현재 화성에 착륙해 탐사활동을 벌이고 있는 큐리오시티는 유기물의 흔적을 발견하는 등 맹활약을 하고 있다. 그러나 하루 이동거리가 100m 정도이기 때문에, 탐사의 주목적지인 화성의 샤프산까지 이동하는 데는 거의 1년 정도가 걸릴 것으로 예상되고 있다.

하지만 만약 탐사로봇이 날아서 샤프산까지 갈 수 있다면 그 시간은 대폭 줄어들 것이고 훨씬 더 많은 지역을 탐사할 수 있을 것이다. 이런 상상이 공상과학 영화에서나 등장할 법한 장면이라 생각할지 모르지만, 실제로 화성에서 무인 비행기를 날리려는 연구는 오랜 기간 동안 미국의 과학자들로부터 지속되어 왔던 프로젝트다.

물리과학 전문 웹사이트인 Phys.org는 미국항공우주국(NASA)이 수백 킬로미터에 이르는 화성 표면의 넓은 구간을 탐사하는 것이 목적인 아레스(ARES)라는 이름의 화성탐사 무인기를 개발중에 있다고 최근 보도하면서 지구 이외의 다른 행성에서 비행할 최초의 비행기라고 소개했다.

비행 조건이 열악한 화성의 대기

태양계에는 지구처럼 단단한 지표와 대기를 가진 천체들이 몇 개 있는데, 행성 가운데는 화성과 금성이 대표적이고 위성에는 타이탄이 있다. 이 중에서 그래도 대기 환경에 대해 어느 정도 탐사가 되어 있는 천체는 바로 화성이다.

화성의 대기는 지구에 비해 대단히 옅다. 하지만 화성에는 모래폭풍과 같은 여러가지 기상 현상이 발생한다.

화성의 대기 역시 지구와 마찬가지로 고도에 따라 압력이 변하게 되는데, 바다나 강같은 물이 없는 화성 환경의 특징상 평균보다 낮은 지대에는 물대신 상대적으로 높은 압력의 공기가 존재하고 있다.

천체 과학자들의 발표 내용을 참조하면 화성 평균 지표 높이에서는 600 파스칼(0.6kPa) 정도의 대기 압력을 가지게 되는데, 이는 지구의 해수면 높이에서의 대기 압력인 101.3 kPa 에 비해 0.6% 정도의 수준에 불과한 것으로 나타났다.


이처럼 화성의 대기압이 낮은 이유에 대해 천체 과학자들은 “기본적으로 화성 대기의 밀도가 낮기 때문이며, 추가로 화성의 중력이 지구의 38% 수준에 불과하기 때문에 물질을 끌어 당기는 힘이 약하기 때문”이라고 설명했다.

따라서 지구의 대기압과 비교한다면 화성의 대기압은 지구의 해수면을 기준으로 하여 거의 성층권 높이의 수준으로 희박하기 때문에, 이런 수치만 놓고 볼 때 화성에 비행선이나 또는 비행기를 띄우는 작업이 얼마나 어려운 일인지를 확연히 알 수 있다.

지구에서도 성층권까지 올라가는 프로펠러형 무인기를 만들기는 쉽지 않은 일이며, 풍선 방식의 비행선을 띄우는 것도 그 높이까지 간신히 올라는 가겠지만 대개 아주 얇은 재질로 제작하기 때문에 오래 버틸 수는 없다.

이 같은 부정적인 지적에 대해 일부 과학자들은 “화성의 대기가 옅다는 것은 비행기가 나는데 있어 분명 치명적인 단점이지만, 반면에 중력이 크게 낮기 때문에 상대적으로 낮은 양력으로도 하늘을 날 수 있다는 장점도 있다”라고 설명한다.

다양한 의견들이 반영되어 제작된 아레스

그렇다면 지구에 비해 1/3 수준의 중력을 가지고 있고, 1/100 정도의 대기밀도를 가지고 있는 화성에서 날기 위해서는 어떤 형태가 되어야 할까?

이 같은 물음에 대해 과학자들은 여러가지 답변을 내놓고 있지만 크기에 비해 극도로 가벼운 항공기를 만들어야 한다는 점에 대해서는 모두가 공감하고 있다. 마치 잠자리처럼 몸체에 비해 날개가 상대적으로 큰 곤충같은 모양의 무인기가 화성에서 날 수 있는 이상적인 비행체의 모습이라는 것이다.

곤충 모양의 무인기를 제안한 과학자들은 “몸체에 비해 날개가 상대적으로 큰 일부 곤충들은 대기를 마치 수영하듯이 천천히 이동할 수 있다”고 비유하면서 “만약 이런 모양의 무인 비행기라면 아주 빠르게 움직이지 않고도 화성대기를 날 수 있지 않을까 생각한다”고 이유를 설명했다.

그리고 이들 과학자의 설명을 참조하여 무인 비행기의 형태를 추정한 결과, 무게 500g에 날개 너비가 1m 정도 되는 모습으로 약 19.24m/s 정도의 속도를 내면 화성의 대기를 날 수 있을 것으로 나타났다.


이 같은 결과는 화성처럼 대기가 희박한 곳에서 비행기가 날기 위해서는 비행체의 속도가 엄청나게 빠르거나 아니면 비행체의 무게를 극단적으로 줄여 가볍게 해야만 가능하다는 것을 시사한다.

이처럼 천체 과학자들은 물론 물리역학 분야 전문가들의 다양한 의견이 수렴돼 제작된 무인 비행기가 바로 NASA의 아레스이다. 이 비행체가 성공적으로 제작된다면 커다란 날개를 펼쳐 화성 상공을 날아다니며 화성에 대한 방대한 정보를 수집할 것으로 보인다.

날개 너비 7미터의 이 무인 비행기는 고체 연료를 이용하여 화성 지표면으로부터 1마일 높이의 상공을 날아다니며, 화성의 자기장을 분석하고 메탄 등 생명과 관련된 가스를 찾는 역할도 맡게 될 예정이다.

한편 화성 대기는 95%가 이산화탄소이고 산소는 거의 없는 관계로 제트 엔진을 사용하기는 불가능한 조건이다. 이러한 환경에서 추진력을 내기 위해서는 프로펠러 디자인보다는 날개를 펄럭이는 디자인이 더 낫다는 의견을 대다수 과학자들이 제시하고 있다.