매리너 4호

2. 우주선 및 하위 시스템

매리너 4호는 팔각형 마그네슘 프레임에 태양 전지판, 안테나, 과학 장비 등을 탑재한 구조였다. 우주선의 전체적인 모습과 각 부분에 대한 자세한 설명은 하위 섹션에 나와 있다.

매리너 4호는 후방 TV 카메라 스캔 플랫폼 왼쪽에 자외선 광도계를 탑재할 예정이었으나, 시험 결과 UV 광도계에 전기 문제가 발생하여 TV 카메라 작동에 문제가 생길 수 있다는 점이 발견되었다. 이에 따라 UV 광도계는 제거되었고, UV 광도계와 동일한 형상, 질량 및 기타 특성을 가진 열/관성 질량 시뮬레이터로 대체되었다. 이 예비 UV 광도계는 1967년 매리너 5호에 탑재되었다.

수행 가능한 다른 측정값은 다음과 같다.

• 전파 엄폐
• 정밀 추적을 기반으로 한 천체 역학

2. 1. 구조 및 장비

텔레비전 카메라 하위 시스템은 1.05° x 1.05° 시야각을 가진 카세그레인 망원경, 0.08초 및 0.20초 노출 시간을 가진 셔터 및 적/녹색 필터 어셈블리, 광학 이미지를 전기 비디오 신호로 변환하는 느린 스캔 비디콘 튜브, 아날로그 신호를 전송을 위한 디지털 비트 스트림으로 변환하는 데 필요한 전자 시스템으로 구성되었다.

전력은 4개의 태양 전지판(176 x )에 포함된 28,224개의 태양 전지에서 공급되었으며, 화성까지의 거리에서 310 와트를 제공할 수 있었다. 기동 및 백업을 위해 충전 가능한 1200 W·h 은-아연 전지도 사용되었다. 단일 추진제인 히드라진은 팔각형 구조의 한쪽에 설치된 추력의 4개 제트 베인 벡터 제어 모터를 통해 우주선 추진에 사용되었다. 자세 제어는 태양 전지판 끝에 장착된 12개의 냉 질소 가스 제트와 3개의 자이로스코프에 의해 제공되었다. 각각 0.65m²의 면적을 가진 태양 압력 베인이 태양 전지판 끝에 부착되었다. 위치 정보는 4개의 태양 센서와 지구, 화성 또는 별 카노푸스를 위한 센서에 의해 제공되었다. 매리너 4호는 항해 참조 개체로 별이 필요한 최초의 우주 탐사선이었다. 이 비행 동안 지구와 화성은 고정하기에는 너무 어두웠을 것이고, 태양에서 넓은 각도로 떨어진 또 다른 밝은 광원이 필요했고, 카노푸스가 이 요구 사항을 충족했다. 그 후, 카노푸스는 많은 후속 임무에서 참조점으로 사용되었다.

통신 장비는 이중 S-밴드 송신기(7와트 삼극관 캐비티 증폭기 또는 10와트 진공관(traveling-wave tube) 증폭기)와 단일 무선 수신기로 구성되었으며, 저이득 및 고이득 안테나를 통해 초당 8⅓ 또는 33⅓ 비트로 데이터를 송수신할 수 있었다. 데이터는 나중에 전송하기 위해 524만 비트 용량의 자기 테이프 레코더에 저장할 수 있었다. 모든 전자 작동은 29개의 직접 명령 단어 또는 중간 궤도 기동을 위한 3개의 정량적 단어 명령을 처리할 수 있는 명령 하위 시스템에 의해 제어되었다. 중앙 컴퓨터 및 시퀀서는 38.4 kHz 동기화 주파수를 사용하여 저장된 시간 순서 명령을 작동했다. 온도 제어는 6개의 전자 어셈블리에 장착된 조절 가능한 루버, 다층 절연 담요, 광택 처리된 알루미늄 차폐재 및 표면 처리를 사용하여 달성되었다.

매리너 4호는 후방 TV 카메라 스캔 플랫폼의 왼쪽 측면에 자외선 광도계를 탑재할 예정이었으나, 테스트 결과 UV 광도계에 전기 문제가 발생하여 TV 카메라 작동에 문제가 생길 수 있다는 점이 발견되었다. 이에 따라 UV 광도계는 제거되었고, UV 광도계와 동일한 형상, 질량 및 기타 특성을 가진 열/관성 질량 시뮬레이터로 대체되었다. 이 예비 UV 광도계는 1967년 매리너 5호에 탑재되었다.

2. 2. 전력 및 추진 시스템

2. 3. 자세 제어 및 항법

2. 4. 통신 및 데이터 처리

3. 임무 프로필

1964년 11월 28일 발사 후, 매리너 4호를 덮고 있던 슈라우드가 투기되었고, 14:27:23 (UTC)에 아틀라스 D 로켓으로부터 아제나 D와 매리너 4호가 분리되었다. 아제나 D는 14:28:14 - 14:30:38에 걸쳐 1차 분사를 실시하여 지구 주차 궤도에 진입했고, 15:02:53 - 15:04:28에 걸쳐 2차 분사를 실시하여 화성 전이 궤도에 진입했다. 15:07:09에 아제나 D로부터 매리너 4호가 분리되었고, 순항 모드 운용을 시작했다. 15:15:00에 태양 전지 패널을 전개하여 주사 플랫폼을 열었으며, 16분 후에는 태양을 포착했다.

7개월 반의 비행 중 1964년 12월 5일에 중간 궤도 수정을 실시하고, 1965년 7월 14일 - 7월 15일에 걸쳐 화성 부근을 통과했다. 7월 14일 15:41:49 UT에 행성 과학 모드를 시작, 7월 15일 00:18:36 UT (7월 14일 7:18:49 p.m. EST)부터 촬영이 시작되었다. 적색과 녹색 필터를 교대로 사용하여 21장의 이미지와 22번째 이미지의 일부를 촬영했다. 초기 이미지는 거의 흰색이었으나, 이미지 처리를 통해 이미지화에 성공하여 3일 후 공개되었다. 이미지 촬영 범위는 화성 표면의 약 1%를 차지했다.

화성에 가장 가까이 접근한 시각은 1965년 7월 15일 01:00:57 UT (7월 14일 8:00:57 p.m. EST)로, 화성 표면으로부터 거리는 9846km였다. 비행 중 촬영된 이미지는 기내 테이프 레코더에 기록되었다. 매리너 4호는 02:19:11 UT에 지구에서 보아 화성 뒤로 들어가 통신이 두절되었지만, 통과 후 03:13:04 UT에 통신이 재확립되어 다시 순항 모드로 설정되었다. 테이프에 기록된 이미지는 통신 재확립 약 8시간 반 후부터 지구로 전송되기 시작하여 8월 3일까지 계속되었다. 모든 데이터는 데이터 누락 및 오류 확인을 위해 2회 전송되었다.

탐사선은 예정된 활동을 모두 순조롭게 실행하여 유용한 데이터를 전송했지만, 지구와의 거리(3억 9천 20만 km) 및 안테나 방향 문제로 인해 1965년 10월 1일 22:05:07 UT에 일시적으로 신호를 포착할 수 없게 되었다.

3. 1. 발사 및 궤도 진입

1964년 11월 28일 14:22:01 UTC에 케이프커내버럴 공군 기지 발사 단지 12에서 아틀라스-D/아제나-D 로켓을 이용하여 발사되었다. 발사 후, 매리너 4호를 덮고 있던 보호 덮개가 분리되었고, 14:27:23 (UTC)에 아틀라스-D 부스터로부터 아제나-D/매리너 4호 조합이 분리되었다. 아제나의 첫 번째 점화는 14:28:14부터 14:30:38까지 이루어져 우주선을 지구 주차 궤도에 진입시켰고, 15:02:53부터 15:04:28까지 두 번째 점화를 통해 화성 전이 궤도에 진입했다. 15:07:09에 매리너 4호는 아제나-D로부터 분리되어 순항 모드 작동을 시작했다. 태양 전지판은 15:15:00에 배치되었고, 스캔 플랫폼은 같은 시각에 풀렸으며, 16분 후에 태양 포착이 이루어졌다.

3. 2. 중간 궤도 수정

1964년 12월 5일, 매리너 4호는 화성으로 향하는 궤도를 정확하게 조정하기 위해 중간 궤도 수정을 한 차례 수행했다. 당초 12월 4일로 예정되었으나, 카노푸스와의 락(lock) 해제로 인해 연기되었다. 기동은 성공적으로 완료되었으며, -39.16도의 피치 회전, +156.08도의 롤 회전, 그리고 20.07초의 추력 조절을 포함했다. 이러한 회전은 우주선의 모터를 비행 방향을 따라 초기 지점에서 지구 방향으로 향하게 하는 것을 목표로 했다. 피치와 롤 변화는 1% 이상의 정확도로 완료되었고, 속도 변화는 약 2.5%의 정확도를 보였다. 이 기동을 통해 매리너 4호는 계획대로 화성으로 향하는 궤도에 진입했다.

3. 3. 카노푸스 항성 추적 문제

임무 초기에 매리너 4호는 카노푸스 별 추적기가 다른 밝은 천체에 고정되는 문제로 인해 카노푸스 별 고정을 자주 잃었다. 중간 궤도 기동을 처음 시도했을 때도 자이로스코프가 회전하기 시작한 직후 고정을 잃어 실패했다. 발사 후 3주가 안 되는 기간 동안 카노푸스 고정은 6번이나 손실되었고, 매번 별을 다시 획득하기 위해 무선 명령을 내려야 했다.

연구자들은 이 문제가 우주선에서 방출된 작은 먼지 입자가 햇빛을 산란시켜 별 센서에 오차를 유발했기 때문이라고 결론지었다. 먼지 입자에서 산란된 햇빛은 밝은 별에서 나오는 빛과 유사하게 나타났고, 이로 인해 센서가 카노푸스에 고정되어 있는 동안 물체가 시야를 통과하면 롤 오차 과도 현상이 발생했다. 물체가 카노푸스 밝기의 8배인 높은 게이트 한계를 초과할 만큼 밝으면, 우주선은 자동으로 카노푸스를 획득하지 않고 새로운 별을 찾는 롤 검색을 시작했다.

이 문제를 해결하기 위해 1964년 12월 17일에 높은 게이트 한계를 제거하는 무선 명령을 전송했다. 이후 화성과의 조우 전까지 롤 과도 현상이 38번 더 발생했지만, 카노푸스 고정은 더 이상 손실되지 않았다.

3. 4. 화성 접근 및 관측

Mariner 4^영어는 1965년 7월 14일과 15일에 화성을 통과했다. 화성 표면에 가장 가까이 접근한 시각은 1965년 7월 15일 01:00:57 UT (7월 14일 오후 8시 00분 57분 EST)였으며, 이때 거리는 9846km였다. 이때 21장의 사진과 22번째 사진의 21줄을 촬영했다.

카메라 촬영은 7월 15일 00:18:36 UT (7월 14일 오후 7시 18분 49분 EST)에 시작되었으며, 빨간색과 녹색 필터를 번갈아 사용했다. 촬영된 이미지는 약 40° N, 170° E 부근에서 시작하여 약 35° S, 200° E를 거쳐 50° S, 255° E까지 이어지는 불연속적인 화성 영역을 덮었으며, 이는 화성 표면의 약 1%에 해당한다.

비행 중 촬영된 이미지는 기내 테이프 레코더에 저장되었다. Mariner 4^영어는 02:19:11 UTC에 지구에서 볼 때 화성 뒤로 지나가 무선 신호가 끊겼다. 이후 우주선이 다시 나타났을 때인 03:13:04 UTC에 신호가 다시 수신되었고, 순항 모드로 재설정되었다. 테이프에 기록된 이미지를 지구로 전송하는 작업은 신호 재수신 후 약 8.5시간 뒤에 시작되어 8월 3일까지 계속되었다. 데이터 손실이나 손상을 막기 위해 모든 이미지를 두 번 전송했다. 각 사진을 지구로 전송하는 데는 약 6시간이 걸렸다.

매리너 4호에 탑재된 테이프 레코더는 원래 매리너 4호 비행을 위해 제작된 것이 아닌 예비 부품이었다. 이미지 데이터를 컴퓨터로 처리하는 동안, 연구팀은 미술 용품점에서 파스텔 세트를 구입하여 원시 픽셀의 숫자 인쇄물을 손으로 색칠했다(숫자 색칠하기 방식). 그 결과 이미지를 통해 카메라가 작동한다는 것을 প্রাথম적으로 검증할 수 있었다. 손으로 그린 이미지는 최종적으로 컴퓨터로 처리된 이미지와 비교했을 때 유사한 결과를 보였다.

3. 5. 데이터 전송 및 통신 재개

화성 통과 후, 기내 테이프 레코더에 저장된 이미지를 지구로 전송하는 작업이 신호 재수신 후 약 8.5시간 뒤에 시작되어 8월 3일까지 계속되었다. 데이터 손실이나 손상을 막기 위해 모든 이미지를 두 번 전송했으며, 각 개별 사진은 지구로 다시 전송하는 데 약 6시간이 걸렸다.

1965년 10월 1일 22:05:07 (UTC), 지구와의 거리가 멀어지고(3.092억km) 안테나 방향이 부정확해져 1967년까지 우주선과의 통신이 일시 중단되었다.

3. 6. 미세 운석 충돌 및 임무 종료

1967년 후반에 데이터 수집이 재개되었다. 우주 먼지 감지기는 9월 15일 15분 동안 17개의 충돌을 기록했는데, 이는 우주선의 자세를 일시적으로 변경하고 열 차폐막에 약간의 손상을 입혔을 가능성이 있는 명백한 미세 운석 샤워의 일부였다. 이후 매리너 4호가 D/1895 Q1(D/스위프트) 혜성의 잔해를 통과했으며, 2000만km에서 혜성의 부서졌을 가능성이 있는 핵에 근접 비행했을 가능성마저 제기되었다.^[1]

12월 7일 자세 제어 시스템의 가스 공급이 고갈되었고, 12월 10일과 11일 사이에는 총 83개의 미세 운석 충돌이 기록되어 우주선의 자세가 변화하고 신호 강도가 저하되었다. 1967년 12월 21일, 매리너 4호와의 통신이 종료되었다.^[1]