화성 착륙선 perserverance

이번에 Perservance가 화성 착륙에 성공하여 임무를 수행하고 있다. 이제까지 화성 주위를 도는 궤도선(Orbiter)은 여러나라들이 mission에 성공하였으나 화성 표면 랜딩에는 이제까지 단 세 나라만 성공하였을 뿐이다. 그것도 영국과 구 소련은  landing 후 통신 장비 파손, 혹은 기타 이유로 실질적인 mission 수행에는 실패한다. 최초로 랜딩에 성공한 나라는 러시아였지만, 러시아도 그 이후의 모든 랜딩 시도는 실패한다. 그만큼 어려운 mission 인 것이다.

 

미국은 이러한 어려운 미션을 최근에는 거의 성공시키고 있다. 노우하우과 기술력이 높고 경제력이 뒷받침되기 때문이다. 현재 화성 주위를 공전중인 중국의Tianwen (그 이름의 의미가, 하늘에 묻는다라고 한다) 이 landing에 성공하고 rover를 랜딩 시키면, 미국 외에 유일하게 화성 탐사선, 로버를 배치한 국가가 되며, 그 의미는 이제까지 미국이 향유한 우주 개발 권리를 중국과 나누게 된다는 것과, 그 둘의 전쟁이 우주로까지 확장된다는 것이다.  

 

화성의 중력이 지구의 0.38배, 1/3 수준으로 작기에 대기 성분들을 단단하게 붙잡아 둘수가 없다. 대기 분자의 비율은 이산화 탄소가 95%, 질소 3%, 아르곤 1.6%등으로 인간들이 호흡할 수 있는 산소와 수증기 성분은 극미량이다. 인간들이 살 수가 없는 이 곳에 왜 그렇게 강대국들은 관심이 많은 것일까. 화성의 극지방에 드라이아이스 형태의 얼음 성분이 존재한다는 것은 그나마 다행일 것이다. 기온은 낮 18도, 밤에는 영하 80도, 평균 기온 63도.. 휴가를 즐길만한 곳은 못된다.

 

이번에 착륙시킨 로버의 특이점은 미니 헬리콥터 혹은 드론(Marscopter)을 포함하고 있다는 것이다. 이것은 이제까지 지상 이동으로만 정보 수집을 하던 2차원적인 mission 수행에서 벗어나서 3차원 적인 활동에서 예상되는 여러 어려움을 파악하기 위한 실험으르 수행하기 위함이다. 화성 대기 밀도가 1/100 정도에 불과한데 과연 Marscopter가 효과가 있을까, 개인적으로 궁금한 부분이기도 하다. 로버 전체 중량이 1톤이니 소형 자동차 1대를 화성까지 운반한 셈이다. 아래그림이 그 구성도이다.

 

화성까지 가는데에만 8개월이 걸리는데, 어떻게 Perservance가 수집한 물체들을 지구로 다시 가져올 수 있을까? 소행성의 경우 중력이 거의 없으니, 다시 이륙하는데에 필요한 에너지가 많지 않을 것이고, 따라서 그것을 다시 지구로 가져오는 것이 에너지 측면에서는 그렇게 문제가 되지 않는다. 그러나 그 곳이 화성이라면?

 

그것을 현재의 우주선이 가지고 돌아올 수는 없다. 회수를 위해서 2026년에 다시 2개의 우주선이 화성을 향해 발사될 예정이다. 그 중 한대에는 지금보다 더 규모가 큰 착륙선이 될 것이며, 그 안에는 로켓이 있어서, Perservance 로버가 드릴 작업을 통해서 수집한 샘플들을 축구공만한 샘플 용기에 담아 로켓에 실어서 발사할 것이다. 그것을 또 다른 우주선인 유럽 우주국 (European space agency)가 만든 Earth return Orbiter(지구 궤환선)이 성공적으로 포획하여 화성을 떠난다. 지구에 접근하면 유타사막에 샘플 용기를 배출하는 것으로 임무가 완료된다. 

 

그러면, 왜 화성에의 착륙은 그렇게 어려운 과제일까? 여러 나라에서 여러번의 화성 착륙 시도를 했지만 성공한 것은 단 세 나라, 미국, 영국, 구소련에 불과하고, 그나마  소련은 첫 착륙외에 100% 재 도전에 실패하고, 영국은 착륙에는 성공하지만 그 과정에서 통신 장비의 파손으로 임무 수행에 실패한다. 미국만이 여러 차례에 걸쳐 임무를 성공적으로 수행했을 뿐이다. 

 

첫번째 어려움은, 대기 밀도가 낮기 때문이다. 화성의 대기 밀도가 지구의 1%밖에 되지 않기에 대기 밀도를 이용한 (낙하선 같은) 자연감속이 어렵다. 화성 궤도를 빠르게 돌다가 약 6~7분안에 시간당 12000마일(2만 km/h)의 빠른 속도에서 정지속도까지 감속해야 한다.

 

지상 9~10km 높이에서 제동을 위해 대형 낙하산을 펴는데 대기밀도가 희박하기 때문에 그것만으로는 부족하여 2km 상공에서 역주행 로켓을 가동시키고 자세 제어를 정밀하게 해야 한다. 지상 20미터 높이에서는 속력이 거의 0이  되게끔 제어가 가능해야 한다. 지상 20미터 높이에서 엘란트라를 아무런 충격없이, 조종사도 없이 지상에 랜딩시키는 것이 얼마나 어려울 지 상상해 보라.

 

두번째로 화성과 지구와의 거리가 1억 2600만 마일(2억 5천만 km) 로 멀다는 사실이다. 전자기파가 광속이기에 15분이 지난 후에야 현재의 상황을 알 수 있고 따라서 실시간 제어가 불가능하다. 그 반면 달까지의 거리는 지구 지름의 30배 38만 Km이므로 1초 정도면 통신이 되기에 문제 발생 시 어느 정도는 원격 제어가 가능하다. 

 

따라서 랜딩 과정 모든 것은 self control이 되어야 하기에 이 구간을 공포의 6~7분이라고 부른다. 이 때 다양한 예상하지 못한 문제점들이 나타나는데 이러한 문제점들을 지구 관제탑의 도움없이 스스로 해결해야 하기에 축적된 경험이 없다면 실패 확률이 높을 수 밖에 없다. 그런 점에서 이번에 중국이 한번에 랜딩에 성공한다면 미국이 또 한번 큰 충격을 받을 수 있다. 

 

사실 이 모든 정밀한 제어를, 변변한 컴퓨터 하나도 없던, 진공관 기반의 전자 장비만을 갖춘 구 쏘련이 1971년 세계최초로 프톨레 마이우스 분화구에 착륙을 성공했다는 사실이 더더욱 충격적이다 ^^. 물론, 그 탐사선은 단, 15초만 데이터를 전송하고 더 이상의 mission 수행은 실패했다.