매리너 9호
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1. 개요
매리너 9호는 1971년 발사된 최초의 화성 궤도 탐사선으로, 화성 표면의 70% 이상을 고해상도로 지도화하고, 화산 활동 증거를 찾기 위한 적외선 복사계, 화성 대기 및 위성을 연구하는 것을 목표로 설계되었다. 이중 임무를 수행할 예정이었으나 매리너 8호 발사 실패로 단일 탐사선 임무로 변경되었다. 매리너 9호는 자외선 분광계, 적외선 간섭 분광계, 적외선 방사계, 시각 이미징 시스템 등 다양한 과학 장비를 탑재했다. 궤도 진입 후 먼지 폭풍으로 인해 촬영 기간을 연장했고, 349일 동안 7,329장의 사진을 전송하여 강바닥, 충돌구, 협곡, 화산 등을 발견했으며, 화성 위성 포보스와 데이모스를 촬영했다. 매리너 9호는 다른 행성의 궤도를 돈 최초의 우주 탐사선으로, 바이킹 계획의 기초가 되었으며, 매리너 협곡은 이 탐사선의 업적을 기려 명명되었다. 1972년 10월 27일 고도 제어 가스 고갈로 임무가 종료되었으며, 현재 화성 궤도에 남아 있다.
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| 매리너 9호 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 매리너 9호 |
| 임무 종류 | 화성 궤도선 |
| 관리 기관 | NASA / JPL |
| 웹사이트 | 매리너 9호 (JPL) |
| COSPAR ID | 1971-051A |
| SATCAT | 5261 |
| 임무 기간 | 1971년 5월 30일 - 1972년 10월 27일 |
| 제작사 | 제트 추진 연구소 |
| 건조 질량 | 558.8 kg |
| 발사 질량 | 997.9 kg |
| 전력 | 500 와트 |
| 임무 | |
| 발사일 | 1971년 5월 30일 22:23:04 UTC |
| 발사 로켓 | 아틀라스 SLV-3C 센타우르-D |
| 발사 장소 | 케이프 커내버럴 |
| 폐기 방식 | 퇴역 |
| 비활성화 | 1972년 10월 27일 |
| 궤도 붕괴 예상 시기 | 2022년 10월 경 |
| 궤도 정보 | |
| 궤도 기준 | 화성 중심 |
| 궤도 근지점 | 1650 km |
| 궤도 원지점 | 16860 km |
| 궤도 이심률 | 0.6014 |
| 궤도 경사 | 64.4 도 |
| 궤도 주기 | 11.9 시간 / 719.47 분 |
| 궤도 진입 | 화성 |
| 화성 도착 | 1971년 11월 14일 00:42:00 UTC |
| 프로그램 정보 | |
| 프로그램 | 매리너 계획 |
| 이전 임무 | 매리너 8호 |
| 다음 임무 | 매리너 10호 |
2. 목적
매리너 6호와 7호가 시작한 화성 대기 조사를 계속하고, 이전 화성 임무보다 최저 고도(1500km)와 최고 해상도(픽셀 당 1km~100m)로 화성 표면의 70% 이상을 지도화하도록 설계되었다.[1] 화산 활동 증거인 열원을 감지하기 위해 적외선 복사계를 탑재했다. 화성의 두 위성도 분석하도록 설계되었다. 매리너 9호는 이 목표들을 충분히 달성했다.
3. 개발 과정
매리너 9호는 매리너 6호 및 7호가 시작한 대기 연구를 계속하고, 화성 표면의 70% 이상을 이전의 어떤 화성 탐사 임무보다 높은 해상도로 지도화하도록 설계되었다.[1] 화산 활동의 증거를 찾기 위해 열원을 감지하는 적외선 복사계가 포함되었다. 이는 화성 대기와 표면의 시간적 변화를 연구하기 위한 것이었다. 화성의 두 위성인 데이모스와 포보스도 분석할 예정이었다. 매리너 9호는 목표를 훨씬 초과 달성했다.
원래 NASA는 매리너 6호와 7호처럼 이중 임무를 계획했으나, 매리너 8호의 발사 실패로 이 계획은 무산되었다. NASA 기획자들은 더 단순한 단일 탐사선 임무로 후퇴할 수밖에 없었다. NASA는 1971년 화성 발사 창이 닫히기 전에 다른 매리너 탐사선과 아틀라스-센타우르를 준비할 수 있다는 희망을 버리지 않았지만, 매리너 탐사선에 적합한 구성의 센타우르 페이로드 덮개가 부족한 것을 포함하여 몇 가지 물류 문제가 발생했다. NASA의 재고에 수정 가능한 덮개가 있었고, 컨베어(Convair)도 사용 가능한 센타우르 단계를 보유하고 있었으며, 아틀라스를 제때에 준비할 수 있었지만, 결국 자금 부족으로 이 아이디어는 포기되었다.
매리너 9호는 5월 9일 아틀라스-센타우르 AC-23에 결합되었으며, 매리너 8호의 고장 조사도 함께 진행되었다. 고장의 원인은 센타우르의 피치 제어 서보 증폭기의 문제로 밝혀졌다. 우주선 자체에 책임이 있는지 여부가 불분명했기 때문에, 센타우르의 전자 장치에 문제를 일으킬 수 있는 간섭을 탐사선이 방출하지 않도록 매리너 9호에 대한 RFI 테스트가 수행되었다. 모든 테스트 결과는 음성이었고, 5월 22일 컨베어(Convair)에서 테스트 및 검증된 속도 자이로 패키지가 도착하여 센타우르에 설치되었다.
발사는 5월 30일 22:23:04 UT에 이루어졌다. 모든 발사체 시스템은 정상적으로 작동했으며, 매리너는 발사 후 13분 18초에 센타우르에서 분리되었다.
4. 과학 장비
매리너 9호는 매리너 6호와 7호에서 시작한 대기 조사를 지속하고, 화성의 두 위성을 분석하는 것을 목표로 했다. 이전 화성 탐사 임무에 비해 낮은 고도와 높은 해상도로 화성 표면의 70% 이상을 지형도로 작성했으며, 이는 매리너 9호가 충분히 달성했다.
매리너 9호에는 다음과 같은 과학 장비들이 탑재되었다.4. 1. 자외선 분광계 (UVS)
매리너 9호에 탑재된 자외선 분광계 (UVS)는 콜로라도 대학교 볼더 대기우주물리연구소(LASP)에서 제작되었다. 자외선 분광계 팀은 찰스 바스 교수가 이끌었다.
4. 2. 적외선 간섭 분광계 (IRIS)
미국 항공우주국 고다드 우주 비행 센터(GSFC)의 루돌프 A. 하넬 박사(Dr. Rudolf A. Hanel)가 적외선 간섭 분광계 (IRIS) 팀을 이끌었다. IRIS 기기는 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments), 댈러스, 텍사스에서 제작되었다.
4. 3. 적외선 방사계 (IRR)
캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 제럴드 노이게바우어 교수가 적외선 방사계 (IRR) 팀을 이끌었다. 적외선 방사계는 화산 활동의 증거인 열원을 찾는 데 사용되었다.
4. 4. 기타 장비
천체 역학은 별도의 장비 없이 탐사선의 위치와 속도 변화를 측정하여 화성의 중력장을 연구했다. S-밴드 엄폐는 탐사선이 화성 뒤로 사라질 때 통신 신호 변화를 관측하여 대기 밀도 등을 측정하는 실험이었다. 시각 이미징 시스템은 매리너 6호와 매리너 7호보다 낮은 궤도에서 고해상도 카메라를 통해 화성 표면의 상세한 지형 정보를 획득했는데, 매리너 9호는 픽셀당 100m 해상도를 달성했으며 이전 화성 탐사선은 픽셀당 약 800m의 해상도를 달성했다.
5. 주요 성과
매리너 9호는 1971년 11월 14일 화성에 도착했을 때, 행성 전체가 거대한 먼지 폭풍으로 뒤덮여 표면 관측이 어려운 예상치 못한 상황에 직면했다. 이에 지구에서 매리너 9호의 컴퓨터를 재프로그래밍하여 먼지가 가라앉을 때까지 몇 달 동안 표면 영상 촬영을 연기했다.
이러한 상황은 궤도를 돌면서 행성을 연구하는 것이 단순히 지나가는 것보다 효과적임을 보여주었다. 소련의 화성 2호와 화성 3호 탐사선은 이러한 상황에 적응하지 못해 데이터 수집에 큰 제한을 받았다.
매리너 9호는 349일 동안 궤도에 머물며 화성 표면의 약 85%를 촬영한 7,329장의 이미지를 전송했다. 이 사진들은 강 바닥, 충돌구, 거대한 휴화산 (올림푸스 산 등), 협곡 (마리네리스 협곡 등)을 포함한 다양한 지형을 보여주었다.
이후 바이킹 계획의 기초가 된 매리너 9호의 탐사 결과 중 하나인 마리네리스 협곡은 그 업적을 기리기 위해 이름 붙여졌다.
1972년 10월 27일, 우주선 자세 제어 가스 공급이 고갈되면서 매리너 9호의 임무는 종료되었다.
5. 1. 지형 발견
매리너 9호가 전송한 사진은 화성 표면의 약 80%를 촬영한 것으로, 강바닥, 충돌구, 거대한 휴화산(태양계 최대 화산인 올림푸스 산 등), 협곡(길이 4,000km 이상인 매리너 협곡 등)을 포함한 다양한 지형을 보여주었다. 바람과 물에 의한 침식 및 퇴적, 안개 등도 발견되었다. 화성의 위성인 포보스와 데이모스도 촬영되었다. 매리너 협곡은 매리너 9호의 업적을 기려 이름 붙여졌다.
5. 2. 대기 관측
매리너 9호가 화성에 도착했을 때, 화성 대기권은 먼지가 많아 표면을 관측하기 어려웠다. 이는 예상 밖의 상황이었는데, 행성을 조사하려면 궤도에서 탐사하는 것이 단순히 상공을 통과하는 것보다 더 효과적임을 입증하는 계기가 되었다. 이에 따라 지구에서는 매리너 9호의 컴퓨터에 먼지가 가라앉을 때까지 표면 촬영 기간을 2개월 연기하도록 재프로그래밍했다.궤도에서 349일 동안 머무르면서, 매리너 9호는 화성 표면의 약 80%를 촬영한 7,329장의 사진을 전송했다. 이 사진들을 통해 강바닥, 충돌구, 거대한 휴화산(예: 태양계 최대 화산인 올림푸스 산), 협곡(길이 4,000km 이상인 매리너 협곡 등), 바람과 물에 의한 침식 및 퇴적, 안개 등 다양한 현상들이 관측되었다.
5. 3. 위성 관측
매리너 9호는 화성의 두 위성인 포보스와 데이모스의 상세한 사진을 촬영하여 그 형태와 표면 특징을 밝혀냈다.5. 4. 오류 정정 부호 사용
매리너 9호는 흑백 이미지 데이터 전송 시 발생하는 오류를 제어하기 위해(낮은 신호 대 잡음비 때문에 발생) 전송 전에 순방향 오류 정정 코드(FEC)를 사용하여 데이터를 부호화했다. FEC가 없었다면 수신된 이미지의 약 1/4이 노이즈로 채워졌겠지만, FEC는 데이터를 중복된 방식으로 부호화하여 수신 시 전송된 대부분의 이미지 데이터를 재구성할 수 있었다.비행 하드웨어는 무게, 전력 소비, 저장 공간, 계산 능력 면에서 제약이 있었기 때문에 FEC 선택에 몇 가지 고려 사항이 필요했고, 매리너 9호에는 아다마르 부호를 사용하기로 결정했다. 각 이미지 픽셀은 6비트 이진 값으로 표현되었으며, 이는 64개의 가능한 흑백 레벨을 의미했다. 송신기의 제약으로 인해 최대 유효 데이터 길이는 약 30비트였다. 반복 부호 대신, [32, 6, 16] 아다마르 부호가 사용되었는데, 이는 1차 리드-뮬러 부호이기도 하다. 이 방식을 사용하여 각 32비트 워드당 최대 7비트의 오류를 정정할 수 있었다. 5회 반복 부호와 비교했을 때, 이 아다마르 부호의 오류 정정 특성은 훨씬 더 우수했지만, 데이터 전송 속도는 비슷했다. 효율적인 디코딩 알고리즘은 이 부호를 사용하기로 결정하는 데 중요한 요소였다. 사용된 회로는 "Green Machine"이라고 불렸으며, 고속 푸리에 변환을 사용하여 디코딩 속도를 3배 증가시켰다.
6. 후속 탐사에 미친 영향
매리너 9호의 탐사 결과는 이후 바이킹 계획을 비롯한 후속 화성 탐사 계획의 기반이 되었다. 매리너 9호가 발견한 강바닥, 충돌구, 거대한 휴화산, 협곡, 바람과 물에 의한 침식 및 퇴적, 안개 등 다양한 지형 정보는 바이킹 착륙선의 착륙 지점을 선정하는 데 결정적인 역할을 했다.
마리네리스 협곡은 매리너 9호의 업적을 기리기 위해 이름이 붙여졌다.
7. 현재 상태
고도 제어 가스 공급이 줄어들면서, 매리너 9호는 1972년 10월 27일에 운용이 중단되었다. 매리너 9호는 아직 화성 궤도에 머물러 있으며, 미국 항공우주국(NASA)의 예측에 따르면 2022년까지는 궤도에 머무를 것으로 예상되었으나, 이후 고도가 점차 낮아지면서 화성 대기권에 진입하여 소멸되거나 표면에 충돌했을 것으로 추정된다.
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