1. 개요
Project Orion1946년 로스 앨러모스 국립연구소에서 근무하던 스타니스와프 울람[1]이 처음 생각해낸 계획으로, 1958년에 프로젝트가 시작되어 부분적 핵실험 금지 조약이 체결된 1963년에 그 막을 내린 프로젝트이다. 간단하게 정리하자면 "핵무기를 우주선의 추진 동력으로 삼자"이다. 여러 SF 작품에서 종종 소재가 되곤 하는 '핵 펄스 추진(Nuclear Pulse Propulsion)'이란 아이디어의 기원이 된 계획이라 할 수 있다. 칼 세이건은 코스모스에서 핵무기를 가장 잘 사용하는 방법이 오리온 계획이라고 생각한다고 말한다.
코카콜라 회사가 개발당시 나사에게 콜라 자판기에서 콜라를 쌓고 분배하는 기술을 응용해 핵폭탄을 카트리지 형식으로 저장하고 분배하는 방식의 개발에 도움을 줬다는 일화도 있다.
핵'무기'를 추진 동력으로 삼는다는 말로부터 즉시 아래의 아이디어가 떠오르긴 할 텐데, "설마 그건 아니겠지"라고 생각할 필요 없다. 그거 맞다.
- 핵탄두를 우주선에 무진장 실어둔다.
- 핵탄두를 우주선 뒤로 사출한 후 멀리 떨어진 데서 폭발시킨다.
- 폭발로 발생한 플라즈마가 충격판에 반사되어 추력을 제공한다.
- 목적지까지 갈 때까지 2~3의 과정을 계속한다.
우주선의 구조.
추진용 핵무기의 구조.
보다 정확히 설명하자면, 핵폭발의 직접적인 충격파가 아니라, 핵폭발에 의해 기화된 플라즈마를 반사하며 추진력을 얻는 방식이다. 핵무기를 성형작약(...)시켜 폭발력을 한 면에 모으고, 그 폭발력으로 추진체(Propellant)가 플라즈마화되며 우주선의 뒷부분에 달려 있는 추진판(Pusher Plate)을 밀치게 되고, 추진판은 스카이콩콩처럼 충격을 흡수하면서 우주선을 추진시키는 것이다.
2. 프로젝트의 정신나간 규모
때문에 1958년 연구 당시의 기술력으로 얼마 지나지 않아 만들 수 있을 거라 추정했던 슈퍼 오리온은 무려 400미터의 사이즈에[2]381미터이다(...) 로켓 하나가 그것보다 큰 것이다!] 8백만 톤의 질량, 1080개의 핵폭탄을 탑재하는 무식한 물건이었으며, 심지어 다이슨 스피어를 창안한 것으로 유명한 다이슨이 1968년에 구상한 우주선은 지름 20km, 4천만 톤의 질량에 그중 3/4는 핵폭탄의 무게를 차지하는 것으로 광속의 0.33퍼센트[3]의 속도로 약 1300년 걸려서 알파 센타우리까지 날아갈 수 있는 물건이었다.제작비는 저렴하게도(?) 당시 미국의 1년 GNP 전부가 소요될 것으로 추정. 더 작게 만들면 광속의 10%[4]까지도 도달할 수 있을 것이란 계산도 있었다. SF적인 설정에 익숙한 사람들에게는 별 거 아닌 것 같아 보이겠지만, 걸음마 수준인 인류의 우주 과학기술 수준에서는 정말로 대단한 수치인 것이다.
3. 군사적 응용
아무래도 프로젝트가 시작된 시대가 냉전기이다 보니 당연히 이걸 군사목적으로 쓸려는 계획도 있었다. 그냥 단순하게 요격이 불가능한 우주공간으로 날아갔다가 전속력으로 소련에 들이박는 계획도 있었고, 수상함용 함포, 핵미사일, 그리고 아래 서술할 카사바 대포로 무장한 본격 우주전함을 만들려는 계획도 있었다.카사바 대포(Casaba-Howitzer)는 오리온 드라이브를 응용하여 개발하려 한 에너지 병기이다. 오리온 드라이브의 지향성 폭발을 응용하여 핵폭탄의 폭발과 충격파를 한 점에 집중시키는 것을 연구하였는데 광역파괴병기로서는 일반 핵무기보다 열등하지만(핵무기보다 좁은 범위를 타격하니까) 일단 목표물은 더 이상 확실할 수 없게(...) 파괴된다는 결론이 나왔다.
4. 현실성
대부분의 사람들이 처음 듣고 생각하는 만큼 말도 안 되는 아이디어는 아니다. 우주선 아래에 거대한 유압피스톤과 두터운 충격판을 달아 폭발의 충격을 장기간에 걸쳐 완화하여 받게 설계되었고, 실제로 일반폭약을 사용한 실험이 성공적으로 이루어지기도 했다. 1000톤 이상의 어마어마한 질량을 궤도에 올린 뒤 조립을 해야 하는 문제도 있기는 하지만 이건 물량으로 해결이 가능하다. 새턴 V 로켓이 페이로드가 무려 120톤이니 조금만 개량해서 8발쯤 쏘면 끝. 즉 1960년대 기술로도 이미 제작이 가능했다. 개발이 중지된 이유는 지하 외에서의 핵실험을 금지시킨 부분적 핵실험 금지 조약 때문이지만, 경제적인 이유도 크다. 오리온 우주선 한 대를 위해서는 수천톤을 궤도에 올리고 조립한 뒤 핵폭탄 수백발을 적재해야 하는데, (사실 양산하면 가격은 상당히 내려갈 것으로 추측되었다.) 이러한 거대한 비용은 정당화하기 힘들다. 당장 유인 달탐사도 안간지 오래라...게다가 맨 위 사진을 보면 알겠지만 10m급부터 점차 덩치를 키워나가는데, 이는 오리온 추진기의 효율은 커질수록 오히려 증가하기 때문이다. 이는 핵폭탄의 효율이 핵물질의 질량에 비례하기 때문이다. 핵폭탄이 폭발할 때 그 안의 핵물질이 전부 반응하지 못하고 열과 압력으로 흩어지는데, 핵물질의 양이 증가할수록 버려지는 핵물질의 양은 감소하기 때문에 큰 핵폭탄이 일반적으로 효율이 더 높다. 게다가 핵융합까지 곁들인 수소폭탄을 사용한다면 더 큰 효율과 비추력을 얻을 수 있다. 다만 위력도 그만큼 강력해지기 때문에 이를 받아들일 피스톤과 충격판도 더 튼튼해져야 한다. 결국 오리온 추진 우주선의 덩치를 2배 키운다면 더 높은 효율, 더 큰 추력으로 2배보다 더 많은 화물을 더 멀리까지 수송할 수 있다는 결론이 나온다. 비추력과 관련된 자세한 내용은 출처를 참고하자. Reynolds, T. W. (1972). Effective specific impulse of external nuclear pulse propulsion systems (No. E-7013).
결국 오리온 추진방식은 현재 인류가 태양계를 벗어날 수 있는 유일한 방법이며, 앞으로도 오랫동안 유일한 방법으로 남을 가능성이 높다. 지금 사용하고 있는 화학로켓은 추진제 속도가 낮아 보이저 1호가 태양계를 벗어나는데 무려 37년이 걸렸고 바로 옆 행성인 화성 여행도 2,3년씩 잡고 있다. 이온 엔진은 연료 효율은 좋지만 추력이 극도로 낮아서 유인비행체에는 적합하지 않다. SF에 자주 나오는 워프는 이론적 개념 구상에 그칠 뿐, 이론상 필요한 에너지 소모량이나 공간을 휘는 과정에서 생기는 여러 난제 때문에 이론을 현실로 구현할 수 있는지조차 미지수다.
즉 현재까지 인류가 가진 추진수단 중에서는 가장 강력한 방식인 셈이다.
5. 문제점
하지만 성능과는 별개로 실 사용에 있어서 가장 큰 문제점은 추진 과정에서 핵폭발을 동반하는 특성상 필연적으로 방사능이 발생한다는 점이다. 사실 오리온 추진장치를 우주에서 사용하는 것은 별로 문제될 일이 없는데, 우주는 매우 넓고 애시당초 항성에서 방출되는 우주 방사선이 가득한 매우 위험한 공간이기 때문에 방사능 오염 자체는 별 걱정할 것 없는 공간이기 때문이다. 문제는 오리온 추진장치를 탑재한 우주선이 발사 과정에서 사고가 나는 상황이다. 지구 대기권을 어느정도 벗어난 뒤에 실패했다면 지구에 핵물질이 떨어질 일이 없으므로 문제될 것이 없지만, 어중간한 위치에서 사고가 나서 우주선이 그대로 지구로 다시 추락하면 그 우주선에 탑재된 추진용 핵무기가 안전장치의 미작동으로 오발로 격발되거나, 혹은 안전장치로 격발은 되지 않더라도 고준위 방사능 물질이 유포되는 최악의 상황이 발생할 수 있다. 로켓 발사는 2020년대에서도 은근 실패율이 높은 불안정한 기술 중 하나인데, 만에 하나 실패했을 때의 위험 부담이 너무 높다는 것이 문제.또한 같은 이유로 오리온 추진장치를 단 우주선은 지구권에서는 SSTO로 사용될 수 없다. 물론 엄밀하게는 핵폭발의 플라즈마를 반사시켜 추진한다는 물리적 원리 자체는 지구 궤도를 벗어난 무중력 공간에서만 적용되는 것이 아니라 대기권 내에서도 당연히 통용되지만, 핵폭발을 동반한다는 특성 상 오리온 추진장체 발사체가 발사되는 우주기지는 핵실험장을 방불케 하는 방사능 낙진이 쌓이게 될 것이기 때문이다. 이 때문에 실제 오리온 프로젝트 역시도 우주 공간에 이르기까지는 기존의 재래식 로켓을 활용하는 식으로 기획되었다. 다만 기획 단계에서는 대기권까지 이탈하는데도 핵펄스 추진을 사용하는 막나가는 방식이 계획되기도 했다. 사실 추중비[5]만 따지면 물리학적으론 지상에서 우주까지 다량의 화물을 쏳아 보내는데 오리온만한게 없다. 통상적인 화학 로켓보다 높은 효율을 가져 더 적은 연료만 탑재해도 되기 때문이다. 유일한 문제는 한번 발사할 때마다 수백개의 핵폭탄이 자기네 영토에 터지는걸 절대 허가받을 일이 없다는 것뿐. 반대로 핵을 터뜨려 가며 대기권 내로 착륙하는 것도 위험하기 그지없고 사실상 불가능에 가깝다만, 이건 착륙용 우주선이 따로 있으면 해결되는 문제다. 어차피 단독으로 장거리 우주 항행이 가능한 SSTO란 건 어디까지나 철저한 SF의 영역이며 어지간한 신기술이 나온다 하더라도 해결에는 택도 없는 문제다.
사실 방사능 문제는 뒷전으로 둔다 치더라도 문제는 여전하다. 추진장치의 핵심이 되는 핵폭탄을 만들기 위해 필요한 핵분열 물질(fissile material)의 양이 한정되어 있기 때문. 인류가 이용 가능한 핵분열 물질의 양은 의외로 많지 않다. 우라늄의 경우 원석[6]의 가용량이 2011년 기준으로 약 5,400,000톤인 것으로 추정되며, 플루토늄은 자연에서 얻는 것이 아니라 우라늄을 이용해 인공적으로 만들어야 한다. 즉 우주선 추진용으로 펑펑 써댈 만큼의 핵물질이 지구상에 있질 않다는 것.
6. 자매품
비슷한 놈으로는 레이저로 펠렛을 핵융합시켜 추진하는 다이달로스 계획(이쪽은 이론상 광속의 12%까지 도달 가능)이 있고, 다이달로스, 프로젝트 롱샷, 프로젝트 프로메테우스, 프로젝트 발키리 강화판으로는 한발한발 터트리는게 아니라 연속적으로 수소폭탄을 터트리는 염수로켓 방식이 있다(이론적으로는 현재 가능한 추진방식 중 최고 성능을 자랑한다).그리고 다소 다르지만 낙진을 퍼트리는 추진방식으로는 노출된 원자로 코어를 사용하여 추진제를 가열, 분사하는 열핵로켓이나 열핵제트엔진이 있는데... 얘네는 이미 만들어져 지상 테스트까지 거쳤다. 플루토 계획과 NTR 참고.
1990년대 들어서는, 반물질을 점화장치로 사용하는 ACMF 역시 우주 탐사방식으로 연구되고 있다.
7. 대중매체
아무튼 워낙 무식해 보이는 프로젝트이므로 빠르게 잊혀졌으나 일부 우주덕후 등이 재발굴해서 픽션에서 활용시키는 사례가 있다.원래 걸작 SF 영화 2001 스페이스 오디세이에도 등장시킬 예정이었으나 감독인 스탠리 큐브릭이 핵무기에 부정적인 성향의 작품인 닥터 스트레인지러브를 찍은 후라서 거부했다.
영화 딥 임팩트에서는 지구로 돌진해오는 혜성을 파괴하러 가는 우주선 메시아호의 추진장치로 등장했으나 추진 장면이나 자세한 설명은 나오지 않으므로 거의 모르고 넘어간다. 고작해야 러시아인 승무원이 발사 전에 열린 파티에서 "체르노빌을 설계한 사람이 설계한 거야"라고 농담하는 정도로만 나온다.
영화 아이언 스카이에서 나오는 미국의 우주전함 조지 W. 부시 호(...)의 추진장치로 등장한다.
다큐멘터리 둠스데이: 인류멸망 10가지 시나리오에서는 떠돌이 행성이 지구를 덮칠 경우 이를 수년 전에 알 수 있다면 이를 피할 수 있는 방법으로 언급된다. 화성으로 대피하여 인류를 보존시키자는 것.
소설로는 래리 니븐과 제리 퍼넬이 공저한 <Footfall>에서 외계인들의 침공에 맞서 미국이 1996년에 비밀리에 건조한 우주전함으로 등장한다. 어차피 우주전함이니까 추진도 핵폭탄, 무기도 핵폭탄이다.
소설 삼체에서는 핵탄두를 직접 싣는 우주선이 아닌, 이미 존재하는 ICBM을 통해 우주 궤도상에 핵탄두를 띄워놓고, 훨씬 작고 가벼운 우주선이 지나칠 때 정확한 타이밍에 핵폭탄을 기폭시킨다는 발상으로 질량 문제를 해결하여 오르트 구름까지 탐사정을 날려보낸다.
KSP에 이걸 구현한 모드가 있다. 당연하지만 기본으로 주어지는 화석 연료, 아니 심지어는 핵반응 엔진보다도 우월한 효율성을 자랑한다. 어차피 커벌들이 방사성 낙진 따위에 신경쓸 리도 없으니.
KSP 2의 트레일러 영상에 짧게 등장했다. 실제 게임에서도 등장할 예정이다.
일본의 가공전기에서도 간혹 등장한다. 냉전 시기 기술수준으로도 높은 성능을 얻을 수 있고 무엇보다 핵으로 추진한다는 로망이 자극적이기 때문인듯. 대표적인 것으로는 일본이 버블 시기에 세계 3차대전을 피해 우주로 도망가려고 총력을 다해 우주개발에 매진하는 '아득한 별' 시리즈 등. 외계인이 쳐들어오자 미국이 심혈을 다해 개발한 우주전함 '호프'가 핵으로 추진하며 전방에도 핵을 발사해 외계 우주선의 레이저 공격을 산란시키고 핵을 마구 퍼붓다가 장렬한 육탄박치기로 적과 산화하는 장면을 연출하는가 하면[7] 2차대전에서 승리하고 강대국이 된 일본이 냉전 와중에 거대한 건물을 세우는데, 각국이 긴장해서 지켜보는 와중에 그게 통째로 핵추진으로 이륙해 핵폭탄을 20번 터트려서 대기권 밖으로 나가 백만 톤짜리 우주정거장이 되더라는 단편도 있다.
테라 인빅타라는 게임에선 외계인 침공에 대항하기 위해 유저가 연구하여 함선에 적용할 수 있는 엔진으로 등장한다.
[1] 이 사람은 에드워드 텔러와 함께 성공적인 수소폭탄 구조인 텔러-울람 설계를 만든 사람이다.[2] 참고로 미국 뉴욕의 엠파이어 스테이트 빌딩이[3] 1000km/s. 우리 은하계의 중심 중력을 뿌리치고 탈출할 수도 있을 정도로 빠르다.[4] 초속 3만 km. 참고로 지구 둘레 한 바퀴가 약 4만 km[5] 추력 대비 질량비[6] 일반적인 우라늄 원석에서 얻어지는 핵물질 우라늄은 원석 질량의 2% 미만이다. 즉 원석 5.4백만 톤에서 얻어지는 우라늄 핵물질은 대략 십만 톤. 예외적으로 캐나다에 세계에서 가장 고등급의 우라늄 원석이 나오는 광맥이 두 개 있는데, 무려 17%다. 여담으로 우라늄은 지구에 의외로 풍부한 원소지만(금보다 많다), 채굴이 가능할 정도로 밀집된 광맥은 적다.[7] 그리고 우주인의 재침공을 막기 위해 동급함 4척을 더 만드느라 진짜로 국가예산을 다 쏟아붓는 전개로 이어진다. 그냥 항복하는 게 경제적인 피해가 적었다.