루나 24호

1. 개요

루나 24호는 달 표면 샘플 채취를 위해 소련이 발사한 무인 우주선으로, 달의 질량 집중점인 위난의 바다 지역에서 샘플을 회수하는 세 번째 시도였다. 1976년 8월 바이코누르 우주 기지에서 발사되어 달 궤도 진입 후, 8월 18일 착륙에 성공했으며, 드릴을 이용해 토양 샘플을 채취하여 지구로 귀환했다. 루나 24호는 루나 계획의 마지막 탐사선이었으며, 170.1g의 토양 샘플을 회수하여 분석했고, 이 샘플 분석을 통해 달 표면에서 물의 존재 가능성이 제기되었다.

2. 임무

루나 24호는 달 표면의 위난의 바다에서 토양 샘플을 채취하여 지구로 귀환하는 임무를 수행했으며, 이는 두 번의 실패 후 세 번째 시도였다.

루나 24호는 달에 착륙하여 샘플을 채취하고 지구로 귀환했으며, 채취된 토양은 층상 구조를 보였다. 소련은 미국과 샘플을 교환하여 과학적 연구를 진행했다.

2.1. 임무 과정

루나 24호는 이전에 탐사된 적이 없는 거대한 달 표면 질량 집중점(mascon)인 위난의 바다 지역에서 샘플을 채취하여 지구로 가져오려는 세 번째 시도였다. 이전의 루나 23호와 1975년 10월의 발사 실패 이후 다시 시도된 임무였다.

1976년 8월 11일, 궤도 수정을 거친 루나 24호는 3일 후 달 궤도에 진입했다. 초기 궤도는 궤도 경사 120°에 115km x 115km 크기였다. 추가적인 궤도 변경을 거쳐, 루나 24호는 1976년 8월 18일 UTC 06:36에 루나 23호가 착륙했던 곳에서 멀지 않은 북위 12°45', 동경 62°12' 지점에 안전하게 착륙했다. 2012년 달 정찰 궤도선의 궤도 카메라를 통해 정확한 착륙 위치(북위 12.7145°, 동경 62.2097°)가 확인되었다.

지상 관제소의 명령에 따라, 착륙선은 샘플 채취 팔을 펼쳐 인근 토양에 약 2미터 깊이까지 드릴 헤드를 밀어 넣었다. 채취된 샘플은 작은 귀환 캡슐에 안전하게 보관되었다. 달에서 거의 하루를 보낸 후, 루나 24호는 1976년 8월 19일 UTC 05:25에 성공적으로 이륙했다.

순조로운 귀환 과정 중, 루나 24호의 캡슐은 지구 대기에 진입하여 1976년 8월 22일 UTC 05:55에 서부 시베리아의 수르구트 남동쪽 약 200km 지점에 낙하산을 이용하여 안전하게 착륙했다. 회수된 170.1g의 토양은 연속적인 퇴적물처럼 층상 구조를 이루고 있는 것으로 밝혀졌다. 소련은 1976년 12월에 이 임무의 샘플 1그램과 NASA의 달 샘플을 교환했다.

루나 24호는 소련이 발사한 마지막 달 탐사선이었다. 또한 37년 후인 2013년 12월 14일, 중국의 창어 3호가 착륙하기 전까지 달에 연착륙한 마지막 탐사선이었으며, 44년 후인 2020년 12월 중국의 창어 5호가 달 샘플 귀환에 성공하기 전까지 마지막 달 샘플 귀환 임무였다.

3. 탐사선 구조

루나 24호는 소련의 예-8-5 우주선 본체를 기반으로 제작되었으며, 상승 단계와 하강 단계로 구성되었다. 착륙선의 높이는 3.96m, 연료 미탑재 시 착륙 질량은 1880kg, 연료 가득 채운 발사 질량은 5600kg에서 5750kg 사이였다.

하강 단계는 루노호트 로버의 예-8 하부 단계와 동일하며, 상승 단계는 예-8 버스의 루노호트 로버와 하우징을 대체하는 구형 상단이 있는 더 작은 실린더 형태였다. 상승 단계에는 1920kg 추력의 KRD-61 로켓과 구형 재진입 캡슐 내부에 원통형 밀폐형 토양 샘플 용기가 탑재되었다.

3.1. 하강 단계

루나 24호는 예-8-5 우주선 본체를 기반으로 제작되었으며, 상승 단계와 하강 단계의 두 단계로 구성되었다. 착륙선은 높이가 3.96m였고, 연료를 채우지 않은 상태의 착륙 질량은 1880kg이었다. 연료를 가득 채운 발사 질량은 5600kg에서 5750kg 사이였다.

하강 단계는 루노호트 로버의 예-8 하부 단계와 동일하며, 4개의 돌출된 착륙 다리, 연료 탱크, 착륙 레이더 고도계, 이중 하강 엔진 복합체로 구성된 원통형 본체였다. 주 하강 로켓인 KTDU-417은 궤도 수정, 궤도 진입, 표면 하강을 위한 제동, 그리고 고도와 속도를 기반으로 온보드 컴퓨터가 결정한 차단 지점에 도달할 때까지 우주선의 속도를 늦추는 데 사용된 1920kg 추력의 가변 추력 엔진이었다. 차단 후에는 저추력(210kg 및 350kg) 버니어 제트 뱅크가 최종 착륙에 사용되었다. 하강 단계는 또한 상승 단계의 발사대 역할을 했다. 우주선 하강 단계에는 텔레비전 카메라, 방사선 및 온도 모니터, 통신 장비, 그리고 달 토양 샘플을 수집하기 위한 드릴 장비를 갖춘 90cm 연장 가능한 팔이 장착되었다. 통신은 768 및 922 MHz (다운링크)와 115 MHz (업링크)의 붐 끝에 있는 원뿔형 안테나를 통해 이루어졌다.

3.2. 상승 단계

루나 24호의 상승 단계는 예-8 버스의 루노호트 로버와 하우징을 대체하는 구형 상단이 있는 더 작은 실린더였다. 이 단계에는 1920 kg 추력의 KRD-61 로켓이 장착되었고, 구형 재진입 캡슐 내부에 원통형 밀폐형 토양 샘플 용기가 탑재되었다. 상승 단계의 총 질량은 520 kg이었으며, 그 중 245 kg은 질산과 UDMH 추진제였다. 높이는 2 m였다. 샘플 반환 캡슐은 직경이 50 cm였고 질량은 39 kg이었다. KRD-61은 지구로의 자유 귀환 궤도에 올리기 위해 53초 동안 한 번만 점화할 수 있었다. 이 엔진의 비추력은 313초였으며, 반환 우주선에 2600~2700 m/s의 속도를 부여할 수 있었다.

4. 과학적 성과

루나 24호는 170.1g의 토양을 채취하여 1976년 8월 19일 귀환용 로켓을 발사했고, 캡슐은 8월 22일 시베리아 서부 수르구트 남동쪽 200km 지점에 착륙했다.

4.1. 물의 발견

1978년 2월, 소련 베르나드스키 지구화학 및 분석화학 연구소의 M. 아크마노바, B. 데멘테브, M. 마르코프는 물 발견을 명확히 주장하는 논문을 발표했다. 이들은 루나 24호가 지구로 가져온 샘플을 적외선 흡수 분광학(약 3 μm 파장)으로 분석하여 약 0.1% 중량의 물을 함유하고 있음을 확인했는데, 이는 검출 임계치보다 약 10배 높은 수준이었다.

4.2. 지질학적 특징

루나 24호는 위난의 바다(북위 12.75도, 동경 62.2도 지점)에 연착륙했다. 달의 바다로서는 전형적인, 크레이터가 산재한 완만한 평지에 착륙했으며, 지근거리에 직경 64미터의 크레이터가 존재했다. 또한 이 지점으로부터 2.3km 떨어진 위치에는 1974년에 샘플 반환에 실패한 동형기 루나 23호가 있었다.

5. 의의 및 영향

바이코누르 우주 기지에서 프로톤 로켓으로 발사된 루나 24호는 위난의 바다에 연착륙하여, 170.1g의 토양을 채취하고 8월 22일 지구로 귀환, 수르구트 남동쪽에 착륙했다.

루나 계획은 루나 24호를 마지막으로 종료되었다. 이후 달 연착륙은 37년 뒤 창어 3호가, 샘플 반환은 44년 뒤 창어 5호가 성공했다.

6. 예비 기체

코스모아일 하쿠이에는 루나 24호의 실물 예비 기체가 전시되어 있는데, 이는 고장 시 즉시 사용할 수 있도록 대기하던 것이라고 한다.