[과학의 달 특별 칼럼] 소행성 탐험대 미국의 돈(Dawn) 무인 탐사선

채연석 교수|과학기술연합대학원대학교

 

미국 항공우주국(NASA)은 화성과 목성사이에서 있는 소행성대 중에서 크기가 큰 베스타(Vesta)와 세레스(Ceres)를 탐사하기위해 2007년 9월 27일 델타4 우주로켓으로 무게 1,250kg의 탐사선 돈(Dawn)을 발사하였다. 베스타는 태양계 초기에 형성된 원시 행성으로 지름은 530km 태양과의 평균거리는 2.36AU(1AU는 태양과 지구의 거리로 1억50,000,000km임)로 3.63년에 한 번씩 태양을 돌고 있으며 자전주기는 5.34시간이다. 평균밀도는 3.42g/cm3 이다. 세레스는 소행성대에 있는 유일한 왜행성이다. 지름은 975km이고 태양과의 평균거리는 2.76AU로 4.6년에 한 번씩 태양을 돈다. 자전시간은 9시간이다. 평균밀도는 2.07g/cm3이다.

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[그림] 돈(Dawn) 무인 탐사선 [사진제공=NASA]

미 항공우주국은 돈 탐사선에 이온(ion) 추력기를 부착해서 오랫시간 추력을 발생하여 탐사선의 속도를 가속시켜 두 소행성의 궤도에 머물며 소행성을 관측하는 특별한 계획을 세웠다. 그동안의 무인 탐사선은 행성을 지나가며 몇 시간정도만 관측하여 충분한 관측을 할 수 없었다. 한 탐사선으로 두 소행성을 탐사하려는 것이다.

돈탐사선_비행궤도(채)

[그림] 돈탐사선_비행궤도

발사된 돈 탐사선은 우선 화성으로 향했다. 화성까지 갈 때는 호만(hohmann)궤도를 선택하였다. 호만 궤도는 최소한의 연료로 지구에서 다른 행성을 탐사할 때 가장 경제적으로 갈 수 있는 궤도로 지구의 공전 궤도와 갈려고 하는 화성의 공전궤도 사이에 타원궤도를 만들고 그 궤도를 따라서 다른 화성에 가는 것이다. 지구를 떠난 탐사선은 2009년 2월 17일에는 이온 엔진을 이용해서 화성에 549km까지 접근하며 화성의 중력을 이용해서 초속 2.6km를 가속시켰다. 그리고 2011년 7월 16일 소행성 베스타의 궤도에 도착하였다. 지구에서 보낸 탐사선이 최초로 소행성의 궤도에 진입한 것이다. 2012년 9월 5일 이온엔진을 이용하여 베스타 궤도를 벗어나 세레스로 향했다. 화성에서 베스타로 갈 때 그리고 베스타에서 세레스로 갈 때도 호만 궤도를 이용하였다. 돈 탐사선은 2015년 3월 6일, 43억 km를 7년 5개월 동안 날아 세레스에 도착하였다.

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[그림] 베스타의 궤도에서 돈이 촬영한 베스타의 모습. 2011년 7월 17일 촬영

돈 탐사선은 베스타와 세레스의 궤도에 진입하고 탈출하기 위해 특수한 고성능 이온 추력기(소형로켓엔진) 3개를 달고 있다. 이온 추력기는 딥 스페이스 1호에 사용했던 NSTAR를 개량한 것으로 직경은 30cm 인데 90mN의 추력을 만들어 낼 수 있으며 성능은 비추력이 3,100초이다. 연료는 비활성기체인 제논(Xenon)을 사용한다. 제논의 이온을 자장을 이용해서 가속시켜 추진하는 방식으로 이온의 질량은 작지만 속도가 빨라 미래에 먼 우주를 비행할 때 이용할 수 있는 로켓엔진이다. 엔진의 성능은 비추력으로 표시하는데 3,100초라는 것은 1g의 추진제(연료)를 이용해서 3,100gf의 추력을 발생시킬 수 있는 성능이라는 뜻이다. 우주왕복선에 사용한 액체산소를 산화제로 사용하고 액체수소를 연료로 사용하는 로켓엔진의 경우 비추력이 453초인 것과 비교하면 7배정도 성능이 뛰어난 것이다. 이 추력기의 경우 추력을 작지만 연소시간을 길게 할 수 있는 것이 장점이다. 돈 탐사선은 5.5년 동안 이온 로켓엔진을 이용해서 비행속도를 초속 10.72Km를 더 크게 증가시켰다.

우주선에 필요한 전기를 만들 때 화성보다 먼 곳을 우주탐사 할 때는 태양빛의 강도가 낮아 태양전지의 효율이 떨어져서 일반적으로 태양전지판을 잘 사용하지 않는다. 돈 탐사선에는 효율이 좋은 폭 2.3m, 길이 8.3.m짜리 삼중 갈리움 아세나이드 태양전지판을 2개 사용하였다. 아래부분에 3개의 이온 엔진이 장착되어 있고 하이드라진을 연료로 사용되는 추력 0.9N의 추력기 12개도 달려있다. 이온 로켓 엔진에 사용할 연료를 425kg 갖고 갔는데 이중 275kg은 베스타에 접근하기위해서 사용되었고 110kg은 세레스에 접근하기위한 것이다.

돈 탐사선의 길이는 2.36m이며 탑재물은 과학적인 목적의 광학사진을 찍기위해 독일 우주 센터(DLR)와 막스 플랑크 연구소에서 개발한 프레이밍(Framing) 카메라와 베스타와 세레스의 기본 조성을 측정하기위해 미국 로스앨러모스 국립 연구소에서 개발한 감마선과 중성자 분광기, 두 소행성의 표면에서 광물질을 촬영하기 위해 이탈리아 우주국에서 개발한 가시광선 및 적외선 지도작성 분광기를 싣고 있어 국제공동 소행성탐사선인 것이다.

소행성에 탐사선 돈을 보낸 목적은 암석덩어리 상태의 원시행성인 베스타와 얼음이 표면에 있는 원시행성인 세레스를 탐사하여 지구 탄생에 관한 자료를 얻기 위함이다. 뿐만 아니라 두 소행성의 탐사를 통해 태양계의 초기 형성과정과 조건 그리고 특징을 알아내는 것도 큰 목적이다.

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[그림] 우주선 돈 호가 올해 2월 19일 4만6000킬로미터 떨어진 거리에서 촬영한 세레스의 표면 모습. 거대한 분지 안에서 밝게 빛나는 두 점이 식별된다. [사진제공=NASA]

베스타에서 많은 자료를 얻은 돈 탐사선은 이제 마지막 탐사지역인 세레스의 궤도에 성공적으로 진입하였다. 앞으로 점차적으로 궤도를 낮추며 본격적으로 세레스를 내년 초까지 관측하게 될 것이다. 세레스에 접근하며 촬영한 최근의 사진에서 밝게 빛나는 점이 2곳이 관측되어 벌써부터 많은 관심을 끌고 있다.

 

채연석 과학기술연합대학원대학교 교수 프로필
채연석사진1 채연석 (과학기술연합대학원대학교 교수)
(전)한국항공우주연구원 원장
신기전 발견 및 복원자
액체추진제 과학로켓(KSR-3) 사업책임자