대기권 진입

1 개요

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아폴로 계획에서의 대기권 진입 방식.

대기권 진입, 대기권 돌입

Atmospheric entry(대기권 진입), Re-entry(재진입, 재돌입)

발사된 우주선의 미션의 마지막 절차. 궤도 상 우주선이 진행방향과 반대된 방향으로 로켓을 점화, 속력을 줄인 후 공기의 항력과 중력을 이용하여 차차 고도를 낮추어 대기권을 뚫고 지구로 진입하는 과정이다. 발사의 경우 고밀도 공기층에선 저속으로, 저밀도 공기층에서 최고속도로 궤도를 이루므로 큰 문제는 없으나 재진입의 경우 저밀도 공기층에서 감속한 후 고밀도 공기층으로 자유낙하하므로 빠른 속도로 공기와 부딪히면서 최대 2~6천도 이상의 고온으로 가열되며 공기가 연소하지 않고 플라즈마화 된다. 따라서 불이 붙어서 내려온다기보단 백열등처럼 하얀 빛을 내며 재진입 하게 된다.

이때 흔히 대기와의 고속 마찰로 인해 열이 발생하는 것으로 알려져 있지만 사실 마찰열 자체는 그리 높지 않다. 수천 도의 엄청난 고온이 발생하는 것은 고속으로 내려오는 우주선이 공기를 빠르게 밀쳐내고 충격파로 인해 엄청난 단열압축효과가 발생하기 때문. 흔히 잘못 알려진 과학적 사실 중 하나다.

2 상세

2014년 12월 5일 수행된 오리온 우주선의 EFT-1 무인 테스트 미션 중 재진입 장면을 담은 영상. 재진입 속도는 대략 초속 8.9km이며 섭씨 2200도의 플라즈마가 형성되는 장면이 고스란히 담겨 있다.

사실 이 멋있는(?) 장면은 후반부의 약 3분이고 사실 궤도상에서 재진입 절차를 실행한 후 실제로 지상에 닿기까지는 3시간 정도가 걸린다. 즉 두시간 반동안 미세한 공기로 감속부터 한다. 그후 점점 달궈진 우주선이 플라즈마상태로 돌입하면 통신이 두절되고, 그 후 지상 50 ~ 100km 대에서부터는 단열압축을 통한 플라즈마화와 동시에 그 아래에 공기들이 감속을 시키므로 약 지상 50km부터는 플라즈마 상태가 끝이 나며 그 후 좀 더 감속한 후 낙하산을 펼치게 된다.(우주 왕복선의 경우 S자비행으로 감속)

따라서 3분이상 통신이 두절될 경우 MCC(미션 컨트롤 센터)는 초상집 분위기가 될 수밖에 없다. 진짜 초상나니까

STS-107 미션 당시의 MCC. 6분쯤부터 MCC에서 컬럼비아를 호출하지만 응답이 없자 분위기가 싸늘하게 식는 것을 볼 수 있다.

이 과정에서 가장 중요한 것이 spaceship thermal protection system 이라는 것인데, 열충격 보호 시스템과 열전도 제어 체계 및 단열 소재를 사용하며, 특히 Re-entry 시 형상에 따라 마찰열에 상당한 차이가 발생한다. 가령 넓덕한 친구들은 온도가 엄청 올라가지만 빨리 감속되고, 뾰족한 친구들은 표면에 닿는 열은 적은데 감속이 잘 안된다. 그리고 이 형상에 따라서도 진입각이 달라진다. 가령, 뾰족한 형상의 물건들은 진입각을 2도나 1도로 설정하여 지구를 수바퀴에서 수십바퀴씩 돌면서 내려오도록 하기도 하지만, 넓덕한 것들의 진입각은 궤도 면의 약 5도에서 6도로서 이보다 낮으면 물수제비처럼 팅겨 안드로메다 저편으로 튕겨나가게되며 이보다 높을 시 더 높은 온도의 플라즈마층이 형성돼 우주선이 증발하게 된다.

사실 이론상으론 해당 고도에서 바로 아래 지면으로 자유낙하하는 것이 가장 빠르고 가장 안전한 재진입 방법이지만 그렇게 하려면 발사시와 같은 양의 연료를 역분사해야 되므로 절대 불가능하다. SF에서 흔히 나오는 Reactionless Drive가 실현되면 모를까. 아니면 낙하산 등을 사용해 초기부터 거대한 표면적을 사용, 마찰이 일어날 면적을 넓게하면 단열압축열은 줄어들기때문에 이런 방법을 쓰는 경우도 있다.

저 낙하산 방식과 비슷한게 NASA 의 IRVE 인데, 재진입 시 진입하는 방향의 천에 질소가스를 불어넣어 마찰면의 크기를 아주 크게 하는 기술이다. 이렇게 하면 플라즈마는 커녕 아무런 불빛도 안나고 재진입된다. 당연히 통신두절도 없다.

과거의 우주체 발사 시스템에서는 1단 로켓을 1회성으로 사용하는 것을 기본으로 하고 재돌입 절차를 밟는 귀환선 이외에는 모두 소모성으로 사용되어왔다. 때문에 천문학적인 비용이 들어갈 수 밖에 없었는데, 2015년 즈음부터 SpaceX가 Falcon 9을 귀환시키는 실험을 수행하면서 결국 육상/해상 착륙을 기어이 성공시키기에 이른다.(!)

귀환선이나 과거에 운용되었던 우주왕복선은 공기저항을 이용한 감속으로 재돌입을 하게 된다. 이는 선체에 부담을 주어 재사용이 불가하거나 외부 선체를 갈아엎는 수준의 유지보수를 강요하게 되며, 큰 위험성을 가지기도 한다.

이를 SpaceX에서는 적절한 수준의 고도에서 2단 추진체와의 분리를 마치고 자세제어와 적절한 추력으로 목표로 하는 육상 런칭패드나 해상 바지선에 착륙하게 된다. 1단 로켓의 특징상 엔진 노즐이 외부에 노출되어있고, 노즐이 파괴되면 선체 내부에 충격이 가해져 남아있는 연료가 터질수도 있다고 하는데, 이를 위해 몸체에 기계형 지지대를 4방향으로 부착하고 발사하는 시점에서는 수납 상태로, 착륙시에 전개하는 형태로 해결했다.

다만, 착륙에 성공하였으나 착륙 각도를 기울여서, 또는 착륙은 했는데 기울어져서(...) 로켓이 폭발하는 영상이 있으며 가끔 착륙에 실패했다는 소식도 들리고 있으므로 신뢰성을 완벽히 충족했다고 보기는 힘들다. 그러나 이는 사회에 공개된 지 이제 2년이 되었고 이 기술이 우주 개발비용을 획기적으로 줄여줄 기술이 될 것임을 생각한다면 개선될 여지는 충분할 것이다. 다만, 거기에 갈려나갈 공밀레는...

3 대중매체에서의 등장

현실과 SF를 통틀어 가장 긴장감 연출하기 좋은 소재 중 하나. SF계열에선 대기권 진입 도중의 공격이나 손상된 우주선으로 대기권 돌입 등의 소재로 긴장감을 높인다.

6.5도에서 플러스 마이너스 0.5도 사이, 우주선이 대기권을 돌입할 때의 '돌입각도'이다.이 각도 이내에 들어오지 못하는 물체는 대기의 저항에 불타버리고 만다.
관성중화 최대!! 대기각 무시!! 받음각 무시!! 필살!! 직각!! 대기권 돌입!!

대표적으로 기동전사 건담 시리즈는 이런 대기권 돌입 소재를 각 작품마다 적어도 한번씩은 꼭 써먹는데 이러한 대기권 돌입이 거의 클리셰가 되었다고 봐도 무방.

일례로 우주세기의 예를 들자면 기동전사 Z건담에서 마라사이는 이전 기동전사 건담시절에 쓰던 내열필름이 아닌 밸류트 시스템이라는 일회용 방열 풍선에 의존하기 때문에 한번 밸류트가 터지면 끔살확정인데 건담 MK-2는 훨씬 내구력이 좋은 플라잉 아머라는 비행기형 판때기를 쓰며 이 플라잉 아머는 밸류트와 달리 돌입하며 기동이 가능한지라 카미유 비단은 대기권 진입 중에 플라잉 아머로 벨류트를 톡톡 치고 가는 식으로 티탄즈를 끔살시켰다.Z건담은 플라잉 아머를 베이스로 한 웨이브 라이더로 가변 후 대기권 돌입이 가능한 MS로 Z와 ZZ에서 각각 등에 MS를 태우고 대기권 돌입을 한 적이 있다. 아무로 레이도 액시즈와 함께 대기권 돌입을 하다가(?) 액시즈를 밀어내고 본인은 산화했다. 가장 최신작인 기동전사 건담 유니콘에 이르러서는 극장판에 준하는 OVA 보정까지 더하여 정말로 중력에 빨려들어가는 듯한 압도적인 연출을 보여줬다. 살려주게 버나지군! 내가 차도 대접하지 않았는가! 이대로라면 내가 대기권에서 타죽고 말아! 그 후 우주세기 역사상 가장 나중인 기동전사 V건담의 경우엔이건 무시하도록 하자 일개 모빌슈트들도 단독으로 대기권 진입이 가능할 정도로 기술이 발전되었음을 보여준다.

비우주세기 쪽에선 이런 클리셰가 꽤나 무시되는 경우가 있는데 기동전사 건담 SEED에선 프로토타입 모빌슈트인 스트라이크 건담이 대기권 돌입 도중에 아크엔젤에 착륙했었지만 실드가 거의 녹고 콕핏 내부 온도가 급상승하는 위험한 상태였으나 기묘하게도 무장 증설형 증가장갑을 덕지덕지 붙인 듀얼 건담은 같이 대기권 돌입했지만 멀쩡했고 방패도 증가장갑도 없는 버스터 건담도 멀쩡하게 진입한다. 또 중반부의 프리덤 건담부턴 그냥 시원하게 돌파. 시뎅에선 양산형 기체인 자쿠 워리어가 반파된 상태에서 어깨 실드 한장으로 대기권을 돌파한다.

아무래도 페이즈 시프트 장갑 재질의 기체이기만 하면 대기권 진입시의 고열 정도는 별탈없이 견뎌낸다는 설정인 모양. 스트라이크 건담의 경우는 비록 실드가 녹기는 했지만 실드는 단순히 대빔 코팅재질의 물건이므로…

심지어 기동무투전 G건담의 마스터 아시아는 모빌파이터 따위 필요도 없이 그냥 위풍당당하게 맨몸에 팔짱까지 끼고 정면으로 돌파한다. 사실 모빌파이터는 구속구다 기동전사 건담 더블오에서도 1기 2화서부터 GN 필드를 전개시켜 내열필름 비슷한 용도로 사용하여 대기권을 돌입한다. 엔드리스 왈츠의 경우도 대기권 돌입 전투씬이 있으며 건담 헤비암즈 개(EW)의 경우 대기권과의 마찰열을 그대로 받는데도 내장된 탄약이 하나도 유폭하지 않는 기이함을 보여준다. 기동전사 건담 철혈의 오펀스에서는 귀환 타이밍을 놓친 발바토스가 격추한 그레이즈 리터를 방패삼아 대기권 돌입에 성공한다.

우주세기도 빅토리 건담쯤 가면 양산형들까지 장비하고있는 빔 실드때문에 대기권 돌입에 제한이 없어지게 돼서 비우주세기랑 다를것이 없어진다. 거기에다가 위에서 예를 든 더블오도 지구궤도내에서 방치된 민간모듈이 대기권에 진입할 위기에 처하자 그것을 저지하려는 작전이 방영된바 있다. 후기 우주세기와 마찬가지로 어떤 식으로 진입하는지 설정자체는 대부분 상비하고는 있다.

대기권 진입이 이처럼 골치아픈 문제다보니 많은 소프트SF나 스페이스 오페라 작품들은 반중력이라는 데우스 엑스 마키나를 도입해 간단히 처리해 버리는 경향이 있다. 대표적으로 스타워즈. 예외로 은하영웅전설 OVA판의 제국군 전함이나 우주선들은 전혀 공기역학적으로 생겨먹지도 않았고 반중력 장치도 달려있지만 대기권 돌입할때는 쿨하게 거의 수직으로 내려온다. 반면에 스타 트렉은 제작비 절감을 위해서 대기권 진입장면을 빼버리고, 모두 트랜스포터(전송기)로 해결했다. 스타워즈에서도 스타워즈: 에피소드 3 - 시스의 복수 에서 초반에 항행불능이 되어서 코러산트로 추락하는 인비지블 핸드를 대기권 진입시킨다. 스타워즈 세계관에서도 기체손상되면 전함이고 나발이고 전부 항행불능인듯.

위의 사례와는 약간 다르지만 플라네테스에서 유리 미하일코프가 우주공간에서 사고를 당해 대기권 돌입추락할 때 구조하는 장면을 긴장감 있게 연출한 바 있다.

겟타로보 시리즈 OVA 진 겟타로보 세계 최후의 날에 등장한 블랙겟타는 대기권 돌입을 하다 도장이 불타서 그을린 것이라고 한다.

와하맨의 레미는 맨몸으로 해냈다. 명대사는 '아뜨뜨뜨뜨뜨-!!!'

어떤 마술의 금서목록 극장판 엔디미온의 기적에서 칸자키 카오리도 이걸 맨몸으로 한다! 영상특전 어떤 마술의 인덱스땅에서는 아마 불타죽는 듯(…).

고스트 스위퍼의 요코시마 타다오도 맨몸으로 해냈다. 인간이냐? 정확하게 말하면 마리아와 같이 떨어지긴 했지만… 아니, 걘 사이보그잖아!

원펀맨의 모 대머리 망토도 맨몸으로 대기권 돌입에 성공. 이 쪽은 아예 지구에서 걷어차여 달까지 쳐날려진 뒤 다시 달에서 수직점프해 단숨에 지구로 돌아왔다. 이미 인간의 범주에 넣을 수 없는 존재라 괜찮...나?

로스트 플래닛 2의 캠페인 에피소드 6에서 등장.올드 원(舊 네벡) 대원들이 위성병기에서 EDEN3 행성으로 귀환할 때 VS를 타고 대기권 돌입을 한다.이 때 VS를 직접 조종해서 적들이 뿌려놓은 기뢰들을 제거하며 돌입하는데,우주에서 보는 EDN3 행성과 웅장한 브금,그리고 올드 원 지휘관이 에덴3행성의 설적들에게 하는 연설이 조화돼서 간지폭풍을 이룬다. 전작에 비하면 실패작이란 오명을 쓴 로스트 플래닛 2지만 이 부분만큼은 모두가 인정하는 명장면.2분 45초부터

닥터 후에서 등장하는 타임머신 우주선 타디스는 나무로된 전화상자로 위장하고 있지만(주인공 닥터의 타디스에만 해당됨), 모든기능이 정지된 상태로 대기권에 수직낙하해도 열에의한 그을림과 땅에 부딛힐때의 충격에의해 유리창 하나에 금이가는것 외에는 다른 이상없이 착륙할수있다.

배틀스타 갤럭티카에서는 뉴 카프리카 전투에서 적들을 기습하기 위해 우주전함을 통째로 대기권에 강하시키며 전투기를 발진시키고 지면에 닿기 직전 워프아웃하는 폭풍간지의 연출을 보여준다. 다만 역시 함에 무리가 갔는지 이후 교전 중 문제가 발생.

크라이시스 3에서 세프 거대 전함을 아크엔젤로 파괴한 프로핏이 충격파에 밀려나 지구로 낙하하는 모습을 보여줬다. 여담으로, 프로핏이 떨어진 곳은 크라이시스 1 에서 노매드가 세프의 공격을 받고 떨어진 곳과 같다.

헤일로 시리즈에서는 매번 나오는데, 헤일로 1에서는 다수의 해병대원들이 공격받고있는 필라 오브 오톰으로부터 탈출하여 알파 헤일로로 가기 위하여 구명정을 이용하는 장면이 나온다. , 헤일로 2에서는 델타 헤일로에 교두보를 형성하기 위해 마스터 치프가 ODST 요원들과 함께 투입될때 개인용 드랍 포드(SOEIV)를 타고 강하, 헤일로 3에서는 선조의 함선 조각(…)을 보호대로 이용하여 지구로 추락하여, 선조 기술의 위대함과 마스터 치프의 단단함(…)을 보여줬다. 헤일로 3: ODST에서는 루키가 ODST라 SOEIV로 강하하나, 도중 사고로 추락. 하지만 다른 작품만큼 높은곳에서 추락한건 아니라 역시 생존. 이후 헤일로 리치에서 노블 6가 강화복+재진입 팩으로 리치 행성에 재진입하고 점점 재진입에서 자유낙하가 되더니 결국 헤일로 4에서는 치프가 강화복만으로 레퀴엠의 지표에 멀쩡히 떨어진다(…) 이러다 헤일로 5에서는 강화복도 안입고 떨어지는거 아닌가-

톰 고드윈의 단편 SF소설 <차가운 방정식(The Cold Equations)>은 대기권 돌입의 무서움을 다루고 있다.

철권 6에서는 쿠마, 헤이하치의 엔딩이 다 카즈야, 헤이하치, 진을 우주에서 대기권으로 버리려다 자기도 같이 걸려드는 통에 사이좋게 별똥별이 되는 것이다(…).