항공우주산업기술동향 11권 2호 (2013) pp. 150~161
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산업동향(기술동향)
달 및 행성탐사 과학임무 기반 중적외선 분광기 사양분석
김어진
*, 서행자*, 김주현*, 이주희*1)2)
Analysis of the specifications of the Mid-wavelength
Infrared spectrometers based on the science purposes
of the lunar and planetary explorations
Eojin Kim
*, Haingja Seo*, Joo Hyeon Kim*, Joo Hee Lee*
ABSTRACT
In this paper we analyzed the specifications of the Mid-wavelength infrared spectrometers onboard the
lunar and planetary missions. Infrared spectrometers onboard lunar and planetary missions have used
practically for the observation of surface and atmospheric compositions of planets. In particular it is
possible to detect H2O(ice), CO2, CH4, HDO spectrum in the range of 3-5 micrometer. OMEGA and PFS
onboard Mars Express and CRISM onboard MRO for Martian exploration and VIMS onboard Cassini,
VIRTIS onboard ROSETTA, HRI-IR onboard Deep Impact are the examples of mid-wavelength infrared
spectroscopic payload.
3-5 ㎛ wavelength spectrometer hasn't developed yet in Korea and performed onboard lunar orbiter so
these spectroscopic measurements will be a complementary to the near-infrared observations of past lunar
missions. In this study we propose the requirements and specifications of the mid-wavelength infrared
spectrometer according to the scientific purpose.
초 록
달 및 행성탐사선에 탑재된 적외선 분광기는 태양계 행성들의 지표 및 대기 성분 관측을 위해 널리 활용되
고 있다. 적외선 분광기 관측 영역 중 3-5 ㎛ 파장 대에서는 행성의 지표 및 대기에 존재하는 물(얼음), 이산화
탄소, 일산화탄소, 메탄, 중수와 같은 여러 성분의 분광선 관측이 가능하다. 3-5 ㎛ 파장대역을 관측한 해외 탐
사선 탑재체 사례로는 화성의 경우 마스익스프레스에 탑재된 OMEGA와 PFS, MRO 탑사선의 CRISM, 토성
탐사선 카시니의 VIMS, 소천체 탐사선 ROSETTA의 VIRTIS와 딥임펙트의 HRI-IR 등이 해당된다.
*
김어진, 한국항공우주연구원 융합기술연구소 달탐사연구실 우주과학팀
jinastro@kari.re.kr
*
서행자, 한국항공우주연구원 융합기술연구소 달탐사연구실 우주과학팀
hseo@kari.re.kr
*
김주현, 한국항공우주연구원 융합기술연구소 달탐사연구실 우주과학팀
kl0630@kari.re.kr,
*
이주희, 한국항공우주연구원 융합기술연구소 달탐사연구실 우주과학팀
jhl@kari.re.kr
김어진 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 150~161
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3-5㎛ 파장대역의 분광기는 국내에서 개발 사례가 없으며 해외에서도 달 탐사선에 탑재된 바가 없어 달 얼
음과 관련된 다른 파장대역의 자료와 상호보완이 가능한 자료를 제공할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 달
및 행성탐사를 위한 3-5 ㎛ 파장 영역을 탐사하는 적외선 분광기의 요구사양을 그 과학임무에 비추어 제안하
고자 한다.
Key Words : MWIR, Mid-IR spectrometer, lunar exploration, planetary exploration
1. 서론
중적외선(MWIR, Mid-Wavelength Infrared)은 일
반적으로 3-8 ㎛ 범위에 해당하는 적외선 영역을 의미
한다. 그 중에서 3-5 ㎛에 해당하는 파장대역은 적외선
영역 대기창으로(그림 1) 지상용으로는 산업, 군사용
으로 사용된다. 적외선 분광기는 달 및 행성탐사선의
중요 탑재체로 여러 탐사선에 탑재되었고 주로 행성
표면에서 반사되는 적외선 분광라인을 관측하여 행성
지질과 대기의 성분 연구에 활용된다. 과거 우주탐사
선에 탑재되었던 3-5 ㎛ 영역의 중적외선 분광기기는
주로 대기를 가진 행성이나 위성, 소행성, 혜성의 물
(얼음), 이산화탄소(구름), 메탄, 또는 먼지와 같은 성
분들을 관측하였다.
자료 : www.astronomy.ohio-state.edu
그림 1. 적외선 영역 파장별 대기투과율
달에 물이 존재하는지 여부를 확인하기 위해 극지
방 영구동토지역을 관측한 찬드라얀-1 탐사선의 M
3의
경우 3 ㎛ 파장대역까지 관측가능하다. 이 경우 중심
이 3.1 ㎛에 걸쳐있는 물 얼음의 분광선을 완전하게 얻
을 수 없어 달에서의 얼음의 존재여부에 대한 충분한
정보를 얻을 수 없다. 토성 탐사선인 Cassini에 탑재된
VIMS나 혜성 탐사선 딥임펙트에 탑재된 HRI-IR의 경
우 달을 경유하면서 중적외선 파장대역을 관측한 예가
있으나 달 탐사선에 직접 탑재되어 활용된 예는 없다.
화성의 경우 마스익스프레스 탐사선에 탑재된
OMEGA, PFS와 MRO 탐사선에 탑재된 CRISM이 대
표적인 중적외선 분광기이다. 소행성 탐사선
ROSETTA에는 VIRTIS 분광기가 탑재되었다. 3-5 ㎛
에 해당하는 중적외선 분광기는 과거 달탐사에 활용된
예가 없으며 다른 용도로도 국내에서 개발된 예가 없
다. 중적외선 분광기의 개발은 해외 탐사선과의 협업
을 가능케 할 것이며 국내 개발 경험의 영역을 넓힐 수
있는 기회라고 예상된다(김주현 외, 2013).
현재 지상에서 달 및 행성 관측에 활용되는 적외선
분광기는 분해능이 R~10,000 이상의 고분해능 분광기
가 존재하나 탐사선에 탑재하기에는 너무 크고 무겁
다. 탐사선 탑재 분광기의 경우 분해능은 OMEGA의
경우 R~100 정도로 낮으나 탐사선이 달 표면에서 100
km 이내의 고도에서 관측한다는 점에서 공간분해능
이 지상에 비해 월등히 좋다. 달 및 행성 탐사선에 탑재
되는 분광기의 경우 과학적인 목적에 적합한 분광분해
능과 같은 여러 요구사양을 갖추면서도 탐사선에 탑재
를 위해 요구되는 사항들을 만족해야한다. 본 논문에
서는 과학목적을 기반으로 한 요구 사양들을 분석하여
향후 한국항공우주연구원에서 계획된 달 탐사는 물론
더 나아가 행성 및 소행성 탐사 시 탑재 가능한 중적외
선 분광기의 사양을 제안하고자 한다. 2 장에서는 중적
외선 분광기로 관측 가능한 과학임무 대상에 대해 소
개하였다. 3장에서는 실제 탐사선에 탑재되어 성공적
으로 관측을 수행한 해외 근적외선/중적외선 분광기
사례의 사양을 비교 분석하고 4장에서는 이를 바탕으
로 한 제안가능한 분광기 사례를 제안하겠다.
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김어진 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 150~161
자료 :
Mumma et al., 2003
그림 4. NASA IRTF 관측한 화성의 H2O와 HDO 분광선
자료 : NASA
그림 2. 찬드라얀-1/M
3로 관측된 극지방 얼음
2. 달 및 행성탐사 적외선 과학
현재까지 3-5㎛ 파장대역을 관측하는 중적외선 분
광기는 여러 우주 탐사선에 탑재되어 성공적으로 연구
를 수행하였다. 중적외선 분광기로 관측 가능한 연구
대상으로는 H2O, CO2, CH4, 먼지 등이 있다. 실제 탐
사선에 탑재되어 관측한 결과를 바탕으로 과학임무를
소개한다.
2.1 H2O(얼음)와 HDO
달 및 행성 탐사에 있어서 존재 여부에 대해 가장 많
은 관심을 많이 받는 성분은 바로 물 또는 얼음이다. 실
제 달이나 행성에서 관측되는 물은 얼음의 형태로 존
재할 가능성이 높다. 달의 경우 양극의 영구음영지역
(PSR; Permanent Shadow Region)은 얼음이 존재한다
고 알려져 있다. 그러나 달 궤도선 및 착륙선에는 3-5
㎛ 파장대역을 측정한 탑재체가 없었고 찬드라얀-1 탐
사선에 탑재된 M
3은 OH 자료를 제공하여 물의 존재
를 추정하였다(그림 2).
다만 Cassini 탐사선에 탑재된 VIMS와 혜성 탐사선 딥
임펙트에 탑재된 HRI-IR의 경우 각각 목성과 혜성으
로 가는 도중에 달을 경유하면서 달의 일부 지역을 짧
은 기간 관측한 3-5 ㎛ 영역 적외선 분광 자료를 제공
한다(그림 3). 즉 달의 3.1 ㎛ 얼음 흡수선 자료가 많이
부족하다는 의미이다. 물 분광선 관측은 화성이나 행
성의 위성의 경우 물과 얼음 연구를 위해 탐사선에 탑
재되었고 소행성의 경우 H2O의 흡수선이 3.05, 3.3-3.5,
3.9 ㎛ 파장대역에서 관측되었다(Rivkin et al., 2006).
또한 소행성 Themis에서는 물과 유기물이 함께 발견
되었다.
자료 : Sunshine et al., 2009
그림 3. 딥임펙트 HRI/IR에서 관측한 달 자료
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자료 : JPL
그림 5. MRO가 관측한 화성 CO2 구름과 강설지역
자료 : Webster et al., 2013
그림 7. 화성 큐리어서티 로버
12CH4, 13CH4 자료
자료 : Maattanen et al., 2010
그림 6. 마스익스프레스/OMEGA 화성 CO2 분광자료
D/H 비율은 화성의 경우 화성 이화토 운석의 연대
결정, 화성 물의 진화 예측, 대기 모델 구축에 매우 유
용하다. 지금까지 알려진 것으로는 화성이 지구보다
D/H 비율이 최대 5배 높다. 수소에 비해 중수소가 탈
출할 확률은 현재 32% 정도이고 탈출률은 양쪽 반구
에서 다르게 나타난다. 이는 극관의 평균 온도차로 인
해 HDO가 묶여있는 정도가 다르기 때문이다. 그림 4
에 보이는 바와 같이 화성에서 HDO와 H2O의 분광선
은 나사에서 운영하는 IRTF 망원경의 CSHELL을 이
용하여 관측되었다. HDO 흡수선들은 3.67 ㎛ 파장대
역에서 나타난다. CSHELL은 R~10,000 이상의 고분해
능 분광기로 과거 달 탐사선 적외선 탑재체들에 비해
분광분해능이 매우 높다(Mumma et al., 2003).
2.2 이산화탄소(CO2)
화성 대기의 대부분을 차치하는 이산화탄소는 화성
의 기상 및 기후변화를 연구하는 주된 성분이다. 겨울
극지방의 표면에 얼음으로 존재하고 대기층에서 온도
가 가장 낮은 고도에 구름으로 존재한다고 알려져 왔
다(그림 5). 최근 연구에 의하면 여름의 적도지역 높은
고도에서도 CO2 구름이 존재하고 계절이 상관없이 관
측되어 이제까지 알려진 대기모델로는 이러한 구름의
예측이 어렵고 추가적인 관측이 요구되고 있다. 그림 6
에 나타난 바와 같이 마스익스프레스에 탑재된
OMEGA로 관측된 화성 CO2 분광자료는 4.26㎛를 중
심으로 나타난다(Maattanen et al., 2010).
2.3 메탄(CH4)
지구 대기 중에 존재하는 메탄의 90% 이상은 생물
학적으로 생성되고 분광기로 쉽게 관측된다. 이처럼
생명체에 기원한 메탄의 발견을 통해 화성의 유기물
흔적으로 찾으려는 노력이 시도되어왔다. 화성의 경우
대기 중의 메탄은 지질학적으로나 생물학적으로 존재
하거나 외부에서 유입되어 존재할 것으로 예측되어왔
고 지난 십 년간 지상 관측 및 마스익스프레스 궤도선
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자료 : Maattanen et al., 2009
그림 9. 찬드라얀-1/SIR-2 구조
의 PFS와 같은 분광자료로 그 존재가 보고 되어왔다.
최근
큐리어서티
로버에서
SAM(Sample
Analysis at Mars)을 이용하여 관측한 게일 크
레이터 지역의 샘플 분광자료를 통해 그림 7에 나타
난 것처럼 3.3 ㎛ 근방에서
12CH4와 13CH4의 관측이 보
고되었다(Webster et al., 2013).
2.4 먼지
먼지는 달 및 행성 탐사 유/무인 탐사활동에 있어서
기기 및 인체의 건강에 큰 영향을 미칠 수 있는 요소로
1~5 ㎛ 크기의 미세먼지가 생성되고 변화하는 과정과
이동원리와 같은 물리적 영향을 연구하는데 활용된다.
그림 8은 화성탐사선 마스익스프레스에 탑재된
PFS(Planetary Fourier Spectrometer)로 관측된 화성
대기의 CO2 분광선의 반사도와 밝기 온도의 양상이
화성 먼지폭풍이 발생하기 이전과 이후에 어떻게 변화
하는지를 잘 보여주는 예이다(Maattanen et al., 2009).
자료 : Maattanen et al., 2009
그림 8. MEX/PFS로 관측한 먼지폭풍 이전과 이후의
화성 CO2 비교 관측자료
3. SWIR/MWIR 분광기 탑재 사례
달의 경우 찬드라얀-1 탐사선의 M
3의 경우 3 ㎛까지
의 영역을 관측하였으며 다음에 소개되는 경우들은 목
성 및 소행성으로 탐사선이 가는 도중에 달을 경유하
며 잠시 관측했던 예이다. 상대적으로 소형/경량의 참
고할 만 한 달 탐사 근적외선(SWIR) 분광기와 행성 및
소행성 탐사에 활용된 MWIR 분광기 사양에 대해서
소개하겠다.
3.1 SIR-2(찬드라얀-1)
SIR-2는 SMART-1 탐사선에 탑재되었던 SIR 탑재
체를 기반으로 제작된 경량화, 모듈화, 초소형화 근적
외선 격자형 분광기이다. 그림 9에 보이는 것처럼
SIR-2는 망원경, 센서-헤드-방열판-유닛, 전자부로 이
루어졌다. SMART-1 탐사선에 비해 이심률이 더 큰 타
원궤도로 인해 SIR-1에 비해 방열판 크기가 커졌고
열전냉각기가 개선되었다. 망원경 광학계는 알루미늄
으로 만들어졌고 외부는 이리다이트로 코팅되었고 내
부는 Z306을 포함한 검정으로 도색되었다. 전단광학
부의 초점거리는 180 mm이고 F/2.5이다. 주반사경,
즉 조리개 지름은 72 mm로 off-axis 포물 거울이고 두
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자료 : Yamamoto et al., 2011
그림 10. (a) SELENE/SP 구조, (b) SP 광학시스템
거울은 알루미늄 재질에 금으로 코팅되었다. 두 번째
거울에서 반사된 빛은 석영 광섬유로 모인다. 광섬유
중심부 지름은 400 ㎛으로 이에 의해 시야각 2.22
mrad (0.127°)이 결정된다(Mall et al., 2009).
3.2 Spectral Profiler(셀레네-1)
SP는 가시광-근적외선 분광기로 일본 달탐사선 셀
레네-1에 탑재되었고 달 표면의 미네랄 화학성분 분포
관측이 목적이다. 그림 10과 같이 초점거리 125 mm,
F/3.9인 카세그레인식 전당광학부와 두 개의 평면 회
절결자와 VIS, NIR1, NIR2 검출기로 이루어졌다. 슬릿
을 거쳐 두 분광기로 빛이 나눠지고 NIR2는 1.7-2.6 ㎛
영역을 관측하며 128 픽셀 InGaAs 검출기로 관측한
다. 분광 분해능은 8nm이고 열적 잡음을 줄이기 위해
3단계로 전자식 펠티어 디바이스로 243 K로 온도를 낮
춘다. 카세그레인식 망원경에 체르니-터너 방식 분광
기 디자인을 적용하였다. 시야각은 0.23°로 달 표면에
서 130 km 고도에서 달 표면에서 500 m 정도이다. 순
간시야각은 50×500 m이고 관측 간격은 90 ms이다. 전
체 시스템 무게는 8 kg이고 전력사용량은 38 W이다
(Yamamoto et al., 2011).
3.3 VIMS(카시니)
토성탐사선 카시니가 달을 경유하는 동안 VIMS
(visual and infrared mapping spectrometer)를 이용
하여 달의 중적외선 자료가 관측되었다(그림11). 대기
성분과 표면 미네랄 성분 관측이 목적으로 표면과 대
기에서 산란 및 방출되는 빛을 측정한다. VIMS의 관측
영역은 0.3-5.1 ㎛으로 적외선 관측기인 VIMS-IR은
0.85-5.1 ㎛ 영역을 관측한다. 분광 샘플링은 16.1
nm/spectral은 256 밴드이다. 전체 시야각은 64×64픽
셀(32×32 mrad)이고 순간시야각은 0.25×0.5 mrad이
다. 그림 12은 VIMS-IR 구조를 보여준다. 갈릴레오 탐
사선의 NIMS 기기의 광학구조를 따랐는데 23 cm 구
경의 리치-크레티안 망원경 의 전단광학부의 f/3.5이
다. 시야각은 64×64 mrad이고 슬릿은 0.2×0.4 mm이
다. S/N 비율은 파장대역에 걸쳐 일정하도록 조절되
었다. 회절격자 그루브 간격은 27.661/mm이고 분광
영역에 걸쳐 고르게 분포되게 하도록 세 영역으로 나
눴는데 각각 20, 40, 40%로 나누었다. 세 영역은 1.3,
3.25, 4.25 ㎛을 분광한다. 수동 냉각방식을 사용하여
60 K 까지 냉각시키고 과학임무 외의 시간에는 77 K를
유지하였다(Brown et al., 2004).
자료 : NASA
그림 11. Cassini/VIMS에서 관측된 달 적외선 자료
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김어진 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 150~161
자료 : Brown et al., 2004
그림 12. Cassini/VIMS wire-frame drawing
3.4 HRI-IR (딥임펙트)
딥임펙트 탐사선은 Tempel-1 혜성에 충돌하기 위
해 계획되었으며 과학탑재체 중 고분해능 탑재체인
HRI(High Resolution Instrument)는 30cm 조리개,
10.5m 초점거리로 f/35인 카세그레인 망원경으로 구
성되었다. 이 중에서도 1.05-4.8 ㎛ 범위의 롱슬릿 적
외선 분광기는 공간 IFOV가 10 μ㎭이고 공간시야각은
2.5m㎭이고 분광 IFOV와 슬릿의 폭은 10 μ㎭, 최소
분광분해능은 216이다.
망원경은 35.5cm 구경의 흑연성분 튜브에 광선 베
플과 주경, 부경으로 이루어졌는데 반사경은 Zerodur
유리세라믹으로 만들어졌고 반사면은 표면 보호를 위
해 SiO2를 포함한 알루미늄으로 코팅되었다. 분광부에
서는 분산을 위해 프리즘을 사용하였고 콜리메이팅과
이미징을 위해 다이아몬드 광학계를 사용한다(그림
13). 분광기는 H2O, CO, CO2, 휘발성 물질에서 나오는
방출선과 혜성 핵과 먼지의 반사도 및 열방출선을 측
정한다. CaF2와 ZnSe의 두 프리즘을 이용하며
1024×1024 HgCdTe FPA를 사용한다. 카메라와 콜리
메이터는 f/12에 초점거리가 360 cm이다. 근접 비행
시 공간 분해능은 10 m이다(Hampton, et al., 2005).
(a)
(b)
자료 : Hampton et al., 2005
그림 13. (a) HRI 구조, (b) HRI 분광영상모듈
3.5 OMEGA(마스익스프레스)
화성탐사선 마스익스프레스에 탑재된 OMEGA
(Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces
et l'Activit)는 가시광선 및 근적외선 매핑 분광기로
화성 표면의 미네랄과 대기의 먼지와 에어로졸을 측
정하여 글로벌맵을 제공한다. 대기와 관련되어 0.5-5.2
㎛ 영역 자료를 제공하는데 가시광선 영역과 근적외
선 밴드 채널(1.0-5.2 ㎛)이 각각의 망원경과 분광기와
검출 시스템으로 구성된다. 근적외선 채널은
whiskbroom 모드로 관측하고 들어오는 빛은 회절격
자 분광기를 이용하여 두 개의 서브채널로 나뉘고
InSb 검출기에서 측정되며 순각시야각이 4.1 arcmin
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자료 : Bibring et al., 2005
그림 14. MEX/OMEGA SWIR 채널 광학계
자료 : Formisano et al., 2005
그림 15. 마스익스프레스/PFS 광학구조
이고 분광분해능은 13-20 nm이다. 질량은 29 kg이다.
SWIR 채널은 망원경, 전단광학부, 빔스플리터, 두
개의 분광기, 각각의 능동식 냉각기능의 검출기로 구
성된다. 그림 14는 OMEGA의 SWIR 채널 광학계를 보
여준다. 광학계 구조는 카세그레인식 망원경(1)으로
초점거리는 200 mm이고 조리개는 f/4, 순간 시야각은
4 arcmin, 시야각은 15 arcmin이다. 슬릿(2)은 길이가
800 ㎛이고 off-axis 포물 반사경 콜리메이터(3)와 짧은
파장은 반사하고 긴 파장은 통과시키는 필터(4)가 있
다. 회절격자로 짧은 파장을 반사시키는 폴딩 미러(5)
가 위치하고 회절격자(6)의 경우 0.93-2.73 ㎛ 범위의
짧은 파장대역은 그루브 간격이 180/mm이고 입사각
이 -0.5°이다. 2.55-5.1 ㎛의 긴 파장대역에서 그루브 간
격은 120/mm이고 입사각은 -0.6°이다. 379 mm 반경
의 두 개의 구형 컬렉터미러(7)(8)를 통과한 광선은 네
개의 구형 ZnSe 렌즈를 통과하여 검출기 앞에서 필터
를 통과하고 InSb 검출기에 도달한다.
전자부와 극저온냉동기 앞부분은 열파이프와 연결
되어 280 K 방열판과 연결된다. 분광기는 탐사선 방열
기와 구리로 연결되어 190 K를 유지하여 배경열을 최
소화하고 운영 온도인 80 K에 도달할 수 있도록 조절
되며 적외선 검출기는 두 개의 극저온냉동기에 연결되
어 80 K 이하로 유지된다(Bibring et al., 2005).
3.6 PFS(마스익스프레스)
화성 탐사선 마스익스프레스에 탑재된 PFS
(Planetary Fourier Spectrometer)는 대기 연구를 목적
으로 제작된 푸리에 적외선 분광기이다. H2O와 CO2
맵을 작성하고 D/H 비율을 결정할 자료를 측정하고
대기 에어로졸 특성과 대기 순환 연구 활용 목적을 가
진 분광기이다. 또한 표면 온도와 미네랄 특성 연구에
도 활용가능하다.
그림 15는 PFS의 광학구조를 보여준다. 단파장과
장파장 채널로 구성되었는데 단파장 채널이 1.2-5.5
㎛ 파장대역을 관측하고 분광분해능은 1.3 cm-1이다.
PbSe 광전도체 검출기를 쓰고 CaF2 빔스플리터를 사
용하고 온도는 210 K를 유지한다. 시야각은 1.6°로 고
도 300 km의 근접궤도에서 관측범위는 10 km이다. 2
시간마다 근점에서 관측하였으며 직하방향 외에도 위
상각이나 림 방향 포인팅 관측도 가능하다. 운용전력
은 45 W이고 전체 PFS의 무게는 33.4 kg이다. 이탈리
아, 러시아, 폴란드, 독일, 프랑스, 스페인이 참여하였
고 탑재체용 하드웨어는 이탈리아와 폴란드에서 제작
되었다(Formisano et al., 2005).
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자료 : http://crism.jhuapl.edu/instrument/design/overview.php
그림 16. MRO/CRISM
자료 : http://www.ifsi-roma.inaf.it/vir/index.php?categoryid=8
그림 17. DAWN/VIR 광학계 layout
3.7 CRISM(MRO)
화성 탐사선 MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)
에 탑재된 CRISM(Compact Reconnaissance Imaging
Spectrometer for Mars)은 초분광 영상 분광기로 화성
표면의 미네랄 매핑이 목적이다. 특히 물의 존재를 확
인시켜줄 미네랄과 수분함유 열수광상의 증거를 탐색
한다. 표면 형태의 단층 탐색과 먼지 및 얼음 구름의 양
상과 밀도를 관찰한다.
CRISM은 0.4-4.05 ㎛ 범위를 관측하며 화성 표면에
서 반사되는 태양빛을 560 개의 파장에서 관측한다. 채
널별로 6.55 nm 간격으로 측정한다. 300 km 고도에서
시야각은 18 m×10.8 km이고 공간분해능은 18 m이다.
전체 무게는 32.95 kg이고 운용전력은 44-47 W, 대기
전력은 16.1 W이다. 광학부 구경은 100 mm이고 시야
각은 37 mrad, 초점거리는 441 mm이고 순간시야각은
61.5 μ㎭이다.
그림 16에 보이는 것처럼 CRISM은 광학센서유닛
과 짐볼 모터 전자부, 자료처리 유닛으로 구성되었다.
광학센서부분은 광학계와 탐사선의 움직임으로 인한
흔들림을 제거해 줄 짐볼과 가시광 및 적외선 영상 측
정기와 적외선 검출기 냉각기와 기기 냉각을 위한 방
열기와 전자부로 이루어졌다. 짐볼 모터 전자부는 짐
볼을 조절하고 위치에 따른 자료 분석을 담당한다. 자
료처리 유닛은 탐사선에서 오는 명령과 광학센서에서
전송되는 자료를 처리한다(http://crism.jhuapl.edu
/instrument /design/overview.php).
3.8 VIR(DAWN)
소행성 탐사선 DAWN의 탑재체 VIR(Visual and
Infrared) 이미지 매핑 분광기는 하나의 광학계를 사용
한다. ROSETTA 미션의 VIRTIS의 중분산 채널을 본
따 제작하여 무게가 상당히 줄었다. Shafer 망원경과
Offner 방식의 슬릿 분광기가 사용되었고 적외선 영역
은 1-5 ㎛ 파장대역을 관측한다. 운용기간은 2년, 비행
기간은 13년으로 계획되었다.
분광기는 광학계(5kg), 전자부(3kg), 냉각기(1.3kg)
로 구성되었고 전자부와 냉각기에서 각각 5W와
12.6W의 전력을 사용한다. 그림 17은 VIR의 광학계 구
조를 보여준다. 광학계는 전단광학부와 분산, 필터, 검
출기, 냉각기, 전자부가 VIRTIS-M과 거의 비슷하게 구
성되었다. 자료처리 유닛은 무게를 줄이기 위해 다른
탑재체와 공유하였다. 비행프로그램은 VIRTIS 프로그
램을 기반으로 사용하였고 같이 탑재된 카메라와 운용
시간을 달리하였다. 빔스플리터를 사용하지 않고 그루
브 간격을 달리하는 하나의 회절격자를 사용하였다.
회절격자 중앙 부분의 그루브 간격을 높여 가시광선
채널의 분광분해능을 높이고 적외선 채널은 바깥쪽
70%의 낮은 그루브 간격의 회절격자를 사용하였다.
적외선 검출기는 실리콘 CMOS 멀티플렉서와 결합한
광전지 수은-카드늄-텔루라이드 평면검출기를 사용하
였다. 검출기는 75 K로 냉각되었으며 가시광선과 적외
선 검출기를 위한 검증용 램프가 각각 사용되었다
(http://www.ifsi-roma.inaf.it/vir/index.php?catego
ryid=8).
김어진 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 150~161
159
자료 : Coradini et al., 1998
그림 18. ROSETTA/VIRTIS 광학계
3.9 VIRTIS(ROSETTA)
혜성 탐사선인 ROSETTA에 탑재된 VIRTIS(Visible
Infrared Thermal Imaging Spectrometer)는 혜성 핵에
서 빠져나오는 기체와 코마의 물리적 변화 및 온도 측
정을 목적으로 탑재되었고 부가적으로 소행성을 근접
관측하였다. 그림 18은 VIRTIS의 광학계구조를 보여
준다. VIRTIS는 두 개의 채널로 구성되었는데
VIRTIS-M은 고분해능 가시광선 및 중분산 적외선 영
상기이고 VIRTIS-H는 2-5 ㎛ 영역 고분해능 분광자료
를 제공한다. VIRTIS-H는 고분해능 교차분산 에쉘 분
광기로 240×640 픽셀 수은-카드늄-텔루릭-적외선초점
면배열을 사용한다. 광선은 두 개의 off-axis 포물 반사
경에 의해 교차분산 리튬 플로라이드 프리즘을 통과하
여 평면회절격자에 도달하여 FPA에서 측정된다. 분광
분해능은 1,200-3,500이고 상의 직경은 36 mm이고
F/1.67이고 슬릿은 28×142 ㎛이다. VIRTIS 전체 무게
는 23 kg이다(Coradini et al., 1998).
각 탑재체의 분광영역, 분해능, 시야각, 무게와 같은
사양을 비교한 내용이 표 1에 정리되었다.
표 1. 달 및 행성탐사선 중적외선 분광기 사양비교
Chandraya
an-1/SIR-2
SELENE
/SP
DAWN/
VIR
Spectral range
Spectral resolution
Resolving Power(R)
Field Of View
Instantaneous FOV
Total Weight(kg)
0.9-2.4㎛
6nm
150-400
1.11mrad
2.1kg
1.7-2.6㎛
6-8nm
280-325
0.23°
50×500m
8kg
1-5㎛
9.8nm
70-360
64x64m㎭
250μ㎭
9.3kg
Cassini/
VIMS
Deep
Impact/
HRI-IR
ROSETTA
/VIRTIS-H
Spectral range
Spectral resolution
Resolving Power(R)
Field Of View
Instantaneous FOV
Total Weight(kg)
0.85-5.1㎛
16.6nm
51-307
32x32m㎭
0.25x0.5m㎭
37kg
1.1-4.8㎛
1.4-12nm
210-740
2.53m㎭
10μ㎭
2-5㎛
1-2.5nm
1000-3000
0.45x2.25m㎭
1 mrad
30kg
MEX/
OMEGA
MEX/
PFS(SW)
MRO/
CRISM
Spectral range
Spectral resolution
Resolving Power(R)
Field Of View
Instantaneous FOV
Total Weight(kg)
0.3-5.2㎛
23nm
100-500
8.8°
4.95'x3.71'
28.6kg
1.2-5㎛
0.6nm
1300-5500
2°
1.6°
31.4kg
1.0-3.92㎛
6.5nm
153-603
37mrad
61.5μ㎭
32.92kg
4. 3-5㎛ 적외선 분광기 요구사항
향후 국내 개발에 의해 달 및 행성 탐사선 탑재체 개
발에 제안 가능한 탑재체 선정에 있어서 여러 조건들
이 요구된다. 우선 2장에서 제안되었던 과학적 연구 목
적에 부합하는 파장대역의 분광기 개발이 중요하다.
달의 경우 얼음 분광선 자료의 부족을 보완하기 위해 3
㎛ 이상의 파장대역 관측이 필요하고 이를 통해 기존
에 달 탐사에서 관측되었던 근적외선 파장대역의 자료
와 상호보완이 가능하다. 물론 3-5 ㎛ 파장대역에서는
화성 및 소행성의 CO2 성분과 CH4 성분의 관측에도
적합하다. 또한 3-5 ㎛ 파장대역 분광기는 국내에서 개
발된 사례가 없음은 물론이고 해외 달 탐사선에서도
탑재된 사례가 없어 탑재체 개발의 희소성 문제도 만
족한다.
160
김어진 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 150~161
자료 : Hetem et al., 2011
그림 19. ASTER의 탑재체로 제안된 적외선분광기 :
(1) 망원경; (2) 필터; (3) 슬릿; (4) 회절격자; (5)
측정기; (6) 적외선 LED, 할로겐 가스램프
과거 해외 탐사선에 의해 관측되었던 행성관련 과
학임무 분석을 통해 향후 달 및 행성탐사선에 제안 가
능한 중적외선 분광기의 요구 사양을 결정하는 조건을
정리하면 다음과 같다. 우선 주어진 인력과 예산, 한정
된 시간에 개발 가능성을 고려한 단순한 광학계 사용
이 요구되고 예산 및 향후 달 및 행성 탐사선에 탑재 가
능한 크기와 무게를 고려해야한다. 실제 성공적으로
개발이 완료된 탑재체 사양 참조하여 요구사양 결정한
다면 1~5㎛ 파장대역에서 NIR(1~3 ㎛) 파장대역 자료
와의 비교 연구 가능하도록 정하며 분광분해능
(Resolving Power)은 R=λ/Δλ=100~3000 정도로 정하
는데 이는 연구 목적에 적합하고 탑재체 크기나 무게
가 고려되어야 한다. 시야각(Field of view)은 2-3
mrad 정도로 궤도선의 고도와 공간분해능을 고려해
야하며 전체 무게는 20 kg 미만으로 제안가능하다.
이런 조건들에 부합하며 비교적 간단하고 과학임무
에 기반을 두고 이에 요구되는 사항을 바탕으로 달 및
행성탐사용 중적외선 분광기 개념설계에 참조할 만한
사례로 제안이 가능한 사례를 소개하고자 한다. 그림
19에 보이는 2019년 소행성 2001 SN263 도달목적으로
제안된 브라질 소행성 탐사선 ASTER의 탑재체로 제
안되었던 적외선분광기는 6인치 카세그레인식 망원경
과 1-3.5㎛ 필터, 슬릿과 회절격자를 사용하며 적외선
LED와 할로겐 가스램프로 검/보정하는 간단한 구조
이다(Hetem et al., 2011). 이런 간단한 구조를 바탕으
로 설계에 참고할 수 있을 것이다.
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