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JAXA의 소형 탐사선, 핀포인트로 달 착륙 목표
위치 정밀도 100m의 경사지 착륙

달에 존재하는 것으로 예상되고 있는 수자원 개발 및 달 형성 메커니즘 해명을 위해 세계 각국이 달 탐사를 본격화하고 있다. 달 탐사에 꼭 필요한 것은 탐사선을 달의 목표 지점에 높은 정확도로 착륙시키는 ‘핀포인트 착륙’ 기술이다. 우주항공연구개발기구(JAXA)는 세계 최초로 이 기술 실증을 목적으로 한 소형 달 탐사선 ‘SLIM’ 개발을 추진하고 있다. 2021년에 발사할 예정이다.

“목표는 위치 정밀도 약 100m의 경사지에 착륙하는 것이다”라고 SLIM의 프로젝트매니저를 맡고 있는 JAXA우주과학연구소의 사카이(坂井) 교수는 말한다. 이것은 매우 어려운 미션이다.

-- 자유로운 탐사가 목표 --
탐사위성 ‘하야부사2’는 소행성 류구에 1m의 위치 정밀도로 착륙했지만, 류구는 중력이 지구의 약 8만분의 1로 미약해 탐사위성이 목표 지점을 확인하면서 천천히 하강할 수 있었다.

반면 달의 중력은 지구의 약 6분의 1로, 류구보다 훨씬 크다. 탐사선은 메인 엔진을 역분사해 브레이크를 건다고 해도 하강 스피드는 여전히 상당히 빠를 것이다. 트러블이 발생할 경우 상승해 다시 착륙을 시도하는 것은 어렵다.

이 때문에 현재의 달 착륙 위치 정밀도는 최대 수 km이다. 또한 탐사선이 옆으로 회전할 우려가 있기 때문에 착륙지점은 달의 바다 등 평평하고 넓은 장소에 한정, 크레이터 부근 등 경사지는 제외되어왔다.

“하지만 이 경우 착륙하고 싶은 곳에 착륙할 수 없게 된다. 현재의 달 탐사 기술은 착륙하기 쉬운 지점에 착륙하는 수준에 머물러 있다. SLIM으로 핀포인트 착륙 기술을 실증한다면 달 탐사의 자유도는 크게 높아질 것이다”(사카이 교수).

핀포인트 착륙이 요구되고 있는 배경에는 달의 수자원이 있다. 2000년대 이후, 각국의 달 탐사위성에 의해 달의 크레이터 밑에 상당량의 물이 얼음 형태로 매장되어 있을 가능성이 높다고 밝혀졌다.

얼음과 태양광발전을 조합한다면 생명 유지 및 농업 생산에 필요한 물은 물론, 물을 전기 분해해 탐사선과 로켓, 연료전지의 원료가 되는 산소와 수소를 얻을 수 있다. 실제로 상당량의 얼음이 존재하는지를 알기 위해서는 달의 크레이터에 가서 직접 조사하지 않으면 안 된다.

또한 달이 어떻게 탄생했는지에 대한 해답을 찾기 위해서는 달의 특정 지역의 암석을 조사할 필요성이 있다고 한다. 이러한 장소는 평지가 아닌 크레이터 부근 등 경사지인 경우가 많다.

이처럼 다양한 조사에 필요한 것이 평지뿐만 아니라 경사지에서도 높은 정밀도로 목표 지점에 착륙할 수 있는 것이 SLIM 기술이다. “SLIM은 3월에 기본 설계가 종료되었고 현재 세부 설계가 추진되고 있다”(사카이 교수).

SLIM으로 실증하는 기술 중 하나는 ‘항법(航法) 카메라를 통한 영상 항법’이다. 탐사선은 달 상공을 비행하면서 아래쪽 달 지면을 카메라로 촬영한다. 가지고 있는 달 크레이터 지도와 영상을 비교하며 현재 위치와 속도를 고정밀도로 파악, 미세하게 궤도를 수정하면서 목표 지점을 향해 하강한다.

현재 위치는 시시각각 달라지기 때문에 신속 정확하게 정보를 처리해야 하지만 탐사선에 탑재되어 있는 컴퓨터의 처리 속도는 한정적이다. SLIM의 연구그룹은 계산 효율이 높은 전용 영상처리 소프트웨어를 개발, 현재 위치 추정 정밀도와 처리 시간을 모두 충족시켰다.

-- 엎드리는 형태로 --
SLIM으로 실증하는 기술 중 하나는 ‘2단계 착륙’. 목표 지점 상공에 도달한 탐사선은 레이더를 이용해 고도와 속도를 측정하면서 메인 엔진을 역분사해 거의 수직으로 하강한다. 고도 약 약 3미터까지 하강하면 탐사선을 옆으로 비스듬히 기울이며 엔진을 정지, 엎드리는 형태로 착지한다.

탐사선 다리의 접지 부분은 스폰지 형태로 금속부품을 생산할 수 있는 3D프린터로 제작한다. 달 착륙 시에 이 스폰지 부분이 충격을 흡수하게 된다.

고기능 다리를 이용할 경우 경사지에서도 수직 착륙이 가능하지만, 탐사선의 무게가 늘어난다는 단점이 있다. 소형∙경량의 탐사선이 경사지에 착륙하기 위해서는 엎드린 형태가 되는 편이 안정성이 높다.

실제로 소형∙경량화는 달 착륙 탐사선 개발에 있어 중요한 과제이다. 탐사선 중량이 1kg 늘어나면 연료가 약 4kg 증가되기 때문에 약간의 중량 증가라도 발사 비용에 영향을 미친다. SLIM은 연료 탱크가 탐사선의 구조재 역할도 담당하도록 개발되어 있고, 고효율 박막∙경량 태양전지와 고연비 메인 엔진이 도입되는 등 기술이 집약되어 있다.

JAXA는 국제 협력을 통한 본격적인 달 탐사를 계획하고 있다. SLIM이 성공한다면 계획 실현이 크게 가속화될 것이다.

 -- 끝 --