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[2020 가을호] 3 - 화성 탐사

  • 조혜인
  • 2020-10-23 16:48:06

2020 FALL 기획특집 3

화성 탐사
Space Exploration


로켓 재사용을 통해 비용 절감에 성공했다면 우주 탐사를 위해 더 많은 투자를 할 수 있겠죠?
앞서 언급한 것처럼, 민간 우주 시대를 이끈 스페이스X는 우주 비용 절감과 화성 정착을 목표로 설립되어 훗날 화성 유인 탐사와 정착을 계획 중이라고 합니다.
영화 속 이야기 같은 화성 정착이 정말 현실로 이루어질 수 있을까요?
이번 꼭지에서는 우주를 향한 발걸음, 화성 탐사에 대해 알아볼 예정입니다.
화성 탐사는 어느 시기가 적절한지, 지구를 떠난 화성 탐사선이 어떻게 지구와 통신할지, 화성 탐사 로버는 화성에서 어떤 일을 수행할지 낱낱이 파헤쳐 봅시다!

화성 탐사 시기와 호만 전이 궤도

2020년 7월. 불과 열흘 새 잇따라 3대의 화성 탐사선들이 지구를 떠나 화성을 향하고 있습니다.

- 세계 최초로 화성의 기후도를 그릴 예정인 아랍에미리트연합의 아말 Amal (7/20 발사 성공)
- 많은 양의 얼음이 있는 화성의 유토피아 평원에서 과학조사를 할 예정인 중국의 톈원 1호 Tianwen-1 (7/23 발사 성공)
- 화성 토양 샘플을 수집해 지구로의 귀환이 목표인 미국의 퍼서비어런스 Perseverance (7/30 발사 성공)

가 그 주인공인데요.

왜 하필 이 시기에 화성 탐사 릴레이가 줄줄이 이어진 것일까요?

지구를 포함한 태양계의 행성들은 태양을 중심으로 각기 다른 공전 속도로 공전하고 있기에 두 행성이 가까워지는 시기를 잘 맞추어 탐사를 진행해야 합니다.
지구에서 화성까지의 직선거리는 가장 가까울 때 약 5,500만km인데, 이 거리를 한 번에 갈 수 있을 만큼 막대한 연료를 우주선에 싣는 것은 현재 과학 기술로는 불가능합니다.
우주선에 연료를 많이 실을수록 우주선이 무거워지고 무거워진 우주선을 이동시키기 위해 연료가 더 소모되기 때문이죠.
이에 최소한의 연료를 이용해 지구에서 화성으로 도달하기 위해서 직선 경로가 아닌 경제적인 호만 전이 궤도 Hohmann transfer orbit를 이용합니다.

호만 전이 궤도는 독일의 건축가이자 과학자인 W.호만이 1925년 처음 발표한 궤도로, 서로 다른 두 원 궤도를 최소한의 에너지로 이동하기 위해 필요한 타원 궤도입니다.
우주선이 낮은 궤도에서 높은 궤도로 이동하기 위해 엔진을 점화하면서 우주선의 궤도 에너지를 추가하여 궤도 이동을 하는 것으로,
쉽게 말해 우주선이 지구 궤도에 들어선 후 가고자 하는 행성의 궤도에 진입하는 방법입니다.
호만 궤도의 장점은 단 두 번의 속도 변화만 주면, 행성의 중력을 이용해 원하는 행성에 진입할 수 있다는 것입니다.

첫 번째 속도 변화는 지구 궤도를 이탈해 빨간색 타원인 호만 전이 궤도로 진입하기 위해 우주선에 가속을 주는 것입니다.
이 순간에 32.73km/s의 엄청난 속도가 필요한데, 로켓의 엔진 동력으로는 구현이 힘듭니다.
이 문제를 해결하기 위해 모든 우주 탐사선들은 반드시 지구 공전 방향과 동일한 방향으로 발사되어야 합니다.
지구 공전 속도가 29.8km/s인데, 지구 공전 방향으로 우주선을 발사시킨다면 지구 공전 속도만큼의 초기 속도를 얻을 수 있기 때문이죠.
이에 추가로 필요한 약 3km/s는 우주선 자체의 연료로 더해주면 되는 것입니다.

지구와 화성의 공전 궤도를 잇는 호만 전이 궤도
지구와 화성의 공전 궤도를 잇는 호만 전이 궤도

두 번째 속도 변화는 호만 전이 궤도에서 화성의 궤도로 진입하기 위해 우주선의 속도를 줄여주는 것입니다.
케플러 제 3 법칙에 따라 태양에서 멀리 떨어진 행성일수록 공전 주기가 길고 공전 속도가 느립니다.
그래서 우주선을 감속하여 화성의 공전 속도와 비슷하게 만들어 화성의 중력장에 들어설 수 있게 하는 것이죠.
추진제의 분사 방향 및 세기를 조절해 속도를 줄여 나가는데, 이것이 제대로 이루어지지 않으면 유턴하여 다시 지구로 돌아가게 될 수 있기에 굉장히 중요한 과정입니다.
이렇게 경제적인 호만 전이 궤도를 이용하려면 탐사선이 발사되는 시점의 지구의 위치(초록색 점)와 탐사선이 화성에 도착할 시점의 화성 위치(빨간 점)가 그림과 같이 180도를 이루어야 합니다.
이러한 주기가 780일마다 찾아오는데, 그 시기가 바로 올해 7월 말이었던 것이죠.
왜 화성 탐사 릴레이가 진행되었는지, 이해됐나요?

화성 탐사 통신법

화성 탐사선은 우주에서 화성을 향해 나아갈 때와 화성에 착륙했을 때 지속해서 지구와 통신하여 정보를 전달합니다.
통신의 발달로 지구 반대편의 사람과도 실시간으로 소통할 수 있는 시대라지만, 지구와 화성 사이의 엄청난 거리를 두고 어떻게 탐사선과 통신할 수 있을까요?
이는 심우주 기술인 DSN Deep Space Network으로 이루어집니다.
DSN 은 NASA의 심우주 통신망으로, 전 지구적으로 설치된 초대형 안테나 모음입니다.
지구의 중심을 기준으로 120도 간격에 위치한 미국 골드스톤, 스페인 마드리드, 호주 캔버라의 분지 지형에 통신단지가 있는데요.
이는 지구가 자전하여도 24시간 내내 우주 탐사선과 지속해서 통신하기 위함입니다.


DSN을 구성하는 위성 안테나는 일반 안테나와 달리 지름이 34m, 70m 등 거대한데, 그 이유는 무엇일까요?
지구는 여러 겹의 대기층으로 둘러싸여 있는데, 이 대기층이 신호를 흡수하고 산란하여 무선 및 광통신을 방해합니다.
따라서 30MHz - 30GHz 사이 영역의 주파수가 심우주 통신망으로 이용되는데, 그중에서 2 ~ 4 GHz 대역의 S 밴드와 8 ~ 12GHz 대역의 X 밴드를 위성 통신에 주로 사용합니다.
안테나의 크기는 이런 주파수와 연관이 있습니다.
예를 들어 12GHz의 주파수를 사용하면 1초 동안 120억 번 진동했다는 것이고 이를 빛의 속도로 나누면 진동 한 번의 길이인 파장을 구할 수 있습니다.
안테나 안에 파장이 얼마나 들어가느냐에 따라 수신하는 전파의 세기가 조절됩니다.
즉 안테나의 구경이 커질수록 많은 파장이 들어오고, 따라서 수신하는 전파의 세기가 강해져서 약한 전파를 인식할 수 있고 통신 범위가 넓어지게 되는 것이죠.

그러나 구경이 클수록 늘 좋은 안테나가 되진 않습니다.
심우주 통신망에 사용하는 주파수는 앞서 언급한 S 밴드, X 밴드로 일상 속 FM 라디오의 주파수대역이 88 ~ 108MHz인 것과 비교하면 주파수 대역이 굉장히 넓은데요.
대역폭이 넓은 주파수일수록 안테나가 받는 전파량이 많아지는데, 안테나가 클수록 구조상 전파가 모이는 가운데 지점이 좁아 제 기능을 하지 못하기 때문입니다.
이렇듯 적절하게 큰 DSN 안테나로 지구에서 수천 광년 떨어진 천체를 포착하거나 화성 탐사선과 통신하는 등, DSN은 없어서는 안 될 우주의 통신망으로 자리 잡고 있습니다.

화성 탐사 로버의 기술

많은 노력 끝에 화성 탐사선이 지구에서 발사되어 화성에 도착했다면 어떠한 기술들을 이용해 화성에 착륙하고 연구를 진행할까요?
미국의 화성 탐사 로버인 ‘퍼서비어런스’를 통해 화성 탐사 로버 속 기술을 알아봅시다! 화성 탐사 임무 중에서 화성의 지표면에 착륙하는 과정은 화성의 궤도에 진입하는 것보다 어려워 마의 8분이라고 불릴 정도로 성공하기 힘든 과정입니다.
화성은 지구보다 대기가 훨씬 얇아 지구 대기압의 1/160배밖에 되지 않는 대기압을 가져 착륙선이 충분히 감속할 수 없기 때문입니다.
이를 보완하기 위해 착륙 제어를 수행할 소프트웨어와 하드웨어 기술이 필요한데,
화성의 지형과 기상을신속하게 파악하고 분석해 가장 안전한 낙하 경로와 착륙 지점을 조정하는 지형 비교 항법 Terrain-Relative Navigation이 이번 퍼서비어런스의 미래형 기술입니다.
또한 화성 대기를 뚫고 로버가 착륙하는 과정에서 대기 정보를 측정하는 화성 진입·하강·착륙 과학 실험실 장치 2 MEDLI 2로 화성 유인 탐사 때 그 정보를 활용합니다.
화성에 무사히 착륙하였다면, 화성의 지형을 탐사하기 위해 장착된 어댑티브 캐싱 어셈블리 Adaptive Caching Assembly라는 드릴을 갖춘 로봇팔로 화성 토양의 샘플을 수집하고, 수집한 샘플을 분류 체계에 맞춰 튜브에 넣는 일을 합니다.
또한, 함께 장착된 샘플 핸들링 어셈블리 Sample Handling Assembly라는 로봇팔은 수집된 샘플을 검사하고 샘플을 밀봉하는 작업을 수행합니다.


그 밖에도 화성 대기의 이산화탄소에서 산소를 뽑아 로켓 추진 연료와 호흡용으로 사용할 수 있는지 확인하기 위한 화성 산소 현장 자원 활용 실험 MOXIE을 진행할 예정이며,
화성 탐사 로버 퍼서비어런스에 함께 실린 1.8kg의 소형 헬리콥터 인저뉴어티 Ingenuity는 화성에서 첫 동력 비행을 시도하여 주행 경로와 착륙 지점을 정찰합니다.
분량상 미처 담지 못한 피서비어런스의 많은 기술이 있는데, 로버의 성공적인 화성 탐사 임무를 위해 얼마나 많은 학자의 노력이 들어갔을지 놀라울 따름입니다.

이번 기획특집에서는 다가오는 민간 우주 시대를 맞아 로켓의 원리와 재사용, 화성 탐사에 대해 알아 보았습니다.
이 글을 읽고 난 후, 막연하기만 했던 우주 탐사가 여러분에게 과학적 흥미와 즐거움으로 다가오면 좋겠습니다!
훗날 민간 우주 산업이 더욱 성장하여 화성뿐만 아니라 더 넓은 우주를 탐사할 수 있길 바라며 글을 마칩니다

ALIMI 25기 화학공학과 조혜인

포스텍과 알리미를 사랑하는 25기 조혜인입니다! 포스텍에 대해 궁금증이 있는 친구들 부담 가지지 말고 언제든 연락 주세요!!

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