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창어 4호

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1. 개요

창어 4호는 2019년 1월 3일 인류 최초로 달의 뒷면에 착륙한 중국의 달 탐사선이다. 2018년 12월 7일 발사되어, 네덜란드, 독일, 스웨덴, 사우디아라비아의 과학 장비를 탑재하고 달의 저주파수 전자기장 환경 연구, 달 토양의 수분 함량 분석 등을 수행했다. 췌차오 중계 위성을 통해 지구와 통신하며, 롱장 마이크로위성과 착륙선, 위투 2호 로버로 구성되었다. 주요 목표는 달의 내부 구조와 기원에 대한 연구이며, 달 암석과 토양의 화학적 조성 측정, 저주파수 전파 천문 관측 등을 수행했다. 창어 4호는 달 미세 생태계 실험을 진행하여, 식물 발아를 확인하기도 했다.

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창어 4호
개요
창어 4호 착륙선
창어 4호 착륙선
위투-2호 달 탐사차
위투-2호 달 탐사차
임무 유형착륙선, 달 탐사차
운영 주체CNSA
COSPAR ID2018-103A
SATCAT43845
임무 기간착륙선: 12개월 (예정)
(진행 중)
탐사차: 3개월 (예정)
(진행 중)
제조사(제조사 정보 없음)
건조 질량(건조 질량 정보 없음)
발사 질량총합: 3,780 kg
착륙선: 3,640 kg
탐사차: 140 kg
착륙 질량총합: ~1,200 kg; 탐사차: 140 kg
탑재 질량(탑재 질량 정보 없음)
크기탐사차: 1.5 × 1.0 × 1.0 m
전력(전력 정보 없음)
발사 정보
발사 일시2018년 12월 7일, 18:23 UTC
발사체창정 3호 B
발사 장소시창 위성 발사 센터, LA-2
발사 계약자(발사 계약자 정보 없음)
궤도 정보
폐기 방식(폐기 방식 정보 없음)
작동 중단 일시(작동 중단 일시 정보 없음)
마지막 교신(마지막 교신 정보 없음)
탐사 정보
유형착륙선
탐사 대상달 표면
착륙 일시2019년 1월 3일, 02:26 UTC
착륙 지점스파티오 톈허 내 폰 카르만 크레이터, 남극-에이트켄 분지
탐사차 이동 거리(2024년 5월 4일 기준)
프로그램 정보
프로그램중국 달 탐사 프로그램
이전 미션췌차오-1
다음 미션창어 5호
이전 미션 (창어 탐사선)창어 3호
다음 미션 (창어 탐사선)창어 5호
프로그램 (창어 탐사선)창어 탐사선
명칭

2. 역사

2007년창어 1호, 2010년창어 2호, 2013년창어 3호를 발사하였다. 창어 4호에는 창어 3호와 달리 네덜란드의 저무선주파수 탐지기, 독일 표면 뉴트론 및 방사선량 탐지기, 스웨덴의 중성원자 탐지기, 사우디아라비아의 소형 광학 이미징 탐지기 등 4대 과학 탑재체를 탑재하였다. 창어 4호는 달 주위의 저주파수 전자기장 환경에서 일어나는 배경 분포 변화 정보를 획득하고, 표면 입자에 대한 실제 측정 데이터를 이용하여 정밀하게 토양, 암석의 수분 함량을 분석할 수 있다. 또한, 이러한 장비를 이용하여 달 표면 에너지 중성원자와 양이온 등 국제 프런티어 달 과학 문제가 해결될 것으로 기대된다.

2018년 12월 8일 발사하여 2019년 1월 중에 착륙한다는 일정이 발표되어 관심을 끌었다. 2019년 1월 3일 오전 11시 26분(한국 시간), 남극 에이트켄 분지의 본 카르만 크레이터에 착륙하여, 세계 최초로 달 뒷면에 착륙하였다.

중국 달 탐사 계획(Chinese Lunar Exploration Program)은 기술 발전을 단계적으로 밟아나가는 4단계로 설계되었다.[15] 첫 번째는 단순히 달 궤도에 도달하는 것으로, 창어 1호창어 2호가 완수했다. 두 번째는 달 착륙 및 탐사로, 창어 3호와 창어 4호가 수행했다. 세 번째는 달 앞면에서 달 샘플을 채취하여 지구로 보내는 것으로, 창어 5호창어 6호가 완료했다. 네 번째 단계는 달 남극 부근에 로봇 연구 기지를 개발하는 것이다.[1][16][17]

이 프로그램은 2030년대에 유인 달 착륙을 하고, 남극 부근에 전초 기지를 건설하는 것을 목표로 한다.[18][19] 중국 달 탐사 계획은 항공 우주 혁신 가속화, 생산 비용 절감, 군민 관계 증진을 목표로 개인 및 기업의 민간 투자를 처음으로 유치하기 시작했다.[20]

이 임무는 탐사되지 않은 달 지역의 나이와 구성을 결정하고, 프로그램의 후기 단계에 필요한 기술을 개발하려고 시도할 것이다.[21] 탐사 로버 ''위투 2호''는 착륙 후 약 12시간 후에 배치되었다.

2. 1. 발사 및 달 궤도 진입

창어 4호 임무는 원래 2015년에 발사될 예정이었으나, 임무 목표와 설계 조정으로 인해 연기되었다.[22][23] 2018년 12월 7일 18시 23분(UTC), 무게 1.32톤의 창어 4호를 탑재한 창정 3B 로켓이 시창 위성발사센터에서 발사되었다.[4][24]

2018년 12월 12일 08:45 (UTC)에 달 궤도에 진입했다.[25] 2018년 12월 30일 00:55 (UTC)에는 궤도의 근월점이 15km로 낮춰졌다.[26]

2019년 1월 3일 02:26 (UTC), 남극-에이킨 분지의 폰 카르만 크레이터에 착륙했다.[27] 이는 세계 최초로 달 뒷면에 착륙한 사례이다.

달의 달의 뒷면에 있는 창어 4호 착륙 지점. 지구에서는 조석 고정 때문에 보이지 않는다.

3. 주요 목표


  • 달 뒷면의 지형 및 지질학적 특징을 탐사한다. 특히, 달의 고대 충돌 사건으로 인해 생긴 깊이 약 13km의 거대한 애이킨 분지에서 깊은 달의 지각과 맨틀 물질을 찾아 연구하여 달의 내부 구조와 기원에 대한 통찰력을 얻는 것을 목표로 한다.[1]
  • 달 암석과 토양의 화학적 조성을 측정한다.[28]
  • 임무 기간 동안 달 표면 온도를 측정한다.[28]
  • 전파 망원경을 사용하여 저주파수 전파 천문 관측 및 연구를 수행한다.[28]
  • 우주선을 연구한다.[28]
  • 태양 코로나를 관찰하고, 복사 특성과 메커니즘을 조사하며, 태양과 지구 사이의 코로나 질량 방출(CME)의 진화와 이동을 탐구한다.[28]

4. 구성 요소

창어 4호는 췌차오 중계 위성, 롱장 마이크로위성, 창어 4호 착륙선 및 위투 2호 로버 등의 구성 요소로 이루어져 있다.

4. 1. 췌차오 중계 위성

달의 뒷면에서 창어 4호와의 통신


지구-달 라그랑주점: 달 뒤편의 L2 주변 헤일로 궤도에 있는 위성은 지구와 달의 뒷면을 모두 볼 수 있다


달의 뒷면에서는 달에 의해 전파가 차단되어 지구와의 직접적인 통신이 불가능하다. 통신은 착륙 지점과 지구를 모두 잘 볼 수 있는 위치에 배치된 통신 중계 위성을 거쳐야 한다. 중국 국가우주국(CNSA)은 달 탐사 프로그램의 일환으로, 2018년 5월 20일 '''췌차오''' 중계 위성을 지구-달 L2 주변의 헤일로 궤도에 발사했다.[29][30][31] 이 중계 위성은 창어 2호의 설계를 기반으로 하며,[32] 질량은 425kg이며, 4.2m 안테나를 사용하여 착륙선과 로버로부터 X 밴드 신호를 수신하여 S 밴드로 지구 제어국에 중계한다.[33]

이 우주선은 연료를 절약하기 위해 달 중력 보조를 사용하여 L2에 도달하는 데 24일이 걸렸다.[34] 2018년 6월 14일, ''췌차오''는 최종 궤도 수정 연소를 마치고 달에서 약 65000km 떨어진 L2 헤일로 미션 궤도에 진입했다. 이는 이 위치에 있는 최초의 달 중계 위성이다.[1]

''췌차오''("까치 다리")라는 이름은 중국 설화인 ''견우와 직녀''에서 영감을 받아 지어졌다.[29]

4. 2. 롱장 마이크로위성

'''롱장-1'''과 '''롱장-2''' (龙江|Lóng Jiāng중국어[35], ''Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder'' 또는 '''''DSLWP'''''로도 알려짐[36])는 창어 4호 임무의 일환으로 발사된 두 개의 소형 위성이다. 무게는 각각 45kg이며, 2018년 5월 췌차오와 함께 발사되었다.[37] 두 위성 모두 하얼빈 공업 대학에서 개발했다. ''롱장-1''은 달 궤도 진입에 실패했지만,[1] ''롱장-2''는 성공하여 2019년 7월 31일까지 달 궤도에서 운용되다가 의도적으로 달에 충돌하도록 지시되었다.[38]

롱장 2호의 충돌 지점은 반 헨트 크레이터 내이며, 충돌 시 4 x 5 미터 크기의 크레이터를 만들었다.[39]

이 소형 위성들은 매우 낮은 주파수(1–30 MHz)에서 하늘을 관측하는 임무를 수행하도록 설계되었으며, 이는 파장으로 환산하면 300~10m에 해당한다. 천체에서 발생하는 에너지 현상을 연구하는 것이 목표였다.[31][1][40] 지구의 전리층 때문에, 이 주파수 범위 내에서는 지구 궤도에서 관측이 이루어지지 않았으며,[1] 이는 잠재적인 획기적인 과학적 발견을 제공한다.[21]

4. 3. 창어 4호 착륙선 및 위투 2호 로버

창어 3호의 설계를 기반으로 제작되었으며, 총 착륙 질량은 1200kg이다. 착륙선과 ''위투 2'' 로버는 모두 긴 달 밤 동안 하위 시스템을 가열하기 위해 방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)을 갖추고 있으며,[43] 전력은 태양 전지판으로 생성된다.

착륙 후 착륙선은 ''위투 2'' 로버(문자 그대로: "옥토끼")를 달 표면에 배치하기 위해 램프를 펼쳤다.[34]

창어 4호 착륙선과 ''위투 2'' 로버 배치를 위해 설계된 램프


로버의 크기는 1.5 × 1.0 × 1.0 m이며 질량은 140kg이다. 중국 우주 기술 연구원에서 제작했으며 태양열을 사용하고 RHU로 가열되며,[43] 6개의 바퀴로 움직인다. 로버의 정상 작동 시간은 3개월이지만, 2013년 ''위투'' 로버의 경험을 바탕으로 로버 디자인이 개선되어 중국 엔지니어들은 로버가 "몇 년" 동안 작동할 수 있기를 희망하고 있다.[44] 2019년 11월 21일, ''위투 2''는 소련의 ''루노호트 1호'' 로버(1970년 11월 17일 ~ 1971년 10월 4일)가 보유했던 322 지구일의 달 수명 기록을 갱신했다.[45]

5. 과학 탑재체

창어 4호는 창어 3호와 달리 여러 국가의 과학 탑재체를 탑재했다. 여기에는 네덜란드의 저주파수 탐지기, 독일의 달 표면 뉴트론 및 방사선량 탐지기, 스웨덴의 중성원자 탐지기, 사우디아라비아의 소형 광학 이미징 탐지기가 포함된다.[49] 이러한 장비들을 통해 달 주위의 저주파수 전자기장 환경, 달 표면 입자를 연구하고, 달 토양 및 암석의 수분 함량을 분석할 수 있다.

창어 4호 임무는 달의 뒷면을 탐사하고, 프로그램 후기 단계에 필요한 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.[21] 과학 탑재체는 전파 천문학 연구와[46] 착륙 지점의 지구물리학 연구에 활용된다.[47][48]

5. 1. 중계 위성 (췌차오)



달의 뒷면에서는 달에 의해 전파가 차단되어 지구와의 직접적인 통신이 불가능하다. 통신은 착륙 지점과 지구를 모두 잘 볼 수 있는 위치에 배치된 통신 중계 위성을 거쳐야 한다. 중국 국가우주국(CNSA)은 달 탐사 프로그램의 일환으로, 2018년 5월 20일 '''Queqiao''' (鹊桥|췌차오중국어) 중계 위성을 지구-달 L2 주변의 헤일로 궤도에 발사했다.[29][30][31] 이 중계 위성은 창어 2호의 설계를 기반으로 하며,[32] 질량은 425kg이며, 4.2m 안테나를 사용하여 착륙선과 로버로부터 X 밴드 신호를 수신하여 S 밴드로 지구 제어국에 중계한다.[33]

이 우주선은 연료를 절약하기 위해 달 중력 보조를 사용하여 L2에 도달하는 데 24일이 걸렸다.[34] 2018년 6월 14일, ''Queqiao''는 최종 궤도 수정 연소를 마치고 달에서 약 65000km 떨어진 L2 헤일로 미션 궤도에 진입했다. 이는 이 위치에 있는 최초의 달 중계 위성이다.[1]

''Queqiao''("까치 다리")라는 이름은 중국 설화인 ''견우와 직녀''에서 영감을 받아 지어졌다.[29]

중계 위성은 전파 천문학을 수행하고 있으며,[46] 착륙선과 ''위투 2'' 로버는 착륙 지점의 지구물리학을 연구한다.[47][48] 과학 탑재체는 스웨덴, 독일, 네덜란드 및 사우디 아라비아의 국제 파트너가 부분적으로 제공한다.[49]

작은다리 중계 위성은 지구-달 L2 지점을 공전하는 헤일로 궤도에 배치되어 달 뒷면에 있는 착륙선과 지구 사이의 지속적인 통신 중계 역할을 하는 것이 주요 기능이다.[31][46]

''작은다리''는 2018년 5월 21일에 발사되었다. 이 위성은 달에 도달하기 위해 달 스윙바이 전이 궤도를 사용했다. 최초의 궤도 수정 기동(TCM) 후, 우주선은 제 위치에 놓였다. 5월 25일, ''작은다리''는 L2 근처에 접근했다. 여러 번의 작은 조정을 거쳐, ''작은다리''는 6월 14일에 L2 헤일로 궤도에 진입했다.[50][51]

또한, 이 위성은 탐사되지 않은 80kHz~80MHz의 전파 영역에서 천체물리학 연구를 수행하는 '''네덜란드-중국 저주파 탐사기'''('''NCLE''')를 탑재하고 있다.[52][53] 이는 라드보드 대학교와 중국 과학원에서 개발했다. 궤도선의 NCLE와 착륙선의 LFS는 저주파(0.1–80 MHz) 전파 천문 관측을 수행하는 데 시너지를 발휘한다.[1]

5. 2. 착륙선


  • 착륙 카메라(LCAM): 우주선의 하단에 장착된 이 카메라는 달 표면 12km 상공에서 비디오 스트림을 생성하기 시작했다.[1]
  • 지형 카메라(TCAM): 착륙선 상단에 장착되어 360° 회전이 가능하며, 달 표면과 로버를 고화질로 촬영하는 데 사용된다.[1]
  • 저주파 분광계(LFS): 태양 전파 폭발을 0.1~40 MHz 주파수에서 연구하고 달의 전리층을 연구한다.[1]
  • 달 착륙선 중성자 및 선량계(LND): 독일 킬 대학교에서 개발한 (중성자) 선량계이다.[70] 이는 달의 미래 유인 탐사를 위한 방사선 선량 측정에 대한 정보를 수집하고, 태양풍 연구에 기여할 것이다.[54][55] 달 표면의 방사선량은 우주 비행사가 국제 우주 정거장에서 경험하는 것보다 2~3배 더 높다는 것을 보여주었다.[56][57]

5. 3. 로버 (위투 2호)



창어 4호 착륙선과 로버 디자인은 창어 3호와 ''위투'' 로버를 모델로 했다. 창어 4호는 창어 3호의 백업으로 제작되었으며,[41] 임무 경험과 결과를 바탕으로 새로운 임무 특성에 맞게 개조되었다.[42]

''위투 2'' 로버 (문자 그대로: "옥토끼")는 1.5 × 1.0 × 1.0 m 크기이며 질량은 140kg이다. 중국 우주 기술 연구원에서 제작했으며 태양열을 사용하고 방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)으로 가열되며,[43] 6개의 바퀴로 움직인다. 로버의 정상 작동 시간은 3개월이지만, 2013년 ''위투'' 로버의 경험을 바탕으로 로버 디자인이 개선되어, 중국 엔지니어들은 로버가 "몇 년" 동안 작동할 수 있기를 희망하고 있다.[44] 2019년 11월 21일, ''위투 2''는 소련의 ''루노호트 1호'' 로버 (1970년 11월 17일 ~ 1971년 10월 4일)가 보유했던 322 지구일의 달 수명 기록을 갱신했다.[45]

''위투 2'' 로버에는 다음 장비들이 탑재되어 있다.

  • 파노라마 카메라 (PCAM): 로버 마스트에 설치되어 360° 회전이 가능하다. 420 nm ~ 700 nm의 스펙트럼 범위를 가지며, 양안 시차를 통해 3D 이미지를 획득한다.[69]
  • 달 관통 레이더 (LPR): 탐사 깊이가 약 30m이며 수직 해상도가 30cm, 100m 이상이며 수직 해상도가 10m인 지표 투과 레이더이다.[1]
  • 가시광선 및 근적외선 영상 분광기 (VNIS): 영상 분광법을 통해 표면 물질과 대기 미량 기체를 식별한다. 스펙트럼 범위는 가시광선에서 근적외선 파장 (450 nm - 950 nm)까지이다.
  • 고성능 중성자 분석기 (ASAN): 스웨덴 우주물리 연구소(IRF)에서 제공하는 에너지 중성자 분석기이다. 태양풍이 달 표면과 어떻게 상호 작용하는지 보여주며, 달의 물 형성을 뒷받침하는 과정을 결정하는 데 도움이 될 수 있다.[70]

6. 달 미세 생태계 실험

창어 4호는 달 탐사 로봇(로버) 광밍을 통해 달 토양에 식물을 심는 실험을 진행했다. 이는 국제우주정거장(ISS)에서 식물을 키운 적은 있지만, 달에서 식물을 키우는 세계 최초의 시도였다.[1]

무게 3kg의 밀폐된 생물권 실린더는 길이 18cm, 직경 16cm로, 식물과 곤충이 함께 자랄 수 있는지 확인하기 위해 씨앗과 곤충 알을 포함했다.[1] 실험에는 목화 씨앗, 감자, 유채, 애기장대, 효모, 초파리 알 등 6가지 유기체가 포함되었다.[59][60][61] 낮은 달 중력과 방사선을 제외하고는 지구와 유사하게 용기 내부 환경을 유지했다.[62]

파리 알이 부화하면 애벌레가 이산화탄소를 생성하고, 발아된 식물은 광합성을 통해 산소를 방출하여 식물과 초파리가 간단한 상호작용을 할 수 있을 것으로 기대되었다. 효모는 이산화탄소와 산소를 조절하고, 파리와 죽은 식물의 폐기물을 분해하여 곤충에게 추가 식량을 제공한다.[1] 이 실험은 중국 28개 대학이 설계했다.[63]

'''결과''': 2019년 1월 3일 착륙 후 몇 시간 안에 생물권 온도를 24°C로 조절하고 씨앗에 물을 주었다. 2019년 1월 15일, 목화, 유채, 감자 씨앗이 발아했지만, 목화 씨앗 이미지만 공개되었다.[1] 그러나 1월 16일, 달의 밤이 시작되면서 외부 온도가 -52°C로 떨어져 실험이 종료되었다.[67] 실험은 계획된 100일 대신 9일 만에 종료되었지만, 가치 있는 정보를 얻었다.[1][68]

7. 착륙 지점

창어 4호는 2019년 1월 3일 오전 11시 26분(한국 시간)에 달의 뒷면에 있는 남극 에이트켄 분지의 폰 카르만 크레이터에 착륙했다.[27] 이는 세계 최초의 달 뒷면 착륙이다.[75]

폰 카르만 크레이터는 직경 180km이며, 달의 극지방-에이킨 분지 내에 있다.[72][73] 이 지점은 아직 탐사되지 않은 달의 뒷면이며, 상징적, 과학적 가치를 지닌다. 중국 우주 프로그램의 창시자인 첸쉐썬의 박사 과정 지도교수가 테오도르 폰 카르만이었기 때문이다.[74]

착륙선의 월면 좌표는 동경 177.5991°, 남위 45.4446°이며, 고도는 -5935m이다.[77][78] 착륙 지점은 2019년 2월에 톈허 기지로 명명되었다.[79]


8. 운영 및 결과

2019년 5월, 창어 4호는 지표면에서 맨틀 암석으로 추정되는 물질을 확인했다고 보고되었다.[85][86][87]

2020년 1월, 중국은 창어 4호의 착륙선과 로버에서 얻은 대량의 데이터와 고해상도 이미지를 공개했다.[88] 같은 해 2월, 중국 천문학자들은 위투 2호 로버에 탑재된 달 관통 레이더(LPR)를 이용해 달의 뒷면을 연구하여 얻은 달 분출 시퀀스의 고해상도 이미지와 내부 구조에 대한 분석 결과를 처음으로 발표했다.[89][90]

9. 국제 협력

창어 4호는 2011년 의회 금지령 이후 미국과 중국 간의 첫 번째 주요 우주 탐사 협력 사업으로 기록된다. 양국 과학자들은 착륙 전에도 정기적으로 연락을 주고받았다.[91] NASA의 달 정찰 궤도선(LRO)은 착륙 당시 탐사선의 로켓 배기가스에 의해 달 표면에서 날아오르는 기체와 입자를 관측하여 결과를 이론적 예측과 비교하는 논의를 진행했으나, 당시 적절한 위치에 있지 않아 관측을 수행하지는 못했다.[92] 미국은 중국 과학자들에게 달 궤도에 있는 자국의 위성에 대한 정보를 제공했으며, 중국은 미국 과학자들에게 창어 4호의 착륙 경도, 위도 및 시기를 공유했다.[93]

중국은 향후 미국의 달 탐사 임무에 창어 4호 탐사선과 췌차오 중계 위성을 사용하도록 해달라는 NASA의 요청에 동의했다.[94]

10. 국제적 반응

NASA 국장 짐 브라이든스틴은 창어 4호의 임무 성공을 "인상적인 성과"라 칭하며 중국에 축하를 전했다.[95]

스웨덴 우주물리 연구소의 마틴 비저(창어에 탑재된 기기 중 하나의 수석 연구원)는 "우리는 궤도 이미지와 위성으로 달의 뒷면을 알고 있지만, 표면에서는 알지 못한다. 그곳은 미지의 영역이며, 그것이 매우 흥미로운 이유이다."라고 말했다.[96]

11. 비용

정확한 금액은 밝혀지지 않았지만, 부 프로젝트 디렉터에 따르면 "전체 임무의 비용은 지하철 1km를 건설하는 비용과 비슷하다."[71] 중국 지하철의 킬로미터당 비용은 건설 난이도에 따라 5억위안 (약 7200만달러)에서 12억위안 (약 1.72억달러)까지 다양하다.[71]

참조

[1] 웹사이트 China says it will launch 2 robots to the far side of the Moon in December on an unprecedented lunar exploration mission https://www.business[...] Business Insider 2018-08-16
[2] 웹사이트 Chang'e 3, 4 (CE 3, 4) http://space.skyrock[...] Gunter's Space Page
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