오늘은 송동욱 박사님을 모시고 “사운딩 로켓”에 관한 이야기를 해보겠습니다. 

Q1. 안녕하세요, 송동욱 박사님, 간단한 자기소개를 해주세요.

네, 저는 한국천문연구원 태양우주환경그룹에서 근무하고 있는 송동욱입니다. 2021년에 천문연구원에 입사를 했으며, 천문연구원과 미국 NASA가 함께 개발 중인 CODEX라는 이름의 코로나그래프 개발 과제에 참여하고 있습니다. 그 전에는 2016년 서울대학교 천문학과에서 박사학위 취득 후 2017년부터 일본국립천문대에서 근무하면서 NASA 사운딩 로켓 실험 프로젝트의 CLASP라는 이름의 기기 개발에 참여 했고, 현재 한국천문연구원으로 옮긴 후에도 CLASP2, CLASP2.1 개발에 참여하고 있습니다.

[그림 1] CLASP2 발사 전에 로켓 앞에서 촬영한 그룹 사진 

(장소: 미국/뉴멕시코주 화이트샌드미사일 기지 (White Sand Missile Range, WSMR) - CLASP2발사: 2019년 4월 11일. CLASP2.1 발사: 2021년 10월 8일) (Courtesy of WSMR Visual Information Branch)

Q2. 아, 그렇다면 오늘의 주제는, 박사님께서 일본에서 수행하신 연구에 관한 것이겠네요. 먼저 사운딩 로켓이란 말이 매우 생소합니다.

“사운딩(Sounding)”이란 “to sound”라는 항해 용어에서 유래한 것인데요, 이는 옛날 뱃사람들이 추가 달린 밧줄을 물에 던져 그 깊이를 측정하는 것을 일컫습니다. 즉, 우리가 도달할 수 없는 하늘 높은 곳에 관측 장비를 던져서 그 곳의 물리량을 측정하고 회수하는 것이라 하겠습니다. 관측 장비란, 우주 망원경, 고층대기 측정 장비 등, 무엇이든 될 수 있고요.

사운딩 로켓은 보통 1단 또는 2단의 고체 연료 로켓인데(그림 2 참조), 목적에 따라 수백 km에서 수천 km까지 도달해서 탑재체, 즉 관측 장비를 “던져”놓게 됩니다. 탑재체는 이렇게 관성비행을 시작하게 되고 수 분에서 수십 분의 시간동안 목적한 “측정”을 수행하고 낙하산을 이용해 지상으로 돌아옵니다. 인공위성을 이용한 “측정”과는 관측 장비를 궤도에 안착시키느냐, 그렇지 않느냐로 구분할 수 있겠네요. 따라서 준 궤도(sub-orbital) 로켓, 연구 로켓, 과학 로켓으로도 부릅니다.

즉, 우리가 사운딩 로켓이라 했을 때, 사운딩 로켓이란 “실험 수단”을 말하는 것이고요, 목적은 여러 가지가 될 수 있습니다. 미국 NASA에서는 1953년부터 천문 관측, 태양 관측, 근 지구 우주공간이나 고층대기의 측정에 사운딩 로켓을 활용해 오고 있습니다.

[그림 2] 사운딩 로켓의 구조 예

Q3. 일본국립천문대에서 NASA 사운딩 로켓 실험에 참여하셨고, 천문연구원에 계시는 현재도 참여 중이라고 하셨습니다. 사운딩 로켓이란 “실험 수단”이고, 목적은 여러 가지가 될 수 있다 하셨으니, 어떤 실험을 하셨고, 그 중 어느 부분을 담당하셨는지 여쭤봐야 겠네요.

저희 사운딩 로켓 실험의 목적은 우주에서 태양을 관측하는 것이었습니다. 제가 수행했던 CLASP라는 과제는 NASA의 사운딩 로켓 중 하나로 태양을 관측하는 우주망원경을 개발하는 것입니다. 이 망원경을 통해 우리가 하고 싶었던 것은 채층이라 부르는 태양의 낮은 대기층을 관측하고 이것으로 눈에 보이지 않는 그곳의 자기장을 측정하는 것이었습니다. 저는 이 과제에 일본 측 기기과학자(Instrument Scientist)였고 광학 관측기기 개발 및 실험의 임무를 수행 했습니다. 

이 과제는 일본의 일본국립천문대 (NAOJ)와 일본우주항공연구개발기구(JAXA/ISAS), 미국의 NASA/마셜우주비행센터(MSFC), 그리고 유럽의 스페인 카나리아천체물리학연구소(IAC)와 프랑스 우주천체물리학연구소 등 다양한 나라의 많은 연구원들이 참여·협력하는 국제적인 과제입니다.

Q4. 사운딩 로켓과 우주망원경이라... 우주망원경이라 하면, 허블과 제임스 웹같은 인공위성을 활용한 망원경이 떠오르는데요, 혼란스럽습니다. 정리 좀 해주세요.

백문이 불여일견이니, 2019년 4월 11일 미국 뉴멕시코주 화이트 센드에서 있었던 CLASP2의 발사장면을 보여 드리겠습니다(그림 3도 함께 참조). 영상을 보시면 카운트다운부터 발사, 1단 분리, 2단 분리, 망원경 셔터문 개방 및 태양 지향, 안정화, 관측, 관측 종료 및 낙하, 낙하산 펼침, 착륙 및 회수 과정을 로켓에 장착된 전·후방 카메라의 영상과 함께 볼 수 있습니다.

[그림 3] CLASP 사운딩 로켓의 비행 궤도. 최고 도달 높이는 약 270 km였으며, 

약 300초의 시간동안 관측을 수행 (우주 정거장의 평균 높이는 약 400km)

2019년 4월 11일 CLASP-2 발사 및 관측 영상 ( Courtesy of WSMR Visual Information Branch)

Q5. 하, 정말 멋지네요. 잘 모르지만, 가장 놀랍게 보이는 것은, 지상을 바라보는 카메라를 보면, 로켓이 매우 빠르게 돌고, 흔들리는 것 같은데, 이런 상황에서 이렇게 안정적인 관측 영상을 얻고 있는 점인 것 같습니다.

맞습니다. 우리가 걸어가며 영상을 찍는다면, 피사체가 매우 흔들리게 되는데, 이것을 고정하는 것을 포인팅이라 부릅니다. 저희가 사용한 NASA 사운딩 로켓의 탑재체의 경우, 수십초 수준의 정밀 포인팅이 자동으로 가능합니다. 여기서 초란 시간이 아닌 각도를 말하는 것이고요, 1초는 3600 분의 1도를 말합니다(1도=60분, 1분=60초). 앞에서 언급한 수십초의 포인팅 에러도, 실시간 로켓과 지상의 통신 기술로 수정이 가능합니다. 우리 사운딩 로켓의 실험 동안에는 약 5분의 관측 자료를 얻었는데요, 이 시간동안의 포인팅 변화는 1초 내로 매우 적었습니다.

Q6. 아마, 저 뿐 아니라 많은 분들이 같은 질문을 갖고 계실 것 같습니다. 사운딩 로켓을 활용한 관측은 수 분에서 수십 분밖에 가능하지 않다고 하셨는데요. 물론 옛날에는 사운딩 로켓을 이용한 방법이 다른 대안이 없어서 가장 좋은 방법이었을 수 있겠지만, 제임스 웹과 같은 망원경을 생각하면 너무 경쟁력이 없는 것 같습니다. 미국과 일본은 예산이 넉넉해서 하는 것 같기도 하고요...

흠, 제 생각은 오히려 반대입니다. 우리처럼 우주탐사 예산이 넉넉하지 못한 경우, 사운딩 로켓을 전략적으로 활용해야 합니다.

사운딩 로켓의 활용에는 여러 이유가 있을 텐데, 첫째로 수천억 원의 돈을 들여 인공위성을 개발했는데, 이미 손을 떠나 우주를 떠다니는 기기가 작동을 하지 않는다면, 그 손실은 너무 크겠지요. 사운딩 로켓을 통한 실험은 비용이 적고 기간이 짧기 때문에 필요한 우주 기술을 검증하고 경험을 빠르게 쌓아 갈 수 있는 좋은 수단입니다. 우리가 보는 선진국의 대형 우주 사업들은 이렇게 얻은 기술과 지식, 반복된 실험을 통한 지식과 기술의 신뢰성에 기반을 두고 있다고 할 수 있습니다.

더욱이 기기가 정상적으로 작동한다고 해서 그것이 최종 목표의 성공을 담보하는 것은 아닙니다. 다시 말하면, 자료의 가치 또한 검증해야 합니다. 저희가 수행했던 CLASP를 예로 들면, 우리의 최종 목표는 눈에 보이지 않는, 직접 측정이 불가능한 태양 대기의 자기장을 측정하는 것이었습니다. 이것을 측정하기 위해 이론적인 연구를 수행했고, Mg II h & k선 (280 nm 파장 근처)에서 얻은 편광 관측 함께 분석하면 직접 관측이 불가능한 태양 대기의 자기장 값을 얻을 수 있다는 결론을 얻었습니다.

하지만 모든 일이 다 그렇듯, 실제는 이론과 다를 수 있기 때문에, 이런 방식으로 실제로 자기장 측정이 가능하다는 것을, 투입된 예산과 비교할 때, 과학적 성과가 충분히 크다는 것을 확인할 필요가 있습니다. 우리는 이것을 세 번의 사운딩 로켓실험 (CLASP1, CLASP2, CLASP2.1) 으로 증명했고 그 결과를 2021년 Science Advances 저널 및 여러 국제 저널에 보고했습니다. 우리는 이 기기를 인공위성에 탑재할 만한 가치가 있음을 보인 것이지요. 즉, 사운딩 로켓 실험은 선진국의 과제를 복제하는 방식이 아닌, 그들을 뛰어넘든 창의적인 연구에 도전하기 위해 필수입니다.

[그림 4] CLASP2로 얻은 결과 이미지

Q7. 아 그렇군요. 저비용과 짧은 개발주기가 사운딩 로켓 활용의 핵심인 것 같습니다.

네, 맞습니다. 우리나라 우주 예산을 고려하면, 우리나라에서 할 수 있는 천문/우주 미션이라는 것은, 글쎄, 10년에 한두 개 할 수 있을까요? 그 말은, 우리가 축적할 수 있는 기술과 경험의 양이 그만큼 제한된다는 것입니다. 사운딩 로켓의 활용이 이런 상황을 개선할 수 있다는 것이 저의 의견입니다.

저비용, 짧은 주기라는 특징은 전문 인력의 양성에도 중요합니다. 실제로 CLASP의 경우에도 일본측 연구 책임자가 30대 중반이고요, 참여 연구원들도 모두 비슷한 나이대로 젊습니다. 이렇게 경험을 축적한 연구자들이 이후 일본의 주요 미션들을 담당하게 되고, 국제 협력을 통한 큰 미션에도 에도 중요 역할을 하게 됩니다. 실제로 CLASP에 참여했던 대부분의 일본 연구원들은 현재 일본에서 진행중인 SOLAR-C EUVST라는 태양 관측용 위성 사업에 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

Q8. 우리나라에서는 사운딩 로켓을 어느 정도 활용하고 있나요?

1993년 KSR-1이 최초의 사운딩 로켓으로 성층권의 오존 수직 분포를 조사했고, KSR-II가 1997년 1998년 두 번 발사되어 우주 X-선을 관측했습니다. 그리고 마지막 발사로 2002년에 KSR-III가 있었고, 이전 로켓이 고체 연료를 사용한 것에 반해 이것은 액체 연료 로켓이었습니다. 아무래도 우리나라는 독자적인 발사체 기술 확보가 가장 시급했기 때문에, 발사체 기술 확보가 주요 목적이었습니다. 따라서 현재는 없습니다.

Q9. 그렇군요. 자세한 답변들 감사드립니다. 한국에 다시 들어오신지 몇 년 안 되셨는데요, 앞으로의 연구 계획을 간단히 말씀해 주세요.

가장 시급하게는 현재 천문연구원에서 수행하고 있는 코로나그래프 개발이 성공적으로 마무리 될 수 있도록 최선을 다하고요. 개인적으로는 사운딩 로켓의 국제 협력 실험에 계속 참여할 예정입니다. 가능하다면 우리나라에서 우리 연구자들과 함께 사운딩 로켓을 활용한 연구를 하고 싶고요, 이것을 통해, 우리만의 독창적인 태양 우주 망원경을 만들고 싶습니다. 감사합니다.