- 2019년 3월 29일

[지식더하기] 심우주 항해의 기술

옛날부터 현재까지, 우주에 대한 관심은 끊이질 않고 있습니다. 선사시대의 사람들은 밤하늘을 보며 천체에 대해 이야기나 지었고, 자연재해가 일어나면 그 까닭을 우주와 연관지어 생각했죠. 당시 탐사할 수 없었던 우주는 다양한 지역의 고대인들에게 그림으로 남겨져 있습니다.

과학기술이 발달하고 발사체들이 제작됨에 따라 인류는 우주를 탐사하기로 결심했고 수많은실험과 실패의 끝에 여러 탐사선들이 지구 밖을 누리고 있습니다. 그 탐사선들은 지구에서 어떻게 다른 천체들로 이동했을까요? 그냥 천체에 대한 좌표를 설정한 다음 추진력을 가하면 안되나고 단순히 생각할 문제가 아닙니다. 우주상에는 지도가 없을뿐더러, 네비게이션이 있어 길을 안내해 줄 수 있는 것도 아니니깐 말입니다. 그렇다면 탐사선들은 어떻게 우주를 항해할까요?

심우주 항해 네비게이션의 기능

우주탐사선들은 자체적으로 우주를 항해할 수 있는 네비게이션을 탑재하고 있습니다. 현존하는 항법 장치들-도플러 효과, Delta-DOR-와는 다르게, 앞으로의 항법 장치들은 행성대기의 바람, 혜성의 가스분출, 높은 복사같은 환경에도 자동으로 반응하고 여러 개의 탐사선을 동시간에 안내하는 기능을 가지게 될 것입니다. 심우주 항해 네비게이션(Deep Space Navigation)(이하 DSN)으로 불리는 항법 장치는 세가지 기능을 통해 탐사선의 궤도를 결정합니다.

탐사체의 위치와 속도분석
항해로의 정확성 검사
행성 접근 후 탐사체의 속력 조절

지구의 운동과 궤도 변수들은 잘 알려져있기 때문에, 지구에서 보이는 탐사체의 운동은 궤도 결정때 필요한 태양 중심 궤도 변수들로 전환될 수 있습니다. 태양 중심 궤도 변수로 변환되는 상수들은 지구와의 거리, 지구 방향쪽 속도 성분, 그리고 지구 하늘에서의 위치등이 있습니다.

태양 중심 궤도 변수로의 변환-속도

DSN은 이러한 변환들과 위 두가지 기능을 이용하여 탐사선의 궤도를 결정합니다. 이때 사용되는 소프트웨어는 다양한데, NASA의 JPL(Jet Propulsion Laboratory)에서는 MONTE( Mission-Analysis Operations Navigation Toolkit Environment )라는 도구를 이용합니다. 그럼 다음 소단원들에서 DSN의 두가지 기능에 이용되는 기술과 그 원리를 알아보도록 합시다.

탐사체의 위치와 속력에 대한 예측-Deep Space Positioning System

DSN의 첫번째 기능인 탐사체의 위치와 속력을 관측하기 위해 NASA가 개발한 것이 DPS입니다. DPS는 심우주 위치 장치로, 탐사체의 위치와 속력을 측정할 수 있는 장치입니다.

Deep-Space Positioning System (DPS)

NASA의 DPS는 기존에 있던 X-ray 항법장치에 비해서 훨씬 효율적입니다. 기존의 X-ray방식이 태양, 지구혹은 특정 천체에 대한 상대적인 위치와 속도를 제공할 수 없었다면, NASA의 DPS는 표적에 상대적인 위치와 속도를 측정할 수 있는 독특한 기구입니다.

DPS는 여러 각도의 카메라들, 실로스탯(coelostat), 수신기와 안테나를 이용하여 탐사선의 위치를 태양계 내 천체들의 이미지나 도플러 관측이 가능한 다른 물체에 대하여 결정합니다. 는 DPS는, 기구를 가능한 작고 가볍게 만들기 위해 안테나와 실로스탯를 간단한 메커니즘으로 연결했습니다. 추가적으로 생성되는 무게나 부피는 여러 각도의 카메라들이 precise field를 공유하여 줄입니다. DPS의 가장 큰 장점은 네비게이션 데이터제공에 여러 기기를 사용하는 다른 기구와는 달리, 운동분석과 네이게이션 데이터제공을 동시에 할 수 있다는 점입니다.

항해로의 정확성 검사-Deep Space Atomic Clock(DSAC)

많은 탐사들, 특히 중력도움을 사용하는 임무의 경우는, 아주 작은 전달오류도 본체에 역학적으로 큰 영향을 줄 수 있으므로 매우 정확한 안내가 필요합니다. 지구에 있는 원자 시계는 지구와의 양방향 데이터교신(ground-generated two-way data) 시간측정으로 여태까지의 우주탐사에 이용되고 있습니다. 그러나 이러한 방식의 시간 측정은 행성 간 이동 탐사에서 정확한 주파수와 시간 간격을 생성해 낼 수 없었습니다.

Deep Space Atomic Clock(DSAC)

그러나 이러한 문제점은 최근에 해결되었습니다. NASA의 JPL이 아주 작고 가벼운 원자시계를 탐사선내에 장착시키는데 성공했기 때문입니다. 수은이온-가둠 기술(Mercury-ion trap technology)을 이용하는 DSAC은, 양방향 데이터통신이 아닌 단방향 추적 데이터 교신(one-way radio metric tracking data)을 통해 향후 DSN이나 탐사에 도움이 되는 새로운 시간 측정과 정확한 주파수를 마련하였습니다. 실제로 양방향 네비게이션(two-way navigation)보다는 단방향 네비게이션(one-way navigation)이 2~3배 더 많은 데이터의 양을 10배나 정확하게 전달을 합니다. 이로서 DSAC은 더 효율적이고, 융통성있고, 확장가능한 단방향 네비게이션을 가능하게 하였습니다.

행성 접근 후 탐사체의 속력 조절

마스 옵저버, 마스 클라이미트 오비터, 마스 폴라랜더등 행성까지의 접근은 잘해놓고 마지막 착륙 및 궤도 진입에서 실패하는 탐사선들이 셀 수 없이 많습니다. 그렇다면 행성에 접근한 뒤에는 DSN이 하는 일이 없을까요?

행성 접근에서의 DSN의 역할

DSN을 이용하여 행성 근처까지 탐사선이 이동하면 이제 행성을 스치거나/ 궤도에 안착하도록 엔진을 추진시켜 속력을 조절시켜야 합니다.

행성 스침(Flyby/Orbit Insertion)의 경우 계획했던 위치와 시간에 접근 해야합니다. 행성을 근거리에서 관찰하기 위해 실시간으로 행성의 운동상태를 관찰하고 그것을 토대로 접근궤도를 예상합니다.

행성의 궤도에 안착(Orbiter)할 때는 두 가지 방법이 있습니다.

첫번째는 안전한 방법으로 자체의 로켓을 이용하여 속력을 줄이는 방법입니다. 탐사선의 화성에 대한 상대적인 속도가 목표하는 궤도의 점을 향하도록 추력을 가합니다. 그 뒤 찌그러진 타원 궤도를 돌면서 여러번 감속하면 원 모양으로 돌 수 있습니다.

두번째는 위험해서 잘 쓰이지 않는 방법이지만, 효율적이라서 첫번째 방법과 동시에 사용하는 경우도 많습니다. 대부분의 태양계 내 행성 탐사선들은 태양광 판(Solar panel)을 달고 있습니다. 첫번째 방법이 추력으로 엔진을 이용했다면 두번째 방법은 태양광 판과 대기와의 저항력을 추력으로(Aerobraking) 사용합니다. 물론 열발생을 고려해야 하지만, 연료를 쓰지 않고 탐사선의 궤도를 조정할 수 있는 가장 효율적인 방법입니다. MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)나 Mars Global Surveyor이 공력제동을 이용해 궤도진입에 성공하였습니다.

공력제동(Aerobreaking)중인 MRO

Aerobraking Trajectory

맺음말

DSN은 우주 탐사에 있어서 필수불가결한 기기입니다. 우리나라 어느 곳이던 네비게이션을 켜고 찾아갈 수 있는 것처럼, 우주에서도 DSN을 이용하면 원하는 좌표에 찾아갈 수 있을 것입니다. 하지만 우주선(cosmic ray)에 의한 기기의 손상방지등 아직 보정하고 향상시켜야 하는 부분이 많습니다. 미래에는 Mars, Victoria crater 이라고 치면 자동으로 갈 수 있었으면 좋겠습니다!

필요한 피직스 2019 봄호

작성자: 19-098 정인환

분야: 천문, 우주과학

참고문헌:

[1] Jet Propulsion Laboratory-Deep Space Navigation(제트추진연구소)

https://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/research/research-topics-list/communications-computing-software/deep-space-navigation

[2] National Aeronautics and Space Administration-Deep Space Positioning System(미항공우주국)

https://technology.nasa.gov/patent/NPO-TOPS-26

[3] 마션 지오그래피, 붉은 행성의 모든것, 자일스 스패로, 허니와이즈

이미지:

[1]http://wouldyoulike.org/wp/wp-content/uploads/2016/02/1-2.png

[2]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/Orbital_state_vectors.png