이 책은 우주시스템을 전공하려는 대학생과 산업체에서 우주개발 관련 업무를 이제 막 시작한 사람들을 대상으로 하고 있습니다. 필자는 산업체에서 우주관련 업무를 30년 이상 해오면서도 기본적인 배경 지식에 대한 체계적 이해가 부족했던 점을 늘 우려해왔습니다. 5년 전 즈음에 나고야 공과대학에서 우주시스템에 대한 15시간짜리 특강을 한 학기 동안 가르치게 되었는데, 이제 막 우주관련 회사에 입사하는 분들이 우주에 대한 기본 지식을 갖추고 업무를 시작하면 좋겠다는 취지로 강의 내용을 정했습니다. 그 후로 의욕만 앞서고 노력이 뒷받침 되지 않은 부분도 있었지만 이러한 방향성을 갖고 노력해왔습니다. 지난 5년간의 강의 경험을 바탕으로 이번 기회에 강의 노트를 출판하게 되면서 우주 분야에 관심이 있는 다양한 독자들이 좀더 쉽게 기초적인 지식을 습득하도록 집필하겠다고 다짐 했습니다. 

이 책을 집필하면서 다음 두 가지 사항에 특별히 주의를 기울였습니다. 

첫 번째는 주제를 발사체와 인공위성의 궤도운동으로 한정시켜서 최대한 기본적인 사항부터 설명한다는 것이며, 이와 더불어 이 분야의 전문 기술자가 아닌 사람도 기본 원리를 알 수 있도록 한다는 것입니다. 천체역학(Celestial Mechanics)의 관점에서 기술한 궤도운동 분야의 서적은 많은 반면, 엔지니어링 관점에서 출발한 책은 상대적으로 없는 편이라, 필자조차 이 분야에 대한 지식이 부족하다고 느껴왔습니다. 궤도운동 분야의 전문가가 아니어도 이해할 수 있는 수준으로 설명하려고 노력했으므로 전문가의 입장에서 보면 지나치게 단순화된 가정들이나 근사화가 적용된 부분도 있겠으나 문제의 본질을 손상시키지는 않았다고 생각합니다. 

두 번째로는 고성능 컴퓨터가 필요한 연산에 의존하지 않고 일반 계산기로 수 계산을 할 수 있도록 만든다는 것입니다. 발사체와 인공위성의 운동에는 워낙 많은 수의 파라미터가 고려되어야 하고 전문가가 사용하는 계산식과 데이터는 모두 매우 높은 수준의 정밀도를 요구합니다. 이 책에 사용된 계산식들은 정밀도가 높은 계산식과 원칙적으로는 동일한 기본 식에서 유도된 것이므로, 계산 값 자체가 갖는 정밀도가 약간 떨어지더라도 고성능 컴퓨터로 수행되는 계산 과정의 본질적인 부분을 수 계산으로 최대한 따라가보자는 것입니다. 

이 책의 내용을 살펴보면 다음과 같습니다. 1장과 2장에서는 이 책에서 다룰 우주시스템의 정의와 개요를 기술하고 있습니다. 1장에서는 우주시스템을 정의하고 있는데 무엇보다 지구 주변의 우주시스템에 적용되는 우주환경을 위주로 소개합니다. 2장에서는 지구 주변의 우주시스템 중 발사체와 인공위성을 위주로 설명하고 그 밖의 우주시스템에 대해서도 간략하게 소개합니다. 3장에서는 4장 이후의 학습에 필요한 기초적인 내용을 다루고 있습니다. 4장에서 6장까지 그리고 9장은 발사체의운동에 대해서 기술하며, 7장, 8장, 10장은 궤도상의 우주비행체(대표적으로 인공위성)의 운동을 고찰하고 있습니다. 11장에서는 4장에서 10장까지 기술된 내용을 실제로 적용한 예시를 보여주고 있습니다. 

궤도에 도달하는 시점까지의 발사체의 상승 운동을 하나의 장에서 일관되게 기술하지는 않았으나, 용도에 따라서 6장, 9장, 11장의 결과를 활용하면 되겠습니다. 나고야 대학에서 사용한 강의 노트는 1~5, 7, 8, 11장의 내용을 포함하고 있었으나, 이번에 6, 9, 10장을 추가해서 내용의 완결성을 꾀했습니다. 이 책에서 다루고 있는 범위는 매우 기초적인 수준이며, 궤도 변환, 최적화, 행성 간 비행 등을 다루고 있지는 않으므로 이 부분에 대해서는 전문적인 문헌을 참고하기 바랍니다. 

이 책은 MKS 단위계를 사용합니다. 즉, 질량에는 kg 또는 ton, 길이에는 m 또는 km, 시간에는 초 s, 힘에는 뉴튼 N 또는 킬로 뉴튼 kN, 응력에는 파스칼 Pa를 사용합니다. 독자들이 벡터 해석과 좌표변환에 관한 기초 지식이 있는 것을 전제로 하고 있으므로 사용된 관련 공식에 설명을 추가하지 않았습니다. 구면 삼각법의 경우에는 일반적으로 잘 알려져 있다고 보기 어려우므로 사용된 공식을 책 말미 부록에 첨부했습니다. 

-저자서문-

역자 서문 iii
저자 서문 v
 

1장 우주시스템의 개요
1.1 우주시스템 2
1.2 우주시스템의 분류 3
1.3 우주환경 6
1.3.1 고고도 대기  7
1.3.2 우주방사선  10
1.3.3 운석과 우주파편  13
 

2장 우주시스템의 예시
2.1 위성 발사체  20
2.1.1 발사체의 기본구성  20
2.1.2 발사체 기체 시스템   22
2.1.3 세계의 발사체   26
2.2 인공위성  32
2.2.1 인공위성의 분류  32
2.2.2 인공위성 시스템의 기본 구성  34
2.3 우주정거장  37
 

3장 지구 모델과 좌표계
3.1 지구중력장 44
3.1.1 지구의 형상  44
3.1.2 구형체 지구의 중력 퍼텐셜  45
3.1.3 타원체 지구의 중력 퍼텐셜  48
3.2 대기의 밀도분포 51
3.3 좌표계 53
3.4 시간 59
 

4장 로켓 추진
4.1 로켓 추진과 유효배기속도 64
4.2 비추력과 총추력 69
 

5장 발사체의 운동
5.1 질량이 변하는 질점의 운동방정식 76
5.2 1단형 발사체의 성능 81
5.3 다단형 발사체의 성능 74
5.4 다단형 발사체의 최적화 93
 

6장 발사체의 위성투입운동
6.1 이륙점 고정 회전좌표계 102
6.2 이륙점 고정 회전좌표계와 기체좌표계 사이의 좌표변환 106
6.3 발사체 위성투입운동의 방정식 116
 

7장 케플러 운동
7.1 케플러 운동과 원궤도 132
7.2 운동방정식과 불변량 135
7.3 궤도 방정식 142
7.4 궤도속도의 관계식 145
7.5 타원궤도 150
7.6 위치와 시간과의 관계: 케플러 방정식 156
 

8장 3차원 케플러 운동의 기술
8.1 궤도의 6요소 164
8.2 적도좌표계를 이용한 표기 167
 

9장 발사체의 타원궤도 이론
9.1 타원궤도 방정식  172
9.2 낙하점까지의 이동 거리  176
9.3 낙하점의 경도 · 위도를 구하는 방법  181
 

10장 궤도의 섭동
10.1 접촉궤도  186
10.2 궤도요소 섭동의 기본식  188
10.3 지구의 편평성에 기반한 섭동  197
 

11장 궤도상에서의 운동
11.1 궤도의 실제 예시  206
11.2 지구 표면 궤적  213
11.3 일조조건, 가시범위, 발사 시간대역   220
11.4 호만 천이  231
11.5 궤도투입  233
 

부록
부록 1. 상수와 단위  246
부록 2. 해답  247
부록 3. 구면삼각법 공식  252
부록 4. 전세계 주요 발사체의 임무목표  254
 

참고문헌  255
찾아보기  259

지은이
도미타 노부유키(富田信之)
1938년 도쿄 출생
1960년 도쿄대학 공과대학 항공학과 졸업
전, 미쯔비시 공업(주) 나고야 항공우주시스템 제작소 우주기술부장, 지사장
도쿄공업대학 객원교수 역임
현, 무사시 공업대학 기계공학과 교수, 공학박사
 

옮긴이
안재명
서울대 항공우주공학과와 미국 MIT에서 수학하였다. 한국항공우주연구원에서 액체추진로켓 및 우주발사체 연구 개발 업무를 수행하였고, Bain & Company에서 경영 컨설턴트로 근무한 경험이 있다. 현재 KAIST 항공우주공학과부교수로 재직 중이다.
 

이기주
서울대 항공우주공학과, 미국 메릴랜드 대학에서 수학한 뒤 올드도미니언 대학에서 교수로 재직했다. 역서로는 《우주발사체공학 개론》,《로켓 컴퍼니》가 있다. 현재 한국항공우주연구원에 재직 중이다.

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