스윙바이
'''Swing-by'''
우주선이 적은 동력으로 먼 거리를 항행하기 위하여, 다른 자연 천체의 중력을 이용하는 가속 방법. 이 기법을 사용해서 우주선은 가속과 감속은 물론, 방향을 전환할 수도 있다. ‘중력 어시스트’나 ‘중력 슬링샷’, ‘플라이바이(fly-by)’ 등으로도 불린다. 이른바 중력 돌팔매질.
이동 중 쌍곡선을 그리면서 행성의 중력장을 이용한다. 중력장 안에 들어가면서 가속되며, 행성 자체도 태양 주변을 공전하므로 행성의 중력장에 잡혔다가 행성의 운동량을 일부 얻어 빠져나가면 행성의 공전 방향으로 가속을 얻을 수 있다. 물론 에너지 보존 법칙에 의하여, 우주선이 운동 에너지를 얻으면 그만큼 천체는 에너지를 잃는 것이 정상이다. 다만 행성과 우주선의 질량 차이는 비교 자체가 무의미할 정도로 크기 때문에 이론 상 이렇다는 것만 알면 된다.
극단적으로 쉽게 비유하면, 달려오는 시속 80km의 기차를 향해 시속 30km의 테니스 공을 던졌을 때, 테니스 공은 기차와 부딪치면서 시속 190km로 튕겨나온다.[1] 이걸 행성 중력 스케일로 거대화한 것이 스윙-바이. 테니스공과 같이, 결과적으로 우주선은 행성의 공전속력의 최대 두 배 만큼의 속력을 얻어 돌아 나오는 것으로 생각하면 된다.
[image]
목성, 토성, 천왕성, 해왕성[2] 스윙바이에 따른 보이저 2호의 속도 변화.
최초의 스윙바이는 1959년 소련의 달 탐사선 루나 3호에 의해 시행되었으며[3], 최초의 행성 플라이바이는 화성으로 향한 1974년 NASA의 마리너 9호이며, 이후 장거리 우주탐사선의 경우 거의 반드시 이용하는 기술이다. 이 방법을 사용할 수밖에 없는 이유는 현재까지의 로켓 기술로는 로켓에 실린 물체(인공위성)를 목성 근처밖에 못 보낸다. 때문에 로켓을 더 멀리, 효율적으로 보내기 위해 스윙바이를 이용한다.
[image]
보이저 1, 2호의 스윙바이 궤도.
[image]
2018년 발사한 태양탐사선 파커 태양 탐사선의 스윙바이 계획. 금성만 7번 스윙바이[4]하여, 태양까지 최대 590만 km까지 접근하게 된다.
유럽 우주국(ESA)에서 만든 혜성탐사선 로제타의 스윙바이 궤도를 설명하는 동영상.
보이저 탐사선은 목성에서의 스윙바이로 무려 '''시속 74000km'''[5]라는 엄청난 속도로 가속하였다. 물론 작용 반작용의 법칙에 따라 행성도 에너지를 잃지만, 목성의 질량은 1.8x1024톤인 반면 보이저 같은 우주선의 무게는 0.7톤 수준이라 목성의 공전속도 변화는 관측조차 불가능한 수준. 목성의 경우 지구랑 비교해도 중량이 300배가 넘는지라 지구를(!) 통째로 스윙바이 시켜 버릴 수도 있는 정도인데 목성의 고리를 이루는 암석 하나 무게 정도밖에 안 되는 우주선 정도야 어림도 없다. 이를 반대로 생각하자면, 지구에 충돌할 수 있는 위험한 소행성들 중 몇 톤 정도로 질량이 만만한 물건은 인류 기준으로 크고 아름다운 우주선을 그 소행성에다 스윙바이를 시켜가지고 소행성을 저~멀리로 날려버릴 수 있다는 아이디어로 도출될 수 있다. 차르 봄바 같은 걸 날려서 소행성을 개발살내는 SF의 클리셰가 필요하지 않을 것이라는 말.[6]
대표적 장점으로는 연료를 거의 사용하지 않고 가속이 가능하다는 것이며, 덕분에 절약되는 연료만큼 다른 장비를 더 넣을 수 있다. 단점으로는 행성에 접근하기 위해 계산과 시간이 더 필요하며, 행성의 궤도가 맞지 않을경우 쓸 수 없다. 일례로 뉴 호라이즌스는 목성을 스윙바이 했는데 이때 시기를 놓쳤다면 무려 11년을 더 기다려야 했다.
주로 장거리 항행을 위한 가속도를 얻기 위해 사용하며, 한 번의 가속으로 불충분한 경우 연달아 다른 행성에서 가속도를 더 얻기도 한다. 보이저 탐사선의 경우 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 비슷한 방향으로 늘어서는 황금 같은 기회를 이용해 외행성을 탐사하였고, 갈릴레오 탐사선은 6년에 걸쳐 금성, 지구, 한 번 더 지구 순으로 스윙바이를 이용해 목성까지 도달하였다.
이렇게 스윙바이를 이용하여 가속도 할 수 있지만 감속도 할 수 있다. 앞서의 달려오는 기차의 예시에서 반대로 달려가는 기차의 등짝에 대고 공을 던진 경우, 80km/h로 달리는 기차의 등짝에 110km/h 속도로 공을 던지면 반발력은 30km/h 분량밖에 못 얻는다. 즉 '''기차와 마주보게 던지면 가속하고, 같은 방향으로 던지면 차이만큼 감속한다'''. 행성의 진행방향 쪽을 감으면서 (태양계 기준으로는 위에서 봤을 때 시계방향으로) 돌면 감속이 된다.
도로 위의 자동차의 경우에는 마찰을 이용하여 브레이크 같은 것으로 쉽게 감속할 수 있지만 거의 텅 빈 공간인 우주를 나아가는 우주선은 브레이크를 만들 수가 없다. 굳이 하려면 연료를 진행방향 반대로 분사하는 방법이 있지만 그 과정에서 소모되는 연료를 절감하기 위해 스윙바이를 이용하는 것이다. 마리너 10호와 메신저호가 감속을 위해 스윙바이를 이용했었다.
이러한 감속은 지구보다 안쪽에 있는 행성(이래봤자 금성, 수성 둘 뿐이지만)의 탐사에 필수적이다. 일반적인 생각과는 다르게 가장 많은 연료가 필요한 행성은 멀리 떨어진 외행성들이 아닌 수성이다. 지구와의 공전 속도 차이(delta-v)가 가장 크기 때문.[7] 얼핏 생각하기에 태양의 중력을 이용해서 수성 쪽으로 끌려가면 그만이라고 생각할 수도 있지만, 연료 분사나 스윙바이를 통한 감속이 없으면 수성을 휙 하고 스쳐 지나서 태양을 한 바퀴 돈 뒤 다시 지구궤도의 거리로 돌아올 뿐. 궤도에 안착하기 위해서는 엄청난 감속을 해야되는데, 이게 현재의 로켓 기술로는 가성비 따지기 이전에 도저히 감당이 안 될 수준이라, 수성이나 금성으로 가기 위해서는 수차례 스윙바이를 하면서 감속을 한다.
가속, 감속뿐만 아니라, 궤도경사각을 조절하는데도 스윙바이를 사용할 수 있다. 1990년 우주왕복선을 통해 발사된 미국의 태양탐사선 '율리시스'는 목성의 궤도를 이용해 궤도경사각(태양기준)을 80도까지 변경하였다. 또한 1997년 발사된 AsiaSat의 통신위성 'AsiaSat 3[8]'은 발사체인 프로톤 로켓의 4단 엔진 이상으로 인해 궤도경사각이 58도인 지구 저궤도에 좌초되자, 궤도경사각을 낮추기 위해[9] 달을 플라이바이하여 지구 정지궤도에 안착하였다.
스윙바이를 하면 에너지 보존법칙에 따라 우주선이 힘을 받은만큼 행성의 속도가 떨어진다. 예를들어 1989년 발사된 갈릴레오 탐사선은 지구를 스윙바이 했는데 이때문에 지구는 1억년에 1.2cm 정도 공전속도가 느려졌다고 한다. 이정도면 행성에 영향이 없다고 봐도 무방하지만 미래에 우주선이 매우 커진다면 행성의 공전속도와 궤도에 지대한 영향을 미칠 수 있으므로 사용하기 어려워질 것이다.[10]
1. 개요
우주선이 적은 동력으로 먼 거리를 항행하기 위하여, 다른 자연 천체의 중력을 이용하는 가속 방법. 이 기법을 사용해서 우주선은 가속과 감속은 물론, 방향을 전환할 수도 있다. ‘중력 어시스트’나 ‘중력 슬링샷’, ‘플라이바이(fly-by)’ 등으로도 불린다. 이른바 중력 돌팔매질.
이동 중 쌍곡선을 그리면서 행성의 중력장을 이용한다. 중력장 안에 들어가면서 가속되며, 행성 자체도 태양 주변을 공전하므로 행성의 중력장에 잡혔다가 행성의 운동량을 일부 얻어 빠져나가면 행성의 공전 방향으로 가속을 얻을 수 있다. 물론 에너지 보존 법칙에 의하여, 우주선이 운동 에너지를 얻으면 그만큼 천체는 에너지를 잃는 것이 정상이다. 다만 행성과 우주선의 질량 차이는 비교 자체가 무의미할 정도로 크기 때문에 이론 상 이렇다는 것만 알면 된다.
극단적으로 쉽게 비유하면, 달려오는 시속 80km의 기차를 향해 시속 30km의 테니스 공을 던졌을 때, 테니스 공은 기차와 부딪치면서 시속 190km로 튕겨나온다.[1] 이걸 행성 중력 스케일로 거대화한 것이 스윙-바이. 테니스공과 같이, 결과적으로 우주선은 행성의 공전속력의 최대 두 배 만큼의 속력을 얻어 돌아 나오는 것으로 생각하면 된다.
[image]
목성, 토성, 천왕성, 해왕성[2] 스윙바이에 따른 보이저 2호의 속도 변화.
2. 역사
최초의 스윙바이는 1959년 소련의 달 탐사선 루나 3호에 의해 시행되었으며[3], 최초의 행성 플라이바이는 화성으로 향한 1974년 NASA의 마리너 9호이며, 이후 장거리 우주탐사선의 경우 거의 반드시 이용하는 기술이다. 이 방법을 사용할 수밖에 없는 이유는 현재까지의 로켓 기술로는 로켓에 실린 물체(인공위성)를 목성 근처밖에 못 보낸다. 때문에 로켓을 더 멀리, 효율적으로 보내기 위해 스윙바이를 이용한다.
[image]
보이저 1, 2호의 스윙바이 궤도.
[image]
2018년 발사한 태양탐사선 파커 태양 탐사선의 스윙바이 계획. 금성만 7번 스윙바이[4]하여, 태양까지 최대 590만 km까지 접근하게 된다.
유럽 우주국(ESA)에서 만든 혜성탐사선 로제타의 스윙바이 궤도를 설명하는 동영상.
보이저 탐사선은 목성에서의 스윙바이로 무려 '''시속 74000km'''[5]라는 엄청난 속도로 가속하였다. 물론 작용 반작용의 법칙에 따라 행성도 에너지를 잃지만, 목성의 질량은 1.8x1024톤인 반면 보이저 같은 우주선의 무게는 0.7톤 수준이라 목성의 공전속도 변화는 관측조차 불가능한 수준. 목성의 경우 지구랑 비교해도 중량이 300배가 넘는지라 지구를(!) 통째로 스윙바이 시켜 버릴 수도 있는 정도인데 목성의 고리를 이루는 암석 하나 무게 정도밖에 안 되는 우주선 정도야 어림도 없다. 이를 반대로 생각하자면, 지구에 충돌할 수 있는 위험한 소행성들 중 몇 톤 정도로 질량이 만만한 물건은 인류 기준으로 크고 아름다운 우주선을 그 소행성에다 스윙바이를 시켜가지고 소행성을 저~멀리로 날려버릴 수 있다는 아이디어로 도출될 수 있다. 차르 봄바 같은 걸 날려서 소행성을 개발살내는 SF의 클리셰가 필요하지 않을 것이라는 말.[6]
3. 활용
대표적 장점으로는 연료를 거의 사용하지 않고 가속이 가능하다는 것이며, 덕분에 절약되는 연료만큼 다른 장비를 더 넣을 수 있다. 단점으로는 행성에 접근하기 위해 계산과 시간이 더 필요하며, 행성의 궤도가 맞지 않을경우 쓸 수 없다. 일례로 뉴 호라이즌스는 목성을 스윙바이 했는데 이때 시기를 놓쳤다면 무려 11년을 더 기다려야 했다.
주로 장거리 항행을 위한 가속도를 얻기 위해 사용하며, 한 번의 가속으로 불충분한 경우 연달아 다른 행성에서 가속도를 더 얻기도 한다. 보이저 탐사선의 경우 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 비슷한 방향으로 늘어서는 황금 같은 기회를 이용해 외행성을 탐사하였고, 갈릴레오 탐사선은 6년에 걸쳐 금성, 지구, 한 번 더 지구 순으로 스윙바이를 이용해 목성까지 도달하였다.
이렇게 스윙바이를 이용하여 가속도 할 수 있지만 감속도 할 수 있다. 앞서의 달려오는 기차의 예시에서 반대로 달려가는 기차의 등짝에 대고 공을 던진 경우, 80km/h로 달리는 기차의 등짝에 110km/h 속도로 공을 던지면 반발력은 30km/h 분량밖에 못 얻는다. 즉 '''기차와 마주보게 던지면 가속하고, 같은 방향으로 던지면 차이만큼 감속한다'''. 행성의 진행방향 쪽을 감으면서 (태양계 기준으로는 위에서 봤을 때 시계방향으로) 돌면 감속이 된다.
도로 위의 자동차의 경우에는 마찰을 이용하여 브레이크 같은 것으로 쉽게 감속할 수 있지만 거의 텅 빈 공간인 우주를 나아가는 우주선은 브레이크를 만들 수가 없다. 굳이 하려면 연료를 진행방향 반대로 분사하는 방법이 있지만 그 과정에서 소모되는 연료를 절감하기 위해 스윙바이를 이용하는 것이다. 마리너 10호와 메신저호가 감속을 위해 스윙바이를 이용했었다.
이러한 감속은 지구보다 안쪽에 있는 행성(이래봤자 금성, 수성 둘 뿐이지만)의 탐사에 필수적이다. 일반적인 생각과는 다르게 가장 많은 연료가 필요한 행성은 멀리 떨어진 외행성들이 아닌 수성이다. 지구와의 공전 속도 차이(delta-v)가 가장 크기 때문.[7] 얼핏 생각하기에 태양의 중력을 이용해서 수성 쪽으로 끌려가면 그만이라고 생각할 수도 있지만, 연료 분사나 스윙바이를 통한 감속이 없으면 수성을 휙 하고 스쳐 지나서 태양을 한 바퀴 돈 뒤 다시 지구궤도의 거리로 돌아올 뿐. 궤도에 안착하기 위해서는 엄청난 감속을 해야되는데, 이게 현재의 로켓 기술로는 가성비 따지기 이전에 도저히 감당이 안 될 수준이라, 수성이나 금성으로 가기 위해서는 수차례 스윙바이를 하면서 감속을 한다.
가속, 감속뿐만 아니라, 궤도경사각을 조절하는데도 스윙바이를 사용할 수 있다. 1990년 우주왕복선을 통해 발사된 미국의 태양탐사선 '율리시스'는 목성의 궤도를 이용해 궤도경사각(태양기준)을 80도까지 변경하였다. 또한 1997년 발사된 AsiaSat의 통신위성 'AsiaSat 3[8]'은 발사체인 프로톤 로켓의 4단 엔진 이상으로 인해 궤도경사각이 58도인 지구 저궤도에 좌초되자, 궤도경사각을 낮추기 위해[9] 달을 플라이바이하여 지구 정지궤도에 안착하였다.
스윙바이를 하면 에너지 보존법칙에 따라 우주선이 힘을 받은만큼 행성의 속도가 떨어진다. 예를들어 1989년 발사된 갈릴레오 탐사선은 지구를 스윙바이 했는데 이때문에 지구는 1억년에 1.2cm 정도 공전속도가 느려졌다고 한다. 이정도면 행성에 영향이 없다고 봐도 무방하지만 미래에 우주선이 매우 커진다면 행성의 공전속도와 궤도에 지대한 영향을 미칠 수 있으므로 사용하기 어려워질 것이다.[10]
4. 창작물에서
- 창작물에서는 일종의 클리셰로 많이 사용된다. 예를 들어 '저 별로 가야하는데 연료가 부족하다.' → '중력턴이 출동한다.' 사실상 필수적인 테크닉이라 일반적으로 알고 있을 내용임에도 비장의 수로 발견되는 게 포인트. 물론 수시로 사용되는 창작물도 많다. 예를 들어 우주 공간에서의 항해가 일반화된 기동전사 건담 등. 태양의 사자 철인 28호의 후반 부분에도 스윙바이를 이용해 지구에서 명왕성까지 항해하는 내용이 나온다. (비장의 수로 등장하지는 않는다)
- 은하영웅전설에서 라이가르 성역 회전 당시 슈타인메츠가 블랙홀과 양 웬리 함대 사이에서 샌드위치 신세가 되었을때 블랙홀의 중력을 이용해 스윙바이를 시도해서 탈출하는 데 성공했다. 이는 렌넨캄프 함대가 양 웬리 함대 후방에 나타났기 때문. 물론 거하게 털린 나머지 전 병력의 80%가 날아가는 대참패를 당했다.[11]
- 영화 인터스텔라에서는 스윙바이를 이용해서 속도를 조절하는 장면이나 연출, 설정이 꽤 많이 나온다. 클라이맥스 씬에서도 블랙홀의 중력을 이용해 스윙바이를 하는 연출이 나온다.[12] 초반에 토성까지 갈 때도 화성의 중력을 이용해 스윙바이를 해 가속했다는 언급이 있다. 웜홀을 빠져나온 뒤에도 블랙홀과 중성자별을 이용한 여러 번의 스윙바이로 가감속하였다는 설정이 있고 작중에도 언급은 되지만, 실제 영화 화면에는 중성자별은 생략되어 보이지 않는다.
- 마션에서도 지구에서 다시 화성으로 새 우주선을 띄우는 대신 지구를 중심으로 스윙바이해서 빠르게 화성으로 향하는 내용이 나온다.
- 유랑지구에선 지구를 통째로 알파 센타우리계로 이동시키던 중에 목성의 중력을 이용해 스윙바이를 시도하지만 목성의 인력에 끌려가는 것이 영화의 주된 내용이다.
- 스타 트렉 4: 귀향의 항로에서는 항성을 중심으로 스윙바이를 해서 시간 여행을 한다.
- 미드나이트 스카이에서는 지구가 대기오염으로 회복 불가능한 상황에 이르러 '사실상의 종말'을 맞이하는데, 목성의 가상의 위성 K-23 탐사를 마치고 지구로 돌아오는 에테르 호 함대는 이를 모른채 지구로 돌아오다가 그린란드에서 생존한 어거스틴 박사(조지 클루니 분)를 통해 착륙할 곳조차 없는 지구의 상황을 알게 된다. 어거스틴 박사는 차라리 지구인이 생존 가능한 K-23 위성으로 돌아가라고 하는데, 이에 에테르 호는 지구를 스윙바이하여 가속을 얻은 뒤 연료를 최대한 아껴가며 K-23 위성으로 돌아가는 방법을 택한다.
- 2017년 9월 6일 전국연합학력평가 고1 국어 지문으로 스윙바이 항법이 출제되었다. 평소 우주에 대한 관심을 지닌 학생이나 본 문서를 한번 쯤이라도 훑어봤을 위키러라면 쉽게 풀 수 있었던 문제.
[1] 물론 현실에선 에너지의 손실로 인해 시속 190km가 온전히 나오지는 않지만 일단 이론 상으로는 그렇다. 참고로, 여기서 시속 190km는 외부에서 관측한 테니스공의 속력이다.[2] 천왕성과 해왕성의 경우 공전속도가 느려 스윙바이의 힘을 제대로 받기 힘들다.[3] 달을 플라이바이함으로써 궤도면이 변화했다.[4] 스윙바이 횟수 최다기록[5] 초속 약 21km. 실감이 안 난다면 서울-부산은 25초 만에 도달하며, 지구에서 달까지 약 4시간 만에 도착하는 속도다.[6] 의외로 그런 내용이 나오는 영화가 있긴 하다. 바로 멜랑콜리아. 지구와 충돌 코스로 접근하는 멜랑콜리아라는 행성(?)이, 지구의 중력으로 스윙바이를 한다. 문제는 지구 공전방향의 반대쪽으로 스윙바이를 했기 때문에, 지구와의 상대속도가 오히려 줄어들며 결국 지구에 다시 접근해 충돌한다.(...)[7] 엄밀히 말하자면 목적지까지 갔을 때 태양의 중력으로 인한 가속도로 얻어지는 속도와 해당 행성의 공전 속도의 차이지만 결과적으로는 같은 원리다.[8] 이후 'PAS-22'로 명칭 변경[9] 대부분의 상용 통신위성은 정지궤도에 위치한다.[10] 이경우 태양이나 항성에 스윙바이를 사용할수는 있겠으나 열기에 대한 대비책이 필요하고, 항성급 이동을 할 경우 스윙바이로 인한 추가 운동에너지는 무시할 정도이므로 사용하지 않을 가능성이 높다.[11] 이 탈출 작전의 약점은 적의 공격에 무방비로 노출되는 것이었기에 이렇게나 털린 것도 있지만 슈타인메츠는 어차피 가만히 있어봐야 포격에 맞아죽든 블랙홀에 빨려 들어가든 둘 중 하나이기에 이 방법을 사용했다.[12] 이를 펜로즈 과정이라고 한다. 로저 펜로즈가 이론적으로 정리한 방법이라서 이렇게 불린다.