기내에서 체중은 가벼워진다?

[김재훈]

높은 하늘을 운행 중인 항공기 안에서 만일 탑승객의 몸무게를 잰다면 지상에서 잴 때와 어떻게 다를까, 아니면 똑 같을까?. 비행기가 고도 10㎞(1만m), 시속 1,000㎞로 흔들림 없이 순항하고 있다고 가정할 때 결론부터 말하면 "약간 가벼워진다" 라는 귀가 솔깃해 질 이야기가 나오게 된다고 한다.

무게, 체중이라는 것 자체가 지구의 만유인력과 극히 미미하긴 하지만 지구의 자전에 의한 원심력이 기준이 되다보니 같은 지상이라도 계측하는 장소에 따라 무게가 다를 수밖에 없다. 지구가 자전하는 속도는 적도 위가 가장 빨라서 시속 1,670㎞, 원심력은 인력의 290분의 1정도 크기라고 한다．국제천문연맹(International Astronomical Union)에서는 지구는 적도반경이 6378.14km 극(북극·남극) 반경이 6356.755km인 타원체이며 적도지역이 극지역보다 반경이 21.385km 길다고 설명하고 있다.

만유인력(Universal Gravitation)의 법칙 이론에 따르면 두 물체 사이에 작용하는 만유인력의 크기는 그 물체의 질량의 곱에 비례하고, 물체 사이 거리의 제곱에 반비례한다고 한다. 때문에 만유인력도 150분의 1정도 작아지게 되고 따라서 위도가 낮을수록 무게가 가벼워지는 경향이 있게 마련이다. 예를 들어 적도 부근에 있는 싱가폴과 북쪽에 있는 헬싱키에서 동시에 같은 질량을 정밀측정해보면 싱가폴이 256분의 1 가볍다고 한다. 이로 미루어 비행기의 고도나 속도 역시 이러한 반경 차이나 지구의 자전속도의 영향을 받기 때문에 장소에 따라 무게와 속도가 다를 수밖에 없다는 사실을 알 수 있다. 원심력은 비행기가 지구의 자전방향과 같은 동쪽 방향으로(즉 한국에서 미주방향) 날아가면 강해지고，반대 방향인 경우 약해진다. 원심력은 속도의 제곱에 비례한다.

또한 비행기의 운항고도에 따라 만유인력도 320분의 1 정도 작아진다. 좀 더 따진다면 위도까지도 고려해야겠지만 이것저것 대충 넘어가고 결론을 내리자면 지구자전에 의한 원심력이 강해지는 동쪽 방향으로 비행중일 때는 대략 200분의 1 정도는 가벼워지게 된다. 체중 50킬로인 사람이라면 250g 정도는 가벼워진다. 그러나, 만유인력이 변하지 않는 저공으로, 그리고 원심력 효과가 줄어드는 서쪽 방향으로 비행한다면 어쩌면 지상에서보다도 오히려 무거워질 수도 있는 불상사(?)가 생기게 된다. 인공 위성을 타고 지구 둘레를 돌고 있는 우주인은 무중력 상태가 된다. 단, 위성내에서의 이야기이며 무중력 상태에 있는 우주인은 공중에 떠 있으며, 그의 체중은 0(Zero)이 된다.

만유인력 이야기와 지구의 자전속도 이야기가 나온 김에 이와 연관된 인공위성 발사에 관한 사항을 알아보자. 일본 정부는 한반도를 포함한 자국 주변을 24시간 감시할 수 있는 최초의 정보수집 위성 2기를 2003년 3월 23일 쏘아 올렸다. 이 위성은 일본의 주력로켓인 H2A를 이용해 가고시마 우주센터에서 발사됐으며 고도 500 킬로미터 궤도를 돌면서 북한 미사일 발사기지나 일본부근 불법어로 선박 등에 대한 정보를 수집하게된다고 하는데 정보수집위성의 발사에 대해 본래 목적인 국가관리와 자연재해에 대비하는 것 외에도 북한의 핵 개발과 미사일을 포착하는 등의 의도도 있어 보인다.

일본의 우주개발사업단 발사대가 있는 곳은 남쪽나라 가고시마현의 낙도 다네가시마(種子島)우주센터이다. 현재 우리나라가 소유하고 있는 위성들은 모두 외국의 발사체에 의존한 것으로 위성을 쏘아 올리는 액체로켓기술이 우리에게는 아직 없다. 우주개발사업을 위해서는 자체 발사체 기술 개발이 필수적이나 통신방송위성과는 달리 외국도 대행 발사해주는 것을 꺼리며 우리로서는 정보노출 또한 부담이 된다. 그런데 지난 2002년 11월 28일 한국항공우주연구원이 국내기술로 독자 개발한 액체추진과학로켓(KSR-Ⅲ)시험발사에 성공했다. 장소는 충남 태안반도 앞 바다.

과학기술부는 2001년 1월, 전남 고흥군 봉래면 예내리 하반마을 외나로도에 자체 위성발사체 발사장을 갖춘 150만평 규모의 우주센터를 건설키로 결정한바 있다. 오는 2005년까지 모두 1,300억원의 예산을 투입해 위성발사대를 비롯해 로켓 조립동, 추적장비 등이 들어설 우주센터 건립을 본격화할 계획이라고 한다. 이미 1999년부터 우주센터 건설자문위원회를 구성해 전남, 경남, 제주지역 등 전국 11개 지역에 대해 인접지역 안전성, 발사각, 부지 확보 가능성 등을 토대로 정밀조사한 결과 외나로도가 결정됐다고 한다.

외나로도 지역은 위성발사 시 인접국가의 영공을 통과할 가능성이 거의 없으며 부지 확보 및 추가 확장 용이성 등에서 다른 후보지에 비해 높은 점수를 받았으며 발사 운용각도가 15도로 넓고 국공유지가 70%로 부지 확보가 용이하다는 결론을 내렸다. 상세설계, 부지매입, 장비발주 과정을 마무리짓고 2003년까지 토목공사, 시설물 구축 등 기초공사를 마치고 2004년에 지상시설을 완공 후 시험운영을 거쳐 2005년에 국내에서 최초로 발사되는 저궤도 소형위성인 과학위성 2호를 쏘아 올릴 예정이라고 한다.

액체추진과학로켓의 발사 성공으로 우리나라도 국제 우주과학분야에서 신뢰와 명성을 얻는 계기를 얻었다. 이러한 핵심기술을 토대로 "우리의 위성을 우리가 개발한 발사체에 실어 우리 땅에서 발사한다"는 국가 우주개발 목표 아래 2005년 자력위성 발사를 위한 우주발사체 KSLV-1을 개발할 계획이다. 세계적으로도 자체 위성 발사에 성공한 국가는 러시아, 미국, 프랑스, 중국, 일본, 인도, 이스라엘 등 7개국에 불과하다 하니 장한 일이 아닐 수 없다.

여기서 이야기를 발사대가 있는 장소쪽으로 되돌리자. 우리나라의 무궁화 1,2호를 쏘아 올린 미국의 케이프커내버럴(지금은 케네디우주센터로 바뀌었다,플로리다 주) 같은 인공위성발사장은 남쪽 바다에 위치하고 있다.「인공위성 발사기지는 남쪽이 북쪽에 비해서 유리하다는데 그 이유는 무엇일까?」 이건 어떤 과학 퀴즈에 나온 문제이다. "적도에 가깝기 때문이다". 이것이 정답이다. 따뜻한 지역이라서 그런 것이 아니라는 것을 보면 기후와는 별 상관이 없는 모양이다. 그냥 남쪽이라서 좋은 것은 아니고 적도에 가깝기 때문에 지구의 자전 속도를 많이 이용할 수 있어 그렇다는 것이다.

인공 위성을 궤도에 올릴 때 그 속도를 내기 위해서는 지구의 자전속도를 이용한다. 지구의 자전 속도는 적도 위가 가장 빠르기 때문에 이왕이면 가능한 한 남쪽을 택하는 것이다. 로켓의 추진력에 지구의 회전을 더해 이용하면 그만큼 연료가 적게 들기 때문이라는 것이다. 당연한 이야기가 되지만 발사하는 방향도 모두 동쪽이다. 또한 발사기지는 동쪽 해안에 있는 경우가 많다. 발사 시 다단식의 연소 찌꺼기가 떨어지거나 하게 되는데 이러한 경우에도 그 떨어지는 꼬리가 바다 쪽에 있어야 유리하기 때문이다. 또한 발사기지는 고도가 높은 편이 더욱 유리하다. 이것은 공기층이 엷어서 연료 소모가 적어 경제적이기 때문이다.
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