오모테나시 (우주선)

3. 개발 배경 및 목적

오모테나시(OMOTENASHI) 임무는 당시까지 달 표면에 착륙하는 가장 작은 달 착륙선을 착륙시켜, 다중 지점 탐사를 통해 분산된 시너지 탐사 시스템을 위한 하드웨어의 실현 가능성을 입증하는 것을 주요 목표로 삼았다.^[9] 달 표면에 착륙하면 오모테나시 착륙선은 달 표면의 방사선 환경을 관측할 예정이었다.^[10]

이 프로젝트는 2015년 8월 NASA가 SLS 로켓 초호기 발사에 함께 실릴 큐브위성 임무를 여러 우주 기관에 제안하면서 시작되었다.^[24] JAXA는 2016년 4월 내부적으로 제안된 여러 안건 중에서 오모테나시와 EQUULEUS 두 가지 임무를 최종 선정했다. 이를 계기로 같은 해 9월, JAXA 내 부서 프로젝트로서 "SLS 탑재 초소형 탐사기 프로젝트"가 공식적으로 발족되었다. 특히 오모테나시 개발은 인재 육성을 겸하여 JAXA의 젊은 기술자들을 중심으로 진행되었다.^[24]

오모테나시 궤도선과 착륙선은 JAXA가 설계했다. 착륙선은 10cm × 20cm × 30cm 크기의 6U 큐브위성 규격으로 제작되었으며, 질량은 14kg이었다. 임무의 주 연구원은 JAXA의 하시모토 타츠아키였다.^[9] 우주선에는 동체에 고정된 두 개의 태양 전지판과 리튬 이온 배터리가 탑재되었다.^[10]

초기 계획상으로는 2018년 초에 탐사기를 인도하고 같은 해 가을에 발사될 예정이었으나, SLS 로켓 개발이 지연되면서 탐사기 인도는 2021년 7월에야 이루어졌다. 이후에도 발사 일정이 여러 차례 연기되는 과정을 겪었다.^[24]

4. 설계 및 구성 요소

오모테나시(OMOTENASHI) 임무는 달 표면에 역대 가장 작은 착륙선을 착륙시켜, 다중 지점 탐사를 통한 분산형 시너지 탐사 시스템 구축 가능성을 입증하는 것을 목표로 했다.^[9] 달 표면에 착륙한 후에는 방사선 환경을 관측할 계획이었다.^[10]

JAXA가 설계한 이 우주선은 6U 큐브위성 규격으로 제작되었다. 발사 시 크기는 12×24×37cm이며, 착륙선 자체의 크기는 10cm × 20cm × 30cm, 질량은 14kg이었다.^[9][26] 주 연구원은 JAXA의 하시모토 타츠아키였다.^[9] 우주선에는 2개의 고정형 태양 전지판과 리튬 이온 배터리가 탑재되었다.^[10]

오모테나시는 크게 세 가지 주요 부분으로 구성된다: 달까지 항행을 담당하는 오비팅 모듈(OM), 달 표면 접근 시 감속을 위한 로켓 모터(RM), 그리고 실제 달 표면에 착륙하는 서피스 프로브(SP)이다.^[26] 착륙 직전에 항행 장비가 탑재된 오비팅 모듈을 분리하여 착륙선(서피스 프로브)의 무게를 줄이는 방식으로, 초소형 위성으로도 달 착륙을 시도할 수 있도록 설계되었다.^[26] 달 접근 중 방사선 환경을 측정한 후, 착륙 모듈은 로켓 모터의 도움을 받아 달 표면에 반경착륙(semi-hard landing)을 시도할 예정이었다.^{[10][27][28][31]} 착륙 시 충격 흡수를 위한 설계가 적용되었다.^[27][28][31]

4. 1. 궤도 모듈 (OM)

4. 2. 로켓 모터 (RM)

4. 3. 착륙 모듈 (SP)

5. 추진 시스템 및 착륙 방식

오모테나시(OMOTENASHI)는 달 충돌 궤도 진입을 위해 냉 가스 추진기를 사용하고, 착륙 단계에서는 고체 로켓 모터를 사용할 예정이었다.^[17] 진입 및 착륙 단계는 X-밴드 양방향 도플러 레이더를 사용하여 정보를 얻을 계획이었다.^[17]

궤도 모듈은 7° 이하의 얕은 비행 경로 각도로 진입하도록 계획되었으며, 고체 로켓 연소가 감속 기동을 시작할 때 분리될 예정이었다.^[17] 고체 로켓은 레이저로 점화될 예정이었다.^[4][18] 15~20초 동안 지속될 것으로 계획된 감속 로켓 연소 후,^[18] 오모테나시의 착륙선은 역추진 로켓을 분리하고 약 100m의 자유 낙하를 경험할 예정이었다. 충돌 직전에 착륙선은 직경 약 50cm의 단일 에어백을 배치하여 충격을 최소화할 계획이었으며,^[18][19] 예상 충돌 속도는 20~30 m/s였다.^[4][17]

6. 비행 과정 및 결과

오모테나시는 2022년 11월 16일 15시 47분 44초(UTC), 우주 발사 시스템 (SLS) 1호기에 탑재되어 발사되었다.^[24] 발사 후 약 90분 뒤인 19시 30분경(원격 측정 분석 추정치), 상단 로켓(ICPS)으로부터 성공적으로 분리되었다.^[11][24]

그러나 분리 직후부터 지상과의 통신 상태가 불안정했다. 탐사기의 자동 송신기는 분리 30초 후 정상적으로 켜져 전파 자체는 확인되었으나, 예상된 수신 가능 시간인 19시 52분경이 되어도 원격 측정이 고정되지 않았다.^[20][24] 지상 관제팀이 송신기 출력을 고출력으로 전환한 후에야 원격 측정이 고정되었으며, 이때 오모테나시는 태양 전지를 태양과 거의 반대 방향으로 향한 채 초당 약 80도(분당 약 13회전)라는 매우 빠른 속도로 회전하고 있었다. 이는 당초 계획했던 태양 전지를 태양으로 향하게 하고 태양 방향으로 초당 0.5도로 천천히 회전하는 자세와는 크게 달랐다.^[24]

JAXA는 탐사기의 빠른 회전 속도를 늦추고 회전축 방향을 바꿔 태양 전지를 태양 방향으로 향하게 하려 했으나, 이 과정에서 배터리 전압 저하로 통신이 두절되었다.^[11][24] JAXA는 자세 안정, 전력 확보, 통신 확립을 위한 복구 노력을 이어갔으나,^[11] 달 근지점 통과 시점인 2022년 11월 22일 1시경까지 통신 회복에 실패하자 결국 달 착륙 시도를 포기한다고 발표했다.^[8][12][24]

달 착륙은 실패했지만, 2023년 3월경 태양광 발전 재개 및 통신 회복 가능성을 보고 탑재 장비 시험 등을 목표로 복구 운용을 지속했다.^{[14][15][21][24]} 하지만 2023년 9월 말 통신 가능 한계 거리를 넘어섰고, 10월까지 신호 포착에 실패하자 JAXA는 복구를 최종 포기하고 운용 종료를 선언했다.^[16][22]

실패 원인 조사 결과, 태양 전지가 태양을 향하지 못해 발생한 전력 부족이 초기 통신 불안정과 자세 제어 실패로 이어졌다는 분석이 나왔다.^[13] 또한 RCS(반동 제어 시스템) 스러스터 밸브의 불완전한 폐쇄로 인한 추진제 누설이 예상치 못한 고속 회전의 원인으로 지목되었다.^[23][24][25]

7. 실패 원인

JAXA는 오모테나시가 발사 후 약 90분 만에 ICPS로부터 성공적으로 분리되었다고 발표했다. 그러나 2022년 11월 17일 시점까지 우주선은 태양 방향을 포착하지 못했으며 통신이 불안정한 상태였다. JAXA는 자세 안정, 전력 확보, 통신 확립을 위해 노력했으나^[11] 복구에 실패했고, 결국 11월 22일 달 착륙 시도를 포기했다.^[8][12][20]

초기에는 실패 원인으로 태양 전지가 태양을 향하지 못해 전력 확보에 실패한 점이 지적되었다.^[13] 우주선이 다시 태양을 향할 것으로 예상된 시점은 2023년 3월이었고,^[14][15] JAXA는 통신이 재개될 경우 복구 작전을 고려했었다.^[16] 자세 변화로 태양 전지가 충전될 가능성을 기대하며 운용을 지속했지만,^[21] 통신 가능 거리를 벗어난 후에도 신호를 수신하지 못해 최종적으로 운용이 종료되었다.^[22]

이후 조사 결과, 실패의 주요 원인은 반동 제어 시스템(RCS)의 추진기 밸브가 완전히 닫히지 않아 액체 추진제가 누출된 것으로 밝혀졌다.^[23][24][25]

8. 과학 장비

착륙선의 과학 탑재체는 방사선 감지기와 가속도계로 구성되었다.^[4]

과학 관측 장비로는 유일하게 우주 방사선용 초소형 선량계 "D-Space"를 탑재하고 있다. 이는 국립연구개발법인 산업기술종합연구소와 千代田テクノル|치요다 테크놀^일본어 주식회사가 공동 개발한 개인용 및 환경 선량계 "D-셔틀"을 개조한 것이다. D-Space는 2개의 센서를 통해 은하 우주선과 양성자를 구분하여 매분 피폭량을 실시간으로 측정할 수 있다. D-Space 탑재를 통해, 지자기권 외부 및 달 전이 궤도에서의 우주 방사선 환경 측정 기회를 일본에서 처음으로 얻게 되었다.

참조

_[1] 웹사이트 OMOTENASHI https://www.isas.jax[...] JAXA 2023-02-16
_[2] 뉴스 NASA's next-generation Artemis mission heads to moon on debut test flight https://www.reuters.[...] 2022-11-16
_[3] 웹사이트 OMOTENASHI https://www.japantim[...] 2022-11-22
_[4] 웹사이트 OMOTENASHI http://www.isas.jaxa[...] JAXA 2016-10-29
_[5] 웹사이트 Go To MOON! The World's Smallest Moon Lander: OMOTENASHI https://www.isas.jax[...] JAXA 2017
_[6] 웹사이트 Adapter structure with 10 CubeSats installed on top of Artemis moon rocket https://spaceflightn[...] 2021-10-12
_[7] 웹사이트 Status of the JAXA CubeSats OMOTENASHI and EQUULEUS onboard Artemis I https://global.jaxa.[...] JAXA 2022-11-17
_[8] 웹사이트 OMOTENASHI Project official JAXA Twitter message https://twitter.com/[...] JAXA 2022-11-21
_[9] 웹사이트 International Partners Provide Science Satellites for America's Space Launch System Maiden Flight https://www.nasa.gov[...] NASA 2016-05-26
_[10] 웹사이트 International Partners To Launch CubeSats On Orion Exploration Mission-1 https://www.colorado[...] Colaorado Space News 2016-05-26
_[11] 웹사이트 Status of the JAXA CubeSats OMOTENASHI and EQUULEUS onboard NASA Artemis I https://global.jaxa.[...] Japan Aerospace Exploration Agency 2022-11-17
_[12] 뉴스 JAXA Gives Up on Landing Omotenashi Probe on Moon https://www.nippon.c[...] Nippon.com 2022-11-22
_[13] 간행물 Editorial: Failure of OMOTENASHI Should Lead to New Lunar Landing Attempts Japan Forward 2022-11-28
_[14] 웹사이트 JAXA's Ultra Small Lander OMOTENASHI Fails to Receive Transmissions from Earth https://www.techtime[...]
_[15] 웹사이트 OMOTENASHI twitter Update https://twitter.com/[...] 2022-11-22
_[16] 웹사이트 OMOTENASHI Twitter about future https://twitter.com/[...] 2022-11-22
_[17] 웹사이트 Trajectory Design for the JAXA Moon Nano-Lander OMOTENASHI https://digitalcommo[...] Digital Commons 2017
_[18] 웹사이트 OMOTENASHI https://repository.e[...] JAXA 2017
_[19] 웹사이트 OMOTENASHI - Mission Sequence https://www.isas.jax[...] JAXA 2017
_[20] 웹사이트 JAXA、「オモテナシ」着陸断念を発表　日本初の月面着陸は失敗 https://mainichi.jp/[...] 毎日新聞 2022-11-22
_[21] 웹사이트 月着陸断念のオモテナシ、JAXA「運用続ける」　充電の機会待つ https://mainichi.jp/[...] 毎日新聞 2022-11-22
_[22] 트윗 2023年10月18日午後3:35の投稿 2024-03-15
_[23] 웹사이트 OMOTENASHIの異常回転は液体推進剤のリークが原因か？ JAXAが調査結果を報告 https://news.mynavi.[...] マイナビニュース 2022-12-27
_[24] 웹사이트 超小型探査機OMOTENASHIの打上げ結果について https://www.jaxa.jp/[...] JAXA 2022-12-27
_[25] 트윗 記者説明会 2022-12-27
_[26] 웹사이트 超小型探査機OMOTENASHI https://www.isas.jax[...] 2018-11-25
_[27] 웹사이트 世界最大のロケットで打ち上げる世界最小の探査機 第4回 世界最小の月着陸機 OMOTENASHI https://www.isas.jax[...] 宇宙科学研究所 2022-11-18
_[28] 웹사이트 世界最大のロケットで打ち上げる世界最小の探査機 第8回 OMOTENASHI / EQUULEUSの通信システム https://www.isas.jax[...] 宇宙科学研究所 2022-11-18
_[29] 웹사이트 世界最大のロケットで打ち上げる世界最小の探査機 第12回 OMOTENASHI搭載 超小型線量計 D-Space https://www.isas.jax[...] 宇宙科学研究所 2022-11-18
_[30] 웹사이트 世界最大のロケットで打ち上げる世界最小の探査機 第6回 OMOTENASHI搭載 超小型固体ロケットモーター https://www.isas.jax[...] 宇宙科学研究所 2022-11-18
_[31] 웹사이트 世界最大のロケットで打ち上げる世界最小の探査機 第10回 OMOTENASHIの衝撃緩和技術 https://www.isas.jax[...] 宇宙科学研究所 2022-11-18
_[32] 웹인용 OMOTENASHI http://www.isas.jaxa[...] JAXA 2016-10-29
_[33] 웹인용 Go To MOON! The World's Smallest Moon Lander: OMOTENASHI https://www.isas.jax[...] JAXA 2017
_[34] 웹인용 NASA administrator on the year ahead: "a lot of things have to go right" https://www.theverge[...] THE VERGE 2020-01-22