特輯論文
J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 44(8), 741-757(2016) DOI:http://dx.doi.org/10.5139/JKSAS.2016.44.8.741 ISSN 1225-1348(print), 2287-6871(online)국내외 우주탐사 프로그램 및 관련 기술의 개발현황
주광혁*
Development Status of
Domestic & Overseas Space Exploration & Associated Technology
Gwanghyeok Ju*
Korea Aerospace Research Institute
ABSTRACT
Over 60 years has passed since mankinds started space exploration beyond the Earth with lunar explorer Luna 1 launched by Soviet Union. Unprecedently remarkable outcomes have been obtained by sending unmanned spacecrafts to most planets in the solar system and having the lander landed on the approaching comet toward the Earth even though any evidence of life presence has not been discovered yet. Only moon is an natural object beyond the earth on which human beings landed. Many countries are planning to send humans to the moon or mars to build colonies and to survive with substantiality. Korean lunar exploration program has officially started as of 2016 after its plan including lunar exploration has been specified in the series of National Space Promotion Plan since Korea initiated space development in early 1990s. In this paper, the plan for Korean space exploration is summarized with reviewing overseas space exploration program status and trends.
초 록
구 소련이 달에 루나(Luna) 1호를 발사한 이래 달을 비롯한 지구 밖의 천체에 대한 우주 탐사를 시작한 지 60년이 된 지금 인류는 아직 외계의 생명체는 발견하지 못하였으나 태양 계의 거의 모든 행성을 근접거리에서 탐사하고 빠른 속도로 이동하는 혜성의 표면에 우주 선을 착륙시키는 등 괄목할 만한 성과를 이룩하였다. 그렇지만 아직까지 사람이 외계에 착 륙한 곳은 달 뿐이며, 미국을 비롯한 여러 나라들이 사람을 달 또는 화성에 보내 기지를 건 설하고 생존할 수 있도록 하는 것을 목표로 우주탐사에 매진하고 있다. 한편, 1990년대 초 반에 우주개발을 시작한 우리나라는 정부주도로 수립된 수차례의 우주개발계획에서 달 탐 사를 포함한 우주탐사계획을 선언하고 달 탐사 계획을 박근혜정부의 국정과제로 추진하여 2016년 초 공식적으로 달 탐사 프로그램을 시작하였다. 본 논문에서는 우리나라 달 탐사계 획과 세계 우주탐사 프로그램의 간략한 역사, 관련기술의 발전현황과 개발방향 등을 살펴본 다. 아울러 우리나라의 우주탐사분야의 과학연구 현황 및 분야별 기술수준을 점검한다.
Key Words : Space Exploration(우주탐사), Lunar Exploration(달탐사), Space Development Plan/Roadmap(우주개발계획/로드맵)
†Received : April 26, 2016 Revised : July 28, 2016 Accepted : July 29, 2016
* Corresponding author, E-mail : ghju@kari.re.kr
Ⅰ. 서 론
2007년 우주개발사업 세부실천로드맵을 통하여 한국의 달 탐사 계획이 처음 선언된 이래, 한국 항공우주연구원 (이하 항우연)을 중심으로 한국의 달 탐사 관련 연구자들의 커뮤니티가 형성되었으 며, 달 탐사에 관한 정책연구와 기반연구를 수행 해 왔다. ‘13년에는 달 탐사 사업이 박근혜정부의 국정과제로 포함되었으며 ’14년에는 한국형 달 탐사선 개발 사업이 기획재정부의 예비 타당성조 사를 통과하고, ‘16년도에 한국형 달 탐사선 개발 사업이 공식 착수되었다.
한편, ‘14년에는 유럽우주기구(ESA, European Space Angency)가 10년전에 발사한 혜성 탐사선
’로제타(Rosetta)‘가 목표로 하는 혜성에 착륙선 ’ 필레(Philae)’를 착륙시키는 쾌거를 이룬 바 있으 며, NASA에서는 화성에 보낸 무인 탐사선 ’큐리 오시티(Curiosity)‘가 보내오는 사진을 통하여 지 속적으로 화성의 새로운 과학적 사실을 밝혀 내 고 있으며, 최근에는 NASA가 ’06년에 발사한 명 왕성 탐사선 ’뉴호라이즌(New Horizon)‘이 명왕 성 근처에 도착, 우주탐사의 신기원을 마련하는 성과를 이루었다.
본 논문에서는 우주개발계획에 명시된 우리나 라 우주탐사 계획과 세계 우주탐사의 현황과 우 주탐사계획, 우주기술로드맵 및 관련기술의 발전 방향 등을 살펴본다. 아울러 우리나라의 우주탐 사분야의 과학연구 현황 및 분야별 기술수준을 점검한다.
Ⅱ. 우리나라 우주탐사 계획
2007년 6월 제1차 우주개발진흥 기본계획이 수립된 이후 세부계획의 명목으로 당해 연도 11 월에 발표된 우주개발사업 세부실천로드맵에 달 탐사를 중심으로 하는 우주탐사 계획이 처음 언 급되었다. 2020년 달 궤도선, 2025년 달 착륙선을 발사한다는 내용이었으며, 2011년 제2차 우주개 발진흥 기본계획이 수립되면서 2020년 달 궤도 선, 2023년 달 착륙선 발사로 내용이 일부 수정 되었다.
2013년 수립된 우주개발 중장기 계획[1]에서는 국정과제를 반영한 달 탐사 계획의 수정과 더불 어 처음으로 화성 및 소행성 탐사를 언급하는 로 드맵도 제시되었다. ‘달 및 행성탐사’, ‘우주과학’,
‘태양 및 근 지구 환경감시’, ‘미래우주탐사기술 개발’, ‘우주환경감시 및 우주위험 대응’ 등의 5 개 세부 분야로 나누어 2040년까지 중장기 로드
Fig. 1. Roadmap for Korea’s Space Exploration
Fig. 2. Korean Lunar Exploration Program
맵을 수립하였다(Fig. 1 참조). 현재 추진중인 달 탐사 계획에 해당하는 무인 달 탐사를 위한 우주 탐사의 실현부분에 있어서는 NASA 등 해외우주 기관과의 국제협력을 병행하여 해외발사체를 이 용하여 추진하는 시험용 달 궤도선의 ‘17년 발사 (현재 ’18년으로 조정), 국내독자개발을 기반으로 한국형 발사체를 이용한 무인 달 궤도선 및 착륙 선의 ‘20년 발사 등을 목표로 하고 있다. 시험용 궤도선 개발단계에서는 한국형 심우주네트워크를 구성하고 착륙선, 로버, 원자력전지, 우주인터넷 기술 등 향후 달탐사의 기반구축을 위한 선행연 구도 포함되어 있다. 착륙선 개발단계에서는 달 탐사를 위한 한국형 발사체의 상단개발과 달 표 면탐사를 위한 로버개발이 포함되어 있다(Fig. 2 참조).
우주탐사분야의 실행을 위한 정부차원의 구체 적인 계획수립과 예산지원을 통한 실질적인 연구 는 ‘달 탐사’와 ‘우주환경감시 및 우주위험대응’
분야에 국한되어 진행되고 있는 실정이다.
시험용 궤도선 프로젝트는 2013년에 공식 기 획연구를 시작하여 예산확보를 위한 기술성평가 와 예비타당성 조사과정을 거쳐 2014년 9월에 정 부의 공식 승인을 취득하였으며 2016년 초에 공
식 착수되었다. 해외발사체를 이용한 550kg급 궤 도선에는 고해상도 광학카메라, 감마선 분광계, 자장계, 편광카메라, 우주인터넷 시험장비 등으 우주과학장비와 기술검증장비가 탑재될 예정이며 NASA로부터 심우주네트워크, 임무설계 및 관제 지원과 더불어 NASA내에서 공모된 과학탑재체 1-2기를 추가로 탑재할 계획이다.
우리나라가 달 탐사 또는 우주탐사란 명칭을 걸고 연구활동이 표면적으로 들어난 것은 2007년 정부의 달 탐사 선언이후라고 할 수 있다. 2008 년 초 NASA는 한국을 포함한 9개국 기관에 달 의 지질학적 역사와 내부를 관측하는 목적의 달 착륙선 6-8기로 구성된 ILN(International Lunar Network)를 제안하였다. 이를 계기로 한국의 달 탐사 커뮤니티는 과학과 공학 위원회를 구성, 한 국이 국제협력으로 달 탐사에 참여할 수 있는 방 안을 적극적으로 모색하는 계기가 되었으며, 2008년 공식 착수된 우주핵심기술개발사업에도 달 탐사와 관련된 기초연구를 지원하게 되었다.
이후 2010년부터 한국항공우주연구원을 중심으로 달 탐사 선행연구를 본격 착수하게 되었으며, 우 주핵심기술개발사업에서도 우주탐사 분과가 신설 되어 이와 관련된 기술과 과학을 지원하기에 이 르렀다. 2013년 달 탐사사업이 박근혜정부의 국 정과제로 선정된 것을 계기로 정부 출연연을 중 심으로 ‘달탐사 협력협의회’를 구성하고 2014년 부터 출연연의 강점기술을 활용한 ‘달 탐사 기반 기술연구’를 15개 정부 출연연구소가 달 탐사 융 합연구를 착수하게 되면서 달 탐사연구는 학계와 연구소에 활발하게 전개된다.
한편, 우주탐사와 관련된 우주과학분야의 연 구는 국내 천문학계나 해외의 우주과학계에 비해 연구비나 연구진의 규모면에서 매우 적은 편이나 한국지질자원연구원(이하 지자연), 한국천문연구 원(이하 천문연), KAIST, 경희대, 서울대 등을 중 심으로 최근 5년 내외로 연구활동이 활발하게 진 행되고 있다.
우리나라 우주탐사분야의 기술수준은 전반적 으로 달 탐사를 포함, 우주탐사를 이미 실현한 주요 선진국에 비해 많이 뒤처져 있다고 할 수 있다. 달 탐사를 위한 무인 우주선 설계 및 제작 기술은 기 축적된 위성기술을 근간으로 하여 상 당부분 해결할 수 있다고 평가되는 반면, 심우주 탐사를 위한 추진기술, 유도항법제어 기술, 심우 주 통신 등의 기술과 달을 비롯한 태양계 행성 등을 과학적으로 연구하는 연구자들의 저변확대 가 아직 선진국에 비해 많이 부족한 것으로 판단 된다. 현재 항우연 주도로 개발 중인 한국형 발
기관명 달 관련 연구
한국항공 우주연구원
l 달 탐사 계획 정책 수립 지원 l 달 탐사선 개발사업 총괄 l 달 탐사 설계/검증도구 개발 l 달 탐사 로버 개념 연구 l DSN 기본 연구
l 달 과학 및 탑재체 기반 연구 한국천문
연구원
l 우주탐사 기본연구
l LCROSS 관측데이터 분석 연구 l 시험용 달궤도선 과학탑재체 제작 한국지질
자원연구원
l 달 지질 기본 연구 l 달 자원탐사용 탑재체 연구 l 시험용 달궤도선 과학탑재체 제작 ETRI
l DSN 기본 연구
l 달 통신시스템 기본 연구 l 달탐사용 우주인터넷 KIST l 달탐사 로버 2단계 선행연구 표준과학연
구원 l 달과학 탑재체 개념 연구 기초과학지
원연구원 l 달과학 탑재체 개념 연구 생산기술연
구원
l 달탐사 로버 제어알고리즘 설계 l 달탐사 로버 기반연구 한국건설기
술연구원
l 우주건설 기반연구 l 달탐사 현지채굴장비 연구 한국기계연
구원
l 심우주 안테나 메커니즘 연구 l 달탐사 탑재체 연구 한화 l 달탐사용 추진 시스템 제작 KAI l 달 탐사선 구조모델 제작
l 달 탐사선 전자장비 제작
서울대
l 달 운석 연구
l 행성탐사선 열차폐 구조물 설계 l 우주추진로켓 연구
l 달 탐사 탑재체 연구 l 달 탐사 로버 항법기술 연구 KAIST
l 달 탐사용 추력기 개발 l 달 항법/유도/제어 기반 연구 l 달 과학 탑재체 연구 경희대
l 달 탐사용 탑재체 설계/제작 l 달 과학기반연구
l 시험용 달궤도선 과학탑재체 제작 성균관대
l 우주 고에너지 관측 탑재체 개발 l 달 탐사 LIDAR 기초 연구 l 달 탐사 로버 항법기술 연구 연세대 l 달 탐사 임무설계 및 최적화 l 천체관측 및 천체물리 분석
전북대 l 달 탐사 임무설계 기초 연구 충남대 l 달 과학 데이터 분석 서울
시립대 l 달 탐사 영상기반 구축연구 항공대 l 달 착륙장치 설계/제작/시험
l 달 탐사 제어기술 연구 한양대
l 달 탐사를 위한 심우주 통신시스템 기술 연구
l 달 탐사 로버 및 달 토양, 시뮬런트, 우주건설 개념연구
Table 1. Lunar Research Activities in Korea
사체 KSLV-II는 발사체 상단을 추가 개발할 경 우 달 천이궤도에 약 550kg 수준의 탐사선을 투 입할 수 있는 것으로 알려져 있다.
Table 1에서는 우리나라에서 현재 진행되고 있는 달 탐사관련 기술 및 과학연구 활동을 기관 별로 정리하였다. 주요 선진국에 비해 아직 한국 의 우주탐사관련 연구 잠재력과 저변이 많이 취 약한 것은 사실이나 ‘한국형 달 탐사선 개발사 업’을 추진하기에는 어느 정도의 기술적, 과학적 인프라가 지난 7-8년 동안 상당부분 축적되었다 고 보는 견해가 일반적이다.
달 탐사선의 시스템 및 본체 설계는 기존 저 궤도 및 정지궤도 위성사업을 성공리에 진행해 온 항우연의 경험과 기술력을 바탕으로 극복이 가능하고 심우주통신, 항법유도제어기술, 임무설 계 및 달 과학 등은 NASA와의 국제협력을 통해 보완될 수 있을 것으로 생각된다. 다만 과학커뮤 니티의 저변확대 및 활성화, 기존 위성프로그램 보다 더 체계적인 프로젝트 관리와 모델기반의 시스템 엔지니어링 기법을 도입한 선진국형 프로 젝트 진행 등이 적기에 우주탐사 프로그램을 진 행하기 위한 선결과제라 할 수 있다.
Ⅲ. 세계 우주탐사 현황
3.1 미⋅소 냉전시대의 우주탐사
1957년 소련이 최초의 인공위성 스푸트닉 (Sputnik)을 발사한 이래 미⋅소 양국간의 냉전 체제하에서의 우월성 경쟁의 수단으로 시작한 우 주탐사 경쟁은 ‘60년대 들어 급속도로 진행되었 다. 미국이 발사한 최초의 달탐사선 파이어니어 (Pioneer) 0호가 실패하면서 소련은 인류 최초로 달 탐사선인 루나 1호(Fig. 3)를 달에 근접비행을 시키는데 성공하고 루나 3호는 인류 최초로 달의 뒷면을 촬영하는데 성공한다. Fig. 4는 러시아에 의해 공개된 최초의 달 뒷면 사진이다. 루나 9호 는 미국의 서베이어(Surveyor) 1호(Fig. 5)보다 조금 앞서 세계 최초로 달 착륙을 하는 무인 우 주선으로 기록이 된다[2-4].
이처럼 우주탐사분야에서 기선을 뺏기는 상 황이 계속되자 미국은 체제 우월성 회복을 위해 유인 달탐사를 결정하게 되고 현재 화폐가치로 200조에 가까운 예산을 투입하여 아폴로 계획을 실행하고, ’69년에 인류 최초로 유인 달 착륙에 성공한 아폴로 11호에서 17호까지 총 12명의 우 주인을 달에 착륙하게 하고 엄청난 산업적 사회 적 파급을 가져오는 성과를 거두게 된다. 한편,
Fig. 3. The 1st Picture of Moon Far-Side taken by Luna-3
Fig. 4. Luna-1 : 1st Lunar Flyby
Fig. 5. Surveyor: American Lunar Lander
소련은 유인 달탐사를 포기하는 대신 무인 달 탐 사와 우주정거장 개발로 대미 우주경쟁을 지속하 게 된다.
소련은 1960년대 초부터 1970년대 중반까지 유무인 달탐사와 무인 화성탐사를 활발히 시도하
였다. 무인 달탐사선은 달 궤도선, 착륙선, 샘플 귀환선, Flyby 등의 루나(Luna) 시리즈를 통해 다양한 과학기술적 성과를 이루어 냈다. 대부분 실패로 끝나 잘 알려지지는 않았지만 소련도 미 국과의 경쟁을 의식하여 유인탐사 계획을 추진한 바 있다[5]. 프로톤(Proton) 로켓과 소유즈(Soyuz) 7K-L1 탐사선을 이용하여 달 주위를 Flyby하는 L1(Zond) 프로그램과 N1 로켓과 소유즈 7K-LOK 탐사선과 LK 착륙선을 이용하여 유인 달착륙을 시도하는 N1/L3 프로그램으로 나누어 추진하였다. 존드(Zond) 시리즈 중 1,2,3호는 무 인 탐사선으로 존드 1호는 금성을, 존드 2호 및 3호는 화성을 Flyby하였다. 소유즈 7K-L1 탐사선 은 2명의 우주비행사가 탑승 가능하도록 설계되 었으나 10회 이상 무인으로 운용하였다.
화성으로 탐사를 먼저 시도한 나라는 소련이었 다. 1960년으로 마즈(Mars) 1M으로 불리우는 650kg의 무인 탐사선 2대를 발사하였으나 궤도에 다다르는 데 실패하였다. 이후에도 연속적으로 무인 화성탐사선을 보내었으나 발사실패 또는 탐 사선의 고장으로 인해 실패를 거듭하다가 1971년 에 발사한 마즈 2호와 마즈 3호가 궤도에 진입하 는 것은 성공하나 화성표면 착륙에는 Mars 2 착 륙선은 실패, 마즈 3 착륙선은 착륙성공 후 교신 이 두절된다(Fig. 6). 이후 소련은 마즈(Mars) 시 리즈를 4기 더 발사하게 되나 모두 실패하였다.
소련은 금성에도 1965년부터 무인탐사선 베네 라(Venera) 시리즈를 보내 궤도관측과 착륙을 시 도하였으나 실패를 거듭하다가 1970년 착륙선 베 네라 7호(Fig. 7)를 필두로 1981년에 보낸 베네라 14호까지 모두 임무에 성공하게 된다. 베네라 77 호는 금성표면에 착륙, 23분 동안 지구로 관측데 이터를 전송함으로써, 외계행성에 착륙하여 지구 로 데이터를 전송한 첫 탐사선이 되었다[6].
반면, 미국은 10기의 마리너(Mariner) 계획을 통해 1962년부터 1973년까지 수성, 금성, 화성을 탐사하는 10기의 탐사선을 보낸 바 있으며, 7기 가 성공리에 임무를 완수하였다.
1962년에 발사된 마리너 2호는 다른 행성에 처음으로 flyby한 탐사선이 되었으며, 최초의 화 성 flyby는 미국의 마리너 4호에 의해 이루어졌 다. 1972년에 승인된 Mariner Jupiter-Saturn 계 획은 여러 기의 탐사선으로 지구바깥궤도상의 모 든 행성을 거쳐 가는 것을 목적으로 제안되었다.
1977년 발사 직전에 명칭을 변경, 보이저 (Voyager) 1, 2호를 발사하게 된다. 보이저 1, 2 호(Fig. 8)는 행성탐사 중에 혹시라도 만나게 될 외계 생명체에 지구의 역사와 문화 및 생명체의
Fig. 6. Mars Orbiter & Lander
Fig. 7. Venera 7 : The 1st Venus Lander
Fig. 8. Voyager 1
Fig. 9. Golden Record carried by Voyager 1, 2
Fig. 10. Pioneer 10
다양성의 기록을 담고 있는 ‘Golden Record’를 탑재하였다(Fig. 9).
파이어니어(Pioneer) 프로그램도 1958년부터 발사한 파이어니어 0호를 필두로 달 탐사를 포함 하여 미국이 주도한 행성탐사 계획이었다. 많은 실패를 거듭한 후에 1960년 발사된 파이어니어 5 호는 지구와 금성간의 행성 간 우주를 관측, 행 성간 자기장의 존재를 확인하였다. 이어서 1965 년부터 발사된 파이어니어 6-9호 (총 4기)는 지구 와 태양사이의 궤도를 지나며, 우주기상을 관측 하는 네트워크형 탐사선이었으며, 1972년과 1973 년에 각각 발사된 미국의 파이어니어 10호(Fig.
10)와 11호는 각각 목성과 토성을 flyby한 최초 의 탐사선이 되었다.
3.2 탈 냉전시대의 우주탐사
탈 냉전시대를 맞은 미국은 아폴로계획을 중 단한 이후 우주왕복선, 국제우주정거장, 대형우주
망원경, 태양계탐사 등으로 우주탐사의 범위를 다변화해 나간다. 한편, 지구수요도 기하급수적으 로 증가하여 지구관측, 정찰, 위성항법위성 등의 개발을 통한 위치정밀도 및 관측정확도 등의 개 선을 통해 인류의 생활과 기술의 패러다임을 획 기적으로 변화시키는 방향으로 우주개발이 진행 되고 있으며 이 또한 미국이 선두주자임은 부인 할 수 없는 사실이다. 이 시대의 우주탐사의 특 징으로는 달이나 태양계의 행성이 지구의 기원과 생명체의 존재를 확인하는 과학탐구의 대상이자 미래 자원의 확보를 위한 자원탐사의 보고인 동 시에 심우주 탐사를 위한 전진기지로서 각광을 받게 되었다는 점과 국제우주정거장을 이용하여 인체의 외계생존가능성 및 미소중력장에서의 다 양한 과학실험을 시도하는 유인탐사와 태양계 행 성 및 소행성 등을 원격으로 탐사하거나 착륙하 는 무인 탐사로 구별되는 점, 그리고 유럽과 아 시아 국가들의 참여가 확대되었다는 점이다.
2000년대 이후에 아시아 국가들의 적극적 참여로 활성화 된 달 탐사는 ‘New Moon Rush’라고 표 현될 정도로 중국, 일본, 인도의 참여가 활성화되 었으며 우리나라까지 달 탐사 대열에 참여하게 되는 성황을 누리고 있다[8].
3.3 국가별 우주탐사 현황 및 과학기술적 성과 우주탐사가 시작된 초기에는 미국은 Ranger, Surveyor, Mariner, Apollo, Gemini 등, 소련은 Luna, Zond, Venera 등 프로그램별로 진행이 되 고 유럽은 우주과학 프로그램 중심으로 이루어진 반면, 2000년대 전후로 하여 종합적인 계획이 수 립되어 우주탐사가 진행되었다.
(1) 미국
미국의 경우에는 우주탐사와 우주과학을 분리 한 종합계획이 별도로 각각 수립되었다. 아폴로 (Apollo)계획이후 2000년대 초반까지 유인탐사 프로그램은 우주왕복선과 국제우주정거장(ISS, International Space Station)을 중심으로 이루어 지고 태양계 행성의 탐사는 우주과학연구의 일환 으로 이루어졌다. 과학을 담당하는 NASA의 Science Mission Directorate(SMD)에서는 지구과 학, 행성과학, 천체물리, 태양물리, JWST(James Webb Space Telescope)로 크게 예산과 조직을 나누고 4개 과학 분과 별로 10년 주기로 NRC(National Research Council) 주도로 수립되 는 Decadal Survey 보고서에 따라 과학적 우선 순위가 정해지며, 이를 실현하기 위한 임무위성 을 공모에 의해 결정하게 된다. 반면, 우주탐사분 야에서는, 부시(Bush) 행정부 시절인 2004년 달탐
사 종합계획인 The Vision for Space Exploration 을 수립[9], 달 탐사 계획인 Constellation Program으로 유무인 달탐사를 추진해오다 무인 달탐사선 LRO-LCROSS(Lunar Reconnaissance Orbiter-Lunar Crater Observation and Sensing Satellite)를 발사하고 Orion CEV(Crew Exploration Vehicle) 유인탐사선, Altair 유인착 륙선, Ares 발사체 시리즈를 개발하였다. 개발이 완료되기 전 오바마(Obama) 행정부 들어 달 탐 사계획을 포기하는 대신, 목표지점을 화성으로 변경하는 것을 골자로 하는 신우주정책(National Space Policy)을 2010년에 발표하기에 이른다. 여 기서 오바마 대통령은 “이제 미국의 우주정책은 단지 미지의 세계를 방문하는 것이 아니라 지구 이외의 공간에서 인류가 생존할 수 있게 하는 것 이고 미국이 이를 이끌어 나가야 한다.”고 역설 하면서 화성탐사의 추진의지를 천명한다. 이를 위해 과거 지구와 비슷한 환경이었을 것으로 예 상되는 화성을 탐사하고 인간을 표면에 정착시켜 일정 기간 이상 생활할 수 있는 것을 골자로 하 는 화성탐사계획을 수립하게 된다[10-11].
종합적인 우주탐사 계획을 현실로 구현하기 위해 체계적인 기술개발과 관리를 위해 전담 부 서인 STMD(Space Technology Mission Directorate)가 신설되어 우주기술로드맵이 발표 되었다. 15개 기술분야로 나누어져 있고 목표로 하는 TRL(Technology Readiness Level)에 따라 9개 지원분야로 나누어져 있으나 상당부분이 유 인화성탐사를 지원하는 기술을 중심으로 로드맵 이 수립되어 연구개발이 진행되고 있다[12].
2016년 현재 SMD(Science Mission Directorate) 주도로 과학적 발견을 위한 우주과학적 목적의 다양한 무인행성탐사선을 보내는 것을 제외하면, 미국 NASA가 주력하는 실질적인 우주탐사프로 그램은 유인화성 프로그램이다. 프로그램과 유 인화성탐사, 그리고 소행성 유인탐사 등의 유인 탐사 프로그램과 무인탐사 프로그램이 있다.
2020년 중반에 종료예정인 국제우주정거장(ISS) 에서의 과학기술연구와 지상실험, 그리고 유인탐 사 프로그램의 안정성과 신뢰도를 사전 검증하고 화성환경 및 착륙지 등의 사전정보 구축을 위한 무인탐사선 발사 등을 유인화성탐사계획의 1단계, 유인탑승모듈과 대형발사체의 개발을 통해 달 주 변에서 포획된 소행성을 탐사하는 2단계, 개발된 유인탐사선으로 화성에 착륙하여 탐사와 거주를 실현하는 3단계로 구분될 수 있다[10].
화성탐사를 위해 ISS에서 계획하고 있는 기술 은 ECLSS(Environmental Control and Life Support System), 환경감시, EVA(Extravehicular
Fig. 11. Orion Spacecraft
Activity), 화재안전 및 대응, 우주인 건강 및 활 동, 열처리, 전력 및 에너지저장 등 14개 분야에 기술적 난제를 선정, ISS상에서 검증하고 있다 (Fig. 20 참조).
유인화성탐사와 유인소행성탐사를 목표로 개발 중인 초대형발사체 SLS(Space Launch System)와 유인탐사선 오리온(Orion)(Fig. 11)은 부시행정부 에서 추진하던 기존의 유인 달 탐사선의 설계를 수정하여 진행 중이다. SLS는 아폴로 우주선을 발사한 새턴5호 로켓이래 가장 큰 규모와 추력 성능을 갖도록 개발 중이다. 한편, 오리온 유인 탐사선의 기본 설계개념은 아폴로 사령선을 기 반으로 하여 6인까지 탑승이 가능하도록 개발 중이며, 우주비행사와 화물을 탑재하며 심우주 에서의 거주환경을 제공하는 탑승모듈과 추진, 전력, 산소와 물 등을 탑재하는 서비스모듈, 비 상시 비행사들이 대피하는 발사취소모듈로 나누 어져 있다. 2014년 사람이 탑승하지 않은 채로 델타-IV로켓으로 시험발사 후, 바다에서 회수하 는 실험에 성공한 바 있다. 2018년에 무인탑승모 듈을 SLS로 달 궤도로 발사하는 EM-1(Exploration Mission 1) 임무, 사람이 탑승하여 SLS로 발사하 여 달 궤도까지 보내는 EM-2(Exploration Mission 2) 임무는 2021년 이후, 소행성으로 보 내는 임무는 2026년에 예정되어 있으며 2030년 이후에 화성에 사람을 보내는 것을 목표로 하고 있다.
무인화성탐사선으로는 2011년에 발사하여 2012년에 큐리오시티(Curiosity)를 화성표면에 착 륙시켜 임무를 수행중인 MSL(Mars Science Laboratory) 프로그램과 화성대기환경을 관측하 기 위해 2013년에 발사한 MAVEN(Mars
Fig. 12. NASA’s Asteroid Redirect Mission
Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission)이 있으며 MSL와 유사한 형태의 무인탐사선인 Mars 2020을 2020년 발사를 목표로 개발을 진행 중에 있다. 화성탐사 초기에는 물의 발견이 주요 한 목적이었던데 비해 현재는 생명체의 발견과 인류의 생존가능성의 확인과 유인탐사를 준비하 는 쪽으로 그 개념이 변화하고 있다.
유인화성탐사선의 사전시험 및 우주인의 사전 연습을 위해 고안해 낸 독특한 임무로 소행성 포 획임무(Asteroid Redirect Mission, ARM)가 있다 (Fig. 12 참조). 15m 크기의 capture bag을 이용, 8m 직경에 500ton수준의 소행성을 포획하여 달 부근의 안정지점으로 가져오는 옵션과 소행성 표 면에 착륙하여 로봇팔을 이용, 4m직경의 표석을 들어 올려 달 궤도로 가져오는 옵션이 논의되고 있으며 후자가 미래의 랑데부, 도킹, 채굴 및 유인 탐사 기술을 실현하는데 더 관련성이 높은 것으로 평가되고 있다. 2012년에 타성성 연구를 수행하고 2014년부터 개념설계에 착수, JPL(Jet Propulsion Laboratory)이 총괄개발을 담당하고 있으나 화성 탐사의 연계여부와 계획의 실용적 가치 등을 두고 미국 내에서 논란이 계속되고 있다.
이밖에, 최근 NASA가 진행 중인 대표적인 심 우주탐사 임무로는 2006년에 발사되어 목성 주위 를 지나 2015년에 명왕성을 거쳐 태양계 외곽의 카이퍼벨트를 탐사하고 있는 뉴호라이즌(New Horizons)과 2007년에 발사되어 Ceres와 Vesta 소행성을 주위를 돌면서 관측을 수행하는 돈 (Dawn) 임무가 있다.
(2) 유럽
2001년에 수립된 유럽 우주탐사계획인 Aurora Programme은 외계 생명체의 존재를 확인하기 위해 유무인 탐사선을 이용한 태양계 탐사를 구 현하기 위한 장기계획이다. 주요내용으로는 2020 년대 중반 유인 달착륙, 2030년대 중반 유인 화 성착륙을 목표로 시작되었으며 유인탐사를 위한
과학정보수집과 관련기술개발을 전제로 최근에 발사된 화성무인탐사선 ExoMars와 화성샘플귀환 선인 MSR, 무인 달 착륙선 MoonNEXT 등이 포 함되어 있다. 우주과학중심의 계획으로는 Horizon 2020 Programme (1984)과 Horizon 2000 Plus (1994-1995), Cosmic Vision 2015-2035(2005)가 있 다. Horizon 2020의 주요 프로젝트로는 탐사선의 역할을 겸하는 Cassini-Huygens(토성), Mars Express(화성), Venus Express(금성) 등과 심우주 관측이 목적인 Herschel, Planck 우주망원경 등 이 있으며, Horizon 2000 Plus에는 수성탐사, 간 섭계 임무, 중력파 측정을 위한 우주물리 임무 등을 추가하였다. 2005년에 수립한 Cosmic Vision 2015-2035은 행성형성과 생명체존재의 조 건, 태양계 운행원리, 우주의 생성 규명 등을 목 표로 하여 행성탐사(JUICE, Bepi Colombo), 태양 관측(Solar Orbiter), 천체관측(Euclid, Astro-H, JWST)등 크게 3개 범주의 임무가 계획되어 있으 며 실제 구현을 위한 기술개발의 요구사항이 더 불어 정의되어 있다.
ESA가 우주탐사를 총괄하고 있으나, 회원국의 개별 우주기관을 통해 추진하는 우주탐사 및 기 술개발이 추진되고, 유럽통합기구(EC)를 중심으 로 추진되고 있는 연구개발 프로그램인 Framework Programme에서도 우주탐사분야가 지원되는 등 복잡하게 얽혀 있기 때문에 일관적 인 기술개발 계획이 필요하게 되었다. 유럽은 이 를 Harmonisation 이라 하여 ESA주도로 2002년 유럽우주기술 종합계획(ESTMP, European Space Technology Master Plan)이 처음 수립한 이후 탐사를 위한 ESA 로드맵을 별도로 수립하고, EC 중심으로 진행되는 과학기술전반의 연구개발 프 로그램과의 연계를 위해 2010년부터 Harmonisation 프로세스를 채택, 우주탐사 목표 를 지원하기 위한 탐사기술 개발을 별도로 지원 하고 있다.
유럽의 우주탐사계획에서 최근 가장 주목받았던 것은 로제타(Rosetta)라고 해도 과언이 아니다.
2004년에 아리안 5호 로켓에 의해 발사된 로제타 는 발사 10년 전에 기획된 프로젝트로 인류 최초 로 탐사선을 혜성(67P/Churyumov-Gerasimenko) 의 표면에 착륙선 필레(Philae)를 2014년에 착륙 시키는 성과를 이루었으며 혜성 표면의 물질을 직접 채취하여 관측하고 혜성의 꼬리를 관측한 결과를 지구로 보내와 2014년 Science가 선정한 올해의 10대 연구성과에서 1위로 선정되기도 했 다. Fig. 13은 궤도선 로제타와 착륙선 필레의 가 상도를 보여준다.
Fig. 13. Roetta Mission: 1st Comet Laner Philae
Fig. 14. ExoMars Program
화성의 생명체의 흔적을 찾고 2020년대 계획 된 화성샘플귀환선의 신기술을 검증하는 목적으 로 추진되고 있는 ExoMars 프로그램(Fig. 14 참 조)은 2단계로 이루어진 유럽-러시아 우주협력 탐사프로그램이다. 1단계는 화성대기를 관측하는 궤도선 ExoMars TGO(Trace Gas Orbiter)와 Schiaparelli 라고 명명한 시험용 착륙선으로 구 성되어 있으며 2016년 3월에 발사되어 2016년 10 월경에 화성대기권에 도달, 착륙선을 하강시킬 예정이다. TGO는 화성대기층에 많은 메탄가스 의 지도를 만드는 것이 주요 임무이며 향후 화성 탐사선의 통신릴레이위성 역할을 감당할 예정이 다. 2단계에는 러시아가 설계, 제작한 착륙선에 ESA가 만든 ExoMars 로버가 화성 표면을 탐사 할 예정이다. 1,2단계 모두 러시아의 프로톤 로켓 에 의해 발사된다.
SMART-1은 유럽 최초의 달 탐사선으로 2003 년에 발사되었으며 이온추력기를 이용한 최초의 달 탐사선이었으며 달 궤도에 진입하는데 1년이 상이 소요되었다. 이후 유럽은 2030년대에 유인 달탐사에 대비하기 위해 2018년 무인 달 착륙선
발사를 목표로 Phase B까지 진행 중이었으나 2012년 EC에서 추가 예산을 얻지 못하여 사업의 진행이 중지되어 있는 상황이다. 그러나 2016년 3월 ESA는 구체적인 시점을 밝히지는 않았으나 달 기지(permanent moon village)를 국제협력으 로 건설하여 과학적 목적뿐 아니라 화성탐사의 중간 기착점 또는 우주여행 또는 천연자원 발굴 의 거점으로 활용하자는 계획을 발표한 바 있어 달탐사 재개의 청신호로 받아 들여 지고 있다.
(3) 러시아
1970년대 초반까지 달, 금성 및 화성탐사를 활발하게 진행하던 소련은 1973년 마즈 7호 무인 화성착륙선(실패)와 1976년 달 샘플귀환선인 루 나(Luna) 24호, 1981년 금성탐사선 베네라 14호 를 끝으로 활발한 우주탐사에 휴지기를 맞는다.
1980년대 페레스트로이카로 불리우는 정치적 변 혁기를 경험한 소련은 중반부터 위성항법 GLONASS와 우주정거장 미르(Mir)에 우주개발 의 역량을 집중하게 되고 우주정거장을 통한 유 인우주비행 프로그램이 시작되게 된다.
한편, 1988년에 화성의 위성인 포보스(Fobos) 에 궤도선과 착륙선을 각각 보내는 포보스 1, 2 호를 발사하나 포보스 2호의 궤도선만 궤도상 관 측에 성공하고 표면 착륙은 모두 실패하게 된다.
1990년대 초반에 연방분리과정을 겪은 소련은 많 은 연방국가들이 독립한 후에 러시아가 우주개발 을 주도하게 된다. 1990년 들어 화성궤도선 마즈 96을 발사하였으나 지구저궤도를 벗어나지 못하 고 발사에 실패하면서 2011년 포보스-그룬트 (Fobos-Grunt)를 발사한 시점까지 러시아는 달과 화성에 탐사선을 전혀 보내지 않았다. 화성의 위 성인 포보스를 관측할 목적으로 발사된 포보스- 그룬트도 탐사선의 고장으로 인해 지구궤도를 벗
Fig. 15. Russian Lunar Exploration Program(Wikipedia)
어나지 못하고 실패하게 된다, 2016년과 2018년 에 계획된 유럽주도의 ExoMars 프로그램에 러시 아가 발사체와 과학탑재체를 제공하는 형태로 화 성탐사에 참여하고 있는 실정이다.
한편, 러시아는 1997년에 Luna-Glob 란 명칭 으로 달 탐사계획의 재개를 발표하고 재정적인 이유로 인해 답보상태를 거듭해오다 2009년 미국 의 무인 달 궤도선 LRO 발사를 계기로 달 탐사 에 대한 관심이 다시 재개 되었으나 당초 2011년 에 발사하기로 했던 무인 달 착륙선 루나글로브 (Luna-Glob, Luna 25)의 발사시기가 계속해서 연 기되면서 2016년 3월 17일에 각료회의에서 승인 된 러시아 우주청의 연방우주계획(2016-2025, FKP-2025) 에 따르면 달 무인탐사는 2020년 이후 에 유인탐사 달착륙은 2030년에 계획한다고 발표 한바 있다[13](Fig. 15 참조).
(4) 중국
중국은 유인탐사계획 (CMSP, China’s Manned Spacecraft Program)과 달탐사계획 (CLEP, China’s Lunar Exploration Program), 화성탐사 계획(CMEP, China’s Mars Exploration Program) 을 구분하여 진행 중이다.
달탐사 계획은 달 궤도선인 창어(Chang'e) 1,2 호와 착륙선인 3호까지 진행되었으며, 현재 창어 3호와 유사한 착륙선인 창어 4호, 샘플귀환선인 창어 5,6호를 준비하고 있으며, 화성탐사선 잉훠 1호는 발사에 실패하여 잉훠 2호를 준비하고 있 는 것으로 알려져 있다.
달 궤도선인 창어 1,2호는 각각 2007년과 2010 년에 중국의 창정 3A로켓으로 성공리에 발사되 어 1여년의 달 궤도 관측임무를 통해 달 착륙에 필요한 데이터를 확보한 것으로 알려졌다.
달 착륙선인 창어 3호는 착륙선과달 표면탐사로 버인 ‘옥토끼(중국명 유투)’로 구성되어 있으며, 2013 년 성공적으로 달 표면에 착륙함으로써, 창어 3호 는 1976년 소련이 발사한 Luna 24호 이후 처음으 로 달에 착륙한 탐사선이 되었으며, 중국은 세계에 서 세 번쨰로 달 착륙에 성공한 나라가 되었다[14].
기술상의 이유로 창어 1,2호의 관측을 근거로 당초 착륙지로 결정된 Sinus Iridum지역에서 50 여 km 벗어난 Mare Imbrium (44∘N, 19∘W)에 착륙하였다. 창어 3호의 착륙선과 로버는 달 표 면에서의 임무수명 유지를 위해 밤 기간동안 극 저온을 극복할 수 있도록 방사성 동위원소를 이 용한 히터를 채택한 것이 특징이다. 6개의 휠을 채택한 로버는 2013년 12월에 정상적으로 작동을 시작하여 영상 및 X선 분광 데이터를 전송하였 으나 기계 이상으로 이동에 문제가 있는 것으로
알려졌으며 당초 목표 수명 3개월을 훨씬 지난 2015년 초반까지도 간간히 관측 데이터를 전송하 였다. 극한 상황이라고 할 수 있는 달의 밤 기간 동안을 극복하고 동면모드에서 깨어나 다시 활동 을 재개할 수 있는 기술적 능력을 보여준 것이 과학적 성과에 앞서 가장 큰 성과중의 하나이다.
(5) 일본
일본은 우주탐사에 있어 어느 아시아 국가보 다도 훨씬 더 다양한 형태로 태양계 행성탐사을 비롯한 우주탐사를 활발히 진행하고 있는 나라이 다. 국제우주정거장에 자국의 전용 모듈을 설치 하여 가동하면서 미소중력하의 우주실험과 더불 어 우주인을 머물게 함으로써 유인 우주탐사에 대한 준비를 착실하게 진행해 오고 있다. 일본의 우주탐사는 JAXA의 부속기관인 ISAS에 의해 주 도되어 왔으며 PLANET, MUSES(Mu Space Engineering Spacecraft), SELENE(Selenological and Engineering Explorer), MELOS(Mars Exploration of Life Organism Search) 등으로 나 누어 진행되어 왔다.
태양계 관측탐사가 주 목적인 PLANET 계획 은 혜성 관측선 스이세이(Suisei, PLANET-A), 화 성관측선 노조미(Nozomi, PLANET-B), 금성관측 선 아카츠키(Akatsuki, PLANET-C)로 구성되어 있다. 1985년에 발사된 스이세이는 헬리혜성을 추적하였으며, 노조미는 화성을 관측할 목적으로 1998년에 발사되어 2회의 지구 flyby와 1회의 화 성 flyby를 실현한 후에 연료부족으로 예정되었 던 화성궤도에 투입에는 실패하고 만다. 2010년 에 발사된 금성 탐사선 아카츠키는 5년간의 비행 끝에 2015년 말에 금성 궤도권에 성공적으로 진 입하여 금성 사진을 보내왔으며 5개의 과학탑재 체로 금성의 대기관측임무를 계속해서 수행할 예 정이어서 새계 최초의 행성 대기관측용 기상위성 으로도 분류되고 있다.
MUSES 계획의 일부로 1990년 발사된 히텐 (Hitten, MUSES-A)은 일본이 최초의 달 탐사선이 었을 뿐 아니라 미국과 소련을 제외한 다른 국가 에서 발사된 최초의 달 탐사선이었다. 달 근접비행 을 통하여 부속 궤도선 하고로모(Hagoromo)를 궤 도에 진입시켰으나 통신은 작동하지 못하였으며 9 회까지 달에 근접 궤도를 선회하면서 추진제동을 수차례 시도하고 1994년에 임무를 종료하였다.
2007년 발사된 달 궤도선 SELENE는 일본이 두 번쨰로 보낸 달 탐사선이다. 주 궤도선 가구야 (Kaguya)와 통신을 위한 릴레이위성과 VLBI위성으 로 구성되어 있다. 감마선분광계 등 여러개의 과학 탑재체 외에도 NHK에서 제공한 HD카메라를 탑
Fig. 16. IKAROS (JAXA)
재하여 일반대중을 위한 달의 고화질 영상도 획득 하였다. 달의 전반적인 지형지도를 업그레이드하여 구글(Google)이 진행 중인 Google Moon 3-D 프로 젝트에 무상으로 제공하기도 하였다.
당초 일본의 달탐사 계획은 궤도선 SELENE-1, 착륙선 SELENE-2, 샘를귀환선 SELENE-X 등으 로 구성되어 추진되었다. 오랫동안 선행연구를 지속하며 공식착수를 준비해오던 달 착륙선 SELENE-2 프로젝트는 정부의 승인을 받지 못한 대신에 소형 달 착륙 시험선인 SLIM(Smart Lander for Investigatin Moon)가 최근 승인되어 2018년 발사를 목표로 하고 있다.
이온엔진과 자율항법시스템, 샘플귀환기술 등을 시험할 기술시험위성의 성격으로 2003년에 발사된 하야부사(Hayabusa, MUSES-C) 탐사선은 2005년 에 이토카와로 명명된 지구근접 소행성에 착륙, 극소량의 먼지샘플을 채취하였으며, 미네르바 (MINERVA)로 불리우는 초소형 착륙선을 내려보 낼 계획이었으나 표면착륙에 실패하였다. 하야부 사는 2개의 반작용 휠이 고장나는 상황에도 불구 하고 2010년에 소행성의 샘플을 가지고 무사히 지 구로 귀환함으로써 우주과학과 기술에 새로운 이 정표를 수립한 성공적인 탐사임무로 평가받고 있 다. 본 사업의 성공에 탄력을 받아 소행 샘플귀환 선 하야부사-2의 계획도 연이어 승인이 되어 162173 Ryugu라 불리우는 소행성을 향해 2014년 발사되어 2018년에 소행성에 착륙할 계획이다.
태양의 반대편을 탐사하는 주 임무를 가지고 2010년 발사된 이카로스(IKAROS, Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun) 는 세계 최초로 태양돛(Solar Sail)을 이용해 태양 계 탐사를 시도한 새로운 개념의 탐사선이다. 태 양돛의 크기는 14mx14m, 두께는 0.0075mm에 불 과하며, 태양돛에 박막형 태양전지를 덧붙여 주 전력 공급원으로 사용하여 2010년 12월 8일에 금
Fig. 17. Hayabusa (JAXA)
성을 약 80,000km의 고도로 지나갔으며 2015년 5월에 통신이 두절되었으며 지구와 태양에서 각 각 1억 1천만km이상 떨어진 곳을 여행하고 있는 것으로 추정된다.
화성탐사계획인 MELOS는 당초 궤도선과 착 륙선을 각각 화성으로 보낼 계획이었으나 그 내 용과 규모가 변경되면서 정밀착륙을 위한 기술시 험성격의 착륙선을 2020년 초반에 발사하는 것을 목표로 개념설계와 선행연구를 진행하고 있다.
(6) 인도
인도는 2008년 달 탐사선 찬드라얀(Chandrayaan) 1호를 발사한 이래 화성탐사선 망갈리안 (Mangalyaan)을 발사하여 세계에서 3번째로 화 성탐사에 성공한 나라가 되었다.
찬드라얀 1호는 인도 최초의 달 탐사선으로 인도가 자체 개발한 로켓 PSLV에 의해 발사되었 으며 별도로 제작된 달 표면 충돌용 프로브를 달 남극에 투하하여 물의 존재를 확인하였다.
망갈리안은 기술시험성격의 프로젝트로 화성 에 관한 과학적 데이터 수집을 또한 목표로 하고 있다. 지구를 떠난지 약 1년만인 2014년 9월에 화성궤도진입에 성공하였다.
3.4 민간우주탐사 프로그램
과거 우주탐사가 우주전문기관을 중심으로 정부 주도로 이루어졌다면 최근 들어 민간주도로 우주 탐사를 위한 다양한 계획이 활발히 전개되고 있는 것이 새롭게 두드러진 특징이다. 달 표면에서의 탐 사 임무를 주고 우수 연구팀을 공모로 선정하는 Google Lunar X-prize, 소행성 등 우주자원을 취 득, 상업적 목적으로 활용하겠다는 Planetary Resource, 화성거주를 목적으로 화성탐사 지원자를 선정하는 Mars One, 화성거주를 비전으로 화성탐 사선을 개발 중인 Space-X 등은 인류의 꿈을 대변 하는 대표적인 민간 우주탐사프로그램이다.
3.5 국제우주탐사협의체와 탐사로드맵 2006년 유무인 우주탐사 임무에 관심을 가진
국가(우주기관)들이 우주탐사 협력 프로그램을 강화하기 위해 우주탐사에 대한 목적, 계획, 이점 등을 정의한 GES(Global Exploration Strategy)를 제정하고 관련 정보 공유/협의하기 위해 자발적 으로 우주탐사협력협의체(ISECG, International Space Exploration Coordination Group)를 구성 하였다. 우리나라를 포함, 14개국 우주기관이 참 여하는 ISECG를 통해 달 및 화성 유인 탐사를 목표로 공통의 임무 시나리오/체계 등을 포함하 는 GER(Global Exploration Roadmap)을 수립 [15], 지속적으로 업데이트를 하면서 과학기술적 협력기회를 모색하고 있다. GER은 세계 우주탐 사계획을 총괄하는 로드맵으로 달, 화성, 소행성 및 태양계 행성으로 구분, 세계 모든 나라의 우 주탐사 계획을 종합적으로 정리하였으며, 인류가 얻고자 하는 우주과학과 탐사정보를 Strategic Knowledge Gap(SKG)의 분류체계를 통해 각국 의 탐사선의 역할분담과 성과를 추적이 가능하도 록 수리한 것이 특징이라 하겠다(Fig. 21-22참조).
Ⅳ. 우주탐사기술의 주요 동향
화성유인탐사를 실현하기 위해 NASA가 가장 역점을 두어 개발하고 있는 기술 중에 하나는 초 대형 로켓기술이다. SLS(Space Launch System) 로 불리우는 초대형 발사체로 개발이 완성될 경 우 인류가 개발했던 로켓 중 가장 큰 로켓이며, 아폴로 계획을 실현하는데 사용되었던 Saturn-V 로켓보다 규모와 추진력에 있어서도 세계 최고이 다. 2018년에 1차적으로 달 궤도로 보내는 시험 발사가 예정되어 있으며, 사람이 탑승하는 대신 초소형 위성을 여러 개를 탑재하여 달 주위를 탐 색하는 임무를 수행할 예정이다.
SLS는 저궤도 기준으로 투입중량이 130톤이며 직경 8.4m에 2단으로 구성되어 있고, 액화수소/
액화산소를 연료로 사용하는 230톤급 Aerojet/
Rocketdyne RS-25 엔진 4기를 1단에 사용하는 것으로 알려져 있으며, 발사비용만도 회당 5억 달러가 소요될 것으로 추산된다. Fig. 18에서는 페이로드의 요구중량과 탐사용도에 따라 SLS 시 리즈의 구성 포트폴리오를 보여준다.
화성유인탐사 실현을 위해 NASA가 주력하고 있는 또 하나의 추진시스템은 Solar Electric Propulsion (SEP)이다. 이는 태양전지로부터 얻 어진 전기를 이용하여 기존 화학식 추진시스템에 비해 10배 정도 연료가 적게 소모되는 전기추진 시스템을 지칭한다. NASA에서는 Electrostatic Hall Truster를 고려하고 있으며, 2015년에는 수
Fig. 18. SLS Series’ Evolution
Fig. 19. VASIMIR Rocket Engine[16]
년간 작동이 가능한 12.5 kW의 Hall Thruster의 개발에 성공한 바 있다. SEP는 유무인 탐사선에 활용될 수 있을 것으로 기대되며 무인 ARM (Asteroid Redirect Roboticc Mission)에 총 40 kW까지의 성능을 시험할 예정으로 있다.
NASA는 우주탐사를 위해 기술적 성숙도를 시 급히 외부 파트너와 해결해야 할 차세대 기술을 NextSTEP으로 별도 지정, 차세대 추진시스템, 우 주거주시스템, 소형위성을 통한 탐사임무개발 등 3가지를 선정하고 외부기관과의 협약을 통해 탐 사기술 개발을 병행하고 있다.
일반적으로 탐사선이 화성에 도달하기까지 6 개월에서 1년 이상 소요되기 때문에 우주탐사나 우주여행을 활성화하고 고비용 구조를 개선하기 위해서는 비추력이 높고 추진력이 탁월하여 비행 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 신개념의 차세 대 추진시스템 개발이 필수적이라는 인식이 지배 적이다. NASA 의 12개 차세대 탐사기술에 선정 되어 Ad Astra사가 개발 중인 초전도 자석에 의 한 플라즈마 발생을 이용하는 VASIMIR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)는 탐사선의 지구-화성간의 편도여행시간
을 기존의 화학추진시스템보다 10배 정도 빠른 39일로 단축이 가능하다는 목표하에 200kW급 (5N, Isp=5,000s)의 로켓엔진 개발에 성공한 바 있으며 국제우주정거장에 적용하여 실용성을 평 가받고 대용량화에 성공할 경우, 우주탐사와 여 행에 혁신을 가져올 수 있는 기술로 평가받고 있 다. Fig. 19는 VASIMIR 엔진의 개념도이다[16].
NASA와 ESA는 달, 화성 및 기타 행성 착륙 기술을 확보하기 위해 우주기술로드맵에 EDL (Entry, Descent, Landing)을 별도로 분류, 탐사 선의 이착륙 기술을 개발 중이다. 대기가 존재하 는 행성권 진입 시에나 샘플을 채취 후 지구로 귀 환할 경우 대기권과의 마찰을 극복할 수 있는 열 적 보호시스템이 필수적이며, 이 기술은 대륙간 유도무기 기술과도 관련이 있어, 주요 우주선진국 에서 관심을 갖고 개발하는 기술 중 하나이다. 하 강과 착륙 시에 필요한 유도항법제어기술로 ALHAT(Autonomous Precision Landing &
Hazard Detection and Avoidance Technology)을 들 수 있다[17]. 1960년대에도 착륙기술은 있었으 나 수동에 의존하거나 착륙지 정보의 실시간 피드 백에 의한 능동적이고 자율적인 방법은 아니었다.
2005년 달탐사 재개를 선언한 NASA는 달 착륙을 위한 신기술을 개발하게 되었는데, 그 기술 중 유 도항법분야의 기술로 대표되는 것이 ALHAT이다.
위험을 탐지하는 센서의 개발과 지형 맵핑 및 착 륙지 선정, 자율위험회피 기능 구현 등을 내용으 로 당초 개발 목표이던 TRL 6 수준을 대부분 달 성, NASA Johnson Space Center에서는 Morpheus 라는 행성 착륙선 시험모델에 ALHAT 시스템을 장착하여 실제 지상비행시험을 통해 그 성능을 입증한 바 있다. 이 기술은 화성유무인탐 사와 다른 태양계 행성의 무인탐사선의 자율 착륙 에 활용될 것으로 기대된다.
우주에서의 생존을 위해, 현지자원의 활용은 필수적이다. ISRU (In-Situ Resource Utilization) 기술은 목적지 정찰, 탐사기술, 자원채취기술, 자 원처리 및 생산기술, 생산 및 보관 인프라 구축 기술 등으로 나뉘어 개발되고 있으며, 드릴, 물 발생장치, 자원현장분석기 등 자원채취 및 현장 활용을 위한 장비를 달 남극에 보내어 향후 달 탐사와 화성탐사의 ISRU 기능의 실용성을 검증 하기 위한 NASA의 Resource Prospector Mission(‘19-’20 발사)이 대표적인 ISRU 구현 프 로젝트의 일례라 하겠다[18].
2015년 ESA에서는 'Moon Village'계획을 선언 하는 등 우주선진국이 우주탐사의 궁극적인 목표 로 삼고 있는 인류의 생존을 위한 거주지 확보를
위한 기술의 개발에도 노력을 기울이고 있다.
NASA와 ESA에서는 달이나 화성표면에 거주지 건설을 위한 건설재료 현지조달을 통한 제작기 술, 3-D 프린터를 이용한 우주 거주지의 건설자 동화와 관련된 기술도 활발히 연구되고 있다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 우주개발계획에 명시된 우리나 라 우주탐사 계획과 세계 우주탐사의 간략한 역 사, 기술의 발전현황과 개발방향 등을 살펴보았 다. Table 2와 3에는 앞의 장에서 언급되었던 달 탐사와 우주탐사의 역사를 각각 별도로 연대별로 정리하였다. 아울러 우리나라의 우주탐사분야의 과학연구 현황 및 분야별 기술수준을 점검해 볼 때 우리나라는 주요 우주 선진국에 비해 갈 길이 멀다는 것을 실감한 계기가 되었다. 우주개발 중 장기계획에 명시된 달탐사, 화성탐사 및 소행성 탐사를 우리나라도 조속한 시일 내에 실행에 옮 기려면 무엇보다도 우주탐사를 지지해줄 수 있는 국민들의 인식이 제고되어야 하는 것이 최우선이 며, 또한 이를 뒷받침할 우수한 인력양성과 더불 어 우주탐사와 관련된 우주과학 커뮤니티의 확대 가 선행되어야 할 것이다. 인류의 숙원사업인 우 주개척과 새로운 과학적 발견을 위해 우주탐사 전반에 대한 과학적, 공학적, 사회학적, 정치적 저변을 확대하여 온 국민의 축복과 기대 속에 추 진되는 우리나라만의 우주탐사 프로그램이 지속 가능하기를 기대해 본다.
후 기
본 논문은 미래창조과학부의 지원하여 2016년 착수한 ‘달탐사선 개발사업’의 세부과제 수행결 과의 일부이며, 지원에 감사드립니다.
References
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18) Colaprete, A. et. al, “Resource Prospector:
A lunar volatiles prospecting and ISRU demonstration mission,” Annual Meeting of the Lunar Exploration Analysis Group, 2013.
Fig. 21. Global Exploration Roadmap
Fig. 22. ISECG Mission Scenario
임무 발사일 국가 구분 발사체 발사중량 성과 Luna 1 1959.1.2. 소련 flyby Luna 8K72 361kg 세계최초의 달탐사선
충돌을 시도, 실패하여 Flyby Pioneer 4 1959.3.3 미국 flyby Juno II 6.1kg 달 충돌을 시도, 실패하여 근접비행 Luna 2 1959.9.12 소련 impact Luna 8K72 390kg 세계최초의 달 충돌 Luna 3 1959.10.4 소련 flyby Luna 8K72 279kg 세계최초 달 뒷면 촬영 Ranger 7 1964.7.28 미국 impact Atlas LV-3 366kg 미국 최초 달 충돌, 달표면영상전송 Luna 9 1966.1.31 소련 lander Molniya-M 1,580kg 세계최초 달 표면 연착륙, 달표면
촬영
Luna 10 1966.3.31 소련 orbiter Molniya-M 1,582kg 세계최초 달 궤도진입후 원격관측 Surveyor 1 1966.5.30 미국 lander Atlas LV-3 292kg 미국 최초 달 표면 연착륙 Lunar
Orbiter 1 1966.8.10 미국 orbiter Atlas SLV-3 386kg 미국 최초 달 궤도 진입성공 Apollo 8 1968.12.21 미국 lander Saturn V 28,870kg 세계 최초 유인 달 궤도 진입 Apollo 11 1969.7.16 미국 orbiter Saturn V 45,702kg 세계 최초 유인 달 착륙 Luna 16 1970.9.12 소련 sample
return Proton-K/D 5,600kg 소련 최초의 무인 달 토양샘플귀환 Luna 17 1970.11.10 소련 lander Proton-K/D 5,700kg 세계 최초 로버 Lunokhod 1 Apollo 15 1971.7.26 미국 sample
return Saturn V 48,599kg 세계 최초 월면차 이용 Apollo 17 1972.12.7 미국 orbiter Saturn V 48,607kg 마지막 아폴로 탐사선 Luna 21 1973.1.8 소련 lander Proton-K/D 5,950kg 무인 로버 Lunokhod 2
42km주행기록 Luna 24 1976.8.9 소련 sample
return Proton-K/D 5,800kg 냉전시대 소련의 마지막 달탐사 달 샘플 170g
Hitten 1990.1.24 일본 orbiter Mu-3S-II 197kg 아시아 최초 달탐사선 Clementine 1994.1.25 미국 orbiter Titan IIG 227kg 최초로 달 극지방 물존재 확인 Lunar
Prospector 1998.1.7 미국 orbiter Athena II 158kg 최초 달 자원분포 글로벌 매핑 SMART-1 2003.9.27 유럽 orbiter Ariane 5G 367kg 유럽최초 달탐사선, 이온추력기 SELENE 2007.9.14 일본 orbiter H-IIA 2,914kg 달뒷면 중력장 지도, 달남극
영구그림자지역의 최초 광학관측 Chang’e 1 2009.3.1 중국 orbiter LM 3A 2,350kg 중국최초 달탐사선, 초단파측정 Chandrayyan1 2008.10.22 인도 orbiter PSLV-XL 1,380kg 인도최초 달탐사선 LRO/LCROSS 2009.6.18 미국 orbiter
impact Atals V 401 1,916kg 최고해상도의 달 지도생성 충돌에 의한 물 존재 확인 GRAIL 2011.9.10 미국 orbiter Delta-II
7920 202kg 달 궤도환경측정
레이저통신 실험 LADEE 2013.9.7 미국 orbiter Minotaur V 383kg 고해상도 달 중력장 측정
쌍둥이 위성 Chang’e 3 2013.12.1 중국 lander LM 3B 3,800kg 달 착륙한 세계 3번째 국가
Table 2. Timeline of Lunar Exploration
임무 발사일
이벤트일 국가 구분 발사체 발사중량 성과
Pioneer 4 1960.4.30 미국 금성 Thor DM-18 43kg 최초 행성간 비행 Mariner 2 1962.8.27 미국 금성 Atlas LV-3 203kg 최초 금성 flyby Mariner 4 1964.11.28 미국 화성 Atlas LV-3 261kg 최초 화성 flyby Venera 3 1965.11.16 소련 금성 Molniya 960kg 최초 행성 충돌(착륙은 실패) Venera 4 1967.6.12 소련 금성 Molniya-M 1,106kg 최초 행성궤도선 Venera 7 1970.8.17 소련 금성 Molniya-M 1,180kg 최초 금성 연착륙
Mars 2 1971.5.19 소련 화성 Proton K/D 2,265kg 최초 화성 충돌
Mars 3 1971.5.28 소련 화성 Proton K/D 2,265kg 최초 화성 연착륙, 화성대기측정 Mariner 9 1971.5.30 미국 화성 Atlas
SLV-3C 998kg 최초 화성 궤도선
Pioneer 10 1972.3.3.
1973.12.3 미국 목성 Atlas
SLV-3C 259kg 최초 목성 flyby
Pioneer 11 1973.4.6.
1979.9.1 미국 목성/
토성
Atlas
SLV-3C 259kg 목성 flyby / 최초 토성 flyby Mariner 10 1973.11.4.
1974.3.29 미국 금성/
수성
Atlas
SLV-3D 503kg 금성 flyby / 최초 수성 flyby Venera 9 1975.6.8.
1975.10.20 소련 금성 Proton K/D 2015kg 최초 금성 궤도선, 최초 금성표면영상 전송 Viking 1 1975.8.20.
1976.7.20 미국 화성 Titan IIIE 3,527kg 최초 화성표면영상 전송 Voyager 2 1977.8.20.
1986.1.24 미국 외계
행성 Titan IIIE 722kg 최초 명왕성/해왕성 flyby Voyager 1 1977.9.5.
1990.2.14 미국 외계
행성 Titan IIIE 722kg 최초 전체 태양계 사진촬영 최고 멀리간 인공물체 Galileo 1989.10.18
1991.10.21 미국 외계
행성 STS-34 2,380kg 최초 소행성 flyby, 최초 소행성 위성 발견, 최초 목성궤도선 Mars
Pathfinder
1996.12.4.
1997.7.4 미국 화성 Delta II 7925 264kg 최초 화성 로버(Sojourner) 표면탐사 NEAR
Shoemaker
1996.12.17
200.2.14 미국 소행성 Delta II 7925 800kg 최초 소행성 궤도, 착륙 Cassini-Huygens 1997.10.15
2004.7.1 미국 토성 Titan IV(401)B
2,523kg (dry)
최초 토성 궤도진입, 타이탄 착륙
Hayabusa 2003.5.9
2010.6.13 일본 소행성 M-V 510kg 최초 소행성 샘플귀환
Rosetta 2004.3.2
2014.11.12 유럽 혜성 Ariane 5G 3,000kg 최초 혜성 연착륙 Table 3. Timeline of Space Exploration
