[이슈] 대한민국 최초 달 궤도선 ‘다누리’… 달 향한 여정 시작

8월 5일 8시 8분 발사 … 첫 교신 완료, 지구 벗어나 목표 궤도 진입 성공

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2022/08/09 [16:05]

[이슈] 대한민국 최초 달 궤도선 ‘다누리’… 달 향한 여정 시작

8월 5일 8시 8분 발사 … 첫 교신 완료, 지구 벗어나 목표 궤도 진입 성공

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2022/08/09 [16:05]

▲ 달 궤도선 ‘다누리’가 8월 5일 8시 8분 48초(현지기준 8월 4일 19시 8분 48초) 미국 플로리다주 케이프 커내버럴 우주군 기지에서 발사되었다(사진출처=항우연)  © 특허뉴스

 

과학기술정보통신부(이하 과기정통부’)는 달 궤도선 다누리858848(현지기준 8419848) 미국 플로리다주 케이프 커내버럴 우주군 기지에서 발사되었으며, 14시 달 전이궤도에 성공적으로 진입한 것을 확인하였다고 밝혔다.

 

다누리는 848분 경 고도 약 703km 지점에서 스페이스X의 팰콘9 발사체로부터 분리되었고, 발사 약 92분 후인 940분경에 지상국과 첫 교신에 성공했다.

 

한국항공우주연구원(이하 항우연’)은 항우연 내에 있는 다누리 관제실에서 스페이스X로부터 받은 발사체 분리정보(분리 속력 및 분리 방향 등)를 분석하였으며, 그 결과 다누리가 발사체로부터 정상적으로 분리되어 목표한 궤도에 진입한 것을 확인했다. 또한 수신된 위성정보를 분석한 결과, 다누리의 태양전지판이 전개되어 전력생산을 시작하였고, 탑재컴퓨터를 포함한 장치들 간 통신이 원활히 이루어지고 있으며, 각 장치의 온도도 표준범위 내에 위치하는 등 다누리가 정상적으로 작동하고 있음을 확인했다. 향후 다누리는 연료 소비를 최소화하기 위해 태양과 지구 중력이 균형을 이루는 지점을 향해 이동하다가, 92일 경 추력기를 작동하여 방향을 조정할 예정이다.

 

▲ 우주를 향해 날아가는 다누리(사진출처=항우연)  © 특허뉴스

 

다누리는 약 4.5개월의 항행 기간을 거쳐 ’2212월 중순 달에 도착한 후 12월 말까지 달 임무궤도에 진입하게 된다. 이후 ’231월부터 달 상공 100km의 원궤도를 돌며 1년여 간 달 착륙 후보지 탐색 달 과학연구(표면광물 분석, 자기장·방사선 관측 등) 우주인터넷 기술 검증 등 본격적인 임무를 수행할 예정이다.

 

과거와 다른 달탐사 경쟁 시작됐다

 

미국은 1969년 인류 최초 아폴로 11호 달 착륙 이후, 다시 유인 달 착륙 프로그램인 아르테미스(Artemis) 프로그램을 추진하고 있다. 유럽, 중국, 일본, 인도 등 우주 선진국들은 물론 최근에는 혁신과 도전, 새로운 기회로 상징되는 뉴스페이스(New Space) 시대에 민간 스타트업까지도 달탐사 등 우주탐사에 참여하고 있다. 우주 선진국은 과거 달 탐사와는 다르게 달을 미개발된 무한한 잠재력의 영역으로 인식하고, 달 탐사를 통한 우주개발 주도권을 확보해 가고 있다. 우주 선진국은 발전된 우주기술을 토대로 우주개발 영역을 지구 중심에서 달과 화성으로 옮겨가고 있으며, 우주탐사를 통해서 더욱 진보된 우주기술을 확보가고 있다.

 

미국은 우주탐사를 통해 궁극적으로 우주개발 선도국으로서의 지위를 지속화하고 미국의 과학, 안보 및 경제 분야 이익을 추구하고 있다. 일본, 중국, 인도 등 우리의 주변국도 달, 혜성과 화성 탐사를 활발하게 진행하고 있다. 달 탐사를 통해서 달까지의 비행 및 제어기술, 달 궤도 진입기술, 착륙 기술, 샘플 채취 및 지구 귀환 기술, 극한 우주환경에서의 달 탐사로버, 원자력전지, 우주인터넷 등 첨단 우주기술 개발과 우주산업화 촉진, 새로운 일자리 창출까지 기대하고 있다. 세계가 달에 다시 주목하는 이유는 달의 부존자원 확보와 화성 등 심우주 탐사를 위한 중간 기착지로 활용 가능성도 있기 때문이다. 그동안 유인 및 무인 탐사를 통해 달에는 물과 헬륨3(He3), 우라늄, 희토류 등의 희귀자원이 있는 것으로 확인됐다.

 

현재까지 무인달착륙에 성공한 국가는 미국, ()소련, 중국 뿐이며, 달 궤도선 탐사에 성공한 국가는 미국과 ()소련을 포함해 일본, 유럽, 중국, 인도 6개국으로 우주탐사를 시작하지 않으면 다른 나라와의 우주개발 경쟁에 크게 뒤쳐질 수 있다.

 

첫 발 내딛는 한국 달 탐사

 

우리나라도 그 동안 확보한 우주기술 역량을 토대로 달 탐사 등 우주탐사 계획을 추진하고 있다. 한국형발사체를 이용한 달 착륙 및 소행성귀환과 이를 통한 우주 전략기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

우리나라 우주탐사 계획은 202285일 다누리 발사성공 이후, 오는 2031년까지 달 착륙 탐사를 추진한다는 계획이다.

 

▲ 사진출처=항우연  © 특허뉴스

 

한국항공우주연구원은 우주탐사 기술 확보·검증을 위한 국제협력 기반의 첫 달 탐사선인 다누리(KPLO, Korea Pathfinder Lunar Obiter)202285일 발사에 성공했다.

달 탐사는 우리나라의 우주 기술을 한 단계 발전시키고, 국가 브랜드가치 상승과 국민의 자긍심을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

 

다누리(KPLO) 개발

 

202285일 달을 향한 다누리의 여정이 시작됐다.

대한민국 첫 달탐사선인 다누리는 달 100km 고도를 비행하며 달 관측 임무를 수행하는 무인 탐사선이다. 한국항공우주연구원이 시스템, 본체, 지상국을 총괄하고 국내 대학과 연구기관, 그리고 미국의 NASA가 탑재체와 심우주 통신, 항행 기술을 지원하는 협력체계로 추진되고 있다. 다누리(KPLO)은 가로, 세로, 높이 각각 1.82m, 2.14m, 2.29m 크기의 본체와 6개 탑재체로 구성된다.

 

다누리(KPLO) 개발의 주요 사업내용은 다누리 본체 및 탑재체 개발, 심우주 지상국 구축, 2단계 선행연구, NASA와의 국제협력 등이다. 한국항공우주연구원이 시스템, 본체, 지상국을 총괄하고 국내 6개 주요 연구기관과 미국의 NASA가 참여하는 협력체계로 추진한다. NASA 탑재체를 탑재하고 궤도선 추적, 통신 지원, 심우주 항법 서비스 지원 등의 임무를 수행한다.

 

다누리를 통한 달 궤도 탐사에는 극한 환경에서의 임무수행을 위한 탐사선 설계 제작기술, 달까지의 정밀한 비행 등 항법 및 제어기술, 달 궤도 진입기술이 필요하다.

한국항공우주연구원은 경량화 설계를 적용한 궤도선 개발 기술, 대용량 추진시스템 기술, 달까지의 항행 기술과 지구와 달의 거리에 따른 신호감도 저하 극복을 위해 궤도선 추적과 통신이 가능한 대형 심우주 안테나 구축 등 심우주통신 기술을 확보하고, 미국 NASA는 심우주 통신, 항행 기술을 지원·협력하고 있다.

 

한국항공우주연구원은 경량화 설계를 적용해 다누리의 탑재컴퓨터/전력제어장치/전력분배장치/탑재자료처리장치/하니스 등 전장품에 대한 경량화(80kg이상50kg 수준)와 신호/전원 분배시스템의 저전력화(110W 65W)를 하였으며, 달 궤도 진입에 필요한 30N(4) 대용량 고추력 추진시스템 국산화했다. 기존 위성 자세제어용 추력기는 5N급이었다.

또한, 심우주통신용 고출력 송신, 고이득 안테나, 저잡음 수신기 등 달까지 통신거리 확장을 위한 대형 심우주 안테나(35m)를 여주에 구축했다.

 

다누리는 202285일 미국의 스페이스 X사의 팰컨 9 발사체에 실려 발사되었다. 발사 후 태양과 지구 등 주변 천체 중력을 활용해 달 궤도에 접근하는 달 궤도 전이방식(BLT/WSB)을 이용해 달로 향하고 있다. 다누리(KPLO)는 달 궤도에 진입 후 초기 시험을 거친 뒤 달 표면 촬영을 시작할 예정이다.

 

다누리 탑재체, 국내 연구기관 및 NASA6기 탑재체 개발

 

다누리에는 총 6기의 탑재체가 탑재됐다. 한국항공우주연구원을 비롯한 국내 대학과 연구기관에서 개발한 탑재체 5기와 미국의 NASA 탑재체 1기가 탑재됐다.

국내 대학과 연구기관에서는 달 착륙선 착륙 후보지를 탐색할 고해상도 카메라와 달 표면 입자 및 우주선의 영향을 분석하기 위해 달 표면 편광영상을 촬영할 광시야 편광 카메라 달의 생성 원인 및 과정을 연구하기 위해 달 주변의 자기장 세기를 측정할 달 자기장 측정기 달 표면의 자원탐사를 위해 감마선 분광을 측정할 감마선 분광기 한국형 달 탐사선이 착륙할 수 있는 후보지를 촬영할 수 있는 5m급의 고해상도 카메라가 탑재됐다.

 

다누리 달 진입 궤도... BLT/WSB 방식으로 달에 간다

 

달에 가는 궤도는 크게 직접천이(Direct Transfer), 3.5 전이궤도(3.5 Phasing Loop Transfer), 달 전이궤도(BLT, Ballastic Lunar Transfer) 궤도 등이 있다. 아폴로 프로그램 등에서 사용된 직접천이 방식은 약 5일 이내의 시간이 소요되는 방법으로 지구 발사 후 직접 달에 도착한다. 인도의 찬드라얀 프로그램에서 사용한 3.5 전이궤도는 지구 근처를 긴 타원궤도로 몇 차례 공전한 후에 달 궤도에 진입하는 방식이다. BLT/WSB 방식은 지구-태양 간의 L1 라그랑지점까지 비행하는 방법으로 탐사선의 연료 소모량을 최소로 사용하기 위해서 고안됐다.

 

▲ 사진출처=항우연  © 특허뉴스

 

다누리는 발사 후 타원궤도인 전이궤도(Transfer Orbit)에 들어간 뒤 발사체와 분리된다. 이어 태양전지판이 태양을 바라보도록 한 뒤 태양전지판의 완전 전개가 자동으로 수행된다. 이어 전이궤도에서 표류궤도로 진입하기 위해 액체원지점엔진(LAE)분사에 의한 궤도 상승 과정을 밟는다. 위성이 자세를 잡게 되면 총 5번의 엔진 분사를 통해 타원궤도에서 원궤도(표류궤도)로 상승한다. 그런 다음 위성에 장착된 별 센서와 궤도정보를 이용해 임무를 수행하기 위한 지구지향 자세를 획득, 최종적으로 임무 자세를 잡는다.

참고로, BLT/WSB 방법은 지구-태양 간의 L1 라그랑지점(150km)까지 비행하여 TLI 기동(발사체가 제공)이 일반적으로 크지만 궤도에너지를 증가하여 달에 포획될 때의 속도 증분(ΔV)을 약 25% 정도 감소시킬 수 있는 궤적으로 탐사선의 연료 소모량을 최소로 사용하기 위해서 고안된 방법이다.

 

다누리는 국가우주개발중장기계획에 따라, 2016년부터 개발한 우리나라 최초의 달 궤도선이다. 다누리 개발을 통해 우리나라는 심우주 항행에 필요한 탄도형 달 전이방식(BLT)의 궤도운영능력을 확보하고 대용량 고추력 추진시스템을 국산화하였으며, 심우주 통신에 필수적인 직경 35m의 대형 심우주 통신용 안테나를 구축함으로써 향후 본격적인 우주탐사에 필요한 기반을 갖추게 되었다. 또한 다누리에는 6개의 탑재체가 탑재되는데 미 항공우주청(NASA) 탑재체(섀도우캠)를 제외한 5개의 과학탑재체는 한국항공우주연구원, 한국천문연구원, 전자통신연구원, 한국지질자원연구원, 경희대 등 국내의 연구기관과 학계에서 직접 개발했다.

 

과기정통부 오태석 1차관은 다누리는 우리나라가 처음 제작한 달 궤도선으로 누리호 개발과 더불어 우주 분야에서 우리나라의 국제적 위상을 높이고 우주 강국으로 도약하는 계기를 마련할 수 있을 것이며, “다누리 개발을 통해 확보한 기술과 다누리의 임무 운영을 통해 얻은 과학 데이터는 향후 우리나라의 달 과학 연구에도 크게 기여함은 물론 우주개발에 대한 국민적 관심도 제고할 것으로 기대한다고 밝혔다.

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