우주탐사 매뉴얼 : 로켓의 경제학부터 궤도의 물리학까지 지구에서도 쓸모 있는 우주과학의 이론과 실제

김성수

저자:김성수
경희대학교후마니타스칼리지및우주탐사학과교수.경희대학교우주과학과를졸업하고미국UC버클리에서금융공학석사를,UCLA에서천문학박사학위를받은뒤미국STScI(SpaceTelescopeScienceInstitute)에서연구원으로일했다.2003년부터경희대학교에서교수로재직하고있으며현재다누리달탐사선의광시야편광카메라및NASACLPS프로그램의달표토3차원영상카메라과학책임자로일하고있다.천문학SCI저널인《한국천문학회지(JournalofKoreanAstronomicalSociety)》의편집위원장을역임중이며tvN<벌거벗은세계사>의‘21세기우주패권전쟁’편에출연한바있다.

책머리에
이책의사용설명서
변수및상수목록

PART01뉴스페이스시대의시작
1.1냉전시대의우주탐사
1.21990년대이후의우주탐사
1.3민간우주탐사기업들의등장
1.4뉴스페이스시대
1.521세기의대항해,우주탐사

PART02비행기로올라가기
2.1날개단면의모양
2.2양력과항력
2.3중력과추력
2.4양력의크기
2.5항력의크기
2.6제트엔진의원리
2.7비행기의한계고도
요약

PART03로켓으로올라가기
3.1로켓의원리
3.2비추력
3.3로켓방정식
3.4노즐의원리
3.5노즐의크기
3.6추진제와연소
3.7추진제의종류
3.8다단로켓의필요성
3.9로켓의추력
3.10공중로켓발사
요약

PART04우주엘리베이터로올라가기
4.1우주엘리베이터의기본개념
4.2케이블의무게중심
4.3우주엘리베이터에서벗어난물체의운동
4.4케이블의장력과단면적
4.5케이블소재
4.6케이블의질량과평형추
4.7승객과화물의수송
4.8각운동량의전달
4.9우주엘리베이터의안전성
4.10화성과달에서의우주엘리베이터
요약

PART05지구궤도에진입하기
5.1준궤도vs.궤도
5.2준궤도운동에필요한v
5.3궤도로의진입과정
5.4궤도운동에필요한v
5.5지구궤도의종류
요약

PART06궤도바꾸기
6.1제한된2체문제
6.2호만전이
6.3이중타원호만전이
6.4궤도면전이
요약

PART07다른천체로가기
7.1행성의영향권
7.2라그랑주점
7.3달궤도로의전이
7.4다른행성으로의전이
7.5지구근접천체로의전이
7.6인공중력
7.7화학추진외의추진방식
요약

부록_제2의대항해,우주탐사
참고문헌

우주탐사에대한현존하는모든지식을담은교과서
국내최초,천체물리학자가펼치는우주물리의실전활용법

★단한번이라도우주탐험을상상한적있다면반드시읽어야할책★

천체물리학자이자우리나라달천문학의개척자김성수교수가쓴국내최초‘우주탐사학’개론.천문학,물리학,공학,경제학을다채롭게넘나드는실용학문으로서의우주탐사를경험한다.우주공간의이해부터행성간궤도,재사용로켓의경제학까지우주과학에관심있는이들이라면꼭알아야할물리학지식을담았다.
우주탐사는더이상미지의영역이아니다.과학,공학,산업이어우러져철저한계산아래실제로진행되고있는치열한현장이다.지금인류는아르테미스프로그램을가동하며달에다시사람을보내려고하고,우주기지루나게이트웨이를지을예정이다.또한달천문대를세워더먼우주를탐색하며탐사의범위를무한대로넓히려는계획을세웠다.무엇보다달,화성,소행성등에서활용가능한자원을찾는등새로운산업의문을열고자민간기업들이앞다투어뛰어들고있다.이로써지구의재원이막대하게투입된뉴스페이스시대,곧제2의대항해시대가열린것이다.우리는눈앞에다가온우주로나아갈지식적,정신적무장이충분히되어있는상태일까?
더적은연료로막강한지구중력을벗어나는법,최소한의금액으로한번이라도더지구궤도로화물과사람을수송하게하는재사용로켓의효율,혜성에착륙선을보내자원을채취하는것의득과실,태양계내탐사를효율적으로하기위한근지구우주공간의탐색등상상가능한변수와각종궤도를시뮬레이션하는우주탐사학의기초와실제.모두가이야기하는우주이슈에관심이생겼다면,우주탐사에도전하고싶은데어디서부터시작해야할지막막하다면이책이바로정답이다.

▶저자김성수교수는우주탐사학분야에서전문적으로활약하며대학에서우주과학을가르치는국내에유례없는천체물리학자다.그는NASACLPS프로그램(미국내민간기업에달착륙선제작부터월면까지보내는기회를제공하는사업)의‘달표토3차원영상카메라’과학책임자로서우리나라달천문학의위상을드높이고있다.또한세계최초로완벽한달표면지도를제작할다누리달탐사선의‘광시야편광카메라’과학책임자이기도하다.광시야편광카메라는과학자들이꼽은‘연구성과가가장기대되는탑재체’인만큼,모든이가그결과에주목하고있다.그리고김성수교수는우리나라에서완전히새로운분야였던달천문학에매진하며다수의제자를길러내우주탐사연구의지평을넓혔다.이와같은학문적,교육적배경을바탕으로두드러지는성과를보여준저자는다양한물리학을고루다루는우주탐사학안내서에적임자다.그는‘미래세대가자신감있게우주를누비도록도약점을마련하고싶다’는뜻을담아무수한경험을반듯하게정리해《우주탐사매뉴얼》을펴냈다.

로켓의경제학부터궤도의물리학까지
처음만나는우주탐사학안내서

“비행기를타고올라가공중에서로켓을발사하는것은왜기대보다덜효율적일까?35,800킬로미터고도의정지궤도에이르는비용과그보다10배이상먼,달공전반경에이르는비용이어떤이유때문에비슷할까?레이저같은빛을쏘아탐사선에추력을얻는것은정말불가능한일일까?우주엘리베이터는상상으로만가능할까?달이나화성,소행성에서는어떤자원을얻는것이경제적일까?그리고과연꼭필요한일일까?”

이책의목적은현재활발하게진행되는우주탐사의주요이슈에대한과학적통찰력과식견을기르고,기반이되는물리학을직접풀이하는것이다.그동안천문학,물리학,공학,경제학에서필요에따라우주탐사의과학을산발적으로다루었다면,저자는이를‘우주탐사학’이라는실용학문으로아울러필요한지식을엄선했다.당면한뉴스페이스시대,우주산업이해결해야할복잡한문제들을파악하고돌파구를찾기위해명확한질문을던지는법을소개한다.많은매체에서다루는우주소식을파고들어실제현장에서요구되는사고능력을설명하며과학의언어로답하는과정을고스란히보여준다.결국저자는이론에서활용까지자유롭게물리학을영위하도록독자를이끈다.
《우주탐사매뉴얼》은대중과학서적이면서대학교양과목의교재로도충분하다.또한우주탐사입문서나전문교과및진로선택과목의참고서로도활용이가능하다.독자가대학1학년수준의기초물리학을이해하고있다고가정하고정보가서술되었지만,저자가직접만든다양한그림과그래프를참고한다면누구나무리없이흐름을따라갈수있다.우주과학에관심은있는데물리학이약하다고생각하는이들에게는본문양쪽의여백에있는짤막한핵심설명과각장마지막에정리된요점이도움이될것이다.

지구를벗어나기위한가장효율적인지식을담다
우주탐사에대한질문에제대로답하는실용물리

“왜다단로켓일까?고체연료,액체연료의장단점은?로켓배기가스의속도,연소율,추력사이의상관관계는?최적의궤도가나오는발사장은어떻게찾는가?원하는궤도에진입하기위해몇번의전이가필요한가?JWST가도달한라그랑주점의의미는?결국원하는천체까지는어떻게갈수있을까?”

《우주탐사매뉴얼》은냉전시대의우주경쟁부터21세기에이르러제2의대항해시대가열리기까지,미지의공간을개척해낸인류의역사를간단하게훑으며이야기를시작한다.그저외워야만했던공식과이론,과거의과학자들이지구를벗어나기위해궁리했던생각이현시대자연과학자의눈으로흥미롭게발굴된다.한두줄수식으로만기억되는치올코프스키의오래된로켓방정식,한장의스케치였던다단로켓이그대로구현되어지금,실제로쓰이는과정은정교한과학적상상의놀라운힘을보여준다.
저자는현재의우주탐사에서가장중요하게여겨지는대기와배기가스의유체역학부터다양한종류의로켓추진방식,행성간항행,인류최대의난제인중력을이겨내는방법까지실용성높은공식을전문가의입장에서차근차근설명했다.또한현장작업자들이고심하는부분과그이유를꼼꼼하게짚고합리적인방식으로계산한다.이분야에관심있는‘우주덕후’라면종이위의수식이궤도는물론로켓이나우주선등으로형상화되는특별한경험을할수있을것이다.

최신우주탐사주요이슈에대한이론적기반을담다
전문가들이실제작업시고려하는사항및다양한실전사례수록

한번보면잊을수없는재사용로켓의착륙은어떻게탄생한것일까?스페이스X팰컨9및팰컨헤비의엔진추력,버진갤럭틱,블루오리진의준궤도우주여행,액시엄스페이스의우주정거장,다누리의저에너지전이방식,나로우주센터에서발사한로켓의궤적등많은인원이참여한거대프로젝트들은어떠한이론으로뒷받침되어있을까?이책에서는그동안아무도설명해주지않았던물리학이활용되는생생한현장을꼼꼼하게들여다본다.이는지식이교과서속에갇혀있는것이아니라최신과학기술영역에서실제로쓰임을배우는기회이기도하다.
NASACLPS프로그램,다누리프로젝트등에서주요과학기술을책임져온저자는화려한결과뒤에가려져있던숫자와공식을전면에보여주며,독자로하여금스스로갈고닦은과학지식을적용해보도록했다.우주탐험을한번이라도꿈꾼이들이라면,반드시거쳐야할물리학공부이자유일무이한단한권의매뉴얼을꼭만나보자