1968년 4월4일 아폴로 6호를 실은 ‘새턴-V’ 로켓이 발사대를 박차고 우주로 발사됐다. 모든 것은 문제없이 완벽해 보였다. 로켓이 떨리기 시작해 상하로 요동치기 전까지는 말이다. 이른바 ‘포고’라고 불리는 현상이다.
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| `2012 스포츠복지 페스티벌`에서 아이들이 스카이콩콩(포고스틱)을 타고 있다. 세계일보 자료사진 |
포고 현상은 로켓의 가속 운동과 엔진의 가동 과정에서 발생하는 진동이 로켓의 구조적 진동과 맞물려 공진하면서 로켓의 축을 따라 만들어지는 반복적인 진동을 가리킨다. 좀 더 구체적으로 살펴보자. 로켓이 발사돼 가속도가 붙고, 이에 따라 추진제 공급량이 늘어나다가 추력과 연소실 압력이 커지면서 역으로 추진제 공급량이 감소한다. 이는 추력과 연소실 압력의 하락으로 이어진다. 추력과 연소실의 압력이 계속 커졌다 작아졌다 하는 현상이 반복되면 진동은 점차 증폭되어 로켓은 아래 위로 요동치게 되는데, 이런 현상이 마치 어린이들이 이른바 ‘스카이 콩콩’이라 불리는 포고 스틱(Pogo Stick)을 타고 노는 동작과 비슷하다고 해서 포고(Pogo) 현상이라고 불린다.
아폴로 6호를 실은 새턴-V 로켓에 포고 현상이 발생했고 이로 인해 아폴로 6호에 탑재된 중요한 부품이 떨어져 나가면서 아폴로 우주선의 비행 경로는 원래 계획됐던 원 궤도가 아닌 타원 궤도로 바뀌어 버리는 문제가 발생했다. 다행히 아폴로 6호가 무인 우주선이어서 인명 피해는 없었다.
우주 임무에 결정적인 실패를 가져올 수 있는 포고 현상은 1962년 3월16일 미국 공군(US Air Force)이 ‘타이탄(Titan) II’ 미사일을 시험할 때 처음 확인됐다. 나사(NASA·미항공우주국)는 이 미사일을 개량해 인간을 태워 우주에 보내는 ‘제미니 미션’에 활용할 계획이었다. 타이탄 II는 비행중 주파수 10~13Hz의 진동이 약 30초 동안 발생했다. 이를 진폭으로 계산해보면 ±2.5G였다. G는 중력가속도를 가리키는데, ±2.5G의 진폭 환경이라는 것은 우주인이 초당 10번 이상 자기 몸무게의 2.5배나 되는 힘에 의해 앞뒤로 흔들리는 고통을 느끼는 수준이다. 연구진은 이런 상황에서는 우주인들이 정상적인 비행을 할 수 없다고 판단, 진동과 진폭을 줄이기 위한 연구에 박차를 가하기 시작한다.
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| ‘제미니 프로젝트’에 사용된 ‘타이탄(Titan) II’ 로켓. 출처=나사(미항공우주국·NASA) |
연구진은 실패와 시행착오를 거듭한 끝에 연료 탱크의 압력을 높이고, 연료와 산화제를 공급하는 배관에는 축압기를 설치하는 방식으로 포고 현상을 해결해 결국 계획된 유인 우주 임무를 수행할 수 있는 디딤돌을 놓는다. 이후 나사는 모두 10회의 유인 우주 탐사를 수행하며 달 탐사에 다양한 기술과 경험을 축적한다.
나사는 포고 현상을 이해하고 이를 해결했다고 생각했지만 다른 로켓에서 같은 현상이 나타났다. 유인 아폴로 계획은 새턴-V 로켓을 썼는데, 아폴로 6호 발사에서 포고로 인한 진동이 기준치보다 높게 나타나 연구진을 당황케 했다. 새턴-V의 1단에 사용된 ‘F1’ 엔진의 진동이 발사체 구조 진동과 공진한 것이 원인으로 판명됐다. 유인 아폴로 계획 수행을 위해 엔진의 설계를 바꿀 시간적 여유가 없었던 나사는 추진제 탱크와 공급배관 사이의 밸브 안에 가스를 채워넣어 문제를 해결하고자 했다. 이 해결책은 유인 우주선 발사였던 아폴로 8호에 적용되어 어느 정도 성과를 거둔 듯 보였지만 이번에는 2단 엔진의 점화가 종료되기 50초 전 클러스터링(더 큰 추진력을 얻기 위해 여러 개의 엔진을 한데 묶는 것)이 된 ‘J-2’ 엔진이 진동하기 시작된다. 다행히 강한 진동은 아니어서 임무는 성공했지만 연구진은 또다시 포고를 잡아낼 방법을 찾아야만 하는 상황이 됐다. 이때가 1969년이었다.
이 문제를 해결하지 못하면 1970년이 되기 전 달에 인류를 보내겠다는 존 F 케네디 대통령의 계획은 물거품이 되는 상황이었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 각 단의 엔진 연소 시간을 바꾼다. 2단 로켓의 중앙에 위치한 J-2 엔진의 연소시간을 조금 줄이는 대신 그 주변에 있는 네 개의 엔진을 조금 더 길게 연소시켜 줄어든 추력을 메우는 방식이었다. 이 방법이 효과를 발휘해 이후에는 포고 현상으로 발사가 중단되거나 취소되지는 않았다.
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| 유인 우주선 기반의 미국 ‘아폴로 프로젝트’는 포고 현상을 극복한 덕분에 계속 진행될 수 있었다. 사진은 아폴로 17호의 모습. 출처=나사(미항공우주국·NASA) |
이후 나사가 우주왕복선 프로그램(STS·Space Transportation System) 연구를 계획했을 때도 포고 현상은 언제든 등장할 수 있고 또 반드시 해결해야 할 중요한 문제 중 하나였다.
첫 포고 현상이 발견된 지 50년이 넘게 흐른 지금 발사체를 개발하는 연구진은 이를 어느 정도 완벽하게 이해하고 있다. 크게 걱정할 현상은 아니게 됐었지만 여전히 엔진 개발의 중요한 고려 대상이기는 하다. 엔진 시험 단계와 실제 발사체가 비행하는 조건이 다르기 때문에 언제라도 발생할 수 있는 현상인 탓이다.
한국항공우주연구원 홍보실