화성 착륙…‘공포의 7분’을 견뎌라

퍼시비어런스, 19일 새벽에 화성 대기권 진입

지난해 7월 30일 발사된 미항공우주국(NASA)의 퍼시비어런스 로버가 한국 시각으로 오는 2월 19일 오전 5시 55분경 화성 착륙을 시도한다.

퍼시비어런스의 화성 대기권 진입 속도는 무려 1만 9000km/h에 이를 전망이다. 이후 7분 동안 하강하면서 극심한 대기 마찰열을 견뎌내고, 초음속 낙하산과 역추진 로켓을 이용해 무사히 착륙할지 귀추가 주목된다.

화성에 착륙하는 퍼시비어런스 로버 상상도. ⓒ NASA / JPL-Caltech

퍼시비어런스 로버의 무게는 1025kg으로 지금껏 화성에 착륙한 탐사선이나 로버 중에 가장 크고 무겁다. 예산도 27억 달러, 우리 돈으로 3조 원가량 들어갔다. 그중 22억 달러는 로버와 탐사선 개발 비용이고, 나머지는 발사 비용과 2년 동안의 운영비로 책정되었다.

‘공포의 7분’을 견뎌라

화성 착륙을 흔히 ‘공포의 7분’이라고 부른다. 화성 대기권으로 진입한 탐사선이 지표면에 착륙하기까지 7분가량 걸리고, 그 과정에서 사소한 문제라도 발생하면 실패할 가능성이 매우 크기 때문이다.

퍼시비어런스 탐사선 구조도. ⓒ NASA / JPL-Caltech

퍼시비어런스는 화성에 접근하면서 크루즈 스테이지를 먼저 분리한다. 크루즈 스테이지는 여러 차례 궤도를 수정하는 데 사용된 추진 모듈이다.

화성 착륙을 본격적으로 시작하는 것은 130km 고도에 도달했을 무렵이다. 이때 5.3km/s 속도로 대기권에 진입해서 서서히 감속하며 하강한다. 화성 지표면까지는 약 6분 50초가 걸린다.

위성 궤도를 도는 다른 탐사선과 달리, 퍼시비어런스는 화성에 도착하면 그대로 대기권에 진입한다. 화성 지표면의 평균 대기압은 지구 해수면의 0.6%에 불과하지만, 옅은 대기권이라도 대기 마찰로 속도를 크게 줄일 수 있어서다.

퍼시비어런스의 화성 착륙 과정. ⓒ NASA / JPL-Caltech

대기권 진입 1분 뒤에는 약 67km 고도부터 대기 마찰로 급격히 감속하면서 방열판 온도가 1300℃까지 치솟는다. 이렇게 2분 동안 낙하하면 속도가 740m/s로 줄어들게 된다.

이후 방열판을 분리하고, 레이더로 지형을 스캔하며 약 12km 고도에서 초음속 낙하산을 전개한다. 이때 속도는 420m/s로 대기권 진입 후 4분이 경과한 시점이다.

낙하산으로 계속 하강하던 퍼시비어런스 로버는 마지막 단계에서 분리된 다음, 스카이 크레인을 이용해서 0.7m/s 속도로 화성 지표면에 사뿐히 착륙한다.

이처럼 7분 동안 벌어질 극적인 임무에 지구와 화성 사이의 거리가 큰 걸림돌이 된다. 두 행성은 현재 약 2억 km 떨어져 있어서 단방향으로 통신하려면 11분, 양방향 통신에는 22분 정도의 시차가 발생한다. 그래서 모든 착륙 과정을 탐사선 스스로 해결하도록 설계했지만, 어떤 변수가 발생할지는 미지수다.

착륙 예정지인 제제로 분화구. ⓒ NASA / JPL-Caltech

미국의 독주 이어지나?

지금까지 인류는 화성을 향해 49대의 탐사선을 발사했다. 그러나 임무에 성공한 것은 절반이 채 안 된다. 특히 화성 착륙은 구소련과 유럽연합도 시도했으나 미국 이외에는 모두 실패한 전례가 있다. 미국의 화성 착륙 성공 횟수는 8회, 그중 4대가 로버였다.

19일 착륙에 성공하면 5번째 화성 로버가 될 퍼시비어런스의 비행 거리는 무려 4억 7000만 km에 이른다. 목표 지점인 제제로 분화구의 폭은 45km나 되지만, 7.7km x 6.6km 면적의 타원형 지역에 승용차 크기의 로버를 착륙시켜야 한다. 이는 서울에서 총을 쏴서 뉴욕에 있는 A4 용지 크기의 표적을 명중시키는 것과 비슷한 정확도다.

이러한 미국의 화성 탐사 독주에 제동이 걸릴지 여부가 주목된다. 퍼시비어런스보다 일주일 앞서 발사된 중국의 톈원 1호는 이미 화성에 도착해서 위성 궤도를 돌고 있다. 아직 미국처럼 정교한 착륙 기술은 갖추지 못했으나, 오는 5월경 240kg 무게의 로버를 화성에 착륙시킬 예정이다.

톈원 1호 로버의 개별 명칭은 정해지지 않았다. 무게는 240kg으로 미국의 스피릿, 오퍼튜니티 로버보다 약간 더 무겁다. 만약 중국의 로버가 화성 착륙에 성공한다면 미국에 이어 두 번째 화성 착륙 국가 타이틀을 얻게 될 전망이다.

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