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항공우주산업기술동향 15권 2호 (2017) pp. 175~181

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기술동향

달착륙선 착륙장치 형상 연구

김진원 1)

Moon Lander Configuration Study

ABSTRACT

The advanced space leading countries have been successful in several moon landings and planetary

landings in recent decades. This study investigated the issues to be considered for successful lunar

landing and made guidelines for the determination of the landing gear configuration.　The landing

gear of the lunar lander should minimize impact load by vertical and horizontal speeds at landing. In

addition, efforts should be made to minimize overturning by proper landing gear layout and

configuration. The shock absorber (damper) is mounted on the strut or footpad, and its combination

should be considered.

초 록

우주선진국은　최근 수십년간 여러차례　달착륙과 행성착륙을　성공적으로　해왔다. 본　연구

는　달착륙을　위하여 고려해야 할 사항을 조사하였으며, 최적의　달착륙장치의　형상을 결정
하기 위한 참고자료가 되도록 하였다. 달착륙선의　착륙장치는　착륙시　수직속도와　수평속도
에　 따른　 충격하중을　 완화하여　 임무장비에　 영향을　 최소화하여야　 한다．　 또한，적절한　
착륙장치　배치와　형상으로　전복을　최소화　하는　노력이　필요하다．충격완화장치（댐퍼）
는　 스트럿이나　 풋패드에도　 추가로 장착할 수 있는데，이의　 적절한 조합도　 고려해야　 한
다．

Key Words : Lunar Lander(달착륙선), Landing Gear(착륙장치), Configuration(형상)

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김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181

1. 서 론

달착륙은 극심한 우주의 극한환경 하에서 이

루어지며 안전하게 착륙하는 것은 매우 중요한

관심사가 되어 왔다. 적절한 착륙장치의 배치와

형상설계는 착륙시의 전복 가능성을 낮추고 장

착된 기기로의 충격하중을 낮출 수가 있다.

본 연구에서는 해외의 착륙사례를 검토하여

달착륙을 성공하기 위하여 착륙장치의 구조의

형상설계 관점에서 고려할 점을 조사하였다.

2. 우주 탐사선 착륙 사례 연구

2.1

미국의 무인 달착륙, [1]

미국의 서베이어(surveyor)호는 1966~1968년에

걸쳐 달탐사를 목적으로 발사되어, 서베이어호

1, 3, 5, 6, 7호가 월면착륙에 성공하였다.

그림 1. 서베이어호, National Air And Space

Museum 복제 전시품

서베이어호는 착륙장치가 3개로 구성되어 있

으며 충격흡수는 (1)주 스트럿(primary strut)

(2) 풋패드(foot pad)의 허니컴 샌드위치 (3)

Lower Deck 밑에 정6면체의 충격흡수용 댐퍼가

담당하고 있다.

이런 복합적인 설계는 착륙장치 주 스트럿이

수직에 가까울수록 스트럿에 수직방향 하중이

발생하여 구조적으로 유리하나 약 40도 정도로

기울어진 상태로 장착됨에 따라 충분한 댐핑이

어려움에 따른 구조형상이다.

착륙장치 스트럿이 바깥으로 크게 벌어져 있

고 무게중심이 낮게 설계되어 전복 안정성이 상

당히 좋을 것으로 판단된다.

참고문헌 [1]의 그림 8

2.2 러시아의 무인 달착륙, [4]

러시아의 달착륙은 개발 초반 여러회에 걸쳐

실패 후 Luna 9 , 13, 16, 17, 20, 21, 24호가

연착륙에 성공했다.

그림 2. Luna 16 착륙선

착륙장치는 4개로 이루어져 있으며 착륙시

전복을 방지하기 위하여 무게중심이 낮추고 착

륙장치가 바깥쪽으로 상당히 벌어진 모습을 하

고 있다.

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2.3 미국의 유인 달착륙

미국은 유인 달탐사를 위하여 아폴로 11, 12,

14, 15, 16, 17호가 1969 ~ 1972년에 걸쳐 달표

면에 성공적으로 착륙을 하였다.

그림 3. 아폴로 11호 달착륙선

달착륙선의 주스트럿은 수직 충격하중을 직접

많이 받기 위하여 가능한 수직으로 세워서 장착

하였다. 보조스트럿은 거의 수평으로 장착되어

있으므로 수직착륙하중을 직접적으로 감당하지

는 않는다. 착륙선은 착륙시 질량 6,000kg을 고

려하여 매우 튼튼한 다리가 장착되어 있으며,

유인착륙선임을 감안하여 전복에 유리한 3-leg

보다는 4-leg 형식의 착륙장치를 사용하여 경사

지 착륙에 대비하였다.

또한, 착륙선의 주엔진이나 추력기로부터 고온에

노출되지 않도록 단열재로 보호를 하고, 직접적인

화염에 닿지 않도록 바깥쪽으로 충분히 경사지게

다리의 설계가 되어있다.

2.4 러시아의 유인 달 탐사선 연구

러시아는 유인 달탐사를 계획은 하였으나 기

술적인 문제로 포기한 바가 있다. 그림 4는 러

시아의 달착륙선을 보여주며, 착륙시의 전복을

방지하기 위하여 바깥으로 다리가 벌어진 상태

로 수직착륙 하중을 받기 위하여 가능한 세운

형상을 하고 있다. 이 착륙선의 제원은 충분하

게 정보가 공개되어 있지 않은 상태이다.

그림 4. 러시아 달착륙 시험모듈(LK)

이 시험선은 4차례 발사가 이루어져 지구궤

도에서 성공적으로 시험을 하였으나 N1/L3 로

켓의 거듭된 개발 실패로 실제 달에 가지는 못

하였다. 즉, 미국이 먼저 달착륙에 성공하고 거

듭된 로켓의 기술적인 문제로 1974년에 러시아

는 우주정거장 건설에 집중하는 쪽으로 방향을

바꾸었다.

2.5 러시아의 금성탐사선, [4]

1960년대 이후 금성탐사는 당시 소련의 여러

차례에 걸친 실패에 결국 Venera 7호가 1970년

에 최초로 지면 착륙을 성공하고 연이어

Venera 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14호가 착륙을 성

공후 1985년 Vega-2도 착륙을 하였다.

금성은 대기압이 높아 점성이 극도로 높은

상태이므로 착륙선에는 낙하산이 필요없는 자

유낙하(free fall)가 가능하다. 따라서, 통상의

착륙장치는 없이 트러스(Truss) 모양의 받침대

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가 필요하다 [그림 5, 6].

러시아는 현재 Vega-D를 2025년 착륙을 계

획하고 있으며, 통상의 착륙장치의 모습이 보

인다 [그림 7].

그림 5. Vega 금성 착륙선

그림 6. Venera 7 금성 착륙선 상상도, [4] ESA 제공

그림 7. Venera-D 금성 착륙선 상상도, [4] ESA 제공

미국은 금성에 연착륙한 기록은 없으나 수차

례의 flyby와 궤도선 1회를 성공시켰으며

Venus 2는 금성표면에 내려오면서 대기의 측

정 데이터를 보내오기도 하였다.

유럽 우주국(ESA)는 2005년 금성 궤도선을

성공적으로 발사하였으며 일본은 1회씩의

flyby와 궤도선을 성공시킨 경험이 있다.

2.6 유럽의 혜성 착륙 사례

혜성탐사선 필레(Philae)는 인류 최초로 혜성에

착륙하기 위하여 ESA가 개발하였으며, 자세한

사양은 다음과 같다.

- 전체 착륙선 징량 = 98kg

- 복합재 착륙장치 질량 = 10kg

- Damping tube, d = 800-1200 N・s/m

- L/G rigidity per leg, k = 1.3x104 N/m

- 착륙시 수직 설계 속도 = 1.5 m/s

- Nominal forces due to foot up to 2.105 N

그림 8. 필레 착륙선

필레는 1.5 m/sec의 속도로 착륙후 혜성표면에

70m/s의 속도로 얼음표면을 뚫고 작살을 발사해
서 닻을 내리고, 착륙장치의 다리는 되튀김 현상
을 억제하도록 충격 완화 설계가 되어 있다. 필
레의 상단에 있는 추력기는 충돌시 바운스를 줄
이고 작살의 반동을 줄이기 위해 사용된다.

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혜성 표면이 거의 중력이 없는 상태(10-3 m/s2)

를 고려하여 수직으로 세워서 벽에 충돌하는 시

험으로 착륙장치의 구조건정성 시험을 실시하였

다. 착륙장치의 댐퍼는 그림8에서 화살표 위치에

위치한다.

필레 착륙선은 착륙장치를 가능한 최대로 벌려

무게중심을 거의 바닥까지 낮추어 중력이 거의

없는 환경에서 전복가능성을 원천적으로 방지하

는 독특한 구조이다.

2.7 화성 착륙선 사례, [7]

화성에 착륙선으로써 착륙장치를 가지고 완전

히 성공적으로 착륙한 경우는 바이킹(Viking) 1

과 2, 피닉스(Phoenix)의 사례가 있으며, 착륙장치

는 모두 3개를 갖는다. 두 착륙선 모두 주스트럿

을 가능한 세워서 장착하도록 하여 충격하중의

상당부분을 주스트럿 댐퍼에서 흡수하는 구조이

다.

바이킹 착륙선의 중량은 572kg (연료 제외) 이

며 연료는 85kg을 실을 수 있다. 바이킹 1호는

착륙시 22kg의 연료가 남아 있었다.

피닉스 착륙선의 중량은 350kg 으로 비교적 경

량의 착륙선이다.

그림 9. 바이킹 화성 착륙선, NASA 제공

그림 10. 피닉스 화성 착륙선 상상도, NASA 제공

2.8 중국 달착륙 사례

중국의 최초로 창어3호가 2013년에 달착륙에

성공하였다. 착륙선의 중량은 1,200kg이며 그 외

에 기술적인 내용은 공개가 별로 안된 상태이다.

착륙선은 4개의 다리를 갖고 무게중심을 낮춰

전복에 대비하는 평범한 형상이다.

그림 11. 중국 창어3호 달착륙선

2.9 인도 착륙선 개발 사례

인도는 2018년 중에 챤드라얀-2의 월면착륙을

앞두고 있으며 로보를 포함한 대략적인 중량은

1,250kg이다. 달착륙선은 러시아와 인도가 협력하

여 개발하는 도중에 러시아가 계획된 기간내에

착륙선을 제공할 능력이 없다고 언급하자 인도는

자체적으로 착륙선을 개발하기로 결정하였다.

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김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181

인도는 착륙시 전복을 방지하기 위하여 접개식

(retractble) 착륙장치를 채택하여 발사시에는 약

간 접혀진 상태이나 착륙전에 펼쳐지는 방식을

사용한다. 또한, 풋패드는 허니컴샌드위치 방식을

사용하여 스트럿의 댐퍼와 함께 충격을 이중으로

분산하는 방식을 채택하고 있다.

그림 12. 인도의 챤드라얀 달탐사선

2.2 항우연의 달착륙선 개발 사례

2016년부터 달탐사 개발사업 2단계 선행연구

가 시작되어 달착륙선의 형상연구가 본격 연구

되었다. 착륙장치의 설계를 위한 구조관련 설계

기준은 다음과 같이 잠정적으로 설정하였다.

항 목

기 준

착륙시 질량, M

230kg

수직 착륙속도, Vz

3m/sec

수평 착륙속도

1m/sec

수직방향 최대 가속도

11 g

그림 13과 같이 착륙선의 형상이 바뀌어 왔으

며, 따라서 착륙장치의 장착점, 지면과의 각도,

풋패드의 형상, 부스트럿과 주스트럿의 결합위

치 등의 형상도 많은 변화를 겪었다.

그림 13. 달착륙선 형상 Trade-off 연구

현재 착륙선의 형상은 그림 14와 같으며 풋패

드에 허니컴 샌드위치가 장착된 모습이다. 이는

착륙후에 다리가 벌어지는 양을 적게하여 주저앉

는 정도를 최소화 하여 Lower Deck에 장착된 추

력기가 월면에 닿기 않게 하기 위함이다.

또한, 현 착륙장치는 고정식으로 되어 있어

움직이지 않지만 착륙안정성을 위하여 전개식

도 고려해 볼 필요도 있으나 중량이 늘어나는

단점이 있다.

그림 14. 한국형 달탐사선의 설계(안)

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결론 및 향후 계획

본 연구에서는 우주비행체의 착륙장치 설계시

고려할 사항과 형상에 대하여 조사하였으며 다음

의 결론을 얻을 수 있었다.

1. 착륙선의 높이가 크면 착륙장치도 따라서 길

어지게 되며, 이는 보조 착륙장치가 주 착륙장

치의 중간부분에 링크로 연결되는 방식으로

설계가 된다.

2. 항우연 달착륙선은 추력기의 길이가 긴 형식

이어서 댐퍼에서 충격을 흡수할 때 월면에 추

력기가 닿을 수도 있으므로 설계시 이를 고려

하여야 한다.

3. 달이나 화성에 착륙한 경우 착륙장치는 3개

또는 4개가 사용되었으며 중량이 무거운 경

우나 지표면이 편평하지 않을 경우에는 착

륙장치 4개를 사용하는 것이 유리하다.

4. 최근에 혜성탐사선에 탄소섬유 복합재료 착

륙장치를 제작한 것으로 보아, 달착륙선에

같은 재료를 적용하여도 별다른 문제가 없

을 것으로 보인다.

5. 착륙선의 착륙장치 형상은 3-leg 형식일 경우

에 상대적으로 4-leg 형식에 비하여 전복 위험

성이 높으므로 무게중심을 대비 대폭 낮추어

경사지 착륙에 대비하는 것으로 판단한다. 다

음 표 2에 착륙선의 종류별 주요 특징을 조사

하여 요약하였다.

본 연구를 통하여 그동안 수행되어 왔던 우주

선진국들의 우주탐사선 착륙장치의 형상과 배치

를 전체적으로 파악할 수 있었다. 향후 국내에

서 개발 중인 달탐사선도 본 연구 내용을 참고

하여 착륙장치 설계에 참고할 예정이다.

표 2. 착륙선 착륙장치 특징 비교

착륙선

착륙지

주요 특징

Surveyor

달

3-leg, 동체에도 지면충
격에 대비한 댐퍼가 있음

Luna

달

4-leg(*)

Apollo

달

전개식 4-leg

Russia LK

달

4-leg(*)

Chang'e 3

달

4-leg(*)

챤드라얀 2

달

전개식 4-leg

한국 달탐사선

달

고정식 4-leg
(복합재료 적용 검토중)

Vega

금성

스탠드형 받침대

Venera7

금성

스탠드형 받침대

Venera-D

금성

4-leg(*)

Viking

화성

3-leg(*)

Phoeix

화성

3-leg(*)

Philae

혜성

3-leg(복합재료)

(*) 전개식 또는 고정식 착륙장치의 여부 확인 불가

참고문헌

5. http://www.russianspaceweb.com/venera_d.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Moon_landing

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Exploration_of_Mars