NASA는 왜 버릴 화물선에 캡슐 12개를 실었나

출항 소식 다음에 바로 ‘실험 성공’이라는 말을 붙이기에는 아직 남은 일이 있다. 캡슐이 밖으로 나와 측정을 시작하고, 그 기록을 연구진에게 보내야 한다. 화물선이 예정대로 떠난 것은 첫 단계다. 캡슐마다 재료와 장치가 다른 만큼 한 덩어리로 성공 여부를 평가할 수도 없다.

NASA는 출항 완료 공지에서 미국 현지 12일에 궤도를 벗어나도록 명령할 예정이라고 안내했다. 출항 직전의 예고 글에는 다른 날짜가 적혀 있었지만, 출항 뒤 올라온 완료 공지가 더 늦은 기록이다. 이 글의 일정도 그 공지를 따랐다. NASA는 궤도 이탈 과정을 별도로 생중계하지 않는다고 밝혔다.

연구진은 지상에서 통신을 준비한다. 이 팀에 필요한 것은 캡슐에서 오는 신호와 그 안에 담긴 수치다. 지난 임무에서는 학생과 교수들이 함께 모여 자료가 들어오는 것을 기다렸다. 이번에도 대학은 데이터를 받아 보는 행사를 마련했다. 화면에 어떤 값이 들어오는지 지켜보는 일이 연구팀에는 비행을 마무리하는 작업이다.

이번 비행의 묘미도 여기에 있다. 운반 임무를 마친 화물선이 사라지는 순간, 작은 연구 장비에는 가장 바쁜 시간이 시작된다. 그 짧은 동안 온도와 움직임을 재고, 기록하고, 위성을 거쳐 지상에 보내야 한다. 연구진이 미리 준비한 여러 설계의 차이는 그때 측정값으로 남는다.

측정값은 위성 신호로 연구진에게 전송한다. 바다에서 캡슐을 건져 기억장치를 꺼내 보는 방식으로 소개된 실험은 아니다. 캡슐 안에서 좋은 자료를 기록했더라도 그 자료가 지상까지 도착하지 않으면 연구진이 읽을 수 없다. 이번 논문이 전송 속도를 높인 전자장치를 별도로 소개한 이유가 이해되는 부분이다.

열차폐재를 평가할 때는 최고 온도 한 줄만으로 설명하기 어려운 일이 생긴다. 같은 순간 어떤 압력을 받았는지, 얼마나 빠르게 움직였는지, 안쪽에서는 어떻게 온도가 변했는지 기록을 함께 읽어야 한다. 실제 비행에서 자료를 받는 장점은 여러 값이 시간에 따라 바뀌는 모습을 함께 볼 수 있다는 데 있다.

예를 들어 연구진이 만든 컴퓨터 모델은 시험체가 특정 조건에서 어떻게 날고 열을 받을지 계산한다. 비행 자료가 나오면 그 계산과 실제 측정값을 대조할 수 있다. 처음 계산이 얼마나 맞았는지 확인하고, 다음에 계산할 때 고쳐야 할 부분을 찾는 것이다. 이중 원뿔형 시험체도 그런 비교를 위해 이번 비행에 실렸다.

캡슐이 무엇으로 덮였는지만큼 내부 장치의 준비도 까다롭다. 연구진은 전자파 간섭, 진동, 무게중심, 센서와 통신 장치의 기능을 미리 검사했다고 적었다. 재료가 버틴 뒤에도 계측 장치가 정상으로 작동해야 읽을 기록이 남는다. 비행 전에 하는 이런 검사들은 실험 결과를 받아 볼 수 있게 준비하는 작업이다.

이번에는 새로운 캡슐 형상 네 종류가 들어 있다. 연구진은 외피를 바꾸어도 공통 내부 장치를 넣을 수 있는 조립 방법을 논문에서 설명했다. 겉모양을 바꾼 시험체들이 같은 종류의 기록 장치를 싣는 셈이다. 열을 받는 표면과 비행 자세를 달리해 시험하면서도, 안에서는 온도와 움직임을 기록해 지상에 보낸다.

프린터를 쓰는 목적에는 만드는 방법을 바꾸려는 시도도 들어 있다. NASA는 로봇으로 직접 재료를 출력하면 타일을 하나씩 붙이고 틈을 처리하는 일을 줄일 수 있다고 설명한다. 이번 캡슐에서 이런 제작 방법으로 만든 재료가 실제 재진입을 견디는지 살펴보는 것이다. 기계로 만들었다는 이유만으로 성능까지 자동으로 좋아지는 것은 아니다.

이번 비행에는 새 방식으로 만든 시료만 있는 것도 아니다. NASA의 소개문에는 우주왕복선에 쓰였던 세라믹 타일 재료도 포함된다. 이미 알려진 재료와 개발 중인 재료가 같은 임무에 실리면, 결과를 읽을 때 각 시료가 무엇을 시험했는지 찾을 수 있다. 캡슐 12개를 모두 같은 신소재 시험으로 묶어 설명하면 실제 구성이 빠진다.

공식 기술 소개에 제조상의 장점이 적혀 있어도 이번 비행의 결과와는 순서가 다르다. 출력 방식의 목표, 만든 시료의 비행 결과, 실제 우주선에 채택될 때의 조건은 차례로 확인할 내용이다. 현재 공개된 자료에는 이 비행으로 전체 제작비가 몇 퍼센트 줄었다는 실측값이 없다.

재진입 때 뜨거워지는 이유에는 앞쪽 공기의 압축이 있다. 매우 빠르게 움직이는 우주선 앞에 강한 충격파가 생기고, 압축된 기체가 뜨거워져 표면에 열을 전달한다. 에임스연구센터는 시설 안내에서 이 원리를 설명한다. 우주선 앞면의 열을 받아 내고 안쪽을 보호할 재료가 필요한 이유다.

공기가 얼마나 뜨거운지와 보호체 표면이 몇 도인지, 그 안쪽이 몇 도인지도 서로 다른 측정값이다. 존슨우주센터의 퍼서비어런스 착륙 설명에는 보호체 바깥이 섭씨 약 1,300도에 이를 때도 탐사 로버는 안에서 실온 수준을 유지한다고 나온다. 겉은 매우 뜨겁지만 안의 장비는 보호한다는 목표를 실제 임무에서 볼 수 있는 예다.

이중 원뿔 시험체를 실은 목적은 컴퓨터 계산과 실제 비행을 대조하는 것이다. 앞쪽과 뒤쪽의 모양을 정하고 재료를 배치한 뒤, 실제 재진입에서 측정한 값을 받는다. 재료 이름만 봐서는 알 수 없는 열과 움직임의 자료를 얻는 시험이다. 서로 다른 부분에서 얻은 기록을 어떻게 비교했는지는 결과 발표에서 더 자세히 볼 대목이다.

NASA가 MERINO의 제조 시간을 설명할 때는 기존 방식보다 빠르게 만들 수 있다는 개발상의 장점을 든다. 그것을 이번 캡슐 12개의 제작 시간으로 바꾸어 읽을 수는 없다. 기술 소개의 제조 조건과 실제 비행의 측정값은 각각의 자료에 적힌 내용을 따라야 한다. 이번 임무에서 구체적인 제조비 비교표가 공개된 것은 아니다.

새 재료의 이름을 외우기보다 각각 어떤 문제를 풀려고 만들었는지 기억하면 읽기가 편하다. 층을 나누어 프린팅하는 재료는 안팎을 다른 성질로 만들고 제조 작업을 바꾸려는 시도이고, MERINO는 섬유를 엮는 공정과 유연한 보호재를 연구한다. 다음에 어느 재료가 시험에 쓰였다는 소식이 나오면, 그 제작 방법부터 연결해서 볼 수 있다.

화성용 보호재를 연구할 때는 지구 귀환 때와 같은 조건만 생각하지 않는다. NASA는 화성의 더 얇은 대기에서 착륙하는 임무가 받는 열 조건과 사용할 수 있는 가벼운 보호재를 함께 설명한다. 목적지의 대기와 비행 조건에 맞춰 어떤 재료를 쓸지 고르는 일이다. 지구에서 열을 많이 견딘 재료 하나를 모든 목적지에 똑같이 붙이는 방식으로 개발하지 않는다.

초기 비행 시험과 이번 재진입 시험이 살펴보는 조건도 같지 않다. 2018년 소개된 시험은 장치가 펼쳐지고 초음속 비행에서 안정적으로 움직이는지 확인하는 데 집중했다. NASA는 당시 비행에 열차폐 성능을 충분히 시험할 만한 대기 가열이 생기지 않는다고 설명했다. 장치를 펼치는 데 성공한 기록만으로 고온 재진입 시험까지 끝났다고 말할 수 없는 이유다.

2018년 시험 비행은 뉴멕시코 스페이스포트 아메리카에서 시작했다. 접힌 채 올라간 장치가 높은 곳에서 분리된 뒤 펼쳐지고, 초음속 하강 중 안정성을 시험했다. 그 뒤에는 직물의 이음매를 줄이는 개발도 이어졌다. NASA는 삼각형 천을 여러 장 이어 붙이던 제작 방법을 바꾸는 Spiderweave 기술을 소개한다.

비행을 기다리는 동안 땅 위에서도 열을 가한다. NASA가 공개한 2015년 시험 사진에는 노즐에서 나온 매우 뜨거운 공기가 우산형 시험체 앞면으로 향한다. 소개문에는 표면 온도가 화씨 3,100도 수준이었다고 나온다. 실제 재진입 궤적을 그대로 재현하는 사진은 아니지만, 직물과 연결 부분에 열을 가하는 작업을 볼 수 있다.

사진의 밝은 앞면에서 양옆으로 푸른 줄기가 뻗어 있다. NASA의 설명에 따르면 직물 접합부의 보호 수지층이 분해되며 나타난 모습이다. 직물의 넓은 면뿐 아니라 이어 붙인 부분도 열을 받는다. 고온 공기를 쏘는 지상 시험에서 접합부를 함께 살펴보는 까닭을 이 사진에서 볼 수 있다.

이런 시설에서는 전극 사이를 지나는 기체를 전기 아크로 달군 뒤 노즐을 통해 시험체 쪽으로 보낸다. 에임스연구센터의 시설 안내는 진공 상태의 시료 위로 기체가 흐르면서 재진입 때의 표면 온도와 압력 등을 모사한다고 설명한다. 작은 시료를 먼저 여러 조건에 놓아볼 수 있지만, 장치 전체가 실제 대기를 내려오는 비행 자료도 따로 필요하다.

이번 캡슐의 바깥 사진에서는 이런 직물이 넓게 펼쳐져 있지 않다. 화물선 안에서 촬영한 것은 외피다. 접힌 장치가 들어 있는 상태의 사진과 예전 개발 장치의 펼친 모습을 나란히 보면, 우산형이라고 부르는 이유를 더 쉽게 이해할 수 있다. 두 사진은 시점이 다르므로 같은 시험의 전후 장면으로 소개하지 않았다.

ADEPT를 실은 캡슐에서는 펼치는 동작과 그 뒤 비행에 관한 기록도 관심 대상이 된다. 재료를 바꾼 캡슐과 달리, 이 설계의 설명에는 면적과 모양, 움직임이 함께 나온다. 나중에 연구진이 결과를 발표한다면 ‘열을 견뎠다’라는 문장에 앞서 어떤 상태로 비행했는지 설명을 찾아볼 만하다.

작은 캡슐 비행과 실제 탐사선 시험을 함께 읽으면 연구하는 크기와 조건이 달라지는 이유를 알 수 있다. 작은 비행체로 형상의 움직임을 보고, 다른 시험에서는 보호체가 열과 하중을 받는 조건을 확인한다. 어느 하나의 시험이 나머지 작업을 모두 대신하는 것은 아니다. NASA가 서로 다른 시험 기록을 각각 공개하는 것도 그 때문이다.

이번 KREPE에는 독일 슈투트가르트대가 개발한 열유속 센서도 포함된다. 열유속은 표면을 통해 열이 이동하는 양을 알아보는 항목이다. 단지 가장 뜨거울 때 온도가 몇 도였는지 기록하는 것과 질문이 다르다. 한 표면에 열이 어떻게 들어오는지 알아야 재료가 받은 조건도 더 자세히 설명할 수 있다.

이처럼 열차폐라는 단어 아래에는 여러 작업이 모여 있다. 재료를 만드는 팀, 다른 형상을 시험하는 팀, 열을 측정할 센서를 개발한 팀이 같은 비행 기회를 이용한다. 공개된 소개문에 기관과 장비 이름이 여럿 나오는 것은 같은 물건을 여러 이름으로 부르기 때문만은 아니다. 캡슐마다 담당하는 시험을 읽으면 각 팀이 얻으려는 자료가 달라진다.

하나의 임무에서도 준비하는 시험체는 여러 크기와 상태로 나온다. 실제 보호체를 검사하는 팀 옆에서 작은 캡슐은 특정 형상의 움직임을 시험하고, 재료 연구실은 시료에 열을 가한다. 드래건플라이 사진의 흰 시험틀 안에 놓인 작은 시료와 KREPE의 둥근 외피는 맡은 일이 다르다. 이번에 공개된 것은 이런 시험과 준비의 기록이다.

그때 캡슐의 기록 장치는 화물선이 분해되면서 온도와 가속도 신호가 바뀌는 것을 받아 측정을 시작했다. NASA가 공개한 당시 소개에는 방출 때의 속도와 고도도 나와 있다. 이 기록은 두 번째 비행의 조건이다. 세 번째 비행 결과가 나오기 전에 그 수치를 그대로 옮겨 이번 캡슐의 실측값이라고 소개할 수는 없다.

두 번째 임무의 관측에는 비행기도 동원됐다. NASA는 쿡제도 근처에서 비행한 관측팀이 충격파 앞쪽의 스펙트럼을 살펴봤다고 설명한다. 대학교 연구진이 지상에서 신호를 기다리는 동안 다른 팀은 떨어지는 시험체를 관측했다. 작은 캡슐 하나의 비행에서 지상 수신과 공중 관측이 함께 진행된 셈이다.

켄터키대가 공개한 2024년 기록에는 데이터 관람 행사도 나온다. 학생과 교수, 동문 등이 모여 있었고 개별 캡슐의 신호를 받을 때마다 환호했다고 대학은 전했다. 눈앞에 캡슐이 돌아온 것은 아니지만, 수신 화면에 자료가 들어오면서 자기들이 만든 장치가 작동했다는 것을 알게 되는 순간이었다.

이번 세 번째 논문에서 분명히 달라진 숫자는 캡슐 수다. 다섯 개에서 열두 개로 늘었다. 새 캡슐 형상 네 종류와 전송 속도를 높인 전자장치도 추가됐다. 이전 자료에서 작동한 방식들을 이어 쓰면서 더 많은 시험체와 다른 모양을 한 번에 비행시키려는 준비다.

현재 확인한 자료에는 이번 열두 캡슐의 데이터 수신 결과가 아직 없다. 공개 관람 행사와 비행 계획은 결과 보고서에 앞서 나온 안내다. 공식 결과가 공개되면 작동한 캡슐 수, 센서별 자료, 재료와 형상별 관측 내용을 차례로 읽을 수 있다. 그때는 이번 실험의 결과를 앞선 두 비행과 같은 항목으로 비교할 수 있게 된다.

켄터키대의 이번 공개 관람 장소는 Grehan Building 200A다. 대학은 미국 현지 12일 오전 7시부터 9시까지 무료로 행사를 진행한다고 안내했다. 연구진이 기다리는 것은 우주선에서 가져온 물건을 펼쳐 보는 시간이 아니라 캡슐에서 날아오는 기록이다. 한국시간 10월 12일 확인한 공식자료에는 아직 이번 비행의 캡슐별 결과가 실리지 않았다.