항공우주산업기술동향 14권 1호 (2016) pp. 151~165
http://library.kari.re.kr
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기술동향
국외 달 탐사선 개발 동향
심은섭*
1 )
Current Development Trends in Lunar Explorers
Around the World
Sim, Eunsup*
ABSTRACT
Although the United States and Russia have led the lunar exploration, Japan, China, and
India have succeeded in lunar exploration during the past 10 years. In our country, the
government lunar exploration project has been undertaken in 2016. Therefore, we will look at
the development trends of the lunar exploration projects currently underway around the
world. In this paper, the US lunar reconnaissance orbiter(LRO) running the mission in the
current lunar orbit, the India lunar lander Chandrayaan-2, the China lunar sample-return
Chang'e-5, the Japan Smart Lander for Investigation Moon(SLIM), Lunar CubeSats mounted
on the EM-1 which is the first test flight of the US Space Launch System, and the Google
Lunar XPrize landers and rovers were described. Making it possible to explore the moon by
10kg class nanosats with innovative technologies, and to became the era of space exploration
on a small budget, it was found that the civilian lunar exploration is also possible.
초 록
미국과 러시아가 달탐사를 이끌어 왔지만
, 지난 10년 동안에 일본, 중국, 인도가 달탐사에 성공
하였다
. 우리나라에서도 2016년에 정부 달탐사 프로젝트가 착수되었다. 따라서 현재 국외에서 진
행중인 달탐사 프로젝트의 개발동향을 살펴보고자한다
.
이 논문에서는 현재 달궤도에서 임무를 수행중인 미국의 달탐사궤도선
(LRO), 인도의 달착륙선
인 찬드라얀
2호, 중국의 달 샘플-리턴선인 창어 5호, 일본의 소형 달착륙선인 SLIM, 미국 우주
발사시스템의 첫 시험비행인
EM-1에 탑재되는 루나 큐브샛과, 그리고 구글 루나 엑스프라이즈의
랜더와 로버에 대해 기술하였다
. 혁신적 기술발전으로 10kg급 초소형위성의 달탐사 가능하게되
어
, 적은 예산으로 우주탐사를 하는 시대가 되었고, 민간인 달탐사도 가능함을 알 수 있었다.
Key Words : Lunar Exploration(달 탐사), Lunar Orbiter(달 궤도선), Lunar Lander(달 착륙선), Lunar Rover
(달 로버), Lunar Cubesat(달 큐브샛)
* 심은섭, 한국항공우주연구원, 융합기술연구본부 IT융합기술팀
esim@kari.re.kr
152
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
그림
1. LRO 궤도상 형상도
출처: 참고문헌[1]
1. 서 론
1959년 1월 2일 발사되어 4일에 달근접비행에
성공한 루나
1호로 인류의 달탐사가 시작되었다.
1969년 7월 20일에 아폴로 11호로 유인 달착륙을
성공하였으나
, 유인달탐사는 1972년 12월 아폴로
17호까지 임무를 수행한 후 정지된 상태이다. 그
후 무인달탐사 방식으로 진행되고 있다
.
미국과 러시아가 달탐사를 이끌어 왔지만
, 지난
10년 동안에 일본, 중국, 인도가 달탐사에 성공하
였다
. 우리나라에서도 시험용 달 궤도선을 개발하
는 정부 달탐사 프로젝트가
2016년에 착수되었다.
따라서 현재 국외에서 진행중인 달탐사 프로젝트
의 개발동향을 살펴보고자한다
.
2. 달 탐사선 개발 동향
이 절에서는 현재 달궤도에서 임무를 수행중인
미국의 달탐사궤도선
(LRO), 인도의 달착륙선인 찬
드라얀
2호, 중국의 달 샘플-리턴선인 창어 5호, 일
본의 소형 달착륙선인
SLIM, 미국 우주발사시스템
의 첫 시험비행인
EM-1에 탑재되는 루나 큐브샛
과
, 그리고 구글 루나 엑스프라이즈의 랜더와 로버
에 대해 기술한다
.
2.1 달탐사궤도선 (LRO: Lunar
Reconnaissance Orbiter)
<그림 1>은 미국 NASA에서 개발한 LRO의 궤
도상 형상도이다
. 본래 2년의 임무기간을 훨씬 넘
어
, 현재 7년 가까이 달궤도에서 작동하고 있는
LRO는 2009년 6월 18일에 미국 케이프 캐나버랄
케네디 우주센터에서 아틀라스
V-401 발사체로 발
사되어
4.5일 후인 23일에 달궤도진입(LOI) 기동을
완벽하게 수행시켜 달 타원궤도에 진입하였다
. 이
후
5일동안에 4번의 추가 LOI 기동으로 30x199km
의 시운전궤도를 형성한 후
10주 동안 본체와 탑
재체를 점검하였다
. 9월 16일부터 정상임무궤도인
고도
50± 15km 평균 극 원궤도에 안착하여 과학
임무를 시작하였다
.
이 궤도선은 달궤도에 진입하기 전에
, 2번의 비
정상상태가 발생하여 태양안전모드로 전환되어졌
다
. 첫 번째 안전모드 전환은 맨 처음 태양안전모
드에서 관측모드로 전환시켰을 때
, 탐사선의 궤도
정보를 미리 설정되지 안해 발생하였다
. 두 번째
전환은
LOI-1후 첫 번째 달궤도에서 발생하였다.
달지향모드로 전환되기전 관성지향 모드에서 별추
적기 출력 데이터의 유효성 판별지표 오류로 발생
하였다
[1].
2011년 8월 10일에 두 번의 궤도유지 기동으로,
아폴로 달착륙 지점들을 촬영하기 위해 근월점을
21km 고도까지 내려가 9월 6일까지 유지하였다.
11월에 한번 더 내려간 적이 있었다. 2011년 12월
11일에 30x200km 준동결궤도로 궤도를 변경하여
연료소비를 최소화하여 운영하였다
. 2015년 5월5일
부터는
30x165km 궤도를 유지하고 있다. 현재 연
료소비 경향으로 볼 때
, 앞으로 최소 6년을 사용할
연료가 남아있다
. <그림 2>에 LRO 임무운영 관제
실 사진이 있고
, <그림 3>에 달궤도 진입부터
2015년 12월까지 LRO 달궤도의 원월점과 근월점
의 고도가 나타나있다
. <그림 4>에서는 관제실에
있는
LRO 탐사선의 실시간 달궤도 및 자세 정보,
탑재체등의 작동상황을 표시하고 있는 화면을 나
타내고 있다
.
<표 1>에 5년6개월간의 LRO 프로젝트 개발 진
행 주요일정을 나타내었다
.
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그림
3. LRO Apsis 경과도
출처: 참고문헌[2]
그림
2. LRO 임무운영 관제실
출처: 미국 NASA
그림
4. LRO Real-Time Visualizaion Dispaly
출처: 참고문헌[3]
주요 단계
일자
프로젝트 제안
2004년 3월
탑재체 공모
2004년 6월
탑재체 선정
2004년 12월
시스템 요구사항 검토회의
(SRR)
2005년 8월
16일-18일
예비설계검토회의(PDR)
2006년 2월 7일-9일
상세설계검토회의(CDR)
2006년 11월
6일-9일
조립시험 착수
2007년 11월
선적전검토회의(PSR)
2009년 2월
9일-10일
비행운영검토회의(FOR)
2009년 3월
11일-12일
임무준비완료검토회의(MRR)
2009년 4월
발사
2009년 6월 18일
정식 임무 시작
2009년 9월 16일
표
1. LRO 프로젝트 주요 일정
2005년 2월 당시 LRO 프로젝트 예산배분 내용
을
<표 2>에 나타내었다. 실제로는 미국 달탐사선
LRO와 LCROSS 함께 발사하는데 $136.2M가 소요
되었다
.
항목
$M
백분율
(%)
시스템 및 관리
31
6.7
안전 및 임무 보증
7
1.5
신기술개발
10
2.1
탐사선 본체
138
29.7
탑재체
93
20.0
조립 및 시험
13
2.8
운용
15
3.2
지상국
28
6.0
발사비
89
19.2
예비비
41
8.8
합계
465
100
표
2. LRO 프로젝트 예산
2.2 찬드라얀 2호 (Chandrayaan-2)
인도는 달궤도선인 찬드라얀
1호를 성공시킨 후
찬드라얀
2호를 개발하고 있다. 찬드라얀2호는 궤도
선과 로버를 탑재한 착륙선으로 구성되어 있으며
<그림 5>에 나타나있다.
154
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그림
5. 궤도선과 로버를 내재한 착륙선의
스택된 형상도
출처: 참고문헌[5]
찬드라얀
-2호는 달 표면의 광물학 및 기초과학
연구를 수행 및 관측하기 위해 인도
GSLV- MK
발사체로
2017년 말 또는 2018년초에 발사될 예정
이다
. 예산은 $91M이다. 궤도선은 무게가 1,400 kg
이며
, 달고도 200km 궤도에서, 지형 매핑 카메라
(Terrain Mapping Camera: TMC-2), 대형 소프트
X선 분광기(LASS), 태양 X선 모니터(XSM), 이미징
IR 분광기(IIRS)와, L&S 밴드 합성개구레이다(SAR)
인
5개의 과학탑재체를 가지고 있다[4]. 로버<그림
6>의 무게는 20kg이며, 레이저 유도 플라즈마 분
광기
(LIBS), 알파입자 X선 분광기(APXS), 고해상도
비디오카메라를 탑재하고 있다
. 착륙선은 무게가
1,250kg(로버 포함)이며, Ka-밴드 고도계, 고해상도
비디오카메라
, 위치 및 위험 감지/회피 카메라를
가지고 있다
. NASA의 심우주네트워크(DSN) 통신
서비스를 이용한다
. 로버는 작은 태양전지 패널로
전력이 공급되고
, 착륙선에 탑재된 착륙선-로버 통
신시스템을 통해 또는 궤도선에 탑재된 궤도선
-로
버 통신 시스템을 통해 지상국과 통신할 수 있는
기능을 가지고있다
[5]. <그림 7>에 찬드라얀2호의
임무궤적이 나타나있다
.
그림
6. 로버 형상도
출처: 참고문헌[5]
그림
7. 찬드라얀 2호의 임무궤적
출처: 참고문헌[6]
2.3 창어 5호 (Chang’e-5)
중국은 달탐사
3단계로 2011년부터 달 샘플을
채취하여 가져오려는 창어
5호 프로젝트를 시작하
였다
. 먼저 재진입 비행시험 미션인 Chang’e 5-T1
프로젝트를 수행하였다
. 이 탐사선은 2014년 10월
24일에 발사되어 달 표면에서 13,000km 까지 접근
하여 달을 돈 후 지구에서
5,000km 떨어진 곳에서
귀환선을 분리하였다
. 이 귀환선은 10km 상공에서
주 낙하선과 보조 낙하산을 펼치고 내몽고 자치구
에
11월 1일 착륙했다. 시험선은 귀환선을 분리후
11월 말에 지구-달 L2 라그랑즈 점에 도달하였다
가
2015년 1월 13일에 달 고도 200x5,300km, 43.7
도 경사 궤도에 진입하였다
. <그림 8>은 Chang’e
5-T1 임무 궤적을 나타내고 있다.
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그림
8. Chang’e 5-T1 임무 궤적
출처: 참고문헌[7]
그림
10. 창어5호의 전 비행과정
출처: 참고문헌[10]
창어
5호 임무는 달 샘플 리턴 미션으로 달에 연
착륙한 후 달 표면 아래
2m 깊이의 2kg의 달의
암석과 토양을 채취하여 지구로 돌아오는 것이다
.
2017년 발사 예정이다. <그림 9>에 있는 것처럼 4
개의 모듈로 되어있다
.
착륙선에는 착륙용 카메라
, 광학 카메라, 광물
분광기
, 토양 가스 분석기, 토양 성분 분석기, 로
봇드릴 장비
, 샘플단면열식감지기를 탑재한다.
<그림 10>에 창어5호의 전 비행과정이 나타나있
다
[8].
그림
9. 창어5호 형상도
출처: 참고문헌[9]
2.4 SLIM(Smart Lander for
Investigation Moon)
SLIM은 일본 우주개발기구인 JAXA가 달궤도선
가구야 다음으로 계획하고 있는 건조질량이
130kg,
연료를 채우면
500kg급 의 무인 달착륙선이며, 2019
년 발사를 목표로 하고 있다
. 일본의 달 궤도선 가
구야가 수집한 정보를 활용하여 위치를 측정오차
100m의 목표로 연착륙을 할 계획이다. 개발예산은
180억엔($150M)을 책정하고 있다[12]. 달에 정밀착
륙기술을 실증하는 프로젝트이다
. 이 핀포인트 착륙
기술을 실현하기 위해 착륙유도 제어기술
, 이미지
일치 항법
, 착륙 충격흡수 시스템을 개발한다. 기존
과 비교하여 훨씬 가벼운 달착륙선 시스템을 개발
해야한다
. <그림 11>에 SLIM의 형상이 나타나있다.
그림
11. SLIM 형상도형상도
출처: 참고문헌[11]
156
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그림
14. EM-1 임무궤적
출처: 참고문헌[13]
임무궤적설계는 발사체인 엡실론 로켓
(3단 + 킥
스테이지
)에서 긴 타원형의 지구궤도 250
x19,134km에 투입된 후, SLIM의 추력기를 이용하
여 최고점 고도상승 달전이궤도
250x 399,960km에
투입하고 나서
, 200x4,000km 달궤도에 투입된다.
발사에서 달 도달까지의 기간은 수개월이 걸릴 것
으로 예상된다
. <그림12>에 임무궤적이 나타나 있
고
, <그림 13>에 착륙 스퀀스가 나타나 있다.
100m급 정도의 핀포인트 착륙을 실현하기 위한
관건은 착륙선 자체의 자율적인 정밀항법에 달려
있다
. 기존처럼 지상에서 항법유도하는 방법으로는
시간 지연이 너무 크다
. SLIM에 탑재를 예정하고
있는 핀포인트 착륙 항법센서는 이미지 데이터 탐
색을 위한 항법 카메라와 월면의 고도속도를 검출
하기 위한 착륙 레이더이다
[12].
그림
12. SLIM 임무 궤적
출처: 참고문헌[12]
그림
13. SLIM의 착륙 스퀀스
출처: 참고문헌[12]
2.5 EM-1 루나 큐브샛들(Exploration
Mission-1 Lunar CubeSats)
미국 항공우주국
(NASA)에서 개발하고 있는 우
주발사시스템
(SLS) 로켓의 첫 비행은 탐험 미션
-1(EM-1)라고 하며, 2018년 말에 주 탑재체인 오리
온 우주선과 함께 혁신적인 아이디어를 테스트하
기 위한
13개의 초소형위성을 부탑재체로 탑재한
다
. 이중 달 임무를 수행하는 4개의 초소형위성들
에 대해 기술한다
.
EM-1의 오리온 우주선의 임무궤적과 2차 탑
재체전개의 임무궤적이 <그림 14>에 나타나 있
다. 여기에서 기술하는 달 임무를 수행하는 초
소형위성의 분리는 <그림 14>의 7)에 해당된다.
2.5.1 루나 IceCube 6U 큐브샛
루나
IceCube의 개발은 큐브샛의 공동 창시자인
밥 트윅스 교수가 재직중인 미국 모어헤드 주립대
학의 우주과학센터
(MSU)가 주도하고, NASA 고다
드 우주 비행센터
(GSFC), Busek사, 미국 가톨릭대
학교
(CUA)에서 과학자와 엔지니어들이 지원한다.
특히
NASA GSFC는 궤도 설계, 기동 및 항행 계
획을 제공하고
, 추적도 수행한다. 루나 IceCube 미
션의 첫 번째 목표는 고체
, 액체 및 증기의 형태의
물을 찾는 것이며
, 또한 달의 여러 휘발성 물질을
측정하는 것이다
. 과학관측은 광대역적외선 소형
고해상도 탐사분광기
(BIRCHES)로 고경사각, 낮은
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근월점의 타원형의 달 궤도에서 수행된다
.
<그림 15>에 루나 IceCube의 비행 형상도가 나
타나있다
. 루나 IceCube 큐브샛은 우주 방사선에
강인한
JPL 아이리스 송수신기, 고출력 태양전지
패널 및 회전구동기 시스템과
, 우주환경에 강인한
다중 프로세서 기반의 페이로드 프로세서로 설계
되어 있다
. 이러한 탐사선시스템은 달의 휘발성 사
이클 모델을 유도할 수 있는 충분한 관측자료 획
득이 가능하게 약
6개월간 과학적 탐사를 수행케
한다
. 과학데이터와 텔레메트리 데이터는 달 부근
에서
MSU 지상국 21m 안테나까지 14kbps로 전송
된다
. MSU의 안테나는 미션의 추력기사용 페이스
와 주 명령 및 추적국으로 사용되며
, 레인징 및 추
적에도 사용된다
.
그림
15. Lunar IceCube 비행 형상도
출처: 참고문헌[14]
루나
IceCube는 오리온 우주선이 달 자유귀환궤
도에 진입되고
, EM-1 발사체의 중간 극저온추진
스테이지
(ICPS) 폐기기동이 완료된 후에 분리된다.
분리시 발생한 큰 에너지는 큐브샛을 바로 지구
-달
시스템에서 벗어나게 한다
. 큐브샛의 에너지를 낮
추어 저근월점에 도달하는 천이를 달성하기 위해
루나
IceCube에는 저추력 추진시스템이 장착되어
있다
. 이 요오드를 연료로 하는 엔진은 Busek RF
Ion Thruster 3(BIT-3) 시스템이며, 현재 2500sec의
Isp에 최대 1.2mN의 추력과 약1.5kg 연료를 갖도
록 설계되었다
. 이는 3.2km/s의 ΔV를 제공하여 총
질량이
12kg인 루나 IceCube를 지구정지궤도에서
달궤도까지도 전이 시킬 수 있다
.
최종 달 과학임무궤도는 과학기기의 요구사항을
만족해야한다
. BIRCHES는 관측을 100~ 105km의
근월점 고도와 열적 노출을 최소화하기 위해 큰
타원궤도에서 수행해야한다
. 자세제어시스템(ACS)
은 과학임무를 수행할 때 관측장비가 달중심을 지
향하게 해야 한다
.
궤도천이는
EM-1에서의 분리로 시작하여, 궤도
에너지를 감소시키고
, 지구 근처 내에 있는 궤도를
생성하는 달
B면 교차점을 목표로, 곧바로 3.8일의
저추력 아크
(호)를 근월점 도달 직전까지 작동시킨
다
. 이 수일간의 조종은 <그림 16>의 적색 아크꼴
로 표시된다
. 첫번째 달로의 접근비행(flyby) 후,
큐브샛은 긴 관성아크
(파란색)를 시작하고 달중력
에 포획되어 원하는 과학임무 궤도를 형성하기 위
해
, 173일간의 3개의 원지점들을 통과한 후 적색의
70일 저추력연소를 시작하는 것이다[16].
그림
16. 루나 ICECube 임무전이 궤적
출처: 참고문헌[16]
<그림 17>에 보여지는 루나 IceCube는 6U이고,
임무수명이
2년이며, 알루미늄 샤시 이고, 미국
MMA사 HaWK인 회전 가능한 전개형 태양전지판
2장으로 84W를 생성할 수 있으며, 8개의 리튬-이
온 배터리를 사용한다
. Space Proton Lite 200k인
우주용 컴퓨터와
BCT사의 XB-1 제어기, 저가형 고
속 페이로드 프로세서인 하니웰
Dependable
Processor를 사용하였다. 통신은 1.5W RF 전송전
158
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
그림
17. 루나 아이스큐브의 상세 얼개도
출처: 참고문헌[18]
력을 내는
JPL Iris X-대역 트랜시버로 9.6kbps의
업링크와
115kbps의 텔리메트리 하향링크를 갖으
며
, UHF 심우주 비콘을 갖고 있다. 자세제어 구동
기는
4개의 반작용휠과 추력벡터용 2축 병진 스테
이지에 장작된
BIT-3 이온추력기가 있으며, 이 추
력기는
65W의 전력을 요구한다. 센서는 별 추적기
2기, 태양센서와 IMU가 있다. 루나 IceCube에 대
한 비행 소프트웨어는 버몬트 기술대학에서
GNAT 프로 및 SPARK 도구 세트를 사용하여 개
발되고 있다
[17,18].
2.5.2 LunarH-Map 6U 큐브샛
미국 아리조나 주립대학
(ASU)에서 개발하고 있
는
LunaH–Map 큐브샛의 주임무는 달 남극 표면
에서
1m 깊이의 수소의 분포도의 고해상도 지도
를 작성하는 것이다
. 달의 남극 지역에 위치하고
있는 쉐클턴 분화구 위를 지나는 달고도
5~12km
의 근윌점인 극궤도를 과학임무궤도로 한다
. 과학
임무 기간은
60일이다. NASA JPL/CalTech와
Ames 센터, Busek사, 미국 가톨릭대학교(CUA)의
과학자와 엔지니어들이 지원한다
.
미국
MMA사 HaWK 태양전지판은 30W의 전
력을 생성하고
, Tyvak사의 Intrepid 프로세서 보드
를 사용하고
, Iris X-밴드 트랜시버, 3축 Sinclair 반
작용 휠
, 자세결정 및 제어용 BCT사의 0.5U인
XACT를 싣고 있다. 냉가스 자세제어 추력기와
Busek 온가스 & 레지스토제트 추력기를 사용한다.
탑재체는 중성자분광기가 실렸다
[20]. <그림 18>에
LunarH-Map 큐브샛의 구성품들이 나타나있다.
그림
18. LunarH-Map 6U 큐브샛
출처: 참고문헌[19]
2.5.3 루나 Flashlight 6U 큐브샛
루나
Flashlight 임무의 개념은 NASA 제트추진
연구소
(JPL),
캘리포니아대학교
로스앤젤레스
(UCLA)와 NASA 마샬 우주비행센터 팀에 의해
제안 되었다
[21].
루나
Flashlight 큐브샛은 <그림 19>에 보여지는
것처럼
6U버스에 85m2의 반사판을 가진 초소형위
성이었다
. 이 반사판은 태양돛 개념의 추진 역할
과
, 달 표면에서 태양 빛이 비친 적이 없었던 영역
을 조명하는 반사판 역할도 하며
, 이 때 탑재된 근
적외선분광기는 바위
/먼지, 표토, 얼음 물, CO2,
메탄얼음
(CH4), 암모니아얼음(NH3) 등의 표면 조
성혼합물질을 분석하기 위해 반사 스펙트럼을 측
정하게 된다
.
그림
19. 초기 제안된 루나 Flashlight
출처: 참고문헌[22]
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
159
그러나
, 13kg급의 초소형위성의 태양돛으로는
원하는 과학임무궤도에 진입시키기가 가능하지 않
다고 판단하여
, 돛을 빼고 추진방식을 그린 추진시
스템으로 변경하였다
[23].
EM-1에 의해 지구와 달 사이에 위치하는 공간
에서 분리된 후
, 루나 Flashlight는 저 에너지 전이
방식으로 나선형으로 기동하여 데이터 수집을 위
해 남극의
10~30km의 근월점 타원극궤도를 만든
다
. 루나 Flashlight는 4개의 1.1, 1.5, 1.9 및 2.0μm
레이저로 달의 영구 그림자의 월역을 비추이면서
포인트 분광기로 표면 반사율을 측정한다
. <그림
20>에 루나 Flashlight의 임무 운영개념도가 보여
지고 있다
. 물얼음은 건조표토와 절대 반사율의 공
간적 변화
(물얼음은 연속 채널에서 매우 밝게 나타
난다
)와 흡수 채널과 연속 채널간 반사율을 측정
하여 구분될 수 있다
[23].
그림
20. 루나 Flashlight 임무 운영개념도
출처: 참고문헌[23]
루나
Flashlight의 달 임무궤도는 20x9,000km 타
원궤도로
12시간의 주기를 가진다. 발사해서 달에
진입하는 데 약
6개월이 소요될 것으로 예상되고
있다
.
1~2μm 근적외선 영역 4개의 25~50W 펄스 레이
저 조명장치를 탑재한다
. 35W의 전력을 생성하기
위해 전개형 태양전지판을 사용하고
, 6.8Ah 리튬
이온 배터리
(3s2p 18650 리튬셀)와 수퍼캐퍼시터로
전력을 저장을 하며
, 10.5~ 12.3V의 전원버스와
5V/3.5V 전압을 공급한다. 우주용 LEON3-FT 프
로세서
, JPL Iris 2.0 X-밴드 트랜스폰더, 2W의 초
고주파 반도체 전력증폭기
, 2쌍의 저이득 안테나
(송수신용), 8x8 소자 마이크로스트립 배열 고이득
안테나
(송신용), ~500bps 업링크로 명령, 데이터처
리계를 구성한다
. 자세제어계는 Blue Canyon
Technologies사의 15mN-s 용량의 3개 반작용휠과
한 개의
100mN-s 휠, SSBV사의 태양센서, Blue
Canyon사의 나노별추적기, MEMS IMU로 구성되
어 있다
. 추진계는 저독성 연료 LMP-103S를 사용
하는
4기의 100mN 추력기를 고려하고 있다[23].
그림
21. 루나 Flashlight 큐브샛
출처: 참고문헌[23]
2.5.4 SkyFire 6U 큐브샛
Skyfire 큐브샛은 14kg의 6U 크기이며, 미 록히
드마틴사
, MIT, 콜로라도 대학 팀에 의해 제작되
며
, 전기분무추진 방식인 초저추력 전기추진로켓
엔진기술을 시험하고
, 이 추력기로 달 저궤도를 형
성시켜 달 표면의 특성
IR 열화상 분광방식으로
원격탐사하는 임무를 수행하게된다
. 달을 접근비행
(flyby)하면서 임무 수행후, 추력기로 지구 정지궤
160
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
도위성의 폐기궤도까지 간다
.
록히드마틴사는 기술개발 플랫폼으로 이
Skyfire
큐브샛을 개발하고 있다
.
<그림 22>에 Skyfire의 임무 운영개념도가 나타
나있다
. 현재 설계중인 Skyfire 큐브샛은 <그림
23>처럼 긴 2개의 태양전지패널을 가진 형상이다.
그림
22. SkyFire 임무 운영개념도
출처: 참고문헌[24]
그림
23. 2개의 전개형 태양전지패널을 가진 SkyFire
출처: 참고문헌[24]
2.6 구글 루나 X프라이즈
구글 루나 엑스프라이즈
(Google Lunar XPRIZE)
는 구글과 엑스프라이즈 재단이 진행중인 달탐사
경연대회로서
, 도전팀은 로봇탐사선을 달에 착륙시
킨 다음
, 적어도 500m를 떨어진 곳의 고정밀 영상
을 촬영해 지구로 전송하는 미션을 놓고 경쟁을
벌이는 것이다
. 기한은 2017년 12월 31일까지 이
고
, 상금은 $3,000만이다[25].
여기서는 아스트로보틱
, 파트타임 사이언티스트,
스페이스아이엘
, 문 익스프레스와 하쿠토팀 들의
제안 내용을 기술한다
.
2.6.1 아스트로보틱 팀
아스트로보틱 테크놀로지사는 달에 페이로드를
전달하는 달물류 회사이다
. 아스트로보틱사는 그리
핀 착륙선을 이용된다
. 이 회사는 2007년 카네기
멜론 대학
(CMU)의 로봇공학연구소에서 분사하여
설립되었고
, 미국 펜실베니아주 피츠버그에 본사를
두고 있다
.
사업내용은
달전이궤도
집입시
663kg까지
$99,000/kg,
달궤도상
진입시
515kg까지
$198,000/kg, 달표면 착륙시에 270kg까지 $1.2M/kg,
그리고 로버로 달표면 목표지점에는
120kg까지
$2M/kg 가격으로 서비스를 제공하는 것이다[26].
아스트로보틱사의 첫 번째 미션은 달표면에 있
는 동굴의 입구가 되는 천공광
(skylight)을 탐사하
는 것이다
. 달 착륙 예정지점은 달의 Lacus(죽음)
호수지역이며
, 이곳은 천공광(skylight) 또는 달 동
굴입구가 위치하는 지역으로 미래 유인달탐사 시
설구축에의 유용한 곳이 될 수 있다
.
스페이스엑스사의 팰콘
9 발사체로 발사하여 탐
사선을 달전이궤도에 진입시킬 계획이다
. 달궤도
진입까지
4.5일이 걸리며, 36시간후에 달에 착륙시
킬 수 있다
. <그림 24>에 그리핀 착륙선의 임무
궤적도가 나타나 있다
[28].
- 그리핀 착륙선(Griffin Lander)
아스트로보틱사가 개발하고 있는 그리핀 착륙선
이
<그림 25>에 있다.
이 착륙선의 주요 사양은 크기가
1.6m높이에
4.5m 직경이며, 본체무게가 535kg이며, 연료는
1,685kg을 실을 수 있다. 탑재물은 달표면 착륙시
에
270kg까지 실을 수 있다. 지구국과 착륙선간의
통신속도는 항행시는
3.7kbps, 착륙시는 410kbps,
그리고 착륙선과 탑재기기와는
200k bps, 착륙선
과 로버간은
5Mbps 통신망을 제공한다. 착륙선은
태양센서
, 별 센서, 지형 카메라, 관성항법장치
(IMU) 및 라이더(LIDAR)를 사용하여 20cm 크기
의 위험물 검출 정확도와
3도의 경사각 측정 정확
도로
, 자율적으로 위험한 지형을 피하여 계획된 착
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
161
그림
24. 그리핀 착륙선 임무 궤적도
출처: 참고문헌[28]
그림
25. 그리핀 착륙선
출처: 참고문헌[28]
륙지점으로부터
100m이내에 안전하게 착륙할 수
있다
. 4개의 다리를 가진 알루미늄 프레임으로 된
구조이고
, 메인 추력기를 4개의 연료통이 쌓고 있
으며
, 4개의 자세제어 추력기를 사용한다[27,28].
- CMU 앤디 로버
그리핀 착륙선에 탑재되는 앤디로버
<그림 26>
는
4개의 구동바퀴를 가지고 있으며, 중량은 33kg
이며
, 거친 지형에서도 더 빠르게 구동 할 수 있도
록 고유의 선회 축 서스펜션을 지니고 있다
. 15cm
이하의 장애물을 통과할 수 있고
, 최대이동속도는
초당
18cm이다. 태양전지패널의 면적은 0.5m2이
고
, 100W의 전력을 생성할 수 있으며, 로버의 전
력부하는
70W이다. 리튬이온 배터리를 사용하며,
로버는 낮기간 동안만 작동한다
.
해상도가
1,936x1,456인 카메라 2대를 가지고 있다.
그림
26. 앤디 로버
출처: 참고문헌[29]
2.6.2 파트타임 사이언티스트 팀
파트타임 사이언티스트
(Part-Time Scientists)는 70
명의 독일인 과학자
, 엔지니어 및 개발자들로 구성
된 팀이다
. 미션 성공을 위해 탐사로봇를 작동할 관
제센터의 컴퓨터 서버와 워크스테이션에 엔비디아
테슬라
GPU를 설치했다. 테슬라 GPU는 미션과정
에서 탐사로봇 네비게이션 시뮬레이션
, 실시간 로봇
위치 모니터링
, 고선명 영상과 화상처리와 전송 등
전산집약어플리케이션의 처리속도를 최고
5-10배 향
상시킬 수 있다
. 테슬라 GPU는 달탐사 전 과정에
활용된다
. 준비와 기획 단계에서는 수백만 가지의
탐사 시나리오를 시뮬레이션 하고
, 이에 따른 경로
수정을 위한 추력기 턴온 타이밍 및 지속시간 측정
,
오차범위 축소화 등 발사와 착륙기술 향상에 큰 기
여를 하게 된다
. 로버가 목적지에 도달하게 되면 탐
사로버 작동 및 관측
, 로버가 전송한 스테레오스코
픽
3D 이미지를 기반으로 상세한 달지도를 만드는
데 테슬라
GPU를 사용하게 된다[30].
착륙예정지는 아폴로
17호가 착륙했던 지점을 목
표로 하고 있다
. 개발하고 있는 콰트로 로버는 고
강도 알루미늄으로 만들어졌고
, 무게가 35kg이다.
앞으로 마그네슘을 사용하여 무게를 줄일 계획이
다
. 회전시킬 수 있는 태양전지패널을 장착하고,
리튬이온 배터리를 사용한다
. 4개의 바퀴가 모두
360도 돌릴 수 있으며, 최대 이동속도는 초당 1m
이다
. 2개의 스테레오 카메라로 상세한 3D 이미지
162
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
를 획득할 수 있다
. 세 번째 카메라는 재료성분을
분석하는 기능을 갖고 있다
.
그림
27. 아우디사의 콰트로 로버 (Audi Lunar Quat ro)
출처: 참고문헌[31]
2.6.3 스페이스아이엘 팀
스페이스아엘은
2011년에 달에 이스라엘 첫 탐
사선을 착륙시키려고 설립된 이스라엘 비영리단체
이다
. 2015년 10월에 스페이스엑스사의 팰콘9 발사
체로
2017년말에 발사하기로 계약을 체결하였다.
이 팀은 로버를 사용하지 않고 추력기를 사용하여
홉 방식으로 달 표면에서 이동한다
.
착륙선을
Sparrow라고 명명했으며 <그림 28>에
있는 형상이다
.
그림
28. 스페이스아이엘 Sparrow 착륙선
출처: 참고문헌[32]
2.6.4 문 익스프레스(Moon Express) 팀
문 익스프레스는 미국 회사로
2010년 8월 설립
되었다
. 2013년 12월에 고시험과산화수소를 로켓연
료로 쓰는
MX-1 달착륙선<그림 29>을 공개했다.
2013년 말에 미국 나사 먀샬우주비행센터의 마이
티이글 시험착륙선을 이용하여 비행소프트웨어의
비행시험을 실시하였다
.
문 익스프레스사는
3대의 달로봇탐사선을 미국
로켓랩사의 러더포드 로켓엔진을 사용하는 일렉트
론 발사체로 발사하는 계약을
2015년 10월에 체결
하였다
. 2017년에 2대의 탐사선이 발사될 예정이다
[33].
- MX-1 착륙선
60kg급의 소형탐사선으로 착륙선이나 샘플리턴
의 상승기로 사용 가능하다
. 연료를 채우면 450kg
이 된다
. 달착륙시에는 2주일동안의 달의 낮 기간
에만 임무를 수행할 수 있다
.
그림 29. MX-1 달 착륙선
출처: 참고문헌[34]
2.6.5 하쿠토(Hakuto) 팀
2013년에 착수된 일본팀이며, 달의 천공광
(skylight) 또는 달 동굴을 탐사하는 임무<그림
30>를 수행하는 네 바퀴의 문레이커(Moonraker)와
두 바퀴의 테트리스
(Tetris) 로버를 개발하고 있다.
문레이커
<그림 31>의 준비행모델은 크기가
60(L)x54(W)x48(H)cm3, 무게는 8.4kg, 소비전력
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
163
그림
33. Moonraker 비행모델 전기구조도
출처: 참고문헌[36]
24.2W이다. 비행모델은 4kg, 소비전력은 18W를 목
표로 하고 있다
. 로버는 알루미늄 구조체와 탄소섬
유강화프라스틱
(CFRP) 외부커버로 되어있다. 이
로버는
15cm크기의 장애물을 넘을 수 있고, 30도
의 경사면도 기어오를 수 있다
[35].
그림
30. 하쿠토 임무수행 개념도
출처: 참고문헌[36]
그림
31. 문레이커(좌)와 테트리스(우) 로버
출처: 참고문헌[36]
탑재컴퓨터는
‘soft’ARM CPU를 가진 FPGA기반
제어기이다
. 초소형위성의 전력분배유닛과 15V,
80Wh의 리튬이온 배터리를 사용하였다. 5M 화소
의 카메라 이미지를 실시간으로 처리하기위해
ARMv7기반 제어기를 사용하였다. <그림 32>에
문레이커의 준비행모델 전기구조도가 나타나있다
.
테트리스
<그림 31>의 크기는 54x27x21cm3, 무
게는
2.329kg이며 소비전력은 7.3W이고, 100m 길
이의 테더 기계장치를 지니고 있다
.
아스트로보틱사의 그리핀 달착륙선을 이용한여
스페이스엑스사의 팰콘
9으로 2017년에 앤디로버와
함께 발사될 예정이다
.
그림
32. Moonraker 준비행모델 전기구조도
출처: 참고문헌[36]
비행모델은 알루미늄 구조체를 제거하여 무게를
4kg로, 소비전력은 18W로 목표하고 있으며, 프로
세서를 이중
64비트 ARM 8 SOC(시스템온칩)으로
바꾸었고
, 고해상도 카메라를 하나 더 추가하여 설
계하였다
. <그림 33>에 문레이커의 비행모델 전기
구조도가 나타나있다
.
3. 정 리
본 논문에서는 첫 번째로 현재
7년간 운용하고
있는 미국
NASA의 LRO 달탐사궤도선을 살펴보
았고
, 그것으로부터 원숙한 우주탐사기술을 배울
점이 매우 많다고 생각한다
. 그리고 중국은 미국과
러시아에 이어 달착륙을 성공한 후
, 달 샘플을 채
취하여 지구로 가져오는 샘플리턴미션 프로젝트를
164
심은섭 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 151~165
진행하고 있다
. 그리고 미국, 러시아, 중국에 이어
인도와 일본이 달에 착륙선을 보내는 프로젝트를
수행중이다
.
우주전자기술의 발전으로 우주선의 극소형화가
가능하게 되어
10kg급 초소형위성으로 우주탐사를
하는 시대가 되었음을
EM-1으로 발사되는 달큐브
샛으로 확인할 수 있었다
.
그리고 루나 구글 엑스프라이즈 프로젝트에서
보듯이 민간인의 달탐사 실현이 이뤄지고 있음을
확인할 수 있었다
.
최근 스페이스
X사가 팰컨9 발사체의 1단 로켓을
해상에서 회수하는데 성공하여 로켓 재활용시대를
열어
, 이제 종전보다 현저히 낮은 발사비용과 저가
의 초소형위성으로 우주탐사를 크게 촉진 시킬 것
으로 보인다
.
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