인류는 다시 달에 갈 수 있을까?

[인류는 다시 달에 갈 수 있을까] 아르테미스 1 미션의 개요, 목표, 그리고 타임라인

아르테미스 1 미션이란?

미항공우주국(NASA)의 아르테미스 1 (Artemis I) 미션은 상단의 오리온(Orion) 캡슐 우주선, 우주 발사 시스템 (SLS: Space Launch System) 로켓, 그리고 플로리다 케네디 우주 센터의 지상 시스템을 최초로 통합 테스트하는 미션이다.

플랜카드를 통해서 미항공우주국의 달착륙 의지를 엿볼 수 있다. © NASA

아르테미스 1 미션은 아르테미스 2 미션(Artemis II)과 함께, 1972년 마지막으로 달에 착륙했던 아폴로 17호 이후 53년 만에 처음으로 (예정 2025년) 다시 유인 달 착륙을 하는 우주선인 아르테미스 3 (Artemis III) 미션을 위한 준비 미션으로 수행되는 미션이지만 미션 자체로도 다양한 천문 관련 기술을 테스트하는 미션이다.

아르테미스 1미션의 로켓과 우주선의 구성도, 상당에 오리온 캡슐 우주선이 보인다. © NASA

아르테미스 1 미션은 플로리다에 있는 NASA 케네디 우주 센터의 발사대 39B에서 현지 시각 동부 표준시 기준 2022년 9월 3일 오후 2시 17분 발사될 예정이었으나 또 한차례 미뤄지게 되었다. 새로운 발사 예정 시간은 현지시각 9월 19일로 예정되어 있다. 아르테미스 1 미션의 총 비행시간은 37일 23시간 53분으로 예정되어 있으며 달 주위의 먼 역행 궤도를 돌며 총 210만km의 거리를 여행한다. 본래의 계획대로라면 아르테미스 1 미션의 오리온 캡슐은 2022년 10월 11일 샌디에이고 연안의 태평양에 도착할 예정이었으나, 새로 바뀐 일정에 따르면 10월 26일 지구에 도착할 예정이다.

 

아르테미스 1 미션의 목표

아르테미스 1 미션의 가장 중요한 목표는 역시 아르테미스 2 미션과 아르테미스 3 미션의 성공적인 수행과 관련이 있다. 먼저 오리온 캡슐이 달을 탐험하고 지구로 귀환할 때 캡슐의 열 차폐 방열판을 제대로 시연할 수 있는지 확인함에 있다. 또한 모든 임무 단계에서 우주선과 로켓이 제대로 작동하는지 확인하며 스플래시다운(splashdown, 낙하산으로 속도를 감속하여 바다, 강 등 물이 많은 곳에 착륙하는 방법을 말함) 후 우주선을 성공적으로 회수함에 있다.

위 목표들과 함께 우주 발사 시스템 로켓의 성능을 성공적으로 시연하고 계획대로 임무를 수행하며, 궁극적으로 아르테미스 2 미션에 탑승하게 될 승무원의 안전한 귀환을 보장하는 것을 목표로 하고 있다. 이 과정에서 지상 시스템의 성능도 평가할 수 있다. 마지막으로, 향후 개발 예정에 있는 유인 임무에 관해서 임무 전반적으로 다양한 지원을 목표로 하고 있다. 주요 네 가지 목표의 세부적인 사항들은 다음과 같다.

아르테미스 1 미션을 통하여 지상 시스템의 성능을 평가하게 된다. © NASA

◇ Q1. 오리온 캡슐 우주선이 달 여행을 마치고 지구 대기를 통과하며 귀환할 때 우주선의 열 차폐 방열판이 고속 및 고열 조건을 견딜 수 있을까?

오리온 우주선은 달에서 돌아올 때 거의 시속 40,000km에 달한다. 따라서 지구 대기권에 진입할 때 최고 섭씨 2,800도 정도의 초고온을 경험하게 되며 이는 지구 저궤도에서 돌아오는 위성이나 탐사선들보다 훨씬 빠르고 훨씬 더 높은 고온이다. 오리온 우주선의 열 차폐 방열판은 지구에서 이미 여러 테스트를 거쳤고 2014년 탐사 비행 테스트-1에서 공개 시연된 적이 있다. 하지만 공기역학 및 열 테스트 시설은 시속 40,000km의 귀환 속도로 돌아오는 조건을 재현할 수 없었다. 따라서 실제로 승무원이나 우주비행사들이 우주선에 탑승하기 이전에 열 차폐 방열판의 성능이 확실하게 검증되어야 한다.

 

◇ Q2. 우주선과 로켓이 제대로 작동하는지 확인해야 한다

아르테미스 1 미션은 발사 카운트다운 시점부터 샌디에이고 연안 태평양에서의 오리온 회수를 통한 임무 종료 시까지 우주발사시스템의 여러 기능, 지상 기반 인프라, 오리온 캡슐 분리 수행, 우주에서의 오리온 우주선 운용 등을 통한 여러 상황의 테스트 기회를 제공할 수 있다. 오리온 비행 중 엔지니어들은 우주선의 통신, 추진 및 탐색 시스템과 같은 수행 능력 등을 확인하며 심우주의 극한 열 환경에서 오리온 우주선이 견딜 수 있고 반 앨런 벨트(Van Allen radiation belt)를 이상 없이 통과할 수 있는지 확인하게 된다. 또한, 비행 중에 필요한 미항공우주국의 모든 시설에 대한 지원 시스템의 성능을 시연하게 된다.

 

◇ Q3. 스플래시다운 후 오리온의 성공적인 회수 및 복구가 수행되어야 한다

스플래시다운 전까지 아르테미스 팀의 엔지니어들은 비행 내내 데이터를 수신하게 되며, 스플래시다운 임무가 성공적으로 끝나고 오리온 캡슐이 케네디 우주 센터로 돌아가게 되면 오리온 캡슐에 대한 자세한 검사를 수행하게 된다. 엔지니어들은 비행 중 기내에 기록된 데이터를 기반으로 전자 시스템과 같은 구성 요소를 재사용할 수 있도록 복원해야 한다. 따라서 아르테미스 1 미션은 미항공우주국의 미래 유인 우주선의 안전한 귀환에 중요한 복구 기술과 절차를 시연할 수 있게 해주는 미션이다.

 

◇ Q4. 추가 비행 테스트를 성공적으로 통과해야 한다

우주발사시스템 로켓, 오리온 우주선, 통합 시스템의 전반적인 테스트 외에도 오리온 캡슐의 광학 항법 시스템, 오리온 캡슐 내부에 탑재된 10개의 CubeSats의 성공적인 배치, 오리온 캡슐에 탑재된 생물학 연구 기기들의 성공적인 작동, 그리고 임무 전반에 걸친 성공적인 이미지 수집 등이 모두 성공적으로 수행되어야 한다.

 

아르테미스 1 미션의 타임라인

아르테미스 1 미션은 발사, 비행, 오리온 캡슐 우주선의 분리, 오리온 캡슐 우주선의 지구 귀환 및 복구 등으로 이루어진다.

아르테미스 1 미션의 발사부터 비행을 나타낸 대략적인 개요도 © NASA

① 아르테미스 1 미션의 발사

아르테미스 1 미션의 오리온 캡슐 우주선은 세계에서 가장 강력한 로켓을 타고 발사된다. 한 쌍의 부스터와 4개의 RS-25 엔진에 의해 추진되는 로켓은 90초 이내에 기압이 폭발적으로 증가한다. 고체 로켓 부스터는 추진체를 통해 연소하여 약 2분 후에 분리된다. 이후 코어 스테이지와 RS-25엔진은 약 8분 후에 추진체를 고갈시키며 부스터, 서비스 모듈 패널 및 발사 중단 시스템을 분리 시키게 된다. 코어 스테이지 엔진이 종료되면 코어 스테이지가 우주선에서 분리된다. 이후, 오리온 캡슐이 달을 향해 날아가게 될 임시 극저온 추진 스테이지(ICPS: Interim Cryogenic Propulsion Stage)에 부착되게 된다.

아르테미스 1미션의 발사 상상도 © NASA

 

② 오리온 캡슐의 분리

우주선이 지구의 궤도를 돌고 태양 전지판을 배치함에 따라 임시 극저온 추진 스테이지는 오리온 캡슐이 지구 궤도를 떠나 달을 향해 여행하는 데 필요한 큰 추진력을 줄 수 있게 된다. Trans-lunar injection으로 알려진 이 기동은 달의 중력에 의해 포착될 만큼 충분히 가까운 거리에 오리온 캡슐이 닿도록 정확하게 발사시킨다. 오리온 캡슐은 발사 후 약 2시간 후 임시 극저온 추진 스테이지에서 분리되며, 임시 극저온 추진 스테이지는 CubeSats로 알려진 10개의 소형 위성을 배치하며 달을 연구하게 된다.

오리온 캡슐은 달까지의 경로를 계속 유지하며 유럽우주국에서 제공하는 서비스 모듈에 의해 계속 추진된다. 이 모듈은 필요에 따라 경로를 수정할 수 있으며 서비스 모듈은 우주선의 주요 추진 시스템과 동력을 공급하게 된다. 또한, 엔지니어들은 오리온 캡슐이 달을 향해서 며칠 동안 날아갈 때 우주선의 여러 기능을 테스트하기 시작한다.

 

③ 아르테미스 1 미션의 비행

오리온 캡슐 우주선은 인간을 위해 제작된 어떤 우주선보다 더 멀리 날 게 된다. 임무가 진행되는 동안 지구에서 달의 궤도까지 대략 450,000km 그리고 달 표면 위로 약 97km를 비행한 다음, 마지막으로 달의 중력을 사용하여 먼 역행 궤도로 달 뒷면 너머 64,000km 정도를 더 여행하게 된다. 이 거리는 예전 아폴로 13호의 기록보다 약 48,000km 더 먼 거리이며, 이에 따라 아르테미스 미션은 유인우주선 (아르테미스 1 미션은 무인우주 미션)중 인류 역사상 가장 멀리 날아간 우주선이 된다.

오리온 캡슐 우주선은 국제 우주 정거장(ISS: International Space Station)에 도킹하지 않고 빠르게 지구로 돌아올 예정이다. 이는 아르테미스 임무 중 첫 번째 임무로 오리온 캡슐 그리고 SLS 로켓의 성능을 테스트하며 지구로 돌아올 능력이 있는지에 관한 테스트를 하는 미션이기 때문이다.

오리온 캡슐 우주선은 인간을 위해 제작된 어떤 우주선보다 더 멀리 날 게 된다 © NASA

미항공우주국은 아르테미스 미션을 통하여 우주 비행사들이 달 표면 임무를 수행할 수 있는지 체크하며 화성을 포함한 더 먼 다른 목적지로의 탐사에 필요한 시스템을 달에 구축하기 시작할 예정이다. 아르테미스 미션은 심우주 유인 탐사를 위한 초석이 될 것이며 미항공우주국은 유럽우주국 (ESA) 등 다양한 국제 파트너들과 협력하며 앞으로 예정된 장기 탐사를 진행할 예정이다.

오리온 캡슐의 우주여행 사진 상상도 © NASA

④ 오리온 캡슐의 착륙

오리온 캡슐 우주선은 지구로의 귀환 여행을 준비하며 두 번째 근접 비행을 할 때 달로부터 또 다른 중력 지원을 받게 된다. 오리온 캡슐은 달의 중력을 이용하고 지구를 향해 다시 가속하기 위해서 정확한 시간에 엔진을 분사하여 다시 궤적을 설정하고 지구 대기 진입을 준비하게 된다.

오리온 캡슐 우주선은 약 40,000km/h의 속도로 지구 대기권에 진입하게 된다. 지구의 대기는 오리온 캡슐의 속도를 약 486km/h의 속도로 감속시키며 이를 통해서 캡슐의 온도는 섭씨 2,800도가 넘을 것으로 예상된다.

캡슐의 온도는 섭씨 2,800도가 넘을 것으로 예상된다. © NASA

오리온 캡슐은 스플래시다운 방법을 통해서 지구에 착륙한다. 오리온 캡슐이 극 고온의 가열단계를 통과하게 되면 낙하산을 보호하고 있던 덮개가 폐기되기 시작한다. 오리온 캡슐의 2개 Drogue 낙하산이 대략 상공 7,600미터에서 먼저 전개되고, 이를 통해서 오리온 캡슐은 곧 160km/h의 속도로 감속하게 된다. 이후 3개의 낙하산이 추가로 펼쳐지며 오리온 캡슐의 하강 속도를 32km/h의 매우 느린 속도로 낮추게 된다.

3개의 낙하산이 추가로 펼쳐진다.  © NASA

우주선은 샌디에이고 연안의 태평양에 머물고 있을 회수 선내에 정확하게 착륙할 것이다.

 

⑤ 오리온 캡슐의 복구 작업

과거 미션에서의 오리온 캡슐 회수 과정 © NASA

케네디 우주 센터 NASA의 지상 탐사 시스템 프로그램의 착륙 및 복구 팀은 오리온 캡슐 우주선의 낙하 후 캡슐을 안전하게 복구해야 한다. 착륙 및 복구팀은 해군 상륙 작전 전문가, 공군 기상 전문가, 미항공우주국의 전문가, 록히드 마틴 우주 작전의 엔지니어 그리고 기술자를 포함한 미 국방성의 전문가들로 구성되어있으며, 이들은 스플래시다운 전에 이미 해군 함선을 타고 바다로 나가기 시작한다.

오리온 캡슐이 회수 선에 착륙하게 되면 착륙 및 복구팀이 접근하며, 다이버들은 케이블을 우주선에 연결하고 우주선 내부에 특별히 설계된 크래들로 잡아당기기 시작한다. 샌디에이고 미 해군 기지의 부두로 오리온 캡슐이 성공적으로 운송되고 나면 복구 요원들은 오리온 캡슐의 전방 덮개와 낙하산을 복구하기 시작한다. 반면, 엔지니어들은 하드웨어를 검사하고 추가 성능 데이터를 수집하기 시작한다.

 

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