KISTI의 과학향기

인간은 앞으로 화성에 살 수 있을까? 여러 차례 탐사를 통해 화성 표면의 사진, 토양의 성질, 대기의 조성 등 상세한 정보를 얻었지만 아직 우리는 이 질문에 대한 답을 할 만한 정보가 없다. 화성에 물이 있었던 흔적이 발견돼 일부 과학자들은 지표면 아래 엄청난 양의 물이 저장돼 있을 것이라고 주장하지만 아직 아무런 증거도 없다.

인간이 화성에 직접 가서 탐사하는 것이 가장 좋겠지만 돌아올 수단까지 마련해야 하므로 현재 가장 좋은 방법은 탐사 로봇을 보내는 것이다. 미국항공우주국(NASA)은 2009년 가을 새로운 탐사 로봇 ‘화성과학실험선’(MSL, Mars Science Laboratory)을 발사할 예정이다. 이번 계획에는 탐사 로봇을 화성 표면에 착륙시키기 위해 우주 탐사 역사상 처음 시도하는 기술이 포함돼 있다. 화성에 탐사 로봇을 보내야 하는 과학자들의 고충을 살펴보자.

지금까지 화성에 대해 가장 많은 정보를 준 주인공은 2003년 발사하고 2004년에 화성에 착륙한 화성탐사선 ‘스피릿’(Spirit)과 ‘오퍼튜니티’(Oppertunity)다. 이들의 대활약으로 화성에 대해 많은 정보를 얻을 수 있었다. 180kg 무게에 지면에서 30cm 정도 높이에서 활동하는 이들은 높이가 낮은 편이라 커다란 돌이나 웅덩이가 있으면 제약을 받는다. 또 탐사 장비의 총 무게가 5kg 정도에 불과해 세밀한 측정과 탐사는 힘들다.

이번에 새로 보낼 MSL의 무게는 600kg이며, 실험장비의 총 무게도 65kg에 달한다. 전방을 관측하고 운전하는 카메라는 이전보다 3배나 더 정밀해졌으며, 흙·암석의 성분 분석기는 5배 더 정밀해졌다. 화성 표면 복사량 측정기, 수소 측정기, 자외선과 가시광선 분광기를 이용한 원격 성분 분석기, 암석 분쇄기 등은 이번에 처음 실렸다. 지면에서 65cm 높이에서 활동하기 때문에 지형의 제약을 덜 받고, 탐사 범위도 20km로 3배 이상 넓어졌다. 과학자들은 MSL의 탐사를 통해 과연 인간이 화성에 거주할 수 있을지 판단할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그러나 MSL을 이용한 탐사계획에는 커다란 난제가 있다. 바로 화성 표면에 MSL을 착륙시키는 문제다. 현재 화성을 탐사 중인 스피릿과 오퍼튜니티는 에어백으로 로봇을 감싼 채 표면에 착륙시켰다. 에어백이 착륙할 때의 충격을 완화시켜준 덕분에 두 탐사 로봇은 화성에 무사히 착륙할 수 있었다. 에어백이 완전히 펼쳐지지 않은 탓에 스피릿은 12일 동안 이리저리 움직여야 했지만 말이다.

문제는 MSL을 착륙시키기 위해 에어백을 쓸 수 없다는 점. MSL와 에어백을 합친 무게와 부피가 지상에서 쏘아 올리는 발사체에 도저히 탑재할 수 없는 수준이기 때문이다. NASA의 과학자들은 이 문제를 풀기 위해 지금까지 한 번도 시도된 적이 없는 ‘스카이크레인’(Sky Crane)이라는 새로운 방법을 고안했다. 한마디로 역추진 로켓이 달린 우주선에서 고강도 케이블로 탐사선을 내리는 것이다.

스카이크레인이란 원래 미국 시콜스키사가 제작한 거대한 화물수송용 헬리콥터의 이름이다. 최대 탑재 중량이 10톤에 달해 탱크나 야포 등도 거뜬히 옮길 수 있다. 이 헬리콥터가 탱크를 케이블에 달고 이동해 원하는 지점에 내려놓는 모습이 이번 계획과 비슷해 이런 이름이 붙여졌다.

우선 화성 상공 8km에서 착륙선(로켓 추진 장치 + MSL)이 낙하산을 펼친 채 모선으로부터 분리된다. 화성은 지구보다 대기가 희박해 낙하산의 효과도 작다. 착륙선이 상공 1km에 이르면 낙하산을 버리고 역추진 로켓이 점화한다. 역추진 로켓이 점화하는 동안 하강 속도는 점점 줄고 상공 35m 지점에 다다르면 착륙선은 공중에 멈춰있게 된다.

이제 로켓 추진 장치는 고강도 케이블을 사용해 MSL을 서서히 내린다. 마치 크레인이 물건을 내리듯이 말이다. 하강 속도는 초속 0.5m. 내리는 동안 로켓 추진 장치의 자세를 안정적으로 유지해야 한다. MSL이 바닥에 닿는 순간 MSL과 연결된 케이블을 끊는다. 이 순간 지금까지 공중에서 MSL을 잡고 있던 로켓 추진 장치는 솟구쳐 비행하며 결국 화성의 다른 곳에 충돌하게 된다.

스카이크레인의 가장 큰 장점은 에어백으로 보낼 수 없는 무거운 탐사선을 보낼 수 있다는 것이다. 그 외에도 로켓 추진 장치와 MSL이 분리돼 있어 로켓의 열과 가스로 인해 탐사 로봇의 실험 장치가 오염되거나 파손되는 일을 줄일 수 있다. 또 케이블을 사용하기 때문에 착륙 속도를 현저하게 줄일 수 있어 에어백 방식보다 탐사 로봇이 파손될 위험이 적다.

그러나 화성 표면에 부는 바람과 중력은 지구에서 똑같이 재현할 수 없기 때문에 착륙시스템을 제대로 검증할 수 없다는 어려움이 있다. 또 착륙할 때 화성의 대기가 어떤 상태일지도 짐작할 수 없다. 착륙 환경에 따라 로켓 추진 장치의 추력과 방향을 얼마나 정확하고 신속하게 조절할지가 이번 계획을 성공적으로 시작하는 열쇠가 될 것이다.

지난 40년 동안 진행된 우주 탐사는 어떤 방법으로 탐사선을 착륙시키는 가에 따라 발전했다고 말할 수 있다. 특히 화성 탐사에는 더욱 그랬다. 지금까지 낙하산, 에어백, 착륙용 다리 등 수동적 방법이 쓰였다면 이제는 스카이 크레인 같은 능동적인 착륙방법이 쓰일 것이다. 만일 스카이 크레인 착륙방법이 성공한다면 앞으로는 모든 탐사선의 착륙이 이와 같이 정밀하며 안전한 방법으로 이루어 질 것이 분명하다. (글 : 이창진 건국대 항공우주공학과 교수)