1. 개요
스윙바이(Swing-by) 또는 플라이바이(Fly-by)는 우주선이 적은 동력으로 먼 거리를 항해하기 위하여 다른 자연 천체의 중력을 이용하는 가속 방법을 말한다. 이러한 기법을 사용해서 우주선은 가속과 감속은 물론, 방향을 전환할 수도 있다. 중력 도움, 중력 어시스트, 중력 슬링샷 등으로도 부른다. 이른바 중력 돌팔매질.일반적인 우주항해로는 지구에서 해왕성까지 약 30년이나 걸리지만 스윙바이를 이용하면 약 12년 만에 도착할 수 있다.
이동 중 쌍곡선을 그리면서 행성의 중력장을 이용한다. 중력장 안으로 들어가면서 가속을 받으며, 행성 자체도 태양 주변을 공전하므로 행성의 중력장에 잡혔다가 행성의 운동량을 일부 얻어 빠져나가면 행성이 공전하는 방향으로 가속을 얻을 수 있다. 반대로 행성이 공전하는 방향과 반대 방향으로 지나치면 우주선 속도가 줄어든다.[1]
이해하기 쉽게 설명하자면, 롤러 스케이트를 타고 도로를 달리다가 앞에 트럭이 보이면 트럭에 갈고리줄을 던져서 매달려 가는 것과 비슷하다. 트럭과 목적지가 다르기 때문에 언젠가는 갈고리줄을 놓고 다시 자력으로 달려야 하지만, 그 짧은 시간 동안 트럭의 운동에너지를 전달받아서 내 속도를 높힐 수 있다.
보이저 2호(분홍색) 스윙바이 궤적. 목성(연두색)과 토성(하늘색) 옆을 지나가면서 속도가 붙는걸 볼 수 있다. 천왕성(노란색) 스윙바이에서 속도 증가가 목성, 토성에 비해 매우 적은 이유는 천왕성은 공전 속도가 느려서 힘을 제대로 받기 힘들기 때문이다.[2] 그리고 해왕성(주황색) 스윙바이는 오히려 속도가 감소했는데, 이는 당시 해왕성의 위성인 트리톤을 탐사하기 위해 일부러 속도를 늦췄기 때문이다.
2. 역사
최초의 스윙바이는 1959년 소련의 달 탐사선 루나 3호가 행하였으며[3] 최초의 행성 스윙바이는 1974년 화성으로 향한 미국 NASA의 마리너 9호이다. 이후로도 장거리 우주 탐사선은 거의 반드시 이용하는 기술이다. 스윙바이를 사용할 수 밖에 없는 이유는 현재 로켓 기술로 로켓에 실은 물체( 인공위성 등)를 목성 근처까지밖에 못 보내기 때문이다. 그래서 로켓을 더 멀리 효율적으로 보내기 위해 추진체를 거의 사용하지 않고 가속할 수 있고 우주 항해를 할 때 탐사 거리를 비약적으로 넓힐 수 있는 스윙바이를 이용한다.|
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| 보이저 1, 2호 스윙바이 궤도 |
2018년 발사한 파커 태양 탐사선의 스윙바이 계획으로, 금성만 7번 스윙바이 한다.[4] 이동 거리를 몇 배로 늘리는 매우 비효율적인 구도로 보일 수도 있지만, 탐사선을 태양으로 바로 발사하면 지구가 이동하는 속도로 인해 태양 궤도로 진입하지 못 하고 진행 방향만 살짝 꺾인 채 우주 공간으로 이탈하게 된다. 스윙바이를 계속 하여 원일점을 점점 줄여야 태양 궤도로 진입할 수 있으며 최대 590만km까지 접근한다.
| 유럽 우주국(ESA)에서 만든 혜성 탐사선 로제타의 스윙바이 궤도 설명 동영상 |
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| 태양(노란색 점), 지구(파란색), 화성(노란색), 목성(하늘색), 토성(주황색), 혜성(분홍색) |
3. 활용
대표적인 장점으로는 연료를 거의 사용하지 않고 가속이 가능하다는 것이며, 덕분에 절약하는 연료만큼 다른 장비를 더 넣을 수 있다. 단점으로는 행성으로 접근하기 위해 계산과 시간이 더 필요하며 행성과 궤도가 맞지 않을 경우 쓸 수 없다. 예를 들어 뉴 호라이즌스는 목성을 스윙바이 했는데 이 때 시기를 놓쳤다면 무려 11년을 더 기다려야 했다. 인간 개개인적 관점에선 한번만 시기를 놓쳐도 절망적인 쿨타임을 가짐에도 그 한번의 스윙바이로 단축시킬 수 있는 탐사시간이 더욱 크기에 현재 인류 기술력으로는 스윙바이는 무조건 필요하다.주로 장거리 항해를 위한 가속도를 얻기 위해 사용하며, 한 번의 가속으로 불충분하다면 연달아 다른 행성에서 가속도를 더 얻기도 한다. 보이저 탐사선은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 비슷한 방향으로 늘어서는 황금같은 기회를 이용해 외행성을 탐사하였고 갈릴레오 탐사선은 6년 동안 금성, 지구, 한 번 더 지구 순서로 스윙바이 하여 목성으로 도착했다.
이렇게 스윙바이를 이용해 가속도 할 수 있지만 감속도 할 수 있다. 우주선 속도를 줄이고 싶을 때는 행성이 공전하는 방향과 반대 방향으로 탈출하면 행성 공전속도 만큼 우주선 속도를 줄일 수 있다.
도로 위 자동차는 지면과의 마찰을 이용한 브레이크로 쉽게 감속할 수 있지만 거의 텅 빈 공간인 우주에서는 마찰력이 없어서 우주선은 브레이크를 만들 수가 없다. 그래서 엔진 역추진으로 감속해야 하는데 그러한 과정에서는 가속을 하는 것과 동일한 추진력과 연료가 필요하다. 이렇게 소모하는 연료를 절감하기 위해 스윙바이를 이용하는 것이다. 매리너 10호와 메신저 호가 감속하기 위해 스윙바이를 이용했다.
이러한 감속은 지구보다 안쪽에 있는 내행성(이래봤자 금성, 수성 둘 뿐이지만) 탐사에서 필수이다. 일반적인 생각과는 다르게 가장 많은 연료가 필요한 행성은 멀리 떨어진 외행성들이 아닌 수성이다. 지구와의 공전 속도 차이(delta-v)가 가장 크기 때문.[8] 얼핏 생각하기로는 태양의 중력을 이용해서 수성 쪽으로 끌려가면 그만이라고 생각할 수도 있겠지만, 연료 분사나 스윙바이를 이용한 감속이 없으면 수성을 휙- 하고 스쳐 지나서 태양을 한 바퀴 돈 뒤 다시 지구궤도 거리로 돌아올 뿐이다. 궤도로 안착하기 위해서는 엄청난 감속을 해야 하는데 이게 현재 로켓 기술로는 가성비 따지기 이전에 도저히 감당이 안 될 정도라 수성이나 금성으로 가기 위해서는 수 차례 스윙바이를 하면서 감속을 한다.
가감속 뿐만 아니라 궤도경사각을 조절할 때도 스윙바이를 사용할 수 있다. 1990년 우주왕복선으로 발사한 미국 태양 탐사선 율리시스는 목성 궤도를 이용해 태양 기준 궤도경사각을 80도까지 변경하였다. 또한 1997년 발사한 AsiaSat의 통신위성 AsiaSat 3[9]은 발사체인 프로톤 로켓의 4단 엔진 이상으로 궤도경사각이 58도인 지구 저궤도에서 좌초하자 궤도경사각을 낮추기 위해[10] 달을 스윙바이 하여 지구 정지궤도로 안착하였다.
지구에서 우주선을 발사할 때도 스윙바이 효과를 이용한다. 지구 공전방향과 자전방향(동쪽)이 일치하는 시각에 우주선을 동쪽으로 발사하면 지구 공전속도(초속 30km)와 자전속도(초속 0.5km)가 더해져 약 초속 30.5km 속도를 추가로 얻고 지구 밖으로 나갈 수 있다.[11]
상술했지만 스윙바이를 하면 에너지 보존법칙대로 우주선이 힘을 받은 만큼 행성의 속도가 떨어진다. 예를 들어 1989년 발사한 갈릴레오 탐사선은 지구를 스윙바이 했는데 이 때문에 지구는 1억년당 1.2cm 정도로 공전속도가 느려졌다고 한다. 이 정도면 행성에 딱히 영향이 없다고 봐도 무방하지만 만약 미래에 우주선이 매우 커진다면 행성 공전속도와 궤도에 큰 영향을 줄 수 있으므로 사용하기 어려워질 것이다.[12]
4. 펜로즈 과정
스윙바이의 블랙홀 버전으로 '펜로즈 과정'이라는 것이 있다. 로저 펜로즈가 이론적으로 정리한 방법이라서 이렇게 부른다. 회전하는 블랙홀, 즉 각운동량이 있는 블랙홀을 '커 블랙홀'이라고 부르는데, 이런 경우 '에르고스피어'라는 도넛 모양 특이 영역이 존재한다. 이를 이용해서도 스윙바이가 가능하다.물론 현실적으로 블랙홀 근처에서 버틸만한 강도의 우주선은 인류가 아직 만들지도 못 했고, 여기서 탈출할 수 있을 만한 추진력을 내지도 못 하기 때문에 완전히 이론적인 분야일 뿐이므로 SF에서나 가능하다. 과거 만화로 보는 현대과학의 세계에서 묘사한 적이 있으며, 인터스텔라 영화에서도 펜로즈 과정을 비중있게 연출한다.
5. 창작물에서
창작물에서는 일종의 클리셰 처럼 많이 사용한다. 예를 들어 '저 별로 가야 하는데 연료가 부족하다→중력턴이 출동한다'. 사실상 우주 항해 필수 테크닉이라 일반적으로 알고 있을 법한 내용임에도 비장의 카드 처럼 발견하는게 포인트. 물론 수시로 사용하는 창작물도 많다. 예를 들어 우주 공간에서 항해하는게 일반적인 기동전사 건담 등. 태양의 사자 철인 28호 후반 부분에서도 스윙바이를 이용해 지구에서 명왕성까지 항해하는 내용이 나온다. 여기서는 비장의 카드로 등장하지는 않는다.-
마션
지구에서 다시 화성으로 새 우주선을 띄우는 대신 지구를 중심으로 스윙바이 해서 빠르게 화성으로 향하는 내용이 나온다.
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미드나이트 스카이
지구가 회복 불가능한 상황으로 이르러 사실상 종말을 맞이하는데 목성이 지닌 가상의 위성 K-23 탐사를 마치고 지구로 돌아오는 에테르 호 함대는 이를 모른 채 지구로 돌아오다가 그린란드에서 생존한 어거스틴 박사( 조지 클루니 분)를 통해 착륙할 곳 조차 없는 지구의 현상황을 알게 된다. 어거스틴 박사는 차라리 지구인이 생존 가능한 K-23 위성으로 돌아가라고 하는데 이에 에테르 호는 지구를 스윙바이 하여 가속을 얻은 뒤 연료를 최대한 아껴가며 K-23 위성으로 돌아가는 방법을 택한다.
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버즈 라이트이어
버즈 라이트이어가 테스트 파일럿으로 지원한 고립된 행성을 탈출하기 위해 광속을 만들려는 계획에서 속도를 올리기 위한 방법은 이 행성의 모항성을 근거리에서 스윙바이 하는 것이었다.
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스타 트렉 4: 귀환의 항로(Star Trek IV: The Voyage Home, 1986)
귀환의 항로에서는 항성을 중심으로 스윙바이를 해서 시간 여행을 한다.
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유랑지구
지구를 통째로 센타우루스자리 알파 성계로 이동시키던 중 목성의 중력을 이용해 스윙바이를 시도하지만 목성의 인력으로 끌려가는 것이 영화의 주된 내용이다.
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은하영웅전설
라이가르 성역 회전 당시 슈타인메츠가 블랙홀과 양 웬리 함대 사이에서 샌드위치 신세가 되었을 때 블랙홀의 중력을 이용해 스윙바이를 시도해서 탈출하는 데 성공했다. 이는 렌넨캄프 함대가 양 웬리 함대 후방에서 나타났기 때문. 하지만 거하게 털린 나머지 전 병력의 80%가 날아가는 대참패를 당했다.[13]
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인터스텔라
스윙바이를 이용해서 속도를 조절하는 장면, 연출, 설정이 꽤 많이 나온다. 클라이맥스 씬에서는 무려 블랙홀의 중력을 이용해 스윙바이를 하는 '펜로즈 과정'을 이용하는 연출이 나온다. 초반에 토성까지 갈 때도 화성의 중력을 이용해 스윙바이를 해 가속했다는 언급이 있다. 웜홀을 빠져나온 뒤로도 블랙홀과 중성자별을 이용한 스윙바이 여러 번으로 가감속 하였다는 설정이 있고 작중에서도 언급은 하지만 실제 영화 화면에서 중성자별은 생략하여 보이지 않는다.
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GTO
칸자키 우루미가 자기에게 불쾌한 시선을 날리는 과외 선생을 놀려먹으려고 자신이 입던 팬티를 주는 조건으로 토성 탐사선의 평면 궤도방정식 해석을 풀게 시킨다. 문제의 운동체 K는 구체 E를 출발하여 V와 J를 거쳐 S를 통과하는데, 이를 해석해 보면 토성 탐사선이 지구를 출발해 금성과 목성에서 스윙바이를 해서 토성으로 향하는 내용이다. 우루미를 가르치기 위해 특별 초빙한 과외 선생이었기 때문에 토성 탐사선임을 눈치채고 궤도방정식을 푸는 기염을 토했으나 처음에는 소수점 계산을 실수했고 다시 풀어서 가져왔지만 우루미는 애초부터 풀든 말든 관심이 없었기 때문에 답을 보지도 않고 그냥 걷어차서 물에 빠트리고 오니즈카 에이키치를 졸졸 따라다닌다.
[1]
이 때
에너지 보존 법칙대로 우주선이 운동 에너지를 얻는 만큼 천체는 에너지를 잃지만, 행성과 우주선간 질량과 속도 차이는 비교 자체가 무의미할 정도로 크기 때문에 이론상 이렇다는 것만 알면 된다.
[2]
태양계 행성은 태양과 거리가 멀수록 공전 속도가 느리다. 예를 들어
수성은 공전 속도가 초속 48km지만 해왕성은 초속 5.5km다.
[3]
달을 스윙바이 함으로서 궤도면이 변했다.
[4]
스윙바이 횟수 최다 기록이다.
[5]
서울~
부산 거리를 25초 만에 도착하고
지구~
달 거리를 약 4시간 만에 도착하는 속도다.
[6]
의외로 이런 내용이 나오는 영화가 있긴 하다. 바로
멜랑콜리아. 지구와 충돌 코스로 접근하는 멜랑콜리아라는 행성(?)이 지구의 중력으로 스윙바이를 한다. 문제는 지구 공전 방향 반대쪽으로 스윙바이를 했기 때문에 지구와 상대속도가 오히려 줄어들며 결국 지구로 다시 접근해 충돌한다.
[7]
이를
컨트리볼 형식으로 그린 만화도 있다.
A Galactic Game
[8]
엄밀히 따지면 목적지까지 갔을 때 태양의 중력으로 인한 가속도로 얻는 속도와 해당 행성의 공전 속도 차이지만 결과적으로는 같은 원리다.
[9]
이후 'PAS-22'로 명칭 변경
[10]
대부분 상용 통신위성은 정지궤도에서 위치한다.
[11]
만약 지구 공전방향과 정반대 방향으로 우주선을 발사한다면 우주선 엔진이 아무리 강하다고 해도 지구 밖에서 보면 마치 우주선이 뒤로 가는 것처럼 보일 것이다.
[12]
이럴 경우 태양이나 항성에서 스윙바이를 사용할 수는 있겠으나 열기에 대한 대비책이 필요하고 항성급 이동을 할 경우 스윙바이로 인한 추가 운동에너지는 무시할 정도이므로 사용하지 않을 가능성이 높다.
[13]
이 탈출 작전의 약점은 적의 공격에 무방비로 노출되는 것이었기에 이렇게나 털린 것도 있지만 슈타인메츠는 어차피 가만히 있어봐야 포격으로 맞아 죽든 블랙홀로 빨려 들어가든 둘 중 하나이므로 이 방법을 사용했다.