목성 얼음 위성 궤도선

1. 개요

목성 얼음 위성 궤도선(JIMO)은 미국 항공우주국(NASA)이 계획했던 목성의 얼음 위성 탐사선으로, 이온 엔진과 소형 원자로를 사용하여 목성의 위성을 탐사할 예정이었다. 2004년 노스롭 그러먼이 설계 계약을 체결했으나, 2005년 NASA의 예산 삭감으로 인해 계획이 취소되었다. 이후 유럽 우주국(ESA)은 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE) 임무를 선정하여 2023년에 발사했고, NASA는 유로파 클리퍼와 유로파 착륙선 임무를 통해 유로파 탐사를 진행할 예정이다.

2. 기체

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JIMO는 HiPEP 또는 NEXIS 엔진을 이용한 이온 엔진 시스템으로 추진력을 얻고, 소형 원자로에서 전력을 공급받을 예정이었다. 원자로의 열은 브레이튼 사이클 전력 변환 시스템을 통해 전력으로 변환되어, 기존의 태양 전지나 RTG 전력 시스템보다 수천 배 많은 전력을 공급할 수 있었다. 이를 통해 얼음을 관통하는 레이더와 광대역 데이터 전송을 실현할 수 있을 것으로 기대되었다.

전기 추진(8개의 이온 엔진과 다양한 크기의 홀 추력기)은 목성의 위성과 고리 궤도에 진입하고 이탈하는 데 사용되어, 기동 연료에 제한이 있던 기존 탐사선보다 더 상세한 관측과 매핑을 가능하게 할 것으로 예상되었다.

원자로는 기체 선단에 설치하고, 섬세한 탐사선 장치를 보호하는 강력한 방사선 실드를 뒤쪽에 배치하는 설계가 고려되었다. 궤도에 발사되는 방사성 동위원소의 양을 최소화하기 위해, 원자로는 탐사선이 지구 궤도를 완전히 이탈한 후에 전력을 공급할 예정이었다. 이 설계는 이전의 외태양계 임무에 사용된 RTG보다 위험도가 낮다고 여겨졌다.

2004년 9월 20일, 초기 설계 공모전에서 록히드 마틴과 보잉 IDS를 제치고 노스롭 그러먼이 선정되었다.

2.1. 추진 시스템

목성 얼음 위성 궤도선은 이온 엔진인 HiPEP나 NEXIS 엔진을 주 추진 시스템으로 사용할 예정이었다. 이 엔진들은 소형 원자로에서 생성되는 전력으로 작동되며, 브레이턴 사이클을 통해 열을 전기로 변환한다. 기존의 태양 전지나 방사성동위원소 열전기 발전기보다 훨씬 더 많은 전력을 생산하여, 얼음을 관통하는 레이다와 고성능 데이터 전송 장치 등을 작동시킬 수 있었다.

전기 추진 시스템은 8개의 이온 엔진과 다양한 크기의 홀 추력기로 구성되어, 목성의 위성 궤도 진입 및 이탈을 가능하게 했다. 이를 통해 연료 제약이 있는 기존 우주선보다 더 정밀한 관측이 가능했다.

원자로는 우주선 끝 부분에 배치되어 민감한 장비를 방사선으로부터 보호하는 강력한 방사선 방패 뒤에 위치했다. 원자로는 탐사선이 지구 궤도를 벗어난 후에만 가동되어 원자로 연료를 절약하고, 방사성동위원소 열전기 발전기보다 덜 위험한 것으로 간주되었다.

2004년 9월, 노스럽 그러먼(Northrop Grumman)이 록히드 마틴과 보잉 통합 방위 시스템을 제치고 4억 달러 규모의 설계 계약을 체결했다. Northrop Grumman^영어은 2008년까지 예비 설계를 진행할 예정이었다.

2.2. 전력 시스템

목성 얼음 위성 궤도선은 소형 원자로를 사용하여 전력을 공급받을 예정이었다. 브레이턴 사이클을 이용하여 원자로의 열을 전기로 변환하는데, 이는 기존의 태양 전지나 방사성동위원소 열전기 발전기보다 천 배 정도의 출력을 낼 수 있었다.
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이러한 고출력은 얼음을 관통하는 레이다와 강력한 대역폭으로 자료를 지구로 보낼 수 있는 송신기를 작동시키는 데 사용될 예정이었다.

원자로는 우주선의 민감한 장비들을 보호하는 강력한 방사선 방패 뒤, 우주선의 끝 부분에 부착될 예정이었다. 탐사선이 지구 궤도를 벗어난 후에만 원자로가 전기를 공급하도록 설계하여, 궤도 발사 시 원자로의 연료를 최대한 아끼고, 방사성동위원소 열전기 발전기보다 위험을 줄일 수 있을 것으로 예상되었다.

제안된 시스템 설계는 최대 200 킬로와트의 전력을 생성하기 위한 가스 냉각 원자로와 브레이턴 사이클 전력 변환 방식이었다.

2.3. 방사선 차폐

이 설계는 우주선의 민감한 장비를 보호하는 강력한 입자 방사선 차폐막 뒤의 우주선 팁에 원자로를 배치하도록 하였다. 원자로는 탐사선이 지구 궤도를 벗어난 후에만 전원을 켜서 궤도로 발사될 방사성 핵종의 양을 최소화하도록 하였다. 이 구성은 외행성 태양계로 향하는 이전 임무에 사용된 RTG보다 위험이 적다고 여겨진다.

2.4. 기타 특징

목성 얼음 위성 궤도선에는 여러 혁신적인 기술이 사용될 예정이었다. 주요 항해에는 이온 엔진인 HiPEP나 NEXIS 엔진을 사용하고, 소형 원자로를 이용해 가동할 예정이었다. 원자로의 열은 브레이턴 사이클을 통해 전기로 변환될 예정이었는데, 이는 기존 태양 전지나 방사성동위원소 열전기 발전기보다 천 배 정도의 출력을 낼 수 있었다. 또한 얼음을 관통하는 레이다와 강력한 대역폭으로 자료를 보낼 수 있는 송신기를 장착할 예정이었다.

전기 추진 (이온 엔진 8개와 다양한 크기의 홀 추력기)을 이용해 목성의 위성 주위 궤도를 만들고, 연료가 한정되어 근접 통과 연습이 필요했던 기존 우주선보다 더 철저한 관찰을 할 수 있을 것으로 예상되었다.

원자로는 민감한 우주선 장비들을 보호하는 강력한 방사선 방패 뒤, 우주선 끝부분에 부착될 예정이었다. 탐사선이 지구 궤도를 벗어나면 원자로가 전기를 공급하기 시작하며, 궤도에서 빨리 출발해야 원자로의 연료를 최대한 아낄 수 있었다. 이는 기존 외태양계 임무에 쓰였던 방사성동위원소 열전기 발전기보다 덜 위험할 것으로 생각되었다.

2004년 9월 20일, 노스럽 그러먼이 록히드 마틴과 보잉 통합 방위 시스템을 제치고 4억 달러(USD) 규모의 총체적 설계 계약을 체결했다. 이 계약은 2008년까지 진행될 예정이었으며, 건설 및 개별 기구들은 나중에 액수가 지정되었다.

3. 초기 설계 규격

목성 얼음 위성 궤도선은 혁신적인 장치를 많이 실을 예정이었다. 목성의 위성 사이를 항해할 때 HiPEP나 NEXIS 엔진을 사용하고, 소형 원자로를 이용해 가동시킬 예정이었다. 브레이턴 사이클을 이용해 열을 전기로 바꾸는 방식이었다. 기존보다 천 배 정도의 출력을 내는 태양 전지나 방사성동위원소 열전기 발전기를 사용할 예정이었고, 거의 발전기 전체에 필적하는, 얼음을 관통하는 레이다와 강력한 대역폭으로 자료를 보낼 수 있는 송신기를 장착할 예정이었다.

전기 추진력(여덟 개의 이온 엔진과 다양한 크기의 홀 추력기)을 이용해 목성의 위성 주위의 궤도를 만들고, 현재의 우주선보다 더 철저한 관찰을 할 예정이었다. 원자로는 민감한 우주선의 장비들을 보호하는 강력한 방사선 방패 뒤인, 우주선의 끝 부분에 부착될 예정이었다.

노스럽 그러먼이 록히드 마틴과 보잉 통합 방위 시스템을 제치고 4억 달러의 총체적 설계 계약을 2004년 9월 20일 체결하였다.

4. 임무 계획

목성 얼음 위성 궤도선(JIMO)은 이온 추진 시스템, 고출력 전기 추진, NEXIS 엔진으로 추진되며, 소형 핵분열 원자로에서 전력을 공급받을 예정이었다. 브레이튼 전력 변환 시스템은 원자로의 열을 전기로 변환한다. 이 원자로는 태양 전지나 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG) 기반 전력 시스템의 천 배에 달하는 전기를 생산하여, 얼음 관통 레이더 시스템을 작동시키고 대역폭이 넓은 데이터 전송 장치를 제공할 것으로 예상되었다.

전기 추진(8개의 이온 엔진, 다양한 크기의 홀 효과 추력기)을 사용하면 목성의 위성 궤도에 진입하고 이탈하는 것이 가능해져, 기동 연료가 제한되어 짧은 비행만 가능한 현재 우주선보다 더 완벽한 관찰 및 매핑이 가능할 것이다.

이 설계는 우주선의 민감한 장비를 보호하는 강력한 입자 방사선 차폐막 뒤, 우주선 끝에 원자로를 배치하도록 했다. 원자로는 탐사선이 지구 궤도를 벗어난 후에만 전원을 켜서 궤도로 발사될 방사성 핵종의 양을 최소화하도록 했다. 이는 외행성 태양계 탐사에 사용된 RTG보다 위험이 적다고 여겨진다.

JIMO에는 소형 핵추진 유로파 착륙선을 포함하는 유로파 착륙선 임무가 제안되었다. 이 착륙선은 지구와 통신 중계 역할을 하는 궤도선과 함께 이동하며, 유로파 얼음 껍질 내부 및 아래에 물이 있는지 확인하고 그 특성을 분석하여 유로파의 행성 거주 가능성과 우주 생물학적 잠재력을 평가할 것이다.

노스롭 그러먼(Northrop Grumman)은 2004년 9월 20일, 400 규모의 예비 설계 계약을 체결하여 록히드 마틴(Lockheed Martin)과 보잉 통합 방위 시스템(Boeing Integrated Defense Systems)(Boeing IDS)을 제쳤다. 이 계약은 2008년까지 진행될 예정이었으며, 건설 및 개별 기기 계약은 추후 체결될 예정이었다.

4.1. 비행 단계

발사는 2015년 세 번 발사해 지구 저궤도에서 합체시킨 후, 2015년 8월 말에 목성으로 탐사선을 출발하여 2016년 1월 초까지 가는 것으로 계획되었다. 비행의 최초 1개월 동안, 탐사선의 주요 목표는 원자로 활성화 및 자세 실험이었다. 행성간 비행은 2021년 4월까지 지속될 것이었다(이온 엔진은 추진 전체의 3분의 2를 맡는다).

탐사선이 목성의 영향을 받는 곳에 들어가면, 조종이 더 어려워진다. 탐사선은 중력의 도움을 받아 궤도에 진입한다. 탐사선은 칼리스토와 가니메데를 각각 3개월씩 탐사하고 난 다음에 유로파에 머무를 것이다.(이오를 연구하는 계획은 궤도가 맞으면 하기로 계획되었었다). 2025년 9월 임무가 끝날 때쯤에는, 탐사선은 유로파 궤도에 안착해 있을 계획이었다.

두 개의 이송 단계와 탐사선을 조립하기 위해 2015년 5월에 세 번의 발사가 지구 저궤도로 계획되었다. 이송 단계는 2015년 10월 말부터 2016년 1월 중순까지 이어지는 발사 기간 동안 탐사선을 목성 궤도로 발사하도록 설계되었다.

비행 첫 달 동안 탐사선의 주요 구조물이 배치되고, 원자로가 가동되며, 추력기가 시험될 예정이었다. 행성간 비행은 2021년 4월까지 지속될 예정이었다(이온 엔진은 시간의 3분의 2 동안 작동할 것으로 예상되었다).

탐사선이 목성의 영향권에 들어가면 항법이 더 복잡하고 어려워질 것이다. 탐사선은 궤도 진입을 위해 중력 보조 기동을 사용해야 했을 것이다.

탐사선은 칼리스토를 3개월, 가니메데를 3개월, 마지막으로 유로파를 1개월 동안 연구할 예정이었다(이오 연구도 궤도 조건이 유리할 경우 계획되었다). 2025년 9월 임무 종료 시 탐사선은 유로파 주위를 안정적인 궤도에 주차될 예정이었다.

4.2. 목성 도착 이후

탐사선이 목성의 영향권에 들어가면, 조종이 더 어려워진다. 탐사선은 중력의 도움을 받아 궤도에 진입할 예정이었다. 탐사선은 칼리스토를 3개월, 가니메데를 3개월, 마지막으로 유로파를 1개월 동안 연구할 예정이었다. 이오 연구도 궤도 조건이 유리할 경우 계획되었다. 2025년 9월 임무가 끝날 때쯤에는, 탐사선은 유로파 주위를 안정적인 궤도에 주차될 예정이었다.

5. 개발 취소

미국 항공우주국(NASA)이 유인 탐사를 더 선호하게 되면서 임무의 우선순위가 바뀌었고, 2005년에 자금 지원이 끊기면서 목성 얼음 위성 궤도선 계획은 사실상 취소되었다. 여러 번 발사하여 궤도상에서 조립하는 방식과 핵 엔진을 사용하는 것은 너무 야심찬 시도로 여겨졌다. 이 계획을 추진하던 제트 추진 연구소의 엔지니어들은 2005년 봄에서 여름 사이에 해고되거나 다른 부서로 옮겨졌다.

예산 변경 결과, NASA는 원자로 기술을 지구 가까이에서 시험하는 방안을 고려하고 있다. 우주선의 크기가 원래 계획보다 작아질 수도 있다.

이 계획은 취소 당시 초기 단계에 머물러 있었고, 2017년 이전에 발사될 것으로 예상되지 않았다. 이 계획은 우주선 추진에 핵분열을 사용하는 것을 연구하는 NASA의 프로메테우스 계획의 첫 번째 계획이었다.

5.1. 목성 얼음 위성 탐사선 (JUICE)

유럽 우주국(ESA)은 2012년 5월 2일 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE) 임무를 선정했다. JUICE는 목성의 위성 유로파, 칼리스토, 가니메데를 연구하는 임무로, 2023년 4월 14일 아리안 5 발사체를 이용하여 발사되었다.

5.2. 유로파 클리퍼와 유로파 착륙선

2010년대 후반, 유로파 클리퍼는 유로파를 탐사하는 NASA의 주요 임무가 되었다. 이는 태양광을 사용하고 위성 궤도 진입 대신 여러 번의 근접 비행을 수행한다는 중요한 차이점이 있다. 유로파 착륙선은 유로파 클리퍼를 보완하기 위한 NASA의 유로파 천체생물학 임무로 제안되었다. 유로파 클리퍼는 2024년에 발사되었으며, 유로파 착륙선은 2027년에 발사될 예정이다.