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1. 개요
오리온 계획(Project Orion)은 1946년 로스 앨러모스 국립연구소의 스타니스와프 울람이 제안한 핵 펄스 추진(Nuclear Pulse Propulsion) 계획이다. 핵무기를 터트려 우주선을 가속한다.이론상 속도와 크기에서 20세기 인류의 기술력으로 구현 가능한 최고 수준의 우주선 형태일 것으로 평가됐으나, 그럼에도 기술적 난이도가 높고, 국제정치적 제약도 많으며, 많은 예산이 필요해 개념 설계에 그쳤다.
2. 구조
| <nopad> | <nopad> |
| 우주선의 구조 | 추진용 폭탄 |
핵폭발의 직접적인 충격파가 아니라, 핵폭발에 의해 기화된 플라즈마를 반사하며 추진력을 얻는 방식이다. 핵무기를 성형작약시켜 폭발력을 한 면에 모으고, 그 폭발력으로 추진체(Propellant)가 플라즈마화되며 우주선의 뒷부분에 달려 있는 추진판(Pusher Plate)을 밀어내면서 우주선을 추진시키는 방식이다.
- 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.
1958년 연구 당시의 기술력으로 슈퍼 오리온은 400미터의 사이즈에 8백만 톤의 질량, 1080개의 핵폭탄을 탑재하는 설계였으며, 프리먼 다이슨이 1968년에 구상한 우주선은 지름 20km, 4천만 톤의 질량에 그중 3/4는 핵폭탄의 무게를 차지하는 것으로 광속의 0.33퍼센트의 속도로 약 1300년 걸려서 센타우루스자리 알파까지 날아갈 수 있을 것으로 계산했다.
당시 미국의 1년 GNP 전부가 소요될 것으로 추정했다. 더 작게 만들면 광속의 10%[1]까지도 도달할 수 있을 것이란 계산도 있었다. 20세기 인류의 우주 과학기술 수준에서 실현 가능해보이는 가장 빠른 속도였다.
3. 군사적 응용
냉전기이다 보니 이걸 군사목적으로 쓸려는 계획도 있었다. 그냥 단순하게 요격이 불가능한 우주공간으로 날아갔다가 전속력으로 소련에 들이박는 계획도 있었고, 수상함용 함포, 핵미사일, 그리고 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 에너지를 최대한 한 방향으로 쏟아내도록 연구했으나, 충분한 성과를 내지 못하고 중단되었다.
4. 현실성
실용화된 로켓 추진 방식에 비하면 기술적 난제가 매우 많으나, 성간비행 방식 중에서는 그나마 시도가 가능하다고 평가된다. 우주선 아래에 거대한 유압피스톤과 두터운 충격판을 달아 폭발의 충격을 장기간에 걸쳐 완화하여 받게 설계되었고, 일반 폭약을 사용한 기술 실증이 수행됐다.10m급부터 점차 덩치를 키워나가는데, 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 있다.[2]
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 37년이 걸렸다. 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.
5. 문제점
추진 체계 특성상 다량의 핵물질을 탑재해 사고시 위험성이 크다. 우주는 매우 넓고 항성에서 방출되는 우주 방사선이 가득한 공간이기 때문에 방사능 오염 문제가 없으나, 우주선이 지구에 추락하면 고준위 방사성 물질이 퍼지는 상황이 발생할 수 있다. 로켓 발사는 2020년대에서도 실패율이 높은 불안정한 기술로, 위험 부담이 너무 높다.같은 이유로 오리온 추진장치를 단 우주선은 지구권에서는 SSTO로 사용될 수 없다. 핵폭발의 플라즈마를 반사시켜 추진한다는 물리적 원리 자체는 대기권 내에서도 당연히 구현할 수 있지만, 엄청난 방사능 낙진이 지구에 쌓일 것이기 때문이다. 이 때문에 실제 오리온 프로젝트 역시도 우주 공간에 이르기까지는 기존의 재래식 로켓을 활용하는 식으로 기획되었다.
추진장치의 핵심이 되는 핵폭탄을 만들기 위해 핵분열 물질이 필요하지만, 지구에서 구할 수 있는 양은 많지 않다. 우라늄의 경우 원석[3]의 가용량이 2011년 기준으로 약 5,400,000톤인 것으로 추정되며, 플루토늄은 자연에서 얻는 것이 아니라 우라늄을 이용해 인공적으로 만들어야 한다.
일정한 추력을 내는 로켓과 달리, 폭발에 의한 추력이 순간적으로 집중돼 선체의 구조적 부담이 크다. 이를 최대한 완화하기 위해 많은 부분을 완충기에 할당했으나, 여전히 주기적으로 요동치는 게 불가피하다. 많은 기계적 구조에 높은 피로가 예상돼 기술적 난제가 크고 고장 위험성이 높다. 추진용 폭약이 정확한 시점에 터져야 할뿐만 아니라, 완충기 역시 정확히 동기화되어야 하며, 어긋날 경우 치명적 문제가 발생할 수 있다.
6. 유사 설계
레이저로 펠렛을 핵융합시켜 추진하는 다이달로스 계획, 다이달로스, 프로젝트 롱샷, 프로젝트 프로메테우스, 프로젝트 발키리 강화판으로는 한발한발 터트리는게 아니라 연속적으로 수소폭탄을 터트리는 염수로켓 방식이 있다.구조는 다르지만 방사성 물질을 퍼트리는 추진방식으로는 노출된 원자로 코어를 사용하여 추진제를 가열, 분사하는 열핵로켓이나 열핵제트엔진으로 플루토 계획이 있었다.
1990년대 들어서는 반물질을 점화장치로 사용하는 ACMF가 우주 탐사방식으로 제안되었다.
7. 대중매체
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 호의 추진장치로 등장한다.
다큐멘터리 둠스데이: 인류멸망 10가지 시나리오에서는 떠돌이 행성이 지구를 덮칠 경우 이를 수년 전에 알 수 있다면 이를 피할 수 있는 방법으로 언급된다.
소설 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. 핵반응 엔진보다도 우월한 효율성을 자랑한다.
KSP 2의 트레일러 영상에 짧게 등장했다. 실제 게임에서도 등장할 예정이다.
Terra Invicta라는 게임에선 외계인 침공에 대항하기 위해 유저가 연구하여 함선에 적용할 수 있는 엔진으로 등장한다.
스타크래프트 시리즈에서 전투순양함의 야마토 포가 오리온 프로젝트의 추진 원리를 응용한 카사바 대포같이 핵폭발의 방향을 한 곳으로 집중시켜 발사하는 방식이다.
[1] 초속 3만 km. 참고로 지구 둘레 한 바퀴가 약 4만 km[2] Reynolds, T. W. (1972). Effective specific impulse of external nuclear pulse propulsion systems (No. E-7013).[3] 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. 우라늄은 지구에 의외로 풍부한 원소지만(금보다 많다), 채굴이 가능할 정도로 밀집된 광맥은 적다.