한다는 계획에서. 궤도 시험용은 880톤, 폭 25미터에 높이 10미터로 계획되었습니다. 500km의 지구 저궤도에 올릴 수 있는 질량은 총 300톤. 세턴 5 로켓이 총 무게 3350톤에 촉 10미터, 높이 110미터, 페이로드 130톤이였다는 것을 생각해 보면 상당히 좋은 효율입니다. 여기서 지상에서부터 우주까지 가는 데에는 TNT 0.03킬로톤(30톤급 폭발력, 참고로 핵 바주카인 데이비 크로켓의 폭발력이 20톤급입니다.)의 핵무기 800개를 이용하여 추진하면 달 편도 여행은 170톤, 화성 궤도 왕복 비행에는 80톤을 나를 수 있습니다.
M-338 데이비 크로켓(좌) 와 그 탄두 MK-54(우). 이 폭탄은 TNT 10톤의 폭발력으로써, 핵배낭으로도 쓰였다. 들고있는 사람은 신경쓰지 말자.
표로 나타내면 다음과 같습니다.
| | 궤도 시험선 | 행성 탐험용 | 고급 행성간 탐험용 | 새턴 V 로켓(비교용) |
| 함선 직경 | 25 m | 40 m | 56 m | 10 m |
| 함선 높이 | 36 m | 60 m | 80 m | 110 m |
| 함선 질량 | 880 t | 4,000 t | 10,000 t | 3,350 t |
| 폭탄 세기 (해수면 기준) | 0.03 kt | 0.14 kt | 0.35 kt | 없음 |
| 폭탄 개수 (480 km 지구 저궤도로) | (800개) | (800개) | (800개) | 없음 |
| 유효 하중 (480 km 지구 저궤도로) | 300 t | 1,600 t | 6,100 t | 130 t |
| 유효 하중 (달 착륙) | 170 t | 1,200 t | 5,700 t | 2 t |
| 유효 하중 (화성 궤도 왕복) | 80 t | 800 t | 5,300 t | - |
| 유효 하중 (3년간 토성 궤도 귀환) | - | - | 1,300 t | - |
한편, 다른 가설로써 이런 식으로 계획되었다는 말도 있습니다.
| | "위성" 오리온 | "중급" 오리온 | "슈퍼" 오리온 |
| 함선 직경 | 17 m~20 m | 40 m | 400 m |
| 함선 질량 | 300 t | 1,000 t~2,000 t | 8,000,000 t |
| 폭탄 개수 | (540) | 1080 | 1080 |
| 폭탄 하나의 질량 | 0.22 t | 0.37~0.75 t | 3,000 t |
이 슈퍼 오리온의 질량인 8백만 톤은 거의 도시 하나에 필적하는 질량으로써, 8,045톤 질량의 에펠탑 1천개에 해당하는 질량이며, 50만톤인 부르즈 할리파 16개, 두개 합쳐서 150만톤인 (구) 세계 무역 센터 건물 11개에 해당하는 수치입니다. 기자의 피라미드도 550만~600만 톤에 해당하는 질량으로써, 그냥 지구에다 지어도 세계에서 가장 거대한 건물 레벨에 들 수 있습니다. 이 슈퍼 오리온은 '세대 우주선'으로 구상되었습니다.
...하지만 이것도 구상된 것 중에 최대 규모는 아닙니다.
2. 성간 탐사용
3초마다 1메가톤급 핵무기를 하나씩 폭발시켜 에너지를 얻는 방식입니다. 이 경우, 일반적인 핵분열 폭탄-즉 원자 폭탄이 아니라, 수소 폭탄의 폭발력을 이용하여 추진하게 됩니다.
이 경우, 폭발력을 더욱 더 잘 활용하기 위해, 반구형으로 된 구조물로 폭발력을 한 점으로 모아 추진하게 됩니다(확실하지 않음).
| | "운동량 제한" 버전 | "에너지 제한" 버전 |
| 함선 직경(m) | 100m | 20,000m |
| 함선의 질량(t) | 100,000 t (50,000 t 의 선체+탑재물 포함) | 10,000,000 t (5,000,000 t 의 구리 반구 포함) |
| 폭탄의 수(및 질량, 1Mt급 핵무기=1t) | 300,000 | 30,000,000 |
| 전체 질량(t) | 400,000 t | 40,000,000 t |
| 최고 속도(㎞/s) | 10,000 km/s (= 광속의 3.3%) | 1000 km/s (= 광속의 0.33%) |
| 가속도(지구 중력 기준) | 1 g (10일간 가속) | 0.00003 g (100년간 가속) |
| 알파 센타우리까지 걸리는 시간(단방향, 감속 없음) | 133년 | 1330년 |
| 예상 제작 가격 (1968년 기준) | 3670억 달러. 미국 GNP의 10% | 3조 6700억 달러, 미국 GNP 전체 |
| 예상 제작 가격 (현대 가치 환산) | 2조 5000억 달러 | 25조 달러 |
(...)
1968년 당시 추산한 바로는 미국의 1년 총생산량을 통째로, 미국 연방 정부 예산의 20배(1968년 당시 연방정부 예산 1800억 달러, 현재 가치로 1조 2300억 달러)추산한 값에 해당하며, 현재 가치로는 미국 GDP의 141%, 미국 연방 정부 예산의 6.5배 이게 다 이라크 때문이다, 전 세계의 1년 GDP의 3분의 1 에 달합니다.
나중의 연구에서, 감속을 생각할 필요가 없다면 광속의 8%~10%까지 속력을 낼 수 있고, 일반적인 오리온은 광속의 3%~5%까지 속력을 낼 수 있을 것으로 추산되었습니다.
문제점
설명이 THE 필요한지?
... 일단 핵무기를 쓴다는 것 자체 이외에도 여러 문제들이 남아있습니다.
1. 발사 실패 시 위험
일단 핵 펄스 추진 로켓을 운항시키려면, 수십~수천 개의 핵무기들을 우주 궤도로 올려야 합니다. 이 과정에서 발사 실패가 하나라도 일어난다면, 방사능 누출은 기본이고 심하면 충격으로 안전장치가 해제되어 핵폭발이 일어날 수 있습니다.
실제로 로켓은 아니지만, 1961년 발생한 골즈버로 B-52 추락사고에서는 2.5메가톤급 Mk.39 수소폭탄이 지면과 충돌하여 폭탄의 안전장치 6개 중 하나를 제외한 전부가 박살나고, 폭탄이 지하수층에 박혀 현재까지도 방사능 누출을 점검하고 있습니다. 이처럼, 발사가 실패한 경우의 문제가 상상을 초월하게 됩니다.
2. 구조적 문제
핵무기의 충격파를 이용하여 추진하는 방식에서, 핵무기의 충격파를 우주선이 견뎌낼 수 있을지, 그리고 핵무기에 의한 방사선에 대한 문제도 있습니다.
우선 핵무기로 인한 방사선 피해를 직접적으로 받지 않아도, 핵폭발의 충격파를 받는 부분이 방사능에 오염되어 수리를 하거나 할 때 접근하지 못하는 문제가 있었습니다.
또한, 장기적인 충격에 의한 금속 피로나, 핵무기의 열에 의한 마모 및 감소 등이 문제가 되었습니다.
3. 정치적 문제
결정적으로 오리온 계획이 중단된 이유입니다.
이 계획이 등장한 1950~60년대는 여러분도 알다시피 미국과 소련이 으르렁대던 냉전시대였습니다. 그런데 미국이 지구 궤도에 핵무기 수십~수천개를 띄우는 계획을 추진한다면? 소련이 가만히 있을까요? 또 굳이 이런 계획이 아니더라도, 지구에 방사능을 뿌려대는 것을 다른 국가들이 참아낼까요?
결국 1963년 부분적 핵실험 금지 조약에 따라 우주의 핵실험이 금지되면서 오리온 계획은 잠정 폐지됩니다.
이후의 연구
없을 것 같지만, 이런 방식의 추진, 즉 핵 펄스 추진은 인류가 멸망해서 다른 행성이나 항성으로 가야만 할 때 가능한 거의 유일한 방식의 추진이기 때문에 계속해서 이어져왔습니다.
1987년~1988년 사이에 미국 해군 사관학교와 NASA에 의해 계획된 프로젝트 롱샷(Project Longshot)은 무인 프로브를 알파 센타우리까지 100년 안에 보내는 것을 목표로 하였으며, 이론상 광속의 4.5%까지 추진이 가능했습니다.
1990년대 계획된 메두사 계획은 폭발력을 더욱 잘 활용하기 위해 돛을 펼쳐 추진한다는 방식을 제안했습니다.
메두사 계획의 구상도. D지점에서 폭발을 일으킨다.
2000년 6월에는 미니-맥 오리온(이라는 오리온의 후계 계획으로, 자기장으로 핵물질이 자체 붕괴가 일어날 때 까지 압축시켜 폭발하는 것을 추진력으로 삼는 계획이 있었습니다.
또한, 무언가를 폭발시켜 추진력으로 쓰는 방식은 계속해서 논의되어왔습니다. 굳이 핵무기를 이용하지 않더라도, 핵융합을 일으키거나 반물질을 사용하는 식의 추진도 논의되고 있습니다.
영국에서 1973년에서 1978년까지 추진한 다이달로스 계획은 태양계에서 5.9광년 떨어진 버나드 성까지 우주선을 보내려는 계획으로, 지구의 공전 궤도 (지구의 위성 궤도가 아니다!) 에 건설되어 길이 195.3 m, 질량 54,000 t에 달했습니다. 실제로는 이 중 연료가 53,000톤으로, 실제 우주선은 450톤이었습니다.
다이달로스 계획의 구상도.
다이달로스 계획은 기본적으로 2단으로 구성되어지며, 각각 205년, 176년 간 작동시킬 계획이었습니다. 이들은 레이저(혹은 전자빔)으로 연료에 핵융합을 일으키는 방식으로 추진시킬 계획이었습니다.
다이달로스 계획에 관한 더 자세한 설명은 나중에 따로 다루도록 하겠습니다.
1971년 로렌스 리버모어 연구소에서도 이런 방식의 레이저 핵융합 펄스 추진 로켓이 연구되었으며, 1983년 구상된 486톤의 태양계 내부 탐사용 로켓도 존재했습니다. 가장 가까울 때 기준으로 화성까지 9일, 목성까지 40일이면 갈 수 있다는 겁니다.
한편, 반물질을 이용한 로켓, 일명 반물질-촉매 핵 펄스 추진(Antimatter-catalyzed nuclear pulse propulsion)도 논의되었습니다. 1990년대에 ICAN-II 와 AIMStar이 각각 제안되었고, 프로젝트 발키리(Project Valkyrie)로 제안된 발키리 우주선은 최대 광속의 92%까지 가속이 가능하다고 예상되고 있습니다. 영화 <아바타>에 등장한 ISV 벤처 스타도 이 발키리 우주선을 기반으로 창작된 겁니다.
ISV 벤처 스타. 반물질으로 추진한다.
한편, 부산물로써 이른바 카사바 대포(Casaba-Howitzer)라는 것도 계획되었습니다. 핵폭탄의 폭발력을 한 점으로 모아 표적을 맞추는, 쉽게 이야기하면 핵 성형작약 무기였습니다. 알기 쉽게 이야기하자면, 스타크래프트에 등장하는 전투순양함의 야마토 포가 이 카사바 대포입니다. 냉전 시기에 오리온 우주선에 이 대포와 핵미사일, 수상함용 함포 등을 무장시켜 우주전함으로 만들 계획도 있었습니다.
야마토포의 기본 원리는 1960년대에 만들어졌다.
마이너에서 창작물에 나타나지는 않지만, 딥 임팩트에 등장하는 우주선 '메시아'가 이것으로 추진된다고 합니다.
한편 2001:스페이스 오디세이의 영화판에서 목성 탐사선을 해당 추진 우주선으로 하려고 했으나, 감독인 스탠리 큐브릭이 거부했다고 하는 말도 있습니다. 스탠리 큐브릭은 그 전에 핵전쟁으로 지구가 멸망하는 닥터 스트레인지러브의 감독을 맡은 바 있죠.
읽기 귀찮은 사람들을 위한 요약.
1. 핵무기로 우주선을 날려버리는 계획이 있었다. 이른바 핵 펄스 추진.
2. 계획 중에는 미국을 통째로 팔아 알파 센타우리까지 도시만한 크기의 우주선을 1000년 안에 도착하게 하려는 계획이나, 우주전함으로 만드려는 계획도 있었다.
3.
참고 자료:
영어 위키백과:
TED:
George Dyson: The story of Project Orion(한글자막 있음)
기타등등
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