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루나 3호

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목차

1. 개요

루나 3호는 1959년 소련이 발사한 무인 달 탐사선으로, 인류 최초로 달의 뒷면 사진을 촬영하여 달의 지형을 밝히는 데 기여했다. 루나 3호는 바이코누르 우주 기지에서 발사되어 달의 남극을 지나 달의 뒷면을 촬영한 후 지구로 귀환하는 궤도를 따라 비행했다. 이 과정에서 달의 중력을 이용하여 궤도를 변경하는 중력 보조 기동이 처음으로 사용되었으며, 촬영된 사진을 통해 달의 뒷면에는 앞면과 달리 어두운 달의 바다가 적다는 사실이 밝혀졌다. 루나 3호의 임무는 달 뒷면 지도 제작에 기여했으며, 모스크바의 바다 등 지형에 대한 명칭을 부여하는 데 영향을 미쳤다.

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루나 3호
기본 정보
임무 종류달 근접 통과
운용 주체소련 우주 계획
하버드 명칭1959 세타 1
COSPAR ID1959-008A
위성 목록 번호21
임무 기간18일 (발사일 ~ 마지막 교신일)
공전 횟수14
우주선Ye-2A No.1
제작사OKB-1
발사일 UTC
발사 로켓Luna 8K72 (No I1-8)
발사장바이코누르 1/5
마지막 교신일
궤도 소멸일1960년 4월 29일
궤도 기준 시점1959년 10월 5일
궤도 기준지구 중심
궤도 형태고타원
(달 근접)
궤도 경사55 도
궤도 주기359.38 시간
궤도 이심률0.97322501
원지점 인자gee
계획루나 계획
이전 임무루나 2호
다음 임무Luna 1960A
행성간 여행
종류근접 통과
대상 천체달
도착일1959년 10월 6일, 14:16 UTC
기타 정보
루나 3호 모형 ([[우주 비행사 기념 박물관]])
루나 3호 모형 (우주 비행사 기념 박물관)

2. 설계

루나 3호는 반구형 끝부분이 달린 원통형 용기 모양으로, 위쪽에는 넓은 플랜지가 있었다. 탐사선의 길이는 130cm였고, 플랜지가 있는 부분의 최대 지름은 12cm였다. 원통형 부분은 대부분 지름이 95cm 정도였다. 이 용기는 밀폐되어 약 0.22 기압을 유지했다.[1]

탐사선 외부에는 여러 개의 태양 전지가 부착되어 내부의 축전지에 전력을 공급했다. 원통을 따라 배치된 열 제어 셔터는 내부 온도가 25°C를 넘으면 방사 표면을 노출시켜 온도를 조절했다. 탐사선 상부 반구에는 카메라를 위한 덮개가 있는 구멍이 있었고, 4개의 안테나는 상단에서, 2개는 하단에서 돌출되었다. 미소 유성 및 우주선 감지기를 포함한 과학 장비와 예니세이-2 영상 시스템이 외부에 장착되었으며, 자세 제어 시스템을 위한 가스 제트기는 우주선 하단에 있었다. 여러 개의 광전지는 태양과 달을 향해 방향을 유지하는 데 사용되었다. 궤도 수정을 위한 로켓 엔진은 사용되지 않았다.[1]

내부에는 카메라와 사진 필름 처리 시스템, 무선 송신기, 축전지, 자이로 장치, 온도 조절용 순환 팬 등이 있었다. 비행 대부분은 회전 안정화 방식이었지만, 사진 촬영 중에는 3축 자세 제어 시스템이 작동했다. 루나 3호는 소련 지상 기지에서 무선으로 제어되었다.[1]

소련 언론은 이 우주선을 자동 행성 간 탐사선이라고 불렀으며, 1963년에 ''루나 3호''로 이름이 바뀌었다. 탐사선 본체는 양쪽 끝이 반구형인 길이 1.3m의 원통형이었다. 원통 부분의 직경은 0.9m, 최대 직경(본체 상부 돌출 부분)은 1.3m였다. 질량은 278.5 kg으로, 루나 1호나 루나 2호보다 가벼웠다. 내부는 0.23 기압으로 유지되었으며, 탑재된 기기는 가압 환경에 있었다.[2]

2. 1. 전력 및 온도 제어

루나 3호는 반구형 끝부분이 달린 원통형 용기 형태로, 상단 근처에 넓은 플랜지가 있었다. 탐사선의 길이는 130cm였고, 플랜지 부분의 최대 지름은 12cm였다. 원통형 부분의 대부분은 지름이 약 95cm였다. 용기는 밀폐되어 약 0.22atm로 가압되었다. 여러 개의 태양 전지가 원통 외부에 장착되어 축전지에 전력을 공급했다.[1]

내부 온도가 25°C를 초과하면 열 제어용 셔터가 열려 방사 표면을 노출했다.[1] 내부는 0.23 기압으로 유지되었으며, 탑재된 기기는 가압 환경에 있었다. 온도가 25 ℃를 초과하면 덮개가 열려 방열판을 노출시켜 내부 온도를 조절했고, 전력은 본체 주위에 부착된 태양 전지 패널로 공급했다.[2]

2. 2. 카메라 및 통신 장비

루나 3호는 달 뒷면을 촬영하기 위해 특별히 설계된 예니세이-2 영상 시스템을 탑재했다. 이 시스템은 두 개의 렌즈를 가진 AFA-E1 카메라, 자동 필름 처리 장치, 스캐너로 구성되었다.[17]

카메라 렌즈는 200mm 초점 거리, f/5.6 조리개 렌즈와 500mm, f/9.5 렌즈였다. 200mm 렌즈는 달 전체를, 500mm 렌즈는 달 표면의 특정 영역을 촬영할 수 있었다. 카메라는 우주선에 고정되어 있었기 때문에, 촬영을 위해서는 우주선 자체를 회전시켜 방향을 맞춰야 했다.[17]

광전지를 통해 달이 감지되면 카메라 덮개가 열리고 자동으로 사진 촬영이 시작되었다. 촬영된 필름은 탑재된 처리 장치에서 현상, 고정, 건조된 후, 플라잉 스폿 스캐너를 통해 스캔되어 광전자 증배관에서 전기 신호로 변환되었다. 이 신호는 주파수 변조 아날로그 비디오 형태로 지구로 전송되었다.[17] 하나의 프레임은 1000개의 수평 라인 해상도로 스캔할 수 있었다.

1959년 10월 7일, 루나 3호는 40분 동안 달 뒷면의 70%를 촬영한 29장의 사진을 찍었다. 이 중 17장의 프레임이 지구로 전송되었고, 6장이 공개되었다.[17]

달의 뒷면 첫 번째 이미지(A)를 고급 잡음 제거 기술(B)을 사용하여 복원하고 NASA의 LRO 미션(C)에서 얻은 사진과 비교하면 중요한 특징점이 뚜렷하게 보이며, 가시적인 특징점의 명확하고 일대일 매핑을 확인할 수 있다.


루나 3호 사진전송 시스템은 치올코프스키 국립 우주항공사 박물관에 전시되어 있다.


루나 3호가 처음 촬영한 사진은 달의 뒷면이 앞면과 매우 다르다는 것을 보여주었으며, 특히 달의 바다(어두운 부분)가 부족하다는 점이 두드러졌다.


이미징 시스템은 레닌그라드 텔레비전 과학 연구소의 P.F. 브라츠라베츠와 I.A. 로셀레비치가 개발했다. 반환된 이미지는 슈테른베르크 천문 연구소의 Iu.N. 립스키와 그의 팀이 처리하고 분석했다. 카메라 AFA-E1은 KMZ 공장(크라스노고르스키 메카니컬 자보드)에서 개발 및 제조되었다.

온도와 방사선에 강한 필름은 소련이 회수한 미국 제네트릭스 기구의 풍선에서 가져온 것이었다.

2. 3. 예니세이-2 (카메라 시스템)



루나 3호의 예니세이-2 이미징 시스템은 달 표면 사진 촬영을 목적으로, 2개의 렌즈를 가진 카메라 AFA-E1, 자동 필름 처리 장치, 스캐너로 구성되었다.[17] 카메라 렌즈는 200mm 초점 거리, f/5.6 조리개 렌즈와 500mm, f/9.5 렌즈였으며, 온도 및 방사선에 강한 35mm 이소크롬 필름 40장이 사용되었다. 200mm 렌즈는 달 전체를, 500mm 렌즈는 표면 일부를 촬영했다. 카메라는 우주선에 고정되어 우주선 자체를 회전시켜 촬영 방향을 맞추었다.

루나 3호는 최초의 3축 안정화 우주선이었다. 임무 대부분 동안 회전 안정화되었지만, 달 사진 촬영 시에는 한 축을 태양에 고정하고 광전지로 달을 감지하여 카메라 방향을 조절했다. 달 감지 시 카메라 덮개가 열리고 자동 촬영이 시작되었으며, 두 카메라가 번갈아 촬영했다. 촬영 후 필름은 탑재된 처리 장치에서 현상, 고정, 건조되었다. 이후 지구의 명령으로 필름을 플라잉 스폿 스캐너로 옮겨 음극선관의 스폿을 필름에 투사, 광전자 증배관으로 빛의 강도를 전기 신호로 변환하여 지구로 전송했다(주파수 변조 아날로그 비디오, 팩시밀리와 유사). 프레임은 1000개(수평) 라인 해상도로 스캔되었고, 거리에 따라 저속 스캔 텔레비전 또는 더 빠른 속도로 전송되었다.

1959년 10월 7일 03:30 UT부터 40분간 63,500~66,700km 거리에서 29장의 사진이 촬영되어 달 뒷면의 70%를 촬영했다. 이 중 17장(일부 12장)이 지구(크림반도, 캄차카반도 추적 기지)로 전송되었고, 6장(프레임 번호 26, 28, 29, 31, 32, 35)이 공개되었다. 이는 달 뒷면을 촬영한 최초의 사진이었다.[2]

이미징 시스템은 P.F. 브라츠라베츠와 I.A. 로셀레비치가 레닌그라드 텔레비전 과학 연구소에서 개발했고, 반환된 이미지는 Iu.N. 립스키 팀이 슈테른베르크 천문 연구소에서 처리, 분석했다. AFA-E1 카메라는 KMZ 공장(크라스노고르스키 메카니컬 자보드)에서 개발, 제조되었다.

온도와 방사선에 강한 필름은 소련이 회수한 미국 제네트릭스 기구의 풍선에서 가져온 것이었다.[15]

3. 임무 수행 과정

1959년 10월 4일 발사된 루나 3호는 여러 어려움 속에서도 달 뒷면 사진 촬영이라는 주요 임무를 성공적으로 수행했다. 발사 직후 신호 약화 및 내부 온도 상승 문제가 발생했지만, 기술진은 우주선의 회전축을 조정하고 일부 장비를 정지시켜 온도를 낮추는 데 성공했다.[5]

10월 6일 14시 16분(UTC), 루나 3호는 달 남극 근처 6200km 지점을 통과하며 달 뒷면으로 이동했다. 10월 7일에는 광전지가 햇빛을 감지, 달 뒷면 사진 촬영이 시작되었다. 첫 번째 사진은 03시 30분(UTC)에 달로부터 63,500km 떨어진 곳에서, 마지막 사진은 40분 후 66,700km 떨어진 곳에서 촬영되었다. 총 29장의 사진이 촬영되어 달 뒷면의 70%를 담아냈다.[7]

사진 촬영 후, 루나 3호는 다시 회전을 시작하여 달 북극을 지나 지구로 귀환하는 궤도에 진입했다. 10월 8일부터 사진 전송을 시도했으나, 초기에는 신호 강도가 약해 어려움을 겪었다. 그러나 10월 18일까지 약 17장의 사진을 전송하는 데 성공했다.

1959년 10월 22일, 루나 3호와의 모든 통신이 두절되었다. 루나 3호는 1960년 3월 또는 4월에 지구 대기권에 진입하여 소실되었거나, 1962년 이후까지 궤도에 남아있었을 가능성도 제기된다.

루나 3호의 임무는 우주 탐사 역사에 중요한 이정표를 남겼다. 특히, 달의 중력을 이용하여 우주선의 궤도를 변경하는 중력 보조 기동은 루나 3호 임무에서 처음으로 사용되었다.[9][10][11]

3. 1. 발사 및 초기 문제

1959년 10월 4일, 루나 3호는 바이코누르 우주 기지에서 루나 8K72 로켓으로 발사되어 직접 달로 향하는 궤도에 진입했다. 그러나 이 시점에서 탐사선이 전송하는 신호의 세기가 예정보다 약했고, 내부 온도가 상승하는 문제가 발생했다. 온도를 낮추기 위해 중요성이 낮은 장치의 전원을 껐지만, 전송 불량은 해결되지 않았다.[5]

루나 3호가 지구로부터 6~7만km의 거리에 도달했을 때 자세 제어 방식이 스핀 제어에서 제트 엔진을 사용한 제어로 전환되었다.[8]

3. 2. 달 접근 및 사진 촬영

1959년 10월 6일, 루나 3호는 달의 남극 부근에 6,200km 거리까지 가장 가깝게 접근했다. 이 시점에서는 달 자동 촬영이 시작되지 않았고, 루나 3호는 달의 만유인력으로 궤도를 바꾸면서 비행을 계속했다.

1959년 10월 7일, 검출기가 달빛을 감지하고, 자동 촬영 시스템이 작동했다. 달과의 거리는 6만 3500km였다. 사용된 이미징 시스템은 예니세이-2로 명명되었으며, 2개의 렌즈를 가진 카메라 AFA-E1, 자동 필름 처리 장치, 그리고 스캐너로 구성되었다.[6] 카메라 렌즈는 200mm 초점 거리, ''f''/5.6 조리개 렌즈와 500mm, ''f''/9.5 렌즈였다. 200mm 렌즈는 달의 전체 디스크를 촬영할 수 있었고, 500mm 렌즈는 표면의 특정 영역을 촬영할 수 있었다. 카메라는 우주선에 고정되어 있었으며, 우주선 자체를 회전시켜 촬영 방향을 맞추었다. 루나 3호는 최초로 3축 안정화에 성공한 우주선이었다. 임무의 대부분 동안 우주선은 회전 안정화되었지만, 달 사진 촬영을 위해 우주선은 한 축을 태양을 향하게 한 다음, 광전지를 사용하여 달을 감지하고 카메라의 방향을 맞추었다. 달이 감지되면 카메라 덮개가 자동으로 열리고 사진 촬영 시퀀스가 시작되었다. 시퀀스 동안 두 카메라가 번갈아 가며 촬영되었다. 사진 촬영이 완료된 후, 필름은 탑재된 처리 장치로 이동되어 현상, 고정 및 건조되었다.[7]

루나 3호는 그 후 40분 만에 29장의 사진을 촬영했다. 일련의 촬영을 마친 루나 3호는 자세 제어 방식을 스핀 제어로 되돌려 비행을 계속했고, 달을 반 바퀴 돌아 지구에 재접근하는 궤도에 진입했다. 촬영된 사진은 달의 뒷면의 70%를 덮었다.

3. 3. 사진 전송 및 임무 종료

북극 상공에서 루나 8K72 로켓으로 발사된 루나 3호는 달 궤도에 진입했다. 최초 무선 통신에서 탐사선의 신호가 예상보다 약하고 내부 온도가 상승하는 문제가 발생했다. 이에 따라 우주선의 회전축을 재정렬하고 일부 장비를 정지시켜 온도를 낮췄다.[5] 달로부터 60,000~70,000km 떨어진 지점에서 방향 시스템을 켜고 우주선의 회전을 멈춘 후, 태양을 향하도록 조정했다.

1959년 10월 6일 14:16 UT에 달 남극 근처 6,200km 지점을 통과한 후 달 뒷면으로 이동했다. 10월 7일, 광전지가 햇빛을 감지하고 사진 촬영이 시작되었다.[6] 첫 번째 사진은 03:30 UT에 달로부터 63,500km 떨어진 곳에서, 마지막 사진은 40분 후 66,700km 떨어진 곳에서 촬영되었다. 총 29장의 사진이 촬영되어[7] 달 뒷면의 70%를 담았다. 사진 촬영 후 우주선은 다시 회전을 시작하여 달 북극을 지나 지구로 돌아왔다.

10월 8일부터 사진 전송을 시도했으나 초기에는 신호 강도가 약해 실패했다. 10월 18일까지 약 17장의 사진을 전송하는 데 성공했다. 1959년 10월 22일, 탐사선과의 모든 통신이 두절되었다. 루나 3호는 1960년 3월 또는 4월에 지구 대기권에서 소실되었거나, 1962년 이후까지 궤도에 남아있었을 가능성도 있다.

1959년10월 4일, 루나 3호는 바이코누르 우주 기지에서 발사되어 달로 향했다. 그러나 탐사선 신호 세기가 약하고 내부 온도가 높아지는 문제가 발생했다. 온도를 낮추기 위해 일부 장비 전원을 껐지만, 전송 문제는 해결되지 않았다. 루나 3호가 지구로부터 6~7만km 떨어진 지점에서 자세 제어 방식을 변경했다. 10월 6일, 루나 3호는 달 남극에 가장 근접했다 (6200 km). 이때는 자동 촬영이 시작되지 않았고, 루나 3호는 달의 만유인력으로 궤도를 변경하며 비행했다.

10월 7일, 검출기가 달빛을 감지하고 자동 촬영 시스템이 작동했다. 루나 3호는 40분 동안 29장의 사진을 촬영했다. 촬영 후 자세 제어 방식을 스핀 제어로 변경하고 달을 반 바퀴 돌아 지구로 돌아왔다. 루나 3호는 지구로 향하며 데이터를 전송했다. 10월 18일까지 17장의 이미지를 전송했으나, 전송기 문제로 화질이 좋지 않았다. 10월 22일, 지상과 루나 3호의 교신이 끊겼다. 루나 3호는 1960년 3~4월 (혹은 1962년 이후)에 대기권에 진입한 것으로 추정된다.

3. 4. 중력 보조

루나 3호의 비행 경로. 지구 북극 쪽으로 발사된 루나 3호는 달의 궤도면을 북쪽에서 남쪽으로 가로지른 후, 달을 남극 쪽에서 스윙 바이하여 북극 쪽으로 빠져나갔다. 그 후 지구에 접근하면서 데이터를 전송하고, 지구를 북극 쪽에서 남극 쪽으로 스윙 바이하여 다시 지구에서 멀어져 갔다.


중력 보조 기동은 1959년 루나 3호가 달의 뒷면을 촬영했을 때 처음 사용되었다.[9][10][11] 바이코누르 우주 기지에서 발사된 루나 3호는 달의 남쪽에서 북쪽으로 지나 지구로 귀환했다. 달의 중력은 우주선의 궤도를 변화시켰고, 달 자체의 궤도 운동으로 인해 우주선의 궤도면 또한 변경되었다. 귀환 궤도는 우주선이 소련 지상 기지가 위치한 북반구를 다시 지나가도록 계산되었다. 이 기동은 므스티슬라프 켈디시의 지도 하에 스테클로프 수학 연구소에서 수행된 연구에 기반했다.

1959년 10월 6일, 루나 3호는 달 남극 부근에 가장 근접했다. 가장 근접했을 때 달 표면으로부터의 거리는 6200km였다. 이 시점에서는 달 자동 촬영이 시작되지 않았고, 루나 3호는 달의 만유인력으로 궤도를 바꾸면서 비행을 계속했다.

4. 과학적 성과 및 유산

루나 3호의 우표


루나 3호는 세계 최초로 달 뒷면을 촬영하여 달 탐사 역사에 큰 획을 그었다. 달은 항상 지구를 향해 같은 면만 보여주기 때문에(조석 고정), 달 뒷면은 오랫동안 미지의 영역이었다. 루나 3호가 보내온 사진은 선명하지 않았지만, 달 뒷면에는 앞면과 달리 어두운 달의 바다가 거의 없다는 사실을 밝혀냈다. 또한, 모스크바의 바다처럼 소련과 관련된 지명이 붙여지기도 했다. 다만, 선명하지 않은 사진으로 인해 소비에트 산맥과 같이 이후 탐사에서 오류로 밝혀진 지형도 있었다.[12][13][14][15][16]

4. 1. 달 뒷면 지도 제작

이미지 분석을 통해 달의 뒷면 첫 번째 지도첩이 소련 과학 아카데미에 의해 1960년 11월 6일에 출판되었다.[12] 여기에는 500개의 두드러진 지형 특징 목록이 포함되었다.[13] 1961년에는 루나 3호의 이미지를 기반으로 지구에서 보이지 않는 달의 지형을 포함하는 최초의 지구본(1:13600000 축척)이[14] 소련에서 출시되었다.[15] 명명된 지형 특징으로는 모스크바의 바다와 콘스탄틴 치올코프스키, 쥘 베른, 마리 퀴리, 토머스 에디슨의 이름을 딴 크레이터가 있다.[16]

달은 항상 지구를 향해 같은 면을 보여주기 때문에(조석 고정), 지상에서 달의 뒷면을 관측하는 것은 불가능했으며, 그 모습은 오랫동안 미스터리로 남아 있었다. 루나 3호의 가장 큰 성과는 달의 뒷면까지 비행하여 세계 최초로 달의 뒷면 촬영에 성공한 것이다.

수신된 사진은 선명하지 않았지만, 앞면과 달리 뒷면에는 어두운 달의 바다가 거의 존재하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 식별할 수 있었던 지형에는 이름이 붙여졌고, 모스크바의 바다 등 러시아와 관련된 지명도 탄생했다. 선명하지 않은 사진에서 무리하게 지형을 판독했기 때문에 소비에트 산맥 등 이후 탐사에서 오류가 밝혀진 지형도 있었다.

4. 2. 명명된 지형

이미지 분석을 통해 달의 뒷면 첫 번째 지도첩이 소련 과학 아카데미에 의해 1960년 11월 6일에 출판되었다.[12] 여기에는 500개의 두드러진 지형 특징 목록이 포함되었다.[13] 1961년에는 루나 3호의 이미지를 기반으로 지구에서 보이지 않는 달의 지형을 포함하는 최초의 지구본(1:13600000 축척)[14]이 소련에서 출시되었다.[15] 명명된 지형 특징으로는 모스크바의 바다와 콘스탄틴 치올코프스키, 쥘 베른, 마리 퀴리, 토머스 에디슨의 이름을 딴 크레이터가 있다.[16]

수신된 사진은 선명하지 않았지만, 앞면과 달리 뒷면에는 어두운 달의 바다가 거의 존재하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 식별할 수 있었던 지형에는 이름이 붙여졌고, 모스크바의 바다 등 러시아와 관련된 지명도 탄생했다. 선명하지 않은 사진에서 무리하게 지형을 판독했기 때문에 소비에트 산맥 등 이후 탐사에서 오류가 밝혀진 지형도 있었다.

참조

[1] 웹사이트 Luna Ye-2A https://space.skyroc[...] 2019-11-12
[2] 웹사이트 Luna 3 https://nssdc.gsfc.n[...] 2020-02-05
[3] 웹사이트 Satellite Catalog http://planet4589.or[...] 2014-12-14
[4] 웹사이트 Exploring the Moon – The first robot explorers http://www.ianridpat[...] Ianridpath.com 2013-11-06
[5] 서적 Soviet and Russian Lunar Exploration Springer-Praxis 2007
[6] 서적 Soviet and Russian Lunar Exploration Springer-Praxis 2007
[7] 웹사이트 Jodrell Bank's role in early space tracking activities – Part 1 http://www.jb.man.ac[...] University of Manchester 2019-07-21
[8] 서적 The Lidov-Kozai effect - applications in exoplanet research and dynamical astronomy Springer 2017
[9] 웹사이트 Mstislav Keldysh. Mechanics of the space flight http://www.keldysh.r[...]
[10] 논문 Specific problems of a flight to the Moon 1957
[11] 웹사이트 All hail Luna 3, rightful king of 1950s space missions https://arstechnica.[...] 2019-10-04
[12] 학술지 Atlas of the far side of the moon https://deepblue.lib[...] 1961-05-22
[13] 웹사이트 Chronology, 1804–1980, to the 150th anniversary of GAISh – Moscow State University observatory http://heritage.sai.[...]
[14] 웹사이트 Moon maps and globes, created with the participation of Lunar and Planetary Research Department of SAI http://selena.sai.ms[...]
[15] 서적 The First Maps, Atlas and Globus of the Farside. In: Lunar and Planetary Cartography in Russia. Astrophysics and Space Science Library 2016
[16] 서적 The Soviet Space Program - The Lunar Mission Years: 1959 to 1976 Schiffer Publishing Ltd 2019
[17] 웹사이트 Luna 3 http://nssdc.gsfc.na[...] NASA - NSSDC 2008-05-25


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