딥 스페이스 2호

1. 개요

딥 스페이스 2호는 NASA의 뉴 밀레니엄 프로그램의 일환으로 개발된 화성 탐사선으로, 화성 표면에 고속으로 충돌하는 관통 탐사선의 기술 검증을 목표로 했다. 1999년 1월 3일, 델타 II 발사체에 실려 화성 극지 탐사선과 함께 발사되었으며, 각 탐사선에는 화성 대기, 표면, 지하를 분석하기 위한 다양한 과학 장비가 탑재되었다. 화성 남극 지역에 도착한 후, 딥 스페이스 2호는 표면에 충돌하여 토양을 관통하도록 설계되었으나, 착륙 후 통신이 두절되어 임무는 실패했다. 실패 원인은 명확히 밝혀지지 않았으며, 이후 유럽 우주국의 MARSIS 레이더를 통해 딥 스페이스 2호의 탐사 목표였던 남극 평원에서 물의 존재가 확인되었다.

2. 임무 개요

딥 스페이스 2호는 "화성 마이크로프로브(Mars Microprobe)"라고도 불리며, NASA 뉴 밀레니엄 프로그램 하에 개발된 두 번째 우주선으로, 우주 임무를 위한 첨단 기술 개념을 시험 비행했다. 이 프로그램의 목적은 "미래의 위험을 줄이기 위해 위험을 감수한다"는 모토로 고위험 기술 시연을 하는 것이었다. 이 프로젝트는 파사데나에 있는 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)가 주도하고 운영했으며, 애리조나 대학교(The University of Arizona), 뉴멕시코 주립 대학교, 북부 애리조나 대학교, 공군 연구소(Air Force Research Laboratory) 등에서 기여했다.

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딥 스페이스 2호 임무는 행성 탐사에 일반적으로 사용되는 탐사선처럼 연착륙을 위해 속도를 줄이는 대신, 고속으로 행성에 충돌하는 관통 탐사선의 개념에 대한 공학적 검증을 수행하는 것이었다. 관통 탐사선 개념은 잠재적으로 저비용 접근 방식이며, 연구 대상 행성(이 경우 화성)의 지하에 접근할 수 있다는 장점이 있다.

주된 목표는 기술 검증이었지만, 탐사선은 또한 화성에서 과학적 분석을 위한 목표를 가지고 있었다. 이러한 목표는 "1) 전체 대기 기둥 전체의 대기 밀도, 압력 및 온도를 도출하고, 2) 토양의 경도를 특성화하고 수십 센티미터 규모의 층의 존재 가능성을 조사하고, 3) 지하 토양에 얼음이 있는지 확인하고, 4) 깊이에서 토양의 열전도율을 추정하는 것"이었다. 이러한 탐사선의 궁극적인 목표는 "기존의 가정 하에 단일 착륙에 필요한 자원 이상을 사용하지 않고 행성 주변에 네트워크를 배치하는 것"이었다.

이 탐사선은 1999년 1월 3일, 델타 II 7425 발사체를 사용하여 화성 극지 탐사선(Mars Polar Lander)과 함께 발사되었다.

3. 탐사선 설계

각 탐사선은 2.4kg 무게로, 에어로쉘에 담겨 보호되었다. 이들은 화성 극지 착륙선에 실려 화성으로 보내졌다. 1999년 12월 3일 화성 남극 근처에 도착했을 때, 농구공 크기의 쉘은 주 우주선에서 분리되어 대기 속으로 낙하, 시속 이상의 속도로 행성 표면에 충돌했다.

3.1. 구성 요소

각 탐사선은 2.4kg 무게로, 에어로쉘에 담겨 보호되었다. 탐사선들은 화성 극지 착륙선에 실려 화성으로 보내졌다.

1999년 12월 3일, 탐사선은 화성 남극 근처에 도착했다. 농구공 크기의 쉘은 모선에서 분리되어 대기권으로 진입, 시속 179m/s 이상의 속도로 화성 표면에 충돌했다. 각 쉘은 충돌 시 파괴되도록 설계되었으며, 자몽 크기의 탐사선은 토양을 관통하며 두 부분으로 분리되었다. 전방부로 불리는 하부는 0.6m 깊이까지 토양 속으로 침투하도록 설계되었고, 주 과학 장비인 진화된 물 실험(Evolved Water Experiment) 장치가 탑재되었다. 후방부로 불리는 상부는 UHF 안테나를 통해 화성 궤도를 도는 화성 궤도 탐사선에 데이터를 전송하기 위해 지표면에 남도록 설계되었다. 화성 궤도 탐사선은 수집된 데이터를 지구로 중계하는 역할을 맡았다. 탐사선의 두 부분은 데이터 케이블로 연결되었다.

4. 과학 장비

딥 스페이스 2호의 각 탐사선에는 대기, 표면 및 지하를 분석하기 위한 5개의 과학 장비가 장착되어 있었다.

* 강하 가속도계: 강하 중 항력으로 인한 가속도를 측정하는 상업용 센서.
* 충격 가속도계: 화성 표면 충돌 시 예상되는 큰 가속도를 측정.
* 기상 센서: 착륙 지점의 대기압과 온도 데이터를 제공.
* 토양 열 전도도 온도 센서: 표면 아래에서 냉각 속도를 측정.
* 진화된 물 실험: 채취한 표본을 가열하여 증기를 분광 측정하는 주요 장비.

4.1. 주요 장비

딥 스페이스 2호의 각 탐사선에는 대기, 표면 및 지하를 분석하기 위한 5개의 과학 장비가 탑재되어 있었다.

* 강하 가속도계: 강하 중 항력으로 인한 가속도를 측정하기 위한 상업용 센서였다. 이 센서의 측정값은 탐사선의 속도 및 탄도 계수와 결합되어 화성 대기의 밀도 프로파일을 도출하는 데 사용될 수 있었다.
* 충격 가속도계: 화성 표면 충돌 시 예상되는 큰 가속도를 측정하기 위해 ±120,000g 범위를 갖도록 제작되었다.
* 기상 센서: 착륙 지점의 대기압과 온도 데이터를 제공한다. 탐사선 뒤쪽에 위치하여 충돌 후에도 표면 위에 유지되도록 설계되었다. 이 센서는 통신 장치에 의해 샘플링 및 기록되었으며, 마이크로컨트롤러가 충돌 중 고장 났을 경우에도 기상 데이터를 얻을 수 있도록 했다.
* 토양 열 전도도 온도 센서: 두 개의 백금 저항 온도 센서는 표면에 잠긴 후 선체 전방에서 냉각 속도를 측정한다.
* 진화된 물 실험: 선체 전방의 소형 표본 수집 시스템은 화성 레골리스를 가열 챔버로 가져온다. 그 후 표본을 가열하여 소형화된 튜닝 가능한 다이오드 레이저를 통해 생성된 증기를 분광 측정한다. 진화된 물 실험은 탐사선의 주요 장비였다.

5. 새로운 기술: 고충격 및 저온 전자 장치

딥 스페이스 2호 탐사선은 화성 표면에 충돌할 때 발생하는 극심한 가속도와 작동 중 겪게 될 저온을 견디기 위해 특수 전자 장치와 배터리를 사용했다. 전자 장치와 특수 전지는 모두 80,000g 정도의 충격과 -80°C까지의 작동 온도를 견딜 수 있어야 했다. 또한, 전방 본체와 후방 본체 간에 최대 30,000g의 가속도 차이가 발생할 수 있었다.

5.1. 배터리

JPL은 야드니 기술 제품(Yardney Technical Products)과 함께 예상되는 조건을 견딜 수 있도록 리튬-티오닐 클로라이드(LI-SOCl2) 화학 물질을 사용하는 2개의 비충전식 6-14V 전지로 구성된 배터리를 설계하였다. 배터리는 개발 과정에서 충격 테스트와 열 사이클 테스트를 거쳤다.

5.2. 전자 장치 패키징

JPL은 탐사선의 형태와 혹독한 생존 조건 때문에 탑재된 전자 장치를 고정하기 위해 새로운 기술을 사용했다. 여기에는 패킹 밀도를 개선하기 위한 칩 온 보드(COB) 기술이 포함되었다. 또한, 충격 시 변위될 전방 본체 관통 장치를 연결하기 위해 1미터 길이의 유연한 연결 케이블을 사용했다. 구조물이 생존할 수 있는지 확인하기 위해 발사 전에 기계적(비기능) 모델을 충격 테스트했다.

6. 임무 실패

탐사선은 화성 극지 탐사선 임무와 함께 화성에 도달했지만, 외견상 문제 없이 착륙했으나 충돌 후 통신이 두절되었다. 실패 원인은 알려지지 않았다.

6.1. 실패 원인 (추정)

화성 극지 탐사선과 함께 화성에 도착했지만, 겉보기에는 문제 없이 착륙했으나 충돌 후 통신이 두절되었다. 실패 원인은 알려지지 않았다.

실패 검토 위원회가 화성 극지 탐사선과 딥 스페이스 2호 탐사선의 실패에 대한 보고서를 작성하기 위해 소집되었다. 위원회는 실패의 유력한 원인을 밝히지는 못했지만, 몇 가지 가능한 원인을 제시했다.

* 탐사선 무선 장비가 충돌 시 생존할 가능성이 낮았다.
* 충돌 시 배터리가 고장났을 수 있다.
* 탐사선이 충돌 시 튕겨져 나왔을 수 있다.
* 탐사선이 옆으로 착륙하여 안테나 성능 저하나 무선 링크 기하학적 구조에 문제가 발생했을 수 있다.
* 탐사선이 생존하기에는 너무 암석이 많은 지면에 착륙했을 수 있다.

위원회는 탐사선과 그 구성 요소들이 발사 전에 적절하게 테스트되지 않았다고 결론내렸다.

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7. 실패 이후

화성 극지 탐사선과 딥 스페이스 2호의 실패 이후, 유럽 우주국(ESA)의 MARSIS 레이더가 남극 평원을 탐사했다.

7.1. MARSIS 레이더의 발견

화성 극지 탐사선과 두 대의 딥 스페이스 2호의 실패에도 불구하고, 탐사 목표였던 남극 평원은 수년 뒤 유럽 우주국(ESA)의 MARSIS 레이더에 의해 탐사되었다. MARSIS는 화성 궤도에서 해당 지역을 조사하고 분석했으며, 광대한 얼음 아래에 물이 존재한다는 것을 밝혀냈다. MARSIS에서 얻은 이미지들은 남극 평원 아래에서 발견된 물이 실제로는 염수임을 밝혀냈다.