항공우주산업기술동향 15권 1호 (2017) pp. 94~105
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기술동향
수성탐사 역사 및 베피콜롬보 현황
이호형*
1 )
Mercury Exploration History and BepiColombo Status
Lee, Ho-hyung*
ABSTRACT
In Mercury exploration, because the Mercury is very close to the Sun, it was difficult to
travel to the Mercury, and overcoming the severe thermal environment around the Mercury
near to the Sun was a difficult problem. Until now, Mercury exploration was performed
twice by NASA by using Mariner 10 and Messenger spacecrafts. In Europe, the first
European mission to Mercury, which is the third mission to Mercury in the world,
BepiColombo, had been proposed in 1993 and is scheduled for launch in October 2018. In
this paper, previous Mercury missions will be briefly introduced, and the details of the
BepiColombo mission will be presented.
초 록
수성탐사에서는 수성이 태양에 매우 가까이 있기 때문에 수성까지 도달하는데 어려움이 있었
고
, 태양 가까이 수성 주위에서의 혹독한 온도환경을 이겨 내는 것이 어려운 문제였다. 지금까지
수성탐사는 미국항공우주국
(NASA)에 의하여 마리너 10과 메신저 우주선으로 2회 수행된 바 있
다
. 유럽에서는 유럽 최초의 수성탐사 프로젝트이자 세계에서 세 번째 수성탐사 프로젝트인 베
피콜롬보가
1993년 제안되어 2018년 10월 발사를 목표로 하고 있다. 본 논문에서는 이전의 수성
탐사 관련 내용을 간단히 소개하고
, 베피콜롬보 프로젝트에 대해서 상세히 소개했다.
Key Words : BepiColombo, Mercury Exploration, Mariner 10, Messenger, MPO, MMO, MTM
* 이호형, 한국항공우주연구원, 위성연구본부 정지궤도복합위성체계팀
hhlee@kari.re.kr
이호형 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 94~105
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1. 서 론
수성은 태양계에서 태양에 가장 가까운 행성
으로서
, 지구, 금성, 화성과 같이 주로 규산염
암석
(silicate rocks)이나 금속으로 구성된 지구
형 행성
(terrestrial planet) 중의 하나이다. 수
성탐사는 수성 자체에 대한 이해는 물론
, 지구
에서의 관측만으로는 획득할 수 없는 태양계
및 지구의 생성에 대한 귀중한 정보를 제공할
수 있을 것으로 과학자들은 생각했었다
.
그러나
, 수성이 태양에 매우 가까이 있기 때
문에 수성까지 도달하는데 어려움이 있었고
,
수성 주위에서의 혹독한 온도환경을 이겨 내는
것이 어려운 문제였다
.
지금까지 우주선을 이용한 수성 탐사는
2회
있었는데
, 첫 번째는 미국항공우주국(NASA)의
마리너
10 (Mariner 10) 우주선이 1974-1975년
수성을 근접비행하면서 관측한 바 있고
, 두 번
째는
미국항공우주국
(NASA)의
메신저
(MESSENGER) 우주선이 2008-2009년 수성을
근접비행하면서 관측한 후
2011-2015년 수성궤
도를 선회하면서 관측을 수행한 바 있다
.
세계에서 세 번째이자 유럽 최초의 수성탐사
프로젝트인 베피콜롬보 프로젝트는
1993년 제
안되었고
, 2000년 유럽우주기구(ESA)에 의하여
승인되어 진행되어 왔었다
. 베피콜롬보 프로젝
트는 유럽과 일본의 공동 프로젝트로서
, 일본우
주항공연구개발기구
(JAXA)는 MMO (Mercury
Magnetospheric Orbitor)를 개발하여 제공하고
수성의 자기권을 관측하는 형식으로 참여하고
,
그 이외의 모든 부분은 유럽이 담당하고 있다
.
베피콜롬보는 그동안 여러 번의 설계변경과
시험과정에서의 문제점 발견 및 해결을 거쳐
2018년 10월 아리안5 발사체를 이용하여 발사
될 예정이다
.
본 논문에서는 베피콜롬보 발사를 앞두고
, 수
성탐사의 역사 및 베피콜롬보 프로젝트의 현황
에 대해서 상세히 소개하고자 한다
.
2. 수성탐사의 역사
2.1 수성의 개요
수성은 태양계의 행성 중에서 태양에 가장
가까운 궤도를 도는 행성이다
. 수성은 반경이
2440km로서 지구 직경의 0.383배이다. 수성 표
면의 온도는 낮에는 섭씨
430도까지 올라가고,
밤에는 대기가 없어서 섭씨 영하
180도까지 내
려간다
. 이러한 극한 온도 환경은 우주선의 설
계에 심각한 어려움을 준다
. 수성은 태양의 주
위를
2번 공전하는 동안 3번 자전한다. 수성의
공전주기는
87.97일이고, 수성의 항성일(자전주
기
)는 58.64일인데, 수성의 하루(수성의 표면에
서 본 태양의 자오선 통과 간격
)는 176일이다.
수성은 대기 대신에 태양풍에 의해서 수성표
면에서 터져 나와 미소유성체에 부딪히는 원자
로 구성된 외기권
(Exosphere)을 갖고 있다. 수
성의 자기장의 세기는 지구 자기장의
1퍼센트
정도이다
.
수성의 표면은 혹성 및 혜성과의 충돌로 생
성된 많은 분화구를 갖고 있어
, 달의 표면과 흡
사하다
.
칼로리스
(Caloris)와
라흐마니노프
(Rachmaninoff) 분화구는 매우 커서 각각 직경
이
1550km, 306km에 달한다. 넓은 평탄한 지대
도 있지만
, 길이가 수백에 달하고 높이가 2km
에 달하는 가파른 경사면이나 절벽들도 있다
.
수성은 지구 다음으로 밀도가 높은 행성으로
서
, 수성의 반경의 80%에 달하는 반경 2000km
까지는 금속으로 된 핵
(core)이다. 이 금속 핵은
부분적으로 녹아서 액체상태로 있다
. 수성의 바
깥쪽 껍질은 두께가
400km밖에 되지 않는다.
2.2 마리너 10 (Mariner 10)
마리너
10은 1973년 11월 3일 케이프케나베
럴에서 발사되었다
. 이것은 한 번에 두 개의
행성
(금성과 수성)을 방문하는 첫 번째 비행임
무였고
, 다른 행성에 가기 위해서 한 행성의
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그림 1. 마리너 10 우주선 형상
중력을 이용하는 첫 번째 우주선이었다
[1].
역사적인 금성의 중력 이용은 마리너
10이
금성으로부터
5768km 지점을 지나갈 때인
1974년 2월 5일 일어났다. 이것은 금성에 도달
한
12번째 우주선이었고, 금성의 환경 및 대기
등의 관측 데이터를 전송한
8번째 우주선이었
으며
, 금성 촬영 영상을 전송한 첫 번째 우주
선이었다
[2].
비록
1974년 3월 29일 수성의 밤쪽 면에서
수성에 가장 가까이
703km 거리까지 접근했지
만
, 점점 멀어지면서 비행하는 동안 태양이 비
친 다른 부분의 영상을 보내왔다
.
관측 자료로부터 플라즈마와 입자 자료가
비록 그 강도는 약하지만 지구와 유사한 자기
장의 존재를 나타내는데 과학자들이 놀랐다
.
두 번째 관측은
1974년 9월 21일 이루어졌는
데
, 48,069km 고도에서 태양이 비치는 수성 반
구의
75%에 해당하는 면적의 영상을 획득할
수 있었다
.
1975년 3월 16일에는 수성의 거의 북극을
327km 고도에서 세 번째로 근접통과 하였는데,
이때는 수성의 자기권과 이것의 태양풍과의 상
호작용에 대한 이해를 증진시키기 위하여 자기
및 입자 측정에 집중하였다
.
마리너
10은 1975년 3월 24일 연료가 소진되
어 비행임무가 종료되었으며
,
3-20km/pixel
해상도의 영상
2300장과 소수의 140m 해상도
의 영상을 획득하였다
. 이로써 수성의 45%의
영역이 촬영되었다
.
위에서 언급한 것 외에 본 임무에서 발견한
사항을 요약하면 아래와 같다
[1].
첫 째
, 수성의 표면은 달의 표면과 같이 분
화구가 집중되어 있는 지역
, 평탄한 지역, 분화
구 사이의 평야로 나뉘어져 있다
. 큰 특징은
칼로리스
(Caloris)라고 이름 지어진 혹성의 충
돌에 의해 생성된
, 직경이 1550km에 달하는 거
대한 분지였다
.
둘 째로는 길이가 수백
km에 달하는 가파른
절벽이었는데
, 이는 아마도 수성이 냉각되면서
전구적인 압축에 의하여 형성된 것으로 보인다
.
세 째는 수성에 아주 희박한 대기가 있다는
것이다
. (대기에서 기체 원자는 지속적으로 충
돌을 일으키는데
, 수성의 기체 원자는 거의 충
돌을 일으키지 않기 때문에
, 알맞는 용어는 외
기권
(exosphere)이다). 표면 압력은 1 피코바도
안되어 지구 해수면 대기압의
1조분의 1 정도
이다
.
2.3 메신저 (Messenger)
메신저는
2004년 8월 3일 발사되어 79억km
에 달하는 거리를 비행하여
2011년 3월 18일
(GMT-Greenwich Mean Time) 극궤도에 가까
운 궤도에 진입하였다
. 2008년 1월, 2008년 10
월
, 그리고 2009년 9월의 수성 근접 비행은 궤
도진입 기동 전에 우주선의 속도를 수성의 속
도에 맞추어 주었다
. 이 근접비행동안 우주선
은 수성의 거의 전역을 촬영하여
1년에 달하는
궤도비행을 계획하는데 중요한 자료를 수집하
였다
[1] [3].
메신저의 궤도는 근지점고도
200km, 원지점
고도
15,193km, 궤도경사각 82.5도였고, 근지점
은 위도
60도에 있었다. 24시간에 2회 수성을
선회하였고
, 이 기간의 3분의 1은 자료를 지구
로 보내기 위한 방향으로 향했다
.
엑스선
, 감마선 및 가시광-적외선 분광기는
표면에 있는 암석들의 광물적 조성을 분석하는
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데 쓰였다
. 중성자분광기는 수소 – 극지방 분화
구 내의 물로된 얼음의 증거 – 의 양을 예측하
는데 쓰였다
.
레이저 고도계는 수성의 형상과 표면 지형을
측정했다
. 다른 장비는 자기장과 수성의 빈약
한 대기를 연구했다
.
메신저 임무는
2015년 4월 30일 연료가 소진
되어 수성으로 추락할 때까지 연장되었다
. 가
장 두드러진 점은 이때까지 화산 활동으로 고
위도 지역에 새로운 거대한 화산지대가 나타난
것이다
.
다른 새로운 발견도 있었다
. 수성의 자기장
은 자전축을 따라서 북쪽으로
484km (수성 직
경의
20%) 어긋나 있었다. 내부 자기장 세기는
지구에 비해서
100분의 1로 태양풍으로부터의
보호를 거의 제공하지 못했다
.
메신저는 또한 수성의 극지방에 물의 얼음이
존재하고 있다는 강력한 증거를 제공했다
.
수성의 핵이 밀도가 높은 철이라는 가설에도
불구하고
, 표면에는 철이 별로 없고, 유황, 나
트륨
, 염소를 포함하는 휘발성 요소가 풍부하
다는 것이 발견되었다
.
그림 2. 메신저 우주선 형상
3. 베피콜롬보
3.1 베피콜롬보 프로젝트의 개요
베피콜롬보 프로젝트는 유럽 최초의 수성탐
사 프로젝트로서 유럽우주기구
(ESA)와 일본우
주항공연구개발기구
(JAXA)의 협력 하에 진행
되고 있다
. 에어버스디에스(Airbus DS)사가 주
계약자로서 유럽우주기구
(ESA)를 대신하여 프
로젝트 전체를 총괄하고
,
일본은
MMO
(Mercury Magnetospheric Orbiter)를 제작하여
제공하고
, 나머지는 모두 유럽의 각국에서 제
공된다
.
프로젝트의 명칭은 마리너
10의 비행 궤적을
제안하고
, 수성의 자전과 공전의 주기가 2:3 이
라는 것을 발견한 이탈리아의 과학자 줴세페
콜롬보
(Guiseppe “Bepi” Colombo, 1929-1984)
의 이름에서 따왔다
.
우주선과 서브시스템의 설계는 수성근처에서
의 혹독한 온도환경을 극복하는 것과
4개의 모
듈이 한 몸체로 발사되어 하나하나씩 분리되어
나가서
, 최종적으로 두 개의 우주선만 남아 수
성궤도를 선회하도록 하는 것에 맞추어 설계되
었다
.
베피콜롬보 프로젝트의 과학적 목표는 아래
와 같다
.
∙ 태양에 가까운 행성의 기원과 진화에 대한 연구
∙ 행성 자체로서 수성에 대한 연구
∙ 수성외기권의 구조 및 동력학
∙ 수성 자기권의 구조 및 동력학
∙ 수성 자기장의 기원
∙ 극지역 퇴적물의 성분 및 기원
∙ 아인슈타인의 상대성이론 실험
3.2 베피콜롬보 우주선의 구성 및 특징
베피콜롬보의 우주선은
MPO (Mercury Planetary
Orbitor)와 MMO
(Mercury
Magnetospheric
Orbitor)의 두 개의 우주선으로 구성되어 있고, 이
두 개의 우주선을 수성까지 운반하는데
MTM
(Mercury Transfer Module)이 사용되고, 수성으로
가는 비행 중
MMO로 들어오는 태양열을 차단하고
MMO를 MPO에 접속시키기 위하여 MOSIF( MMO
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Sunshield and Interface Structure)가 사용된다. 이
4개가 합쳐진 형상을 MCS (Mercury Composite
Spacecraft) 라고 부른다. 이들 중 MTM과
MOSIF는 수성에 갈 때까지 임무를 완료하면 떨
어져 나가고
, 최종적으로 MPO와 MMO가 수성
궤도를 돌면서 임무을 수행한다
. MPO는 수성의
표면과 내부구성을 연구하고
, MMO는 수성 자기
장의 영향을 받는 수성 주변의 공간 지역인 자기
권을 연구한다
.
우주선을 수성까지 운반하는 임무를 완수한
MTM은 수성궤도 진입 직전에 MCS에서 분리되
고
, MMO가 궤도에 진입하여 일본우주항공연구
기구
(JAXA)가 MMO의 관제를 인도받을 때까지
MPO가 MMO에 필요한 서비스를 제공한다.
그림
3 ~ 그림 5는 MCS의 형상을 보여주고,
표
1은 전체 질량버짓을, 표 2는 MPO와 MMO
의 특징을 보여준다
. 발사 중량은 4121kg이다.
그림 3. 베피콜롬보 MCS의 비행 형상
그림 4. 베피콜롬보 MCS의 구성 요소.
그림 5 MCS의 단면 형상
질량버짓 건조질량 화학추진제
제논
합계
MMO
285
285
MOSIF
127
127
MPO
1169
669
1838
MCSA
1580
669
2249
MTM
1134
157
581
1872
발사형상 2714
826
581
4121
표 1. 베피콜롬보 질량버짓[4]
*MCSA(MMO+MOSIF+MPO): Mercury Aproach 형상
MPO
MMO
자세제어
3축
회전 (15rpm)
우주선 방향
수성방향 지향
회전 축이 태양
과 90도
궤도
극궤도
2.3시간 주기
480x1500 km
극궤도
9.3 시간 주기
590x11,640 km
탑재체 무게
80kg
45kg
탑재체 전력
100-150W
90W
TM 밴드
X, Ka 밴드
X 밴드
데이터전송량
1550
Gbits/year
160
Gbits/year
상당 평균 전
송속도
50 kbps
5 kbps
안테나
직경 1.0m
steerable
직경 0.8m
phased array
운용 수명
1년 이상
1년 이상
표 2. MPO와 MMO의 특징
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3.3 베피콜롬보의 비행 여정
베피콜롬보는
2018년 10월 발사되어 7.2년 동
안 비행하여
2025년 12월에 수성궤도에 진입할
예정이다
. 수성에 도달할 때까지는 태양전기추진
(SEP, Solar-Electric Propulsion)을 이용하고, 수
성궤도에 진입하는 데는 화학추진을 사용한다
.
수성으로 비행하는 동안
9번의 행성의 중력을 이
용하여 비행 속도와 방향을 변경하게 되는데
, 지
구의 중력을 한 번
, 금성의 중력을 두 번, 수성의
중력을
6번 이용한다.
우주선은 발사된지
1년 반 후에 지구로 돌아
와서 중력지원 기동을 하여 금성으로 향한다
. 두
번의 금성 근접비행은 추진력 없이도 우주선의
태양중심 원지점고도를 수성의 공전궤도로 낮춘
다
. 6번에 걸친 수성 근접비행은 상대속도를
1.76~1.84km/s로 낮춘다. 네 번의 마지막 태양전
기추진은 상대속도를 더욱 낮추어 궤도진입 기동
없이도
2025년 12월 5일 수성이 우주선을 약하게
붙잡을 수 있게 해준다
.
마지막 태양전기추진 이후
2개월 동안에
MTM (Mercury Transfer Module)이 분리되어
떨어져 나가고
, 나머지 MPO/MMO/MOSIF 의
복합체
(MCSA형상)는 수성의 영향권에서 떠돌
면서 약간의 추진력으로
674 x 178,000km의 초
기 궤도에 들어간다
.
그 다음
MPO 추진시스템을 가동하여 MMO
궤도에 진입하여
MMO를 분리시킨다.
그 다음
MPO는 두 번의 기동으로 궤도를 변
경하여
MOSIF를 분리하고, 최종적으로 MPO궤
도로 이동한다
.
MPO가 최종 궤도에 도달한 이후 한 달 동안
궤도상 시험을 수행한다
. 모든 MPO 데이터는
저장장치에 저장되었다가 스페인에 있는 유럽우
주기구의 세브레로스
(Cebreros) 지상국을 지날
때 지구로 전송한다
. 궤도의 절반 동안은 방열판
이 태양의 반대쪽을 향하도록 우주선이 수성 방
향의 반대 방향을 향해야 한다
.
MMO는 일본의 나가노에 있는 우수다심우주
센터
(UDSC, Usuda Deep Space Center)의 64m
안테나를 통하여
JAXA/ISAS 사가미하라 우주운
영센터
(Sagamihara Space Operations Center)와
교신한다
.
일자
항목
2018년 10월
발사
2020년 4월 10일
지구 근접비행
2020년 10월 15일
1차 금성 근접비행
2021년 8월 11일
2차 금성 근접비행
2021년 10월 2일
1차 수성 근접비행
2022년 6월 23일
2차 수성 근접비행
2023년 6월 20일
3차 수성 근접비행
2024년 9월 5일
4차 수성 근접비행
2024년 12월 2일
5차 수성 근접비행
2025년 1월 9일
6차 수성 근접비행
2025년 12월 5일
수성궤도 진입
2026년 3월 14일
MPO 마지막 관측
2027년 5월 1일
정상임무 종료
2028년 5월 1일
연장임무 종료
표 3. 비행 일정 계획
그림 6. MPO와 MMO의 수성 궤도
3.4 베피콜롬보 우주선의 주요 특징
3.4.1 MPO 형상
MPO는 다층단열재(MLI, MultiLayer Insulator)
를 통해서 우주선 내부로 들어오는 열을 최소
화하여 방열판의 열하중을 최소화하기 위해서
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크기를 가능한 한 작게 하였다
. 방열판은 최대
1500W를 방출할 수 있는데, 이중 1200W는 탑
재체 및 컴포넌트로부터 발생되는 열이고
,
300W는 우주선 외부에서 스며들어오는 열이
다
. 컴포넌트들이 장착된 판넬의 히트파이프는
방열판으로 열을 이동시키고
, 방열판의 히트파
이프는 열을 골고루 분산시킨다
.
내부의
‘ㅍ’자 모양 구조물의 양 옆 두 개의
알루미늄 샌드위치 판넬에 컴포넌트 장착과 히
트파이프가 집중되어 있다
. ‘ㅍ’자 모양의 주구
조물의
4 개의 교차점은 MTM과 MOSIF와의
접속점으로 이용된다
.
대부분의 탑재체는 수성궤도에서 수성을 향
하도록 되어 있다
. 엄격한 지향 요구조건을 만
족시키기 위하여 이들 탑재체와
3개의 별추적
기 및 관성측정장치
(IMU)는 탄소섬유 복합재
료
(CFRP) 샌드위치 광학벤치에 장착되어 있다.
조향가능한
중이득안테나
(MGA-Medium
Gain Antenna)와 직경 1.0m의 고이득안테나
(HGA-High Gain Antenna)는 우주선의 몸체에
대해서 어느 방향에서든지 지구의 위치를 포착
하면 통신을 제공할 수 있다
. 중이득안테나는
긴 붐에 장착되어 있는데
, 붐의 장착 지점은
물론 붐 축을 중심으로 회전할 수 있어
MPO
몸체에 의해서 가려지는 부분은 물론
MCS 형
상에서
MTM과 MOSIF로 가려지는 부분을 넘
어서 시야각을 제공할 수 있다
. 고이득안테나
장착 조립체는
MCS형상에서는 제한된 시야각
을 제공하나
, MPO 몸체에 대해서는 큰 시야각
을 제공하는
2축 회전 능력을 갖고 있다.
MPO의 방열판은 높이가 1.7m이고, 폭이
3.6m 이다.
3.4.2 MMO 형상
MMO는 회전안정화방식의 우주선이다. 회전축
은 수성의 궤도면에 거의 직각이다
. MMO의 몸
체는 팔각형기둥 모양으로서 직경
1.8m 안에 들
어가고
, 높이는 1.06m이다. 옆면의 위쪽 부분은
그림 7. MPO 컴포넌트 장착 형상
그림 8. MPO의 전개 형상
태양전지와 광학태양반사경
(OSR, Optical Solar
Reflector)이 반반씩 부착되어 있고, 아래쪽은 광
학태양반사경만 부착되어 있다
.
탑재체들은
40cm 떨어져 있는 윗면과 아래면에 설치되어 있
다
. 고이득안테나는 직경 0.8m의 헬리컬어레이
안테나이다
. 고이득안테나는 안테나 역회전 모터
(ADM, Antenna Despun Motor)와 안테나 지향
기구에 의해서 지구를 향한다
. 두 개의 반사판을
갖고 있는
(bi-reflector type)의 중이득안테나 수
신기
(MGA RX)는 길이를 늘일 수 있는 기구에
달려서 밑면에 장착되어 있다
. 플라즈마 파동 측
정장치를 위한 두 쌍의 안테나와 자기측정기를
위한 한 쌍의 붐은 밑면의 바깥 쪽 벽에 장착되
어 있는 반면에
, 대부분의 과학 측정장비는 밑면
의 안쪽에 장착되어 있다
.
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성능
-5kw급 추력기
-추력범위: 30~230mN
-비추력: 4000초 이상
-총추력: 13MN 이상
제원
- 빔직경: 22cm
-크기: Φ30x32 cm
-무게: 8.3 kg
표 4. T6 추력기의 성능 및 제원
그림 9. MMO의 형상
3.4.3 MTM 형상
MTM(Mercury Transfer Module)은 MPO와
MMO를 수성까지 운반하는 데 사용된다. 전기추
진 단계에서
MCS의 추력기는 비행 방향으로 향
해 있어 감속 기능과 자세제어 기능을 제공한다
.
관성비행
(Coast) 단계에서 MCS는 태양벡터를
중심으로 회전하여 화학추진제의 사용을 최소화
한다
. MTM은 전기추진시스템과 화학추진시스템
을 모두 가지고 있다
.
MTM의 형상은 주로 MTM 전기추진시스템
(MEPS)에 의해서 결정되었다. 한 개의 전기추력
기를 작동하는데
5kW의 전기가 필요한데, 보통
2개의 추력기를 이용하여 추진하도록 되어 있다.
총
4개의 전기 추력기를 장착하고 있다. 두 개의
전기추력기 및 여러 컴포넌트에서 필요로 하는
13kW의 소요 전력을 생산하기 위하여 두 개의
커다란 태양전지판을 갖고 있다
. 4개의 전기추력
기는 발사체 접속 링의 안쪽에 배치되어 있다
.
3.4.4 MOSIF 형상
MOSIF(MMO Sunshield and Interface Structure)
는 이름 자체가 이것의 기능을 설명하고 있다
.
어댑터는 중앙에
MMO와의 접속을 제공하고,
지지대들은
4 개로 된 MPO와의 접속 지점을 제
공하면서 태양 차폐막을 부착할 수 있게 해준다
.
태양 차폐 구조는 다층단열재
(MLI)를 지지한다.
3.4.5 MEPS(MTM 전기추진시스템)
MEPS(MTM Electric Propulsion System)은 4
개의 전기추진 추력기
, 전력제어장치, 추력기 지
향기구 및 제논 저장 및 공급시스템으로 구성된
다
. 추력기는 카우프만(Kaufmann) 추력기로서
영국 퀴네티큐
(QuinetiQ) 연구소의 직류방전형식
(Direct Current Discharge)인 T6 추력기이다. 이
시스템은 비행 기간 동안
25회, 총 880일간 작동
하고
, 1회 최장 167일 동안 작동한다. 보통 한 번
에 두 개의 추력기가 작동된다
.
추력기는 추력벡터가
MCS의 무게중심을 지나
도록 각각의 조향기구에 장착되어 있다
. 추력벡
터를 무게중심에서 벗어나게 하여 반작용휠의 모
멘텀 덜어내기
(momentum dumping)에 사용되기
도 한다
. 제논시스템은 580kg의 제논을 실을 수
있고
, 5400m/s의 ΔV를 제공할 수 있다.
표
4는 추력기의 성능 및 제원을, 표 5는 T6
시스템의 구성요소들을 보여준다
. MTM 전기추
진시스템은
2 개의 추력기가 쌍으로 작동할 때
290mN, 한 개가 작동할 때 145mN 이상의 성능
을 보장한다.
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이호형 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 94~105
T6 시스템 및 추력기
QuinetiQ, 영국
Flow Controller
Moog Bradford
네덜란드
Power Supply
Airbus Crisa(스페인),
with Airbus(독일)
Pointing Mechanism
RUAG
오스트리아
표 5. T6 시스템의 구성 요소들
그림 10. MTM의 전기추진시스템(MEPS)의 형상
3.4.6 화학추진시스템
MPO 화학추진시스템은 15회의 수성궤도진입
기동 및 자세제어를 위해서
22N 추력기 4기와
5N 추력기 4기를 갖추고 있다. 22N 추력기는 하
이드라진
(MMH)과 산화질소(MON)를 사용하는
이원추진제추력기
(bi-propellant thruster)인 반면
에
5N 추력기는 하이드라진(MMH)를 사용하는
일원추제진추력기
(mono-propellant thruster)이다.
총
669kg의 추진제를 탑재하고 있고, 1000m/s의
Δ
V 및 자세제어를 제공한다.
MTM 화학추진시스템은 하이드라진(MMH)과
산화질소
(MON)을 사용하는 12개의 10N 이원추
진제추력기를 채용하고 있다
. MTM 화학추진시
스템은 순항비행
(cruize navigation)을 위한 추력
및 자세제어 능력도 있다
. 157 kg으로 68 m/s의
Δ
V 및 자세제어를 제공한다.
3.4.7 전력시스템
MPO는 28V의 정격 전압을 제공하고, 순항비
행
(cruize navigation) 동안에는 MMO에도 전기
를 제공한다
. MPO는 96Ah의 리튬이온 배터리
를 장착하고 있다
. 태양전지판을 190℃ 이하로
유지하기 위해서 광학태양반사경
(OSR, Optical
Solar Reflector)과 태양입사각 제어를 모두 채용
하고 있다
. 거의 대부분의 수성년 동안 태양전
지판은 전력을 생산하면서 동시에 온도 상승를
제한하기 위해서 계속해서 회전한다
. 태양전지
판은 수성년 중 일정 기간에는 태양이 회전축
방향에 있어 전력이 생산되지 않도록 장착되어
있다
(artificial eclipse). 자연식(natural eclipse)
이나 인공식
(artificial eclipse) 동안에는 MPO에
있는 배터리가 전기를 제공한다
.
MTM은 면적이 총 40m2에 달하는 큰 태양
전지판을 갖고 있고
, 13kw의 전력을 생산한다.
수성까지 비행하는 동안에는
MCS가 MTM의
태양전지판으로부터 전력을 제공받고
, MTM이
분리된 후에는
MPO의 태양전지판으로부터 전
력을 제공받는다
. 태양으로터의 거리가 0.62AU
가 되기 전까지는
MTM 태양전지판은 온도 제
한 없이 태양에 직접 향해도 된다
. 이 거리보
다 작게 되면
, 온도 상승을 제한하기 위해서
태양 방향을 피해야 한
다
.
3.4.8 자세제어시스템
MPO 자세제어계는 3개의 별추적기, 두 개
의 관성측정기
, 두 개의 정밀태양센서, 네 개의
이호형 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 94~105
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반작용휠로 구성되어 있다
.
과학 임무 중에는 최소한 두 개의 별추적기
가 사용된다
. 중대한 이상으로 자세제어를 상
실할 경우 자체 내의 셔터가 작동되어 태양 빛
이 들어와서 별추적기를 손상시키는 것을 방지
한다
. MPO의 과학 운영을 위해서 자세제어계
는
MPO가 정확성과 안정성 요구조건을 만족
하면서 계속해서 수성방향을 지향할 수 있도록
해야 한다
. 자세제어계는 또한 열적으로 중요
한 태양전지판의 지향을 제어하고
, 수성 진입
을 위한
22N 추력기도 제어한다.
3.4.9 열제어시스템
MPO 열제어계는 탑재체와 MPO 컴포넌트
들로부터 발생되는
1200W의 열과 외부로부터
스며들어오는
300W의 열을 방출하고, 컴포넌
트들의 온도를 제어하고
, 방열판으로 들어오는
적외선 복사를 차단하도록 되어 있다
.
히트파이프를 이용하여 탑재체나 컴포넌트로
부터 발생되는 열을 방열판으로 이동시키고
,
방열판내의 온도를 골고루 분산시킨다
. 몇 개
의 히트파이프는
3차원의 형상을 갖고 있다.
방열판 앞에는 루버가 설치되어 있어 방열판
이 우주를 볼 수 있도록 하면서 적외선 복사열
이 들어오는 것을 차단한다
.
MPO의 전 몸체는 베피콜롬보를 위해서 개발
된 고온 다층단열재
(MLI, Multi-Layer Insulator)
로 감싸져 있다
. 가장 바깥 쪽은 2 층의 Nextel
ceramic 천으로 되어 있고, 그 아래는 11층의
알루미늄으로 되어 있는데
, Nextel ceramic 천
은
380℃까지 견딘다. 그 다음은 26 층의 알루
미늄 증착
Upilex가 들어가고, 그 다음은 10층
의 알루미늄 증착
Mylar가 들어간다.
이들
4개의 뭉치들은 kapton rosette로 분리
되어 있고
, 각 뭉치 내의 층들 사이에는 유리
섬유 및
AAerofoam이 들어간다. MPO에 장착
된
MLI는 두께가 65cm 이고, 무게가 94kg이다.
그림 11. MPO 다층단열재(MLI)의 단면 형상
MOSIF 다층단열재(MLI)의 가장 바깥쪽은 1
층의
Nextel로 되어 있고, 그 아래는 7개의의
보조개 자국이 난 타이타늄 층으로 되어 있다
.
MTM 열제어계는 컴포넌트들의 온도를 제어
하고
, 히트파이프를 이용하여 방열판에서 온도
를 균등히 분배하고
, 컴포넌트들로부터 발생되
는
2000W의 열과 외부에서 스며들어오는
300W의 열을 방출하도록 되어 있으며, 다층단
열재
(MLI)를 이용하여 외부의 열로부터 몸체를
보호하도록 되어있다
.
모듈과 모듈 사이도 철저하게 방열 처리가 되
어 있다
. MTM과 MOSIF가 분리되면, 기계적으
로 접속되었던 부위에
8 개의 직경 140mm의 구
멍과 커넥터가 연결되었던
4 개의 직경 170mm
의 구멍이 발생되는데
, 이들 구멍은 MTM과
MOSIF가 분리된 후 다층단열재(MLI) 판을 갖고
있는 전개형 열카바
(DTC, Deployable Thermal
Cover) 로 막아진다. 아래 그림은 전개형 열카바
의 형상을 보여준다
.
그림 12. 전개형 열카바(DTC)의 형상
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이호형 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 94~105
3.5 베피콜롬보의 탑재체
3.5.1 MPO 탑재체
MPO는 카메라, 분광기(spectrometer), 복사
계
(radiometer), 레이저 고도계, 자기계, 입자분
석기 및 가속도계의
11개 탑재체를 탑재한다.
이들 중
10개는 유럽우주기구 회원국으로부터
제공되고
, 1개는 러시아로부터 제공된다. MPO
에 탑재되는 탑재체는 다음과 같다
.
∙ BELA: BepiColombo Laser Altimeter
∙ ISA: Italian Spring Accelerometer
∙ MPOMAG: MPO Magnetometer
∙ MERTIS: Mercury Thermal Infrared Spectrometer
∙ MGNS: Mercury γ-Ray and Neutron Spectrometer
∙ MIXS: Mercury Imaging X-ray Spectrometer
∙ MORE: Mercury Orbiter Radio science
Experiment
∙ PHEBUS: Probing of Hermean Exosphere by
Ultraviolet Spectroscopy
∙ SERENA: Search for Exosphere Refilling and
Emitted Neutral Abundances
∙ SYMBIO-SYS: Spectrometers and Imagers for
MPO BepiColombo Integrated Observatory System
∙ SIXS: Solar Intensity X-ray Spectrometer
3.5.2 MMO 탑재체
MMO는 자기계, 이온 분광기(spectrometer),
전자에너지분석기
, 플라즈마 탐색기, 플라즈마
파동분석기
, 영상기의 5개 탑재체를 탑재한다.
∙ MERMAG-M/MGF: Mercury Magnetometer
∙ MPPE: Mercury Plasma Particle Experiment
∙ PWI: Mercury Plasma Wave Instrument
∙ MSASI: Mercury Sodium Atmospheric Imager
∙ MDM: Mercury Dust Monitor
MPPE는 7개의 서브 센서로 구성되어 있고,
PWI 또한 7개의 서브센서로 구성되어 있다.
MMO의 탑재체는 일본, 유럽, 그리고 다른 나
라들의 세계적인 과학자와 전문가들의 커다란
컨소시움에 의해서 제공된다
[5].
3.6 주요 진행 경과 및 현황
유럽의 수성탐사임무는
1993년 제안된 이래
설계 변경 및 시험 과정 중 문제발견 및 해결
로 인한 여러 번 발사 예정일이 연기되는 우여
곡절을 거쳐
2018년 10월 발사를 목표로 하고
있다
. 주요 진행 경과 및 현황을 요약하면 아
래와 같다
.
∙
1993년 5월: 유럽의 수성탐사임무 제안
∙
2000년 10월: 베피콜롬보 프로젝트 승인
∙
2007년: Astrium GmbH(현재 Airbus Defence
and Space)를 주계약자로 선정
∙
2008년: 무게 증가로 발사체가 소유즈에서
아리안
5로 변경
∙
2009년 11월: 재설계되어 변경 승인됨
∙
2010년 9월: 수성에서의 극한 온도환경 시험을
위하여
ESTEC의 LSS(Large Space Simulator)를
개조하고
,
MMO
열모델을 시험한 이후
MOSIF+MMO 조합의 시험 수행
∙
2015년 3월 25일: 베피콜롬보 상세설계검토
회의 완료
∙
2016년 9월: 4 개의 이온추력기 장착 완료
∙
2016년 말: MTM 시험 중 중대한 전기적 결
함 발견으로 발사 예정일을
2018년 4월에서
10월로 연기
4. 결 론
이상과 같이 이전의 수성탐사에 대해서 간략히
소개하고
, 2018년 10월 발사를 목표로 하고 있는 베
피콜롬보 프로젝트에 대해서 상세히 알아보았다
.
베피콜롬보는 전기추진은 물론 총
9회의 행성 중
력 지원 비행
(지구 1번, 금성 2번, 수성 6번)을 이용
하면서
, 태양의 인력으로 인한 우주선의 속도 증가
이호형 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 94~105
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를 억제하고 궤도 변경을 수행하면서
, 7.2년을 비행
하여
2025년 수성에 도달하여, 화학 추진을 이용하
여 수성궤도에 진입할 예정이다
.
베피콜롬보 프로젝트에서 가장 큰 기술적 어려
움은 수성 근처에서의 높은 온도 환경을 극복하는
것이었고
, 이를 위해서 고온 태양전지판, 고온 안테
나
, 특수 다층단열재(MLI) 등이 개발되었고, 수성
근처 열환경 모사 시험을 위해서 네덜란드에 있는
유럽우주기구의 시험 기관인
ESTEC에 있는 열환
경 시험장비
LSS(Large Space Simulator)의 대대적
인 개조도 수행되었다
. 수성궤도선(MPO)에 사용
되는 다층단열재의 두께는 무려
65cm에 달하고, 무
게는
94kg 이나 된다.
베피콜롬보는 각 부분체별 시험 및 조립이 완료
되어 전체 시스템의 시험을 수행 중에 있다
. 베피
콜롬보는 발사예정일
6개월 전에 발사장으로 운송
되어 발사준비
(launch campaign)에 들어가므로,
모든 시험이 원만히 수행되면
2018년 4월부터 발사
준비가 시작될 것이다
.
베피콜롬보 프로젝트를 통해서 많은 기술적 발전
이 있었으며
, 이 프로젝트가 성공적으로 수행된다
면 수성에 대한 이해는 물론
, 태양계의 생성과 진화
에 대해서 한층 더 이해가 깊어질 것으로 기대된다
.
참고문헌
1. http://sci.esa.int/bepicolombo/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Mariner_10
3. https://en.wikipedia.org/wiki/MESSENGER
4. Roger J. Wilson and Markus Schelkle, “The
BepiColombo Spacecraft, its Mission to
Mercury and its Thermal Verification,” 46th
Lunar and Planetary Science Conference, The
Woodlands, March 2015.
5. Johannes Benkhoff, Jan Van Casteren, et al.,
“BepiColombo – Comprehensive exploration
of Mercury: Mission overview and science
goals,” Planetary Space Science, Vol 58, 2000,
pp. 2-20.
6. T. Mukai, H. Yamakawa, et al, “Present
status of the BepiColombo/Mercury
amgnetoshperic orbiter,” Advances in Space
Research ( a COSPAR publication) 38 (2006),
pp. 578-582.
