달에 탐사선을 보낸 국가는 아직까지 소련, 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 인도까지의 6개국 밖에 없으며, 이제 이스라엘도 합류할 예정입니다. 이 국가들의 공통점은 현재 우주 강국이라고 불리는 국가들이라는 것입니다. (이스라엘은 제외.) 즉, ‘달 탐사’라는 것은 단순히 과학적 목적만을 위한 것이 아닌, 그 국가의 우주기술력을 상징한다고 볼 수도 있습니다. 이러한 상황에서 우리나라는 ‘한국형 달 탐사 사업’을 벌이고 있는데요, 그 내용은 2020년 12월에 ‘시험용 달 궤도선’을 보낸 뒤 (1단계) 2030년까지 달착륙선을 보낸다는 (2단계) 것입니다. 이 글에서는 간단히 시험용 달 궤도선에 대하여 알아보겠습니다.
개요
예산 1978억원의 개발비가 사용되는 시험용 달 궤도선(KPLO, Korea Pathfinder Lunar Orbiter)은 발사 시 550kg(건조 질량은 310kg)으로, 양쪽에 2개의 태양전지판, 6개의 탑재체, 4개의 30N급 궤도조정용 추력기, 4개의 5N급 자세조정용 추력기를 가지고 있습니다. 추력기들은 모두 하이드라진을 사용합니다. 추력기를 사용한 1개월의 달 궤도 전이 기간을 거쳐 1년간의 본 임무 기간을 가지게 되며, 임무 궤도는 고도 70-130km, 궤도경사각 89-91도의 극궤도입니다. 지구-달 전이는 여러 번의 추진을 통해 달 궤도에 진입하는 일반적인 방식을 상용합니다. 덧붙여 달 궤도선의 통신 장비는 명령의 S-band 대역(Uplink/Downlink)와 탑재물 송신의 X-band 대역(Downlink)을 지원하며 전력은 28V에서 760W입니다.
추력기
추력기는 위에서 언급하였듯이 30N급 궤도조정용 추력기 4개와 5N급 자세조정용 추력기 4개로 구성됩니다. 두 추력기 모두 단일 추진체 조합의 하이드라진을 사용하는데, 이는 과거 우리나라가 이미 개발해본 경험이 있으며 단순하기 때문입니다. 참고로 30N급 궤도조정용 추력기의 비추력은 220s이며, 현재 개발된 추력기 모두 적정 조건을 충족하고 총 연소시간 역시 9000초가 넘어갔습니다. (2016년 말 기준.)
지구-달 전이 및 궤도
시험용 달 궤도선의 임무 궤도는 위에서 본 바와 같이, 고도 70-130km, 궤도경사각 89-91도의 극궤도입니다. 이를 위하여 원월점 300km의 궤도에 일단 진입하게 됩니다. 이러한 궤도에 진입하기 위한 방법은 다음과 같습니다. 일단 시험용 달 궤도선의 발사체인 팰컨 9 로켓이 궤도선을 지구의 정지천이궤도 너머에 올려다 놓습니다. 그 후 2번의 원지점 추력기 분사로 근지점을 높이게 되고, 최종적으로 달의 중력에 잡혀 궤도를 돌게 됩니다. 이렇게 점차적으로 2번의 근지점을 높이는 방법을 3.5 위상전이 (3.5 Phasing Loop Transfer) 방식이라고 합니다. 초기 달 궤도는 원월점 300km로, 후에 100km 임무 궤도에 투입되게 됩니다. 사실 원지점 한번, 근지점 한번 분사하는 1.5 방식이나 원지점 두번, 근지점 두번 분사하는 2.5 방식도 있으나 첫번째와 세번째 궤도에서 근지점만을 높이는 3.5 방식이 적절하다 보여집니다.
궤도 유지 기동
그러나 시험용 달 궤도선이 100km 원형 궤도에 진입하면, 달 중력장의 비대칭성에 영향을 받아 약 167일 후 표면과 충돌합니다. 이에 따라 30N급 추력기 4개를 이용해 합계 120N의 추력으로 정기적으로 궤도 유지 기동을 수행하게 됩니다. 궤도를 일정 고도 내에 머무르게 하는 기동입니다. 1년 동안 2개씩 7세트, 총 14회의 궤도유지기동을 수행하는데, 여담으로 각 회마다 소모되는 델타브이는 6.7m/s라고 합니다. (델타 브이는 탐사선의 연료를 전부 사용하여 낼 수 있는 최대 속도로서, 델타브이가 6.7m/s가 소모되었다면 연료를 전부 쓸 때 6.7m/s 속도를 더이상 더 얻을 수 없다는 의미입니다.)
탑재체
시험용 달 궤도선에 탑재되는 탑재체, 즉 과학 기기들은 총 6개입니다. 한국항공우주연구원의 고해상도 카메라 LUTI(15kg), 한국천문연구원의 광시야 편광 카메라 PolCam(3kg), 경희대학교의 달 자기장 측정기 KMAG(5kg), 한국지질자원연구원의 달 감마선 분광기 KGRS(3.5kg), 미항공우주국 NASA 및 애리조나 주립 대학교의 ShadowCam(15kg), 전자통신연구원의 DTN(지연내성망 – 우주인터넷) 기기가 그것들입니다. LUTI로는 미래 달착륙 후보지의 고해상도 영상을, PolCam으로는 최초의 달의 앞/뒷면 편광 지도를, KMAG로는 달 자기장의 기원을, KGRS로는 달의 광물 조성을, ShadowCam으로는 극지방 영구음영층의 고해상도 영상을 얻게 됩니다.
발사 일시와 임무 기간
시험용 달 궤도선은 2020년 12월 발사 예정으로, 미국의 민간우주기업 스페이스X의 팰컨9 발사체를 사용할 예정입니다. 지구-달 전이에는 약 한달이 소요되므로, 최종적으로 달 궤도에는 2021년에 진입하여 1년간의 임무를 수행하게 됩니다. 그 후 2022년, 임무 연장이 결정되면 그보다 100km보다 낮은 궤도에서 운용될 예정입니다.
임무 목표
시험용 달 궤도선의 주요 임무 목표는 크게 3가지입니다. 첫번째는 미래에 있을 달 탐사, 즉 달착륙을 위한 선행 기술 확보입니다. 달로 가는 전이 과정부터 통신, 운용 등의 주요 기술들을 확보하게 됩니다. 두번째는 과학적 연구입니다. 위에서 설명한 탑재체들을 이용하는 것입니다. 여기에는 미래 달착륙선의 착륙 후보지의 조사도 포함됩니다. 세번째는 신기술의 시험입니다. 우주인터넷이 대표적인 예입니다.
KARI와 NASA
시험용 달 궤도선은 2016년 프로젝트가 시작되었고, 2017년 NASA가 본격적으로 참여하였습니다. 즉, KARI 주도에 NASA의 협력이 더해진 탐사선이라고 할 수 있습니다. KARI가 기본적인 설계와 여러 탑재체를 담당하고, NASA가 자신들의 ShadowCam을 싣는 대신 KARI에게 DSN 통신 장비, 기술적 도움 등을 준다고 할 수 있습니다. 여러모로 서로에게 이득인 협력 프로젝트인 것입니다.
▣ 이미지
▲좌: 시험용 달 궤도선의 형상 (=장병관 외)
▲중: 30N급 추력기의 모습 (=김수겸 외)
▲우: 시험용 달 궤도선의 탑재체 (=주광혁 외)
유호준 객원에디터/Zyro의 로켓 이야기 운영자
