그레일
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1. 개요
그레일(GRAIL)은 미국 항공우주국(NASA)과 제트추진연구소(JPL)가 기획하고 MIT가 관리한 달 탐사 프로젝트이다. 2011년 9월 10일 델타 II 로켓으로 발사되어, 2011년 12월 31일과 2012년 1월 1일에 각각 달 궤도에 진입한 두 대의 탐사선(Ebb, Flow)으로 구성되었다. 위치추적기, Ka 밴드 중력 달 중력장 탐사 기계(LGRS), MoonKAM 카메라 등의 과학 장비를 탑재하고, 달의 중력 분포와 지질 구조를 측정했다. 2012년 12월 18일, 연료 소진으로 인해 두 탐사선은 달 표면에 제어 충돌하여 임무를 종료했으며, 충돌 지점은 샐리 라이드의 이름을 따 '샐리 라이드 충돌 지점'으로 명명되었다. 그레일은 달의 중력장 측정, 지각의 밀도 및 다공성 결정, 내부 층의 특성 추론 등 달에 대한 다양한 과학적 성과를 도출했다.
GRAIL 계획은 미국 항공우주국(NASA)과 제트 추진 연구소(JPL)가 처음 제안하고 구상하였다. 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 마리아 주버(Maria Zuber) 교수가 이 계획의 수석 연구원(상임 위원)을 맡았으며, NASA와 JPL이 프로젝트 관리를 담당했다. 전체 예산으로는 4.96억달러가 배정되었고,[21] 이 프로젝트는 디스커버리 계획의 일환으로 진행되었다.
각 우주선에 탑재된 엔진은 약 22N의 추력을 낼 수 있었다.[29] 연료로는 하이드라진 103.5kg을 사용했으며,[29] 이 연료는 우주선이 달 궤도에 진입하고 임무를 수행하는 데 사용되었다. 추진 시스템은 주 연료 탱크와 달 궤도 진입 직후 활성화되는 재가압 시스템으로 구성되었다. 엔진은 연료를 모두 소진한 후 가압기로 활용되었다.[30]
그레일(GRAIL) 탐사선은 여러 차례 발사 시도가 연기된 끝에 2011년 9월 10일 동부 일광 절약 시간(EDT, UTC-4) 기준 오전 9시 8분 52초에 케이프커내버럴 공군기지에서 유나이티드 런치 얼라이언스의 델타 II Heavy 로켓에 실려 성공적으로 발사되었다. 이전 발사 시도는 주로 상층풍 문제로 인해 연기되거나 취소되었다.
그레일(GRAIL) 미션은 달의 극궤도를 도는 두 개의 동일한 탐사선으로 구성되었다. 각 탐사선은 다른 탐사선이나 지상 관제소와 텔레메트리 신호를 주고받으며 서로 간의 거리 변화를 정밀하게 측정했다. 이 데이터를 통해 달 전체의 중력 분포 지도를 작성하고, 이를 바탕으로 달의 내부 구조와 지질학적 진화 과정을 이해하는 것을 목표로 했다.
2. 역사와 제작 배경
탐사선의 이름은 스피릿과 오퍼튜니티처럼 학생들을 대상으로 한 공모전을 통해 결정되었다. 미국 45개 주, 푸에르토리코, 컬럼비아 특별구의 약 900개 교실이 참여했으며, 최종적으로 보제만, 몬태나 주 에밀리 디킨슨 초등학교 4학년 학생들이 제안한 이름인 "Ebb"와 "Flow"로 선정되었다.[22] 발사 후 두 우주선은 각각 GRAIL A와 GRAIL B로 명명되었고, 2012년 1월 17일 NASA에 의해 공식적으로 "Ebb"와 "Flow"라는 애칭으로 발표되었다.[7]
GRAIL 임무는 달의 극궤도를 도는 두 개의 동일한 우주선(Ebb, Flow)으로 구성되었다. 각 우주선은 다른 우주선 및 지구 기지국과 텔레메트리 데이터를 주고받으며 서로 간의 거리 변화를 정밀하게 측정했다. 이 거리 변화 데이터를 통해 달의 중력장 분포와 내부 지질 구조를 전례 없는 수준의 세부 정보로 파악하는 것을 목표로 했다. 두 우주선은 마이크로미터 수준의 미세한 거리 변화까지 감지하고 측정할 수 있었다.
두 탐사선은 2011년 9월 10일 델타 II 로켓에 실려 발사되었다. 연료를 절약하기 위해 지구와 달의 중력을 이용하는 경로를 따라 비행했으며,[4] GRAIL A(Ebb)는 2011년 12월 31일, GRAIL B(Flow)는 2012년 1월 1일에 각각 달 주회 궤도에 성공적으로 진입했다.[5][6]
궤도 수정 후, Ebb와 Flow는 2012년 3월 8일부터 3개월 예정으로 과학 관측을 시작했다.[6][8] 5월 29일, 주요 탐사가 예정보다 일찍 성공적으로 완료되었고, 탐사선은 탑재 기기의 전원을 잠시 끄고 같은 해 8월 30일부터 연장 탐사에 들어갔다.[8]
2012년 12월 18일(한국 시간 기준), 탐사선의 잔여 연료가 거의 소진됨에 따라 NASA는 두 탐사선을 달 표면에 제어 충돌시키는 방식으로 임무를 종료했다. GRAIL-A(Ebb)는 한국 시간 18일 오전 7시 28분 51초, GRAIL-B(Flow)는 30초 뒤인 오전 7시 29분 21초에 달 북극 근처 골드슈미트 크레이터 인근 산 사면에 충돌했다. 이 충돌 지점은 미국 최초의 여성 우주비행사이자 GRAIL 계획의 교육용 카메라 탑재 등에 기여한 샐리 라이드를 기리기 위해 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명되었다.[9]
3. 과학 장비
4. 엔진
5. 발사
시도 날짜 및 시간 (EDT) 결과 사유 비고 2011년 9월 8일 08:37:06 취소 높은 고도의 바람 40% 발사 가능성. 기상 관측 기구 및 정찰기 운용. 2011년 9월 8일 09:16:12 취소 높은 고도의 바람 40% 발사 가능성. 추적 안테나 대신 전방향 안테나 사용. 2011년 9월 9일 08:33:25 중단 로켓 추진 시스템 문제 40% 발사 가능성. 연료 제거 중 문제 발견. 2011년 9월 10일 08:29:45 취소 높은 고도의 바람 60% 발사 가능성. 2011년 9월 10일 09:08:52 성공 - -
과거 아폴로 계획의 우주선들이 3일 만에 달에 도착했던 것과 달리, GRAIL 탐사선들은 연료 효율을 높이고 탑재 장비를 보호하기 위해 의도적으로 긴 궤도를 선택했다. 탐사선들은 지구를 먼저 공전한 뒤, 태양-지구 L1 라그랑주 점 근처를 통과하는 3~4개월간의 저에너지 전이 비행 경로를 이용해 달로 향했다.[31][4] 이 길고 우회적인 궤적 덕분에 연료 소모를 크게 줄일 수 있었고, 달에 접근할 때의 속도를 낮춰 약 50km 고도의 매우 낮은 극궤도에 안정적으로 진입할 수 있었다.[31] 또한, 두 탐사선이 약 25시간 간격을 두고 달 궤도에 도착하도록 조정하여, 175km 에서 225km의 간격을 유지하며 임무를 수행할 수 있게 되었다. 이 비행 계획은 허용 오차가 매우 작아, 하루에 단 두 번, 각각 1초 동안만 발사 창이 열렸다.
발사 후 두 탐사선은 임시로 GRAIL A와 GRAIL B로 불렸으며, 미국 항공우주국(NASA)는 미국 학생들을 대상으로 탐사선의 애칭을 공모했다. 푸에르토리코와 워싱턴 D.C.를 포함한 45개 주에서 약 900개의 학급이 참여했으며, 최종적으로 몬태나주 보즈먼에 위치한 에밀리 디킨슨 초등학교 4학년 학생들이 제안한 '에브(Ebb)'와 '플로우(Flow)'가 선정되었다. 'Ebb'는 GRAIL A, 'Flow'는 GRAIL B를 지칭하게 되었다.[7]
Ebb (GRAIL A)는 2011년 12월 31일에 달 궤도에 도착했고, Flow (GRAIL B)는 다음 날인 2012년 1월 1일에 도착했다.[32][5][6] 두 탐사선은 같은 궤도를 서로 마주보며 돌면서 달의 중력장을 정밀하게 측정하는 임무를 수행하게 된다.
6. 임무 진행
탐사선들은 델타 II 로켓에 실려 2011년 9월 10일에 발사되었다. 연료를 절약하기 위해 직접 달로 향하는 대신, 지구와 달의 중력을 이용한 저에너지 전이 궤적을 따라 비행했다.[4] 그 결과, GRAIL A 탐사선은 2011년 12월 31일에, GRAIL B 탐사선은 2012년 1월 1일에 각각 달 주회 궤도에 성공적으로 진입했다.[5][6] 2012년 1월 17일, NASA는 두 탐사선에 각각 "에브(Ebb)"와 "플로우(Flow)"라는 애칭을 부여했다고 발표했다.[7]
궤도 조정을 마친 두 탐사선은 2012년 3월 8일부터 약 3개월간의 예정으로 본격적인 과학 관측 임무를 시작했다.[6][8] 주요 탐사는 예상보다 순조롭게 진행되어 2012년 5월 29일에 계획보다 일찍 종료되었으며, 이후 탐사선들은 잠시 기기 전원을 끄고 같은 해 8월 30일부터 시작될 연장 탐사를 준비했다.[8]
연장 탐사까지 모두 마친 후, 잔여 연료가 거의 소진됨에 따라 2012년 12월 18일(한국 시간) 두 탐사선은 계획된 제어 충돌을 통해 임무를 종료했다. GRAIL-A(에브)는 한국 시간으로 18일 오전 7시 28분 51초에, GRAIL-B(플로우)는 약 30초 뒤인 29분 21초에 달 북극 근처 골드슈미트 크레이터 인근의 산비탈에 충돌했다. NASA는 이 충돌 지점을, 미국 최초의 여성 우주비행사이자 GRAIL 임무의 교육 부문(MoonKAM 프로젝트)에 크게 기여한 샐리 라이드 박사를 기리기 위해 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명했다.[9]
6. 1. 과학 관측 단계
GRAIL 미션의 주요 과학 목표는 다음과 같다.
미션의 주요 데이터 수집 단계는 2012년 3월 7일부터 5월 29일까지 총 88일 동안 진행되었다. 이 기간 동안 탐사선은 달 주위를 극궤도로 돌며 과학 데이터를 수집했다. 초기 궤도는 매우 타원형이었으나, 이후 고도를 약 25km에서 86km 사이로 낮추어 주기가 약 114분인 거의 원형 궤도에서 관측을 수행했다. 88일간의 데이터 획득 단계는 27.3일 길이의 세 개의 천저 지향 매핑 사이클로 나뉘었으며, 매일 두 번씩 심우주 네트워크(DSN)를 통해 8시간 동안 과학 데이터와 MoonKAM 이미지를 지구로 전송했다. 주요 탐사는 계획보다 빠른 2012년 5월 29일에 종료되었고, 탐사선은 잠시 기기 전원을 끈 후 연장 탐사를 준비했다.[8]
두 번째 과학 단계는 더 낮은 고도에서 2012년 8월 31일에 시작되어 2012년 12월 초까지 진행되었다. 이후 12개월간의 데이터 분석이 이어졌다.
GRAIL은 Ka 대역 달 중력 측정 시스템(Lunar Gravity Ranging System, LGRS)을 사용하여 달의 중력장을 정밀하게 측정했다. 이 기술은 중력 회복 및 기후 실험(GRACE) 미션에서 사용된 것과 유사하며, GRACE 소프트웨어의 90%가 GRAIL에 재사용되었다. 탐사선 설계는 XSS-11 위성을 기반으로 했다. 각 탐사선은 상대 탐사선과의 거리 변화를 정밀하게 측정하여 달의 중력 분포 지도를 작성했다.
또한, 교육 및 홍보 목적으로 중학생들이 참여하는 MoonKAM(Moon Knowledge Acquired by Middle school students) 프로그램이 운영되었다. 각 탐사선에는 디지털 비디오 컨트롤러와 4개의 카메라 헤드로 구성된 MoonKAM 시스템이 탑재되었다. 첫 번째 학생 요청 이미지는 2012년 3월 15일부터 17일까지 Ebb 탐사선에 의해 촬영되어 3월 20일에 지구로 전송되었다. 전 세계 52개국 2,700개 이상의 학교가 MoonKAM 카메라를 이용해 달 사진 촬영에 참여했다. 2012년 5월 3일에는 Flow 탐사선의 MoonKAM 카메라가 약 20km 거리에서 달 정찰 인공위성(LRO)이 지나가는 모습을 포착했는데, 이는 다른 우주선에 의해 촬영된 달 궤도 탐사선의 첫 번째 영상이다.
2012년 12월 5일, NASA는 GRAIL 데이터를 기반으로 작성된 고해상도 달 중력 지도를 공개했다. 이 데이터는 지구형 행성의 진화 역사를 이해하고 달 궤도를 정밀하게 계산하는 데 중요한 정보를 제공한다.
연장 임무까지 마친 후, 연료가 거의 소진된 두 탐사선 Ebb와 Flow는 2012년 12월 18일(한국 시간) 계획된 제어 충돌을 통해 임무를 종료했다. GRAIL-A(Ebb)는 한국 시간으로 18일 오전 7시 28분 51초, GRAIL-B(Flow)는 30초 후인 오전 7시 29분 21초에 달 북극 근처 골드슈미트(Goldschmidt) 크레이터 인근 산비탈에 충돌했다. NASA는 이 충돌 지점을 미국 최초의 여성 우주비행사이자 GRAIL 임무의 교육 부문에 기여한 샐리 라이드를 기리기 위해 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명했다.[9]
6. 2. 연장 임무
2012년 5월 29일, 주요 탐사가 계획보다 빨리 종료되었고, 탐사선 "에브 (Ebb)"와 "플로우 (Flow)"는 탑재 기기의 전원을 끄고 같은 해 8월 30일에 시작하는 연장 탐사에 대비했다.[8]
연장 임무 수행 후, 잔여 연료가 부족해지자 2012년 12월 18일(한국 시간) 두 탐사선은 제어된 상태로 달 표면에 충돌하여 임무를 종료했다. GRAIL-A는 한국 시간으로 18일 오전 7시 28분 51초, GRAIL-B는 30초 후인 29분 21초에 달 북극 부근 골드슈미트 크레이터 근처 산 경사면에 충돌했다. 이 충돌 지점은 미국 최초의 여성 우주비행사이자 GRAIL 계획에 기여한 샐리 라이드를 기리기 위해 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명되었다.[9]
6. 3. MoonKAM 프로젝트
MoonKAM(Moon Knowledge Acquired by Middle school students영어)은 중학생들이 그레일(GRAIL) 탐사선에 탑재된 카메라를 이용하여 달 표면 사진을 직접 촬영하는 교육 및 대중 참여 프로그램이다.[10] 각 탐사선(에브와 플로우)에는 디지털 비디오 컨트롤러와 4개의 카메라 헤드로 구성된 MoonKAM 시스템이 하나씩 탑재되었다.
이 프로그램에는 전 세계 52개국, 2,700개 이상의 학교가 참여했으며, 일본의 간사이 소카 학원도 참여 학교 중 하나였다.[10] 학생들은 MoonKAM 웹사이트를 통해 달의 특정 지역 이미지 촬영을 요청할 수 있었고, 촬영된 이미지는 일반에 공개되었다.
2012년 3월 15일부터 17일 사이에 탐사선 에브(Ebb)가 학생들의 요청에 따른 첫 번째 MoonKAM 이미지를 촬영했으며, 이 이미지는 3월 20일에 지구로 전송되었다. 또한 2012년 5월 3일에는 플로우(Flow)의 MoonKAM 카메라가 약 20km 거리에서 달 정찰 인공위성(LRO)이 지나가는 모습을 포착했는데, 이는 달 궤도상의 한 우주선이 다른 우주선을 촬영한 최초의 사례이다.
이 교육 프로그램의 추진에는 미국 최초의 여성 우주비행사이자 물리학자인 샐리 라이드가 크게 기여했다. 샐리 라이드는 GRAIL 임무의 교육 및 대중 참여(E/PO) 팀을 이끌며 MoonKAM 프로젝트를 실현시켰다. 그녀의 공적을 기려, GRAIL 탐사선이 충돌한 달 표면 지점은 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명되었다.[9]
6. 4. 임무 종료
과학 단계와 임무 연장 종료 시점에 두 탐사선("에브(Ebb)"와 "플로우(Flow)")은 잔여 연료가 적어져 임무 종료 단계에 들어갔다. 탐사선들은 전원이 꺼진 상태로 5일 동안 궤도를 계속 낮추며 달 표면 충돌을 준비했다.[34] 임무 마지막 날에는 최종 실험으로 탐사선에 탑재된 주 엔진을 점화하여 남은 연료를 모두 소진시키는 작업이 수행되었다. 이 과정을 통해 얻은 데이터는 향후 NASA의 임무 계획자들이 연료 소비량을 예측하는 컴퓨터 모델을 검증하는 데 사용될 예정이다.
두 탐사선은 2012년 12월 17일(미국 동부 시간 기준, 한국 시간 12월 18일) 달 표면에 제어 충돌하여 임무를 종료했다.[34] 충돌 지점은 달 북극 근처의 북위 75.62도, 서경 26.63도에 위치한 이름 없는 산맥으로, 필롤라우스와 무셰 분화구 사이에 있다. 먼저 편대에서 앞서가던 "에브"가 충돌했고(한국 시간 18일 오전 7시 28분 51초), 약 30초 뒤 "플로우"가 같은 지점에 충돌했다(한국 시간 18일 오전 7시 29분 21초).[9] 충돌 당시 각 탐사선은 약 1.68km/s의 속도로 이동하고 있었다.[34]
NASA는 충돌 지점을 미국 최초의 여성 우주 비행사이자 GRAIL 임무의 교육용 카메라 탑재 등에 기여한 샐리 라이드의 업적을 기려 "샐리 라이드 충돌 지점"으로 명명한다고 발표했다.[34][9]
7. 주요 성과
GRAIL 데이터 분석을 통해 달 표면 아래 구조를 포함한 다양한 과학적 결과가 도출되었다. 주요 성과는 다음과 같다.
- 중력장 지도 제작 및 해상도 향상: GRAIL 이전의 결과보다 훨씬 높은 해상도의 달의 중력장을 얻었다. 초기 분석에서는 420차 및 660차, 후속 분석에서는 더 높은 차수의 중력장을 확보하여 상세한 중력장 지도를 제작할 수 있었다.
- 지각 구조 규명: 달 지각의 평균 밀도와 다공성을 측정했으며, 이를 통해 과거 거대한 충돌들로 인해 지각이 심하게 파편화되었다는 사실을 밝혀냈다.
- 고대 지질 구조 발견: 과거 마그마 관입으로 형성된 암맥 또는 고대 열곡으로 해석되는 길고 좁은 선형 구조들을 발견했다.



- 달 핵 크기 제한: GRAIL 중력 데이터와 달 레이저 거리 측정 실험 데이터를 결합하여 달의 관성 모멘트를 정밀하게 계산했다. 이 계산 결과는 달 중심부의 조밀한 내핵이 예상보다 작다는 것을 시사한다.
- 충돌 분지 및 매스콘 연구: 중력 데이터와 달의 지형 데이터를 종합하여 총 74개의 원형 충돌 분지를 확인했다. 또한, 충돌 분지 지역에서 나타나는 강한 중력 이상 현상인 매스콘의 원인을 규명했다. 매스콘은 분지가 조밀한 바다 물질로 채워지고, 지각 아래의 더 밀도 높은 맨틀 물질이 위로 융기하면서 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 맨틀의 융기는 바다 물질이 없는 지역에서도 관찰되었다.
- 내부 구조 추론: 달 내부 층들의 반지름, 밀도, 강성 등 물리적 특성을 추론했다.
- 동해 분지 상세 분석: 달에서 가장 젊고 보존 상태가 좋은 3중 고리 구조의 동해 분지 중력장을 고해상도로 매핑하여 상세하게 분석했다.
이러한 GRAIL 임무의 성과는 달의 형성과 진화 과정을 이해하는 데 크게 기여했으며, 나아가 지구형 행성 전반의 진화 역사를 연구하는 데 중요한 기초 자료를 제공한다.
8. 지원, 개발, 투자
이 계획은 미국 항공우주국(NASA)과 제트 추진 연구소(JPL)가 처음 제안하고 구상했다. 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 마리아 주버(Maria Zuber) 교수가 GRAIL의 수석 연구원을 맡았고, NASA의 제트 추진 연구소가 프로젝트를 관리했다. NASA는 우주선 및 장비 개발, 발사, 임무 운영, 과학 지원을 위해 4.96억달러를 예산으로 책정했다.[21] 이 프로젝트는 NASA의 디스커버리 계획의 일부로 진행되었다.
발사 후 우주선은 GRAIL A와 GRAIL B로 명명되었으며, 스피릿과 오퍼튜니티처럼 학생들을 대상으로 이름 공모 대회를 열었다. 미국 45개 주, 푸에르토리코, 컬럼비아 특별구의 약 900개 교실이 참여했으며, 최종적으로 몬태나주 보즈먼에 있는 에밀리 디킨슨 초등학교 4학년 학생들이 제안한 'Ebb'와 'Flow'가 선정되었다.[22]
각 우주선은 다른 우주선 및 지구 기지국과 원격 측정 데이터를 주고받았다. 두 우주선 사이 거리의 미세한 변화를 측정하여 달의 중력장과 지질 구조에 대한 정보를 얻는 방식이었다. 이 시스템은 두 우주선 간의 거리가 1 마이크로미터만큼 변하는 극히 작은 변화까지도 감지하고 측정할 수 있었다. 이를 통해 달의 중력장 지도를 전례 없이 상세하게 작성할 수 있었다.
9. 갤러리
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