율리시스 (우주선)

3. 구조

율리시스 탐사선은 유럽우주국(ESA)이 설계하고 독일의 도르니어 시스템즈(Dornier Systems)가 제작했다. 본체는 대략 3.2m 크기의 상자 모양이며, 1.65m 크기의 접시 안테나와 GPHS-RTG 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG) 전력원이 장착되었다. 상자는 소음 구역과 조용한 구역으로 나뉘었는데, 소음 구역은 RTG에 인접했고 조용한 구역에는 민감한 과학 장비들이 탑재되었다. 특히 "소음이 큰" 부품들은 구조물 외부에 장착되었고, 상자는 패러데이 케이지 역할을 했다.

율리시스는 접시 안테나의 축과 거의 일치하는 z축을 중심으로 스핀 안정화되었다. RTG, 휩 안테나, 장비 붐은 이 축을 안정화하기 위해 배치되었으며, 회전 속도는 약 5 rpm이었다. 본체 내부에는 히드라진 연료 탱크가 있었다. 히드라진 단일 추진제는 목성으로 향하는 궤도 수정 및 스핀 축(그리고 안테나)을 지구 방향으로 재조준하는 데 사용되었다. 우주선은 8개의 추진기를 사용하여 제어되었고, 추진기는 시간 영역에서 펄스되어 회전 또는 병진을 수행했다. 4개의 태양 센서가 방향을 감지했다.

미세한 자세 제어를 위해 S 대역 안테나 피드는 축에서 약간 벗어나 장착되었다. 이 오프셋 피드와 우주선의 스핀이 결합되어 지구에서 전송된 무선 신호에 진동이 발생했다. 이 진동의 진폭과 위상은 스핀 축의 지구 방향에 대한 방향에 비례했다. 이러한 상대 방향을 결정하는 방법을 원추 스캐닝이라고 하며, 초기 레이더에서 표적의 자동 추적에 사용되었고 초기 적외선 유도 미사일에서도 매우 일반적이었다.

우주선은 이중 중복 5와트 송수신기를 통해 업링크 명령과 다운링크 원격 측정에 S 대역을 사용했다. 또한 과학 데이터 반환(다운링크 전용)에 X 대역을 사용했으며, 2008년 1월 마지막 남은 TWTA 고장 전까지 이중 20와트 TWTA를 사용했다. 두 대역 모두 대부분의 다른 우주선 접시와 달리 카세그레인 피드가 아닌 프라임 포커스 피드가 있는 접시 안테나를 사용했다.

각각 약 45메가비트 용량의 이중 테이프 레코더는 주 임무 및 연장 임무 단계에서 8시간 간격의 정상 통신 세션 사이에 과학 데이터를 저장했다.

우주선은 태양계 내부의 열과 목성 거리의 추위를 모두 견딜 수 있도록 설계되었다. 광범위한 담요와 전기 히터는 외부 태양계의 낮은 온도로부터 탐사선을 보호했다.^[6]

발사 당시 총 질량은 371kg이었으며, 그중 33.5kg은 자세 제어 및 궤도 수정에 사용된 히드라진 추진제였다.

4. 과학 장비

4. 1. 무선/플라스마 안테나

4. 2. 실험 붐

4. 3. 본체 장착 장비

4. 4. 기타

• 무선 통신 링크는 중력파^[9] 탐색 및 전파 엄폐를 통한 태양 대기 조사에 활용되었다.
• 자력계(MAG)는 태양권 및 목성의 자기장을 측정했다.^[10]
• 태양풍 플라스마 실험(SWOOPS)은 태양풍의 양이온과 전자를 측정했다.^[11]
• 태양풍 이온 조성 장비(SWICS)는 태양풍을 구성하는 원자와 이온의 조성, 온도, 속도를 측정했다.^[12][13]
• 통합 무선 및 플라스마파 장비(URAP)는 태양에서 방출되는 전파와 우주선 주변의 전자기파를 측정했다.
• 고에너지 입자 장비(EPAC) 및 GAS는 고에너지 입자와 성간 기체(헬륨)를 연구했다.
• 저에너지 이온 및 전자 실험(HI-SCALE)은 태양권 내 고에너지 입자를 조사했다.
• 우주선 및 태양 입자 장비(COSPIN)는 고에너지 입자와 은하 우주선을 조사했다.
• 태양 X선 및 우주 감마선 폭발 장비(GRB)는 우주 감마선 폭발과 태양 플레어에서 방출되는 X선을 연구했다.
• 먼지 실험(DUST) 장비는 행성간 및 성간 먼지 입자를 직접 측정했다.

5. 궤도

율리시스 이전까지 태양은 저위도에서만 관측되었다. 지구 궤도는 황도면을 정의하는데, 이는 태양의 적도면과 7.25°밖에 차이가 나지 않는다. 태양을 직접 공전하는 우주선조차도 고도의 기울기를 가진 태양 궤도로 직접 발사하려면 엄청나게 큰 발사체가 필요하기 때문에 황도면 근처에서 공전한다.

1970년대에 마리너 10호, 파이오니어 11호, 보이저 1호와 2호 등 여러 우주선이 중력 도움 기동을 수행했다. 이 기동은 대부분 황도면 근처를 공전하는 다른 행성에 도달하기 위한 면내 변화였지만, 중력 도움은 면내 기동에 국한되지 않는다. 목성의 적절한 근접 비행은 궤도면의 상당한 변화를 가져올 수 있다. 이에 따라 황도면 밖 임무(OOE)가 제안되었다. ('''참조 항목''' 파이오니어 H)

원래 NASA와 ESA는 국제 태양 극지 임무로 두 대의 우주선을 제작할 예정이었다. 한 대는 목성을 지나 태양 아래로, 다른 한 대는 목성 아래를 지나 태양 위로 보내 동시 관측을 제공할 계획이었다. 그러나 예산 삭감으로 1981년 미국의 우주선 계획은 취소되었다. 한 대의 우주선이 설계되었고, 간접적이고 시도되지 않은 비행 경로 때문에 이 프로젝트는 율리시스로 개칭되었다. NASA는 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)와 발사 서비스를 제공하고, ESA는 프리드리히스하펜 독일(구 도르니어 시스템즈)의 아스트리움 GmbH에 우주선 제작을 맡겼다. 장비는 유럽과 미국의 대학 및 연구소 팀으로 나뉘어 12개의 장비가 탑재되었다.

이러한 변경과 챌린저호 폭발 사고로 인해 발사가 연기되었다.^[14]

5. 1. 발사 및 초기 궤도

5. 2. 목성 스윙바이

6. 주요 탐사

1994년부터 1995년까지 율리시스는 태양의 남극과 북극 지역을 차례로 탐사했다.

1996년 5월 1일, 율리시스는 우연히 햐쿠타케 혜성(C/1996 B2)의 이온 꼬리를 통과했다. 꼬리의 길이는 약 3.8AU였다.^{[50][51][52][16][18]}

2000년부터 2001년까지 율리시스는 태양의 남극 지역을 다시 탐사하면서, 태양의 남극이 매우 활동적이며 명확한 위치를 특정하기 어렵다는 사실을 발견했다. 이는 북극보다 확산되어 있기 때문으로 해석된다.

2003년부터 2004년까지 율리시스는 원일점 부근에서 목성을 원거리 관측했다.^[53][20]

2004년에는 맥노트-하틀리 혜성(C/1999 T1)의 꼬리와 조우했으며, 코로나 질량 방출(CME)에 의해 혜성 물질이 율리시스까지 운반된 것으로 추정된다.^[17][18][19]

2007년에는 맥노트 혜성(C/2006 P1)의 꼬리를 통과했는데, 이때 태양풍의 속도가 현저히 감소한 것이 관측되었다. 태양풍의 속도는 초속 약 700km에서 400km 이하로 떨어졌다.^[54][21]

7. 연장 임무 및 운용 종료

율리시스는 당초 예정된 임무 기간을 넘어 여러 차례 연장 임무를 수행했다. 2007년부터 2008년에 걸쳐 세 번째 태양 극권 관측을 위해 2009년 3월까지 운용이 연장되었으나, 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)의 출력 저하로 어려움을 겪었다. 이에 따라 전력 소비를 최소화하기 위해 일부 장비만 선택적으로 운용하였다.^[55]

발사 후 17년 4개월째인 2008년 2월 22일, 유럽 우주국(ESA)와 미국 항공우주국(NASA)는 율리시스의 운용이 수개월 내에 종료될 것이라고 발표했다.^{[57] [58]} NASA는 2008년 7월 1일을 임무 종료일로 발표했지만,^[59] 실제 운용은 2009년 6월 30일까지 계속되었다.^{[46] [47]} 이는 통신 장비의 주 전원을 차단하면서 최종적으로 종료되었다.

7. 1. 연장 임무

7. 2. 운용 종료

8. 주요 결과

율리시스는 태양 자기장이 이전 예상보다 더 복잡하게 태양계와 상호작용한다는 것을 밝혀냈다.^[31][1] 심우주에서 태양계로 유입되는 먼지 양이 이전 예상보다 30배 많다는 사실도 발견했다.^[31][1]

2007년~2008년 율리시스 관측 데이터는 태양 극지방 자기장이 이전 관측보다 약하다는 것을 보여주었다.^[31][1] 태양풍은 임무 기간 동안 점진적으로 약해져 우주 시대 시작 이후 가장 약한 상태가 되었다.^[30]

율리시스는 황도면 밖에 있는 유일한 감마선 관측 장비로 행성간 네트워크(IPN)의 중요한 역할을 했다. IPN은 감마선 폭발(GRB)을 탐지하는데, 감마선은 거울로 초점을 맞출 수 없어 위치 파악이 어렵다. 여러 우주선이 다중측량을 통해 폭발 위치를 파악한다. 각 우주선 감마선 검출기가 기록한 값을 바탕으로 감마선 샤워 도착 시간과 우주선 간격을 비교해 위치를 결정하고, 다른 망원경으로 후속 관측을 한다. 율리시스가 황도면을 두 번 통과할 때마다 GRB 결정 정확도가 떨어졌다.

9. 후속 연구 및 영향

율리시스가 제공한 데이터는 태양 자기장이 이전에 생각했던 것보다 더 복잡하게 태양계와 상호 작용한다는 것을 밝혀냈다.^[31][1] 또한, 심우주에서 태양계로 유입되는 먼지의 양이 이전 예상보다 30배나 많다는 사실도 알아냈다. 2007년~2008년 율리시스의 데이터는 태양 극지방에서 나오는 자기장이 이전에 관측된 것보다 훨씬 약하다는 것을 보여주었다. 태양풍(solar wind)은 임무 기간 동안 점차 약해져서, 현재 우주 시대가 시작된 이후 가장 약한 상태이다.^[30]

율리시스는 황도면 밖에 위치한 유일한 감마선 관측 장비를 탑재한 우주선으로서, 행성간 네트워크(InterPlanetary Network)(IPN)의 중요한 부분이었다. IPN은 감마선 폭발(gamma ray burst)(GRB)을 탐지하는데, 감마선은 거울로 초점을 맞출 수 없기 때문에 GRB의 위치를 정확하게 파악하기 어려웠다. 대신, 여러 우주선이 다중측량(multilateration)을 통해 폭발 위치를 파악했다. 각 우주선에 있는 감마선 검출기가 기록한 감마선 샤워의 도착 시간과 우주선 간의 간격을 비교하여 위치를 결정하고, 다른 망원경으로 후속 관측을 수행했다. 감마선은 광속으로 이동하기 때문에 넓은 간격이 필요했다. 일반적으로 지구 궤도를 도는 우주선, 내부 태양계 탐사선, 그리고 율리시스의 자료를 비교하여 위치를 결정했다. 율리시스가 궤도를 돌면서 황도면을 두 번 통과할 때마다 많은 GRB 결정의 정확도가 떨어졌다.

율리시스는 태양을 중심으로 하는 궤도를 무한정 계속 유지할 가능성이 가장 높다. 그러나 목성과의 재접근 중 목성의 위성 중 하나와 근접 통과하면 궤도가 변경되어 탐사선이 태양 주위의 쌍곡선 궤도에 진입하고 태양계를 벗어날 가능성도 있다.^[32]

참조

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