다누리 (우주선)

1. 개요

다누리는 대한민국 최초의 달 탐사 궤도선으로, 2022년 5월 23일 명칭이 공식 발표되었다. 2007년부터 시작된 대한민국의 달 탐사 계획에 따라, 2022년 8월 5일 미국 플로리다주 케이프커내버럴 우주군 기지에서 스페이스X의 팰컨 9 로켓에 실려 발사되었다. 다누리는 탄도형 달 전이 궤도를 사용하여 2022년 12월 16일 달 궤도에 진입했으며, 6개의 과학 장비를 탑재하고 있다. 주요 임무는 달 착륙 후보지 조사, 달 극지방의 물 존재 가능성 탐색, 우주 인터넷 시험 등이며, 1년의 임무 수명 동안 아르테미스 계획에도 참여할 예정이다.

2. 명칭

2022년 5월 23일, 대한민국 과학기술정보통신부는 한국형 달 궤도선(시험용 달 궤도선)의 이름을 다누리로 공식 명명했다. 다누리는 달을 의미하는 순우리말 달과 '누리다'를 의미하는 누리다의 혼성어이다. 과학기술정보통신부에 따르면 이 이름은 대한민국 최초의 달 탐사 임무 성공에 대한 큰 기대와 열망을 담고 있다.

3. 역사

대한민국의 달 탐사선 계획은 2007년에 처음 구상되었으나, 구체적인 검토는 2016년부터 시작되었다. 2012년, 당시 박근혜 대통령은 대한민국의 달 탐사선을 2017년에 발사할 예정이라고 발표했지만, 계획은 이후 변경되었다.

2014년 7월, 대한민국의 우주 개발 전담 기관인 한국항공우주연구원(KARI)은 미국 항공 우주국(NASA)과 달 궤도선 타당성 연구를 함께 수행하며 달 탐사 협력을 확보했다. 이후 2016년 12월, 양 기관은 정식 협약을 체결하여 NASA가 과학 탑재체 1개 제공, 통신·항법·미션 설계 지원뿐만 아니라 한국 측 과학팀 지원을 위한 연구자 9명 임명 등 다누리 임무 전반에 걸쳐 협력하기로 했다.

한편, 대한민국 정부는 인도 정부와도 달 탐사 분야 협력을 모색했다. 2019년 2월 서울에서 열린 정상회담에서 문재인 대통령은 인도의 발사체 기술 협력 필요성을 언급했고, 나렌드라 모디 인도 총리는 인도의 찬드라얀 프로젝트에 대한민국이 참여해 줄 것을 제안했다. 그러나 인도와의 협력은 구체적인 합의에는 이르지 못하고 협의 단계에 머물렀다. 참고로 인도는 찬드라얀 1호와 찬드라얀 2호 등을 통해 달 탐사를 진행해왔다.

발사 일정은 여러 차례 조정되었다. 박근혜 정부에서 2017년으로 계획되었던 발사 시기는 문재인 정부 출범 이후 2020년으로 한 차례 연기되었고, 2019년에는 다시 2022년으로 연기되었다.

다누리 발사는 한국 달 탐사 프로그램(KLEP)의 1단계에 해당한다. 이 프로그램은 대한민국의 기술 역량 개발 및 향상, 달 자원 탐사 및 지도 작성, 미래 우주 기술 시험 등을 목표로 한다. 1단계인 다누리(KPLO) 궤도선 발사 이후, 2단계에서는 2032년까지 나로우주센터에서 한국형 발사체(KSLV-3)를 이용해 달 궤도선, 달 착륙선, 20kg급 로버를 함께 발사할 계획이다.

4. 계획 변경

대한민국의 달 탐사선은 2007년에 처음 구상되었지만, 구체적인 검토는 2016년부터 시작되었다. 박근혜 정부 시절인 2012년에는 2017년 발사를 목표로 했으나, 문재인 정부 출범 후 발사 시기는 2020년으로 한 차례 변경되었다.

2019년 9월, 계획은 다시 변경되어 발사 목표 시기는 당초 계획보다 19개월 지연된 2022년 7월로 연기되었다. 이 변경에 따라 궤도선의 무게는 550kg에서 678kg으로 늘어났고, 개발비는 당초 계획했던 1978에서 167이 증가했다. 반면, 달 궤도에서의 비행 기간은 12개월에서 8개월로 줄어들었다.

발사체 또한 변경되었다. 원래 550kg이라는 무게는 한국형 발사체로 발사하기 위한 최대 한계치였으나, 미국의 스페이스X 사가 개발한 팰컨 9 로켓으로 발사하기로 결정되었다. 팰컨 9을 이용할 경우 달 탐사선의 무게 제한이 사실상 없어지며, 팰컨9 블록5는 지구 저궤도에 22.8톤, 화성에는 4.02톤의 탑재체를 보낼 수 있는 성능을 가졌다.

계획 변경과 함께 궤도 방식도 달 궤도 전이(Ballistic Lunar Transfers, BLT) 방식으로 수정되었다. 이는 저에너지 전이 방식의 일종으로, 기존에 고려했던 단계적 루프 트랜스퍼(Phasing Loop Transfer, PLT) 방식보다 연료를 약 25% 절감할 수 있다. 이를 통해 계획보다 늘어난 위성 무게에도 불구하고 달 상공에서의 임무 기간 1년을 유지할 수 있게 되었다. 다만, 이 방식은 비행 거리가 기존 방식보다 약 4배 늘어나는 특징이 있다. BLT 방식은 1990년 일본 최초의 달 탐사선인 제13호 과학위성 히텐이 성공적으로 사용한 바 있다. BLT 궤도는 지구에서 태양 방향으로 다누리를 발사한 뒤, 태양 중력에 이끌려 가속하다가 지구와 태양 간 중력이 상쇄되는 라그랑주 점 L1 지점에서 방향을 틀어 지구와 달의 중력에 의해 다시 지구 쪽으로 돌아오면서 달과 만나는 방식으로 이루어진다.

최종적으로 다누리는 2022년 8월 5일 미국 스페이스X의 팰컨 9에 실려 성공적으로 발사되었으며, 도착일은 같은 해 12월 16일이다. 이후 초기 시험을 거쳐 2023년 2월부터 임무를 시작했다. 최종적으로 다누리 임무에 투입된 총 탐사 비용은 2333으로, 이는 당초 계획보다 355억 원 증가한 금액이다.

한편, 대한민국은 달 탐사 계획을 추진하며 국제 협력도 진행했다. 2014년 7월, 미국 항공 우주국(NASA)과 달 탐사 협력에 합의하여, NASA로부터 임무 계획 수립, 통신 및 항법 기술 지원을 받게 되었다. 또한 NASA는 한국 측 과학 연구팀을 지원하기 위해 9명의 연구자를 임명하기도 했다. 인도 정부와도 달 탐사 분야 협력을 모색했지만, 이는 구체적인 합의에는 이르지 못하고 협의 단계에 머물렀다.

5. 발사

2022년 7월 7일, 다누리는 특수 컨테이너에 실려 한국항공우주연구원을 출발하여 항공편으로 미국 플로리다주의 케이프커내버럴 우주군 기지에 도착했다. 연구진은 약 한 달 동안 통신 상태와 추진체를 점검하며 발사를 준비했다. 스페이스X의 팰컨 9 발사체는 KST 기준 2022년 8월 4일 오전 11시 15분에 발사대에 기립했다. 당시 한국 자체 발사체인 누리의 성능으로는 다누리를 달까지 보내기에는 역부족이었기 때문에, 미국의 팰컨 9 로켓을 이용하게 되었다.

다누리는 KST 기준 2022년 8월 5일 오전 8시 8분 (현지 시각 8월 4일 오후 7시 8분), 케이프커내버럴 우주군 기지에서 팰컨 9 로켓에 실려 성공적으로 발사되었다. 이는 당초 2018년 12월로 계획되었던 발사 일정에서 연기된 것이다.

발사 약 40분 뒤 다누리는 팰컨 9 로켓에서 분리되었고, 추가로 5분 후 탄도형 달 전이(BLT, Ballistic Lunar Transfer) 궤적에 성공적으로 진입했다. 다누리는 전용 팰컨 9 임무로 발사되었기 때문에, 발사체 2단과 함께 직접 지구 탈출 궤도로 진입하여 태양 중심 궤도에 들어섰다. 과학기술정보통신부는 다누리가 KST 기준 발사 당일 오전 9시 40분경 호주 캔버라에 위치한 지상국 안테나와 첫 교신에 성공했다고 발표했다.

BLT 궤적을 이용함에 따라, 다누리는 약 135일간의 항행 끝에 2022년 12월 16일(UTC) 달 궤도 진입에 성공했다. 이로써 대한민국은 소련, 미국, 일본, 유럽, 중국, 인도, 이스라엘에 이어 달 탐사에 성공한 국가가 되었다. 궤도 진입 후, 다누리는 타원 궤도의 이심률을 원형에 가깝게 줄이기 위해 여러 차례의 위상 연소(phasing burn)를 수행하여 최종 목표인 저고도 달 궤도에 도달하게 된다.

우주선의 주 추진은 4개의 30 뉴턴 추력기가 담당하며, 자세 제어를 위해 4개의 5 뉴턴 추력기를 사용한다.

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※ 범례: 파랑 - 지구, 분홍 - 다누리, 라임 - 달, 하늘색 - L₁ 지점

6. BLT 궤도

2019년 9월, 다누리의 계획이 변경되면서 궤도선 무게가 기존 550kg에서 678kg으로 늘어나고 발사체도 한국형 발사체에서 미국 스페이스X의 팰컨 9으로 변경되었다. 이에 따라 달까지 가는 궤도 역시 기존의 단계적 루프 트랜스퍼(Phasing Loop Transfer, PLT) 방식 대신 탄도형 달 전이(Ballistic Lunar Transfers, BLT) 방식을 채택하게 되었다. BLT 방식은 연료를 약 25% 절감할 수 있어, 늘어난 위성 무게에도 불구하고 달 상공에서의 임무 기간 1년을 유지할 수 있게 해주지만, 비행 거리는 PLT 방식보다 약 4배 늘어난다. BLT는 저에너지 전이 방식의 궤도로, 1990년 일본 최초의 달 탐사선 히텐이 이 방식을 사용한 바 있다.

BLT 궤적은 다음과 같다. 지구에서 태양 방향으로 발사된 다누리는 태양 중력에 이끌려 가속된다. 이후 지구와 태양 간의 중력이 서로 상쇄되는 라그랑주 점 L1 지점에서 방향을 전환하여, 지구와 달의 중력에 이끌려 다시 지구 쪽으로 되돌아오다가 지구를 공전하는 달과 만나 달 궤도에 진입한다.

다누리는 2022년 8월 5일(한국 시각) 팰컨 9 발사체에 실려 발사되었으며, 전용 발사 임무였기 때문에 팰컨 9의 2단 로켓이 재점화하여 다누리를 직접 지구 탈출 궤도에 올려놓아 태양 중심 궤도로 진입시켰다. BLT 궤도를 이용한 다누리는 약 135일간의 항행 끝에 2022년 12월 17일(한국 시각) 달 궤도 진입에 성공했다. 달 궤도 진입 후에는 타원 궤도의 이심률을 점차 줄여 원형의 저달 궤도에 안착하기 위해 여러 차례의 궤도 수정 기동(위상 연소)을 수행한다. 이는 다누리의 초기 계획이었던, 지구를 최소 세 번의 고타원 궤도로 공전하며 속도와 고도를 높여 탈출 속도에 도달한 뒤 달 전이 궤도 진입을 시작하는 방식과는 다르다. 탐사 비용은 당초 계획(1978억 원)에서 355억 원이 추가되어 총 233.3으로 늘었다.

우주선의 주 추진은 4개의 30 N 추력기가 담당하며, 자세 제어(방향 전환)에는 4개의 5 N 추력기가 사용된다.

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애니메이션 범례: 파란색-지구, 자홍색-다누리, 라임색-달, 하늘색-L1 지점

7. 달 궤도 진입

2022년 6월 처음 발사에 성공한 한국의 국산 로켓 누리의 발사 능력으로는 다누리를 달로 보내기에는 부족했기 때문에, 미국의 팰컨 9 로켓을 사용하여 플로리다주의 케이프커내버럴 우주군 기지에서 발사되었다. 2022년 8월 4일, 다누리는 팰컨 9 발사체에 의해 성공적으로 발사되어 궤도에 올랐다. 다누리는 전용 팰컨 9 임무로 발사되었기에, 탑재체는 팰컨 9의 2단과 함께 두 번째 엔진 시동 또는 탈출 연소를 위해 2단이 재점화되면서 지구 탈출 궤도로 직접 진입하여 태양 중심 궤도에 들어섰다.

다누리는 달 궤도로 이동하기 위해 탄도형 달 전이 (BLT, Ballistic Lunar Transfer) 방식을 사용했다. 이 방식은 이전 계획이었던, 지구를 최소 세 번의 고타원 궤도로 공전하며 속도와 고도를 높여 탈출 속도에 도달하고 달 전이 궤도 진입을 시작하는 방식에서 변경된 것이다. BLT 방식을 사용함에 따라, 다누리는 발사 후 약 135일이 지난 2022년 12월 16일 (UTC) 달 궤도 진입을 시작했다. 우주선의 주 추진 방식은 4개의 30-뉴턴 추력기이며, 자세 제어 (방향)를 위해 4개의 5-뉴턴 추력기를 사용한다.

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2022년 12월 17일 오전 2시 45분, 다누리는 달 임무 궤도 진입을 위한 1차 진입 기동(LOI, Lunar Orbit Insertion)을 성공적으로 수행했다. LOI는 다누리를 목표한 달 고도 100km의 임무 궤도에 안착시키기 위해 탐사선의 속도를 줄이는 기동이다. 이후 다누리는 타원 궤도의 이심률을 원형에 가깝게 줄이기 위해 여러 차례의 위상 연소를 수행하여 최종적으로 낮은 달 궤도에 도달하게 된다.

2022년 12월 26일, 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 다누리가 목표했던 달 임무 궤도에 성공적으로 진입했다고 공식 발표했다. 이로써 한국은 구 소련, 미국, 일본, 유럽, 중국, 인도, 이스라엘에 이어 8번째로 달 탐사에 성공한 국가가 되었다.

8. 임무 수명

다누리의 공식 임무 수명은 1년이다. 하지만 탑재된 연료가 충분히 남아 있을 경우, 임무 기간을 연장하여 운영할 가능성이 있다. 다누리의 운명은 정상 운영 종료 6개월 전인 2023년 7월 결정될 예정이었다.

다누리는 2023년 1월 시운전을 거친 후, 같은 해 2월부터 본격적인 임무 수행에 들어갔다. 달 궤도를 하루에 12번씩 공전하며 1년 동안 다양한 과학 탐사 임무를 수행한다. 총 중량 678kg인 다누리에는 고해상도 카메라를 비롯한 여러 관측 장비가 탑재되어 있다.

나사(NASA)의 달 정찰 인공위성(LRO)은 2009년 발사 후 3년 임무를 계획했으나, 이후 동결 궤도에 진입하여 2022년 현재까지 임무를 수행하고 있다.

9. 아르테미스 계획

미국의 아르테미스 계획에 따라, 다누리는 달 착륙 후보지의 기초 자료를 수집하는 임무를 수행한다.

다누리에 탑재된 섀도캠(ShadowCam)은 미국항공우주국(NASA)과의 달 탐사 협력의 상징이다. 섀도캠은 NASA가 제공한 고성능 카메라로, 애리조나 주립 대학교와 Malin Space Science Systems^영어가 개발했다. 이 카메라는 해상도 1.7m로 달의 남북극 지역에 있는 영구음영지역(PSR, Permanent Shadow Region)을 촬영한다. 달의 영구음영지역은 1년 내내 햇빛이 거의 들지 않아 얼음 형태의 물이 존재할 가능성이 있는 곳으로, 달의 마지막 미탐사 지역으로 꼽힌다. 섀도캠은 달 정찰 궤도선(LRO)에 탑재된 카메라(NAC)보다 200배 이상 감도가 높아 영구음영지역 내부의 세부적인 모습을 포착할 수 있으며, 이 지역의 반사율을 측정하여 얼음 퇴적물의 증거를 찾고, 계절적 변화를 관찰하며, 크레이터 내부 지형을 측정하는 임무를 맡았다. 이를 통해 미국의 달 극지역 착륙 임무(아르테미스 미션)를 위한 착륙 후보지의 기초 자료를 확보하고, 물을 포함한 자원의 존재 여부를 탐색하게 된다. 섀도캠이 처음 공개한 이미지는 섀클턴 크레이터의 벽과 바닥을 상세히 보여주었다.

NASA는 다누리 임무 지원을 위해 70m급 안테나를 포함한 심우주통신망을 무상으로 제공하여 24시간 추적을 돕는다.

2024년 5월로 예정된 아르테미스 2 미션은 우주 발사 시스템(SLS) 블록1 로켓에 실린 오리온 (우주선)을 타고 4명의 우주비행사가 달에 착륙하는 것을 목표로 하며, 이 착륙 후보지 조사를 다누리가 수행한다.

10. 과학 탑재체

다누리 임무의 주요 목표는 대한민국의 지상 및 우주 기술 역량을 강화하고 "국가 브랜드 가치와 국가적 자긍심을 높이는" 것이다. 구체적인 기술적 목표는 다음과 같다.
* 달 탐사를 위한 핵심 기술 개발
* 향후 달 착륙 후보지 선정 지원 및 물 얼음, 우라늄, 헬륨-3, 규소, 알루미늄과 같은 달 자원 조사를 위한 지형도 제작
* 새로운 우주 기술 개발 및 검증

달 과학적 관점에서, 달에서의 물 순환을 이해하는 것은 지도 제작과 활용에 매우 중요하다. 태양풍의 양성자는 달 토양에 풍부하게 존재하는 산화철과 반응하여 수산기 이온(OH⁻)을 생성할 수 있다. 이 수산기 이온은 추가적인 양성자를 포획하여 물(H₂O)을 형성한다. 이렇게 생성된 수산기와 물 분자는 아직 명확히 밝혀지지 않은 과정을 통해 달 표면 전체로 이동하며, 태양 복사로부터 보호되는 영구 음영 지역에 축적되는 것으로 추정된다.

다누리(우주선)는 총 질량 약 40kg의 6개의 과학 장비를 탑재하고 있다. 이 중 5개 장비는 대한민국 내 연구기관 및 대학에서 개발되었고, 1개는 NASA에서 제공했다. 각 탑재체의 상세한 정보는 하위 문단에서 설명한다.

10.1. 한국 개발 탑재체

* 달 표면 영상 기록기 (LUTI): 한국형 달 탐사선의 착륙 예상 지역과 특정 목표 지역을 5m 미만의 고해상도로 촬영할 예정이다. 한국항공우주연구원에서 개발했다.
* 광시야 편광 카메라 (PolCam): 극지방을 제외한 달 전체 표면의 편광 영상을 중간 해상도로 획득하여 달 토양의 상세한 특성을 조사할 예정이다. 이 이미지를 이용해 착륙 후보지를 선정하고, 달 표면 물질의 종류와 입자 크기를 파악하는 데 활용된다. 한국천문연구원에서 개발했다.
* KPLO 자력계 (KMAG): 달 표면에서 약 100km 상공까지의 자기장 세기를 초고감도 센서로 측정하는 자력계이다. 경희대학교에서 개발했다.
* KPLO 감마선 분광기 (KGRS): 10 keV에서 10 MeV 에너지 범위의 감마선을 측정하여 달 표면 물질의 화학적 조성과 공간 분포를 파악하는 감마선 분광기이다. 한국지질자원연구원에서 개발했다.
* 지연 내성 네트워킹 실험 (DTNPL): 행성간 인터넷의 한 방식인 지연-내성 네트워크(DTN) 통신 실험을 수행하는 장비이다. 한국전자통신연구원에서 개발했다.

10.2. NASA 개발 탑재체

미국 NASA와의 협약에 따라 탑재된 유일한 외국 개발 장비는 섀도캠(ShadowCam^영어)이다. 섀도캠은 물 얼음의 증거를 찾기 위해 달 표면의 영구 음영 지역(PSR) 내 반사율을 정밀하게 측정하고 지도화하는 것을 목표로 하는 고감도 광학 카메라이다.

섀도캠은 애리조나 주립 대학교와 Malin Space Science Systems^영어의 과학자들이 개발했으며, 무게는 약 7kg이다. 이 장비는 달 정찰 인공위성(LRO)에 탑재된 카메라(LROC NAC)를 기반으로 제작되었지만, 영구 음영 지역의 극한 어둠 속에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있도록 감도를 200배 이상 향상시켰다. 공간 해상도는 픽셀당 1.7m 수준으로 매우 상세한 관측이 가능하다.

섀도캠의 주요 과학 임무는 다음과 같다.
* 영구 음영 지역의 알베도(표면 반사율) 분포를 상세히 측정하여 얼음이나 서리 등의 존재 가능성을 탐색한다.
* 일부 극지방 크레이터에서 관측된 비정상적인 레이더 신호의 원인이 고순도 얼음인지, 혹은 다른 암석 퇴적물인지 규명한다.
* 영구 음영 지역 내 물질 분포의 계절적 변화 여부를 확인하기 위해 주기적인 관측을 수행한다.
* 향후 달 착륙 임무 수행 시 안전한 착륙 지점 선정과 탐사 활동에 필요한 지형 및 위험 정보를 제공한다.
* 영구 음영 지역의 미세 지형을 정밀하게 촬영하여, 지구의 영구 동토 지대와 유사한 지질 활동의 흔적이 있는지 조사한다.

섀도캠이 궤도에서 촬영하여 처음 공개한 이미지는 달 남극 근처 섀클턴 크레이터의 영구 음영 지역 내부 벽과 바닥을 놀랍도록 선명하게 보여주었다.

NASA가 타국의 탐사선에 관측 장비를 제공하는 것은 이번이 처음은 아니다. 과거 인도의 첫 달 탐사선 찬드라얀 1호에도 Moon Mineralogy Mapper^영어라는 관측 장비를 제공한 바 있다.

11. 우주 인터넷

우주 인터넷 기술 시험을 위해 다누리는 2022년 11월 7일, 과학기술정보통신부, 한국항공우주연구원(KARI), 한국전자통신연구원(ETRI)으로 방탄소년단의 "Dynamite" 뮤직비디오를 포함한 여러 영상 파일과 사진을 우주에서 지구로 성공적으로 전송했다.

12. 성과

2022년 8월 4일, 미국 플로리다주의 케이프커내버럴 우주군 기지에서 팰컨 9 로켓을 이용하여 성공적으로 발사되었다. 발사 약 4개월 만에 달 궤도에 성공적으로 진입했다. 이로써 대한민국은 옛 소련, 미국, 일본, 유럽, 중국, 인도, 이스라엘에 이어 달 궤도선 발사에 성공한 국가가 되었다.