화성 헬리콥터, Ingenuity

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  1903년 12월 17일 키티호크에서 라이트 형제가 세계 최초로 첫 동력 비행에 성공하였다. 라이트 형제의 첫 동력 비행은 비록 12초 동안 36 m 를 날아가는 것에 불과하였지만, 이후에 엄청난 발전을 이뤄내면서 소리보다 더 빠른 음속을 돌파하고 소리의 속도의 5배 이상인 극초음속 비행까지 가능하도록 발전하였다. 약 120년 정도가 지난 현재, 2021년 4월 19일날 NASA의 Mars 2020 미션에서 화성에서 첫 동력 비행에 성공하였다. 이는 수직 이착륙 비행으로 39초 동안 최대 고도에서 3 m 의 짧은 비행이었지만 지구 이외의 상공에서는 첫 동력 비행으로 Mars 2020 미션 뿐만 아니라 전 인류에게 매우 큰 의미를 부여하였다.

 

 

 

그림1 <화성 헬리콥터 Ingenuity>

https://mars.nasa.gov/mars2020/

 

 

  최근 드론의 상용화로 인하여 손바닥만한 크기의 몇 만원 수준의 멀티로터부터 몇천만원의 영상 촬영용 멀티로터 등의 다양한 멀티로터들이 우리의 삶에 인접해있다. 쿼드콥터, 헥사콥터, Ingenuity와 비슷한 동축반전 등 다양한 형태들이 존재한다. 상단 그림의 Ingenuity를 한눈에 보았을 때는, 우리가 접하는 단순한 연습용 드론과 큰 차이가 없어 보이며 간단해 보인다. 하지만 이는 화성에서 동력 비행을 위한 엄청난 기술들이 내포되어 있으며 절대 간단하지 않다.

 

  우선 무엇보다 Ingenuity는 우리가 한번도 경험해보지 못한 화성의 대기에서 비행을 해야 된다. 화성은 지구의 대기에 비하여 매우 밀도가 낮아 같은 무게를 프로펠러의 회전으로 생성되는 양력으로 들어올리기 위해서는 더 빠른 회전이 필요하다. 또한 긴 화성까지의 여정 이후에 태양광으로 충전을 통하여 동력을 위한 에너지를 확보해야 된다. 화성에 이미 도달하였을 때는 수정이 불가능하므로 앞서 말한 대기질의 차이에 따른 로터의 성능, 동력 에너지원, 전개 방식 등의 다양한 점들을 지구에서 사전 테스트를 진행해야 되며 이는 화성의 대기와 중력을 모사한 진공 챔버에서 수많은 테스트를 진행하였다. 화성의 대기 환경을 모사하기 위하여 진공 챔버에 지구 1기압의 60%에 해당하는 압력을 이산화탄소로 채워 모사하였으며 이는 지구의 해발 고도 34,000 m 와 비슷한 수준이다. 화성 환경의 모사를 위한 중력은 지구 중력의 38%로 모사되어 실험들이 진행되었다.

 

 

 

그림2 <비행 전, 완전히 전개된 상태의 Ingenuity>

https://mars.nasa.gov/resources/25778/ingenuity-helicopter-is-ready-to-drop/

 

 

  이번 Mars 2020 미션의 탐사차인 Curiosity Rover에 탑재되어 있던 Ingenuity는 비행 미션을 위하여 위와 같이 전개되어 Curiosity의 진행 경로 주위에서 보다 더 먼 지역을 빠르고 효율적으로 탐사한다. 미션 설계부터 위에 언급된 사전 테스트를 비롯한 Ingenuity의 설계 및 제작은 NASA의 JPL (Jet Propulsion Laboratory)에서 진행되었으며 동체의 크기는 136 mm X 195 mm X 163 mm 이며 2개의 동축반전의 로터는 1.2 m 이며 랜딩 기어를 포함한 총 높이는 490 mm 에 총 무게는 1.8 kg 이다.

 

 

 

그림3 <Ingenuity의 비행 구간에 관한 개략도>

https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA24496.jpg

 

 

  Ingenuity는 위와 같이 Curiosity 로버로부터 비행을 시작하여 로버의 경로 이외에 주변 탐사를 항공 사진으로 빠르게 진행하여 새로운 탐사를 효율적으로 진행한다. 현재까지 9번의 비행 미션을 모두 성공하였으며 한번의 비행 미션당 가능한 최대 이동거리 및 최대 비행 고도는 매번 변화하고 있다. 현재까지 최대 이동 거리는 625 m, 최대 비행 고도는 10 m, 최대 비행 속도는 수평 10 m/s, 수직 3 m/s 이다. Curiosity 로버와 마찬가지로 화성까지 통신 시간은 최소 18분 정도가 소요되므로 실시간 조종은 불가능하며 따라서 Ingenuity는 자율 비행을 진행하며 미션 종료 후에 해당 데이터들이 지구로 전송되는 방식으로 진행되고 있다. 아래와 같이 역사적인 지구 이외에서의 첫번쨰 항공 사진을 취득하고 앞으로의 비행 미션에서도 Curiosity 로버와 함께 다양한 화성의 정보들을 취득할 수 있을 것으로 예상된다.

 

 

그림4. <지구 이외의 행성에서 첫 상공 비행 사진>

https://mars.nasa.gov/resources/25818/ingenuitys-first-black-and-white-image-from-the-air/

 

 

  SF 만화나 영화에서만 가능할 것 같은 화성 탐사가 활발히 진행되고 있다. 2000년대 초반에도 화상 탐사선을 이용한 화성 탐사가 진행되었지만 이번 탐사는 발달된 기술로 인하여 선명한 화질의 사진과 같은 결과물들이 많은 사람들에게 신선한 충격과 더불어 많은 관심을 불러일으키고 있다. 미국 뿐만 아니라 2021년 5월 20일에는 중국 또한 화성 탐사 로버의 화성 착륙에 성공하였으며 20년 이내에 우주인을 보낼 계획을 세우고 있다. 미국에서는 본문에서처럼 현재 Curiosity와 Ingenuity가 탐사를 진행하고 있으며 Space X는 탐사를 넘어서서 화성 이주를 계획하고 있다. 우리나라 또한 활발한 항공우주 연구를 통하여 전세계의 우주 탐사에 같이 합류하는 것을 기원한다.

 

 

원문         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]

편집         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]