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창어 4호

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목차

1. 개요

창어 4호는 2019년 1월 3일 인류 최초로 달의 뒷면에 착륙한 중국의 달 탐사선이다. 2018년 12월 7일 발사되어, 네덜란드, 독일, 스웨덴, 사우디아라비아의 과학 장비를 탑재하고 달의 저주파수 전자기장 환경 연구, 달 토양의 수분 함량 분석 등을 수행했다. 췌차오 중계 위성을 통해 지구와 통신하며, 롱장 마이크로위성과 착륙선, 위투 2호 로버로 구성되었다. 주요 목표는 달의 내부 구조와 기원에 대한 연구이며, 달 암석과 토양의 화학적 조성 측정, 저주파수 전파 천문 관측 등을 수행했다. 창어 4호는 달 미세 생태계 실험을 진행하여, 식물 발아를 확인하기도 했다.

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2. 역사

2007년에 창어 1호, 2010년에 창어 2호, 2013년에 창어 3호를 발사하였다. 창어 4호에는 창어 3호와 달리 네덜란드의 저무선주파수 탐지기, 독일의 달 표면 뉴트론 및 방사선량 탐지기, 스웨덴의 중성원자 탐지기, 사우디아라비아의 소형 광학 이미징 탐지기 등 4대 과학 탑재체를 탑재하였다. 창어 4호는 달 주위의 저주파수 전자기장 환경에서 일어나는 배경 분포 변화 정보를 획득하고, 달 표면 입자에 대한 실제 측정 데이터를 이용하여 정밀하게 달 토양, 암석의 수분 함량을 분석할 수 있다. 또한, 이러한 장비를 이용하여 달 표면 에너지 중성원자와 양이온 등 국제 프런티어 달 과학 문제가 해결될 것으로 기대된다.

2018년 12월 8일 발사하여 2019년 1월 중에 착륙한다는 일정이 발표되어 관심을 끌었다. 2019년 1월 3일 오전 11시 26분(한국 시간), 남극 에이트켄 분지의 본 카르만 크레이터에 착륙하여, 세계 최초로 달 뒷면에 착륙하였다.

중국 달 탐사 계획(Chinese Lunar Exploration Program)은 기술 발전을 단계적으로 밟아나가는 4단계로 설계되었다.[15] 첫 번째는 단순히 달 궤도에 도달하는 것으로, 창어 1호와 창어 2호가 완수했다. 두 번째는 달 착륙 및 탐사로, 창어 3호와 창어 4호가 수행했다. 세 번째는 달 앞면에서 달 샘플을 채취하여 지구로 보내는 것으로, 창어 5호와 창어 6호가 완료했다. 네 번째 단계는 달 남극 부근에 로봇 연구 기지를 개발하는 것이다.[1][16][17]

이 프로그램은 2030년대에 유인 달 착륙을 하고, 남극 부근에 전초 기지를 건설하는 것을 목표로 한다.[18][19] 중국 달 탐사 계획은 항공 우주 혁신 가속화, 생산 비용 절감, 군민 관계 증진을 목표로 개인 및 기업의 민간 투자를 처음으로 유치하기 시작했다.[20]

이 임무는 탐사되지 않은 달 지역의 나이와 구성을 결정하고, 프로그램의 후기 단계에 필요한 기술을 개발하려고 시도할 것이다.[21] 탐사 로버 ''위투 2호''는 착륙 후 약 12시간 후에 배치되었다.

2. 1. 발사 및 달 궤도 진입

창어 4호 임무는 원래 2015년에 발사될 예정이었으나, 임무 목표와 설계 조정으로 인해 연기되었다.[22][23] 2018년 12월 7일 18시 23분(UTC), 무게 1.32톤의 창어 4호를 탑재한 창정 3B 로켓이 시창 위성발사센터에서 발사되었다.[4][24]

2018년 12월 12일 08:45 (UTC)에 달 궤도에 진입했다.[25] 2018년 12월 30일 00:55 (UTC)에는 궤도의 근월점이 15km로 낮춰졌다.[26]

2019년 1월 3일 02:26 (UTC), 남극-에이킨 분지의 폰 카르만 크레이터에 착륙했다.[27] 이는 세계 최초로 달 뒷면에 착륙한 사례이다.

달의 달의 뒷면에 있는 창어 4호 착륙 지점. 지구에서는 조석 고정 때문에 보이지 않는다.

3. 주요 목표


  • 달 뒷면의 지형 및 지질학적 특징을 탐사한다. 특히, 달의 고대 충돌 사건으로 인해 생긴 깊이 약 13km의 거대한 애이킨 분지에서 깊은 달의 지각과 맨틀 물질을 찾아 연구하여 달의 내부 구조와 기원에 대한 통찰력을 얻는 것을 목표로 한다.[1]
  • 달 암석과 토양의 화학적 조성을 측정한다.[28]
  • 임무 기간 동안 달 표면 온도를 측정한다.[28]
  • 전파 망원경을 사용하여 저주파수 전파 천문 관측 및 연구를 수행한다.[28]
  • 우주선을 연구한다.[28]
  • 태양 코로나를 관찰하고, 복사 특성과 메커니즘을 조사하며, 태양과 지구 사이의 코로나 질량 방출(CME)의 진화와 이동을 탐구한다.[28]

4. 구성 요소

창어 4호는 췌차오 중계 위성, 롱장 마이크로위성, 창어 4호 착륙선 및 위투 2호 로버 등의 구성 요소로 이루어져 있다.

4. 1. 췌차오 중계 위성

달의 뒷면에서 창어 4호와의 통신


지구-달 라그랑주점: 달 뒤편의 L2 주변 헤일로 궤도에 있는 위성은 지구와 달의 뒷면을 모두 볼 수 있다


달의 뒷면에서는 달에 의해 전파가 차단되어 지구와의 직접적인 통신이 불가능하다. 통신은 착륙 지점과 지구를 모두 잘 볼 수 있는 위치에 배치된 통신 중계 위성을 거쳐야 한다. 중국 국가우주국(CNSA)은 달 탐사 프로그램의 일환으로, 2018년 5월 20일 '''췌차오''' 중계 위성을 지구-달 L2점 주변의 헤일로 궤도에 발사했다.[29][30][31] 이 중계 위성은 창어 2호의 설계를 기반으로 하며,[32] 질량은 425kg이며, 4.2m 안테나를 사용하여 착륙선과 로버로부터 X 밴드 신호를 수신하여 S 밴드로 지구 제어국에 중계한다.[33]

이 우주선은 연료를 절약하기 위해 달 중력 보조를 사용하여 L2에 도달하는 데 24일이 걸렸다.[34] 2018년 6월 14일, ''췌차오''는 최종 궤도 수정 연소를 마치고 달에서 약 65000km 떨어진 L2 헤일로 미션 궤도에 진입했다. 이는 이 위치에 있는 최초의 달 중계 위성이다.[1]

''췌차오''("까치 다리")라는 이름은 중국 설화인 ''견우와 직녀''에서 영감을 받아 지어졌다.[29]

4. 2. 롱장 마이크로위성

'''롱장-1'''과 '''롱장-2''' (龙江|Lóng Jiāng중국어[35], ''Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder'' 또는 '''''DSLWP'''''로도 알려짐[36])는 창어 4호 임무의 일환으로 발사된 두 개의 소형 위성이다. 무게는 각각 45kg이며, 2018년 5월 췌차오와 함께 발사되었다.[37] 두 위성 모두 하얼빈 공업 대학에서 개발했다. ''롱장-1''은 달 궤도 진입에 실패했지만,[1] ''롱장-2''는 성공하여 2019년 7월 31일까지 달 궤도에서 운용되다가 의도적으로 달에 충돌하도록 지시되었다.[38]

롱장 2호의 충돌 지점은 반 헨트 크레이터 내이며, 충돌 시 4 x 5 미터 크기의 크레이터를 만들었다.[39]

이 소형 위성들은 매우 낮은 주파수(1–30 MHz)에서 하늘을 관측하는 임무를 수행하도록 설계되었으며, 이는 파장으로 환산하면 300~10m에 해당한다. 천체에서 발생하는 에너지 현상을 연구하는 것이 목표였다.[31][1][40] 지구의 전리층 때문에, 이 주파수 범위 내에서는 지구 궤도에서 관측이 이루어지지 않았으며,[1] 이는 잠재적인 획기적인 과학적 발견을 제공한다.[21]

4. 3. 창어 4호 착륙선 및 위투 2호 로버

창어 3호의 설계를 기반으로 제작되었으며, 총 착륙 질량은 1200kg이다. 착륙선과 ''위투 2'' 로버는 모두 긴 달 밤 동안 하위 시스템을 가열하기 위해 방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)을 갖추고 있으며,[43] 전력은 태양 전지판으로 생성된다.

착륙 후 착륙선은 ''위투 2'' 로버(문자 그대로: "옥토끼")를 달 표면에 배치하기 위해 램프를 펼쳤다.[34]

창어 4호 착륙선과 ''위투 2'' 로버 배치를 위해 설계된 램프


로버의 크기는 1.5 × 1.0 × 1.0 m이며 질량은 140kg이다. 중국 우주 기술 연구원에서 제작했으며 태양열을 사용하고 RHU로 가열되며,[43] 6개의 바퀴로 움직인다. 로버의 정상 작동 시간은 3개월이지만, 2013년 ''위투'' 로버의 경험을 바탕으로 로버 디자인이 개선되어 중국 엔지니어들은 로버가 "몇 년" 동안 작동할 수 있기를 희망하고 있다.[44] 2019년 11월 21일, ''위투 2''는 소련의 ''루노호트 1호'' 로버(1970년 11월 17일 ~ 1971년 10월 4일)가 보유했던 322 지구일의 달 수명 기록을 갱신했다.[45]

5. 과학 탑재체

창어 4호는 창어 3호와 달리 여러 국가의 과학 탑재체를 탑재했다. 여기에는 네덜란드의 저주파수 탐지기, 독일의 달 표면 뉴트론 및 방사선량 탐지기, 스웨덴의 중성원자 탐지기, 사우디아라비아의 소형 광학 이미징 탐지기가 포함된다.[49] 이러한 장비들을 통해 달 주위의 저주파수 전자기장 환경, 달 표면 입자를 연구하고, 달 토양 및 암석의 수분 함량을 분석할 수 있다.

창어 4호 임무는 달의 뒷면을 탐사하고, 프로그램 후기 단계에 필요한 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.[21] 과학 탑재체는 전파 천문학 연구와[46] 착륙 지점의 지구물리학 연구에 활용된다.[47][48]

5. 1. 중계 위성 (췌차오)



달의 뒷면에서는 달에 의해 전파가 차단되어 지구와의 직접적인 통신이 불가능하다. 통신은 착륙 지점과 지구를 모두 잘 볼 수 있는 위치에 배치된 통신 중계 위성을 거쳐야 한다. 중국 국가우주국(CNSA)은 달 탐사 프로그램의 일환으로, 2018년 5월 20일 '''Queqiao''' (鹊桥|췌차오중국어) 중계 위성을 지구-달 L2점 주변의 헤일로 궤도에 발사했다.[29][30][31] 이 중계 위성은 창어 2호의 설계를 기반으로 하며,[32] 질량은 425kg이며, 4.2m 안테나를 사용하여 착륙선과 로버로부터 X 밴드 신호를 수신하여 S 밴드로 지구 제어국에 중계한다.[33]

이 우주선은 연료를 절약하기 위해 달 중력 보조를 사용하여 L2에 도달하는 데 24일이 걸렸다.[34] 2018년 6월 14일, ''Queqiao''는 최종 궤도 수정 연소를 마치고 달에서 약 65000km 떨어진 L2 헤일로 미션 궤도에 진입했다. 이는 이 위치에 있는 최초의 달 중계 위성이다.[1]

''Queqiao''("까치 다리")라는 이름은 중국 설화인 ''견우와 직녀''에서 영감을 받아 지어졌다.[29]

중계 위성은 전파 천문학을 수행하고 있으며,[46] 착륙선과 ''위투 2'' 로버는 착륙 지점의 지구물리학을 연구한다.[47][48] 과학 탑재체는 스웨덴, 독일, 네덜란드 및 사우디 아라비아의 국제 파트너가 부분적으로 제공한다.[49]

작은다리 중계 위성은 지구-달 L2 지점을 공전하는 헤일로 궤도에 배치되어 달 뒷면에 있는 착륙선과 지구 사이의 지속적인 통신 중계 역할을 하는 것이 주요 기능이다.[31][46]

''작은다리''는 2018년 5월 21일에 발사되었다. 이 위성은 달에 도달하기 위해 달 스윙바이 전이 궤도를 사용했다. 최초의 궤도 수정 기동(TCM) 후, 우주선은 제 위치에 놓였다. 5월 25일, ''작은다리''는 L2 근처에 접근했다. 여러 번의 작은 조정을 거쳐, ''작은다리''는 6월 14일에 L2 헤일로 궤도에 진입했다.[50][51]

또한, 이 위성은 탐사되지 않은 80kHz~80MHz의 전파 영역에서 천체물리학 연구를 수행하는 '''네덜란드-중국 저주파 탐사기'''('''NCLE''')를 탑재하고 있다.[52][53] 이는 라드보드 대학교와 중국 과학원에서 개발했다. 궤도선의 NCLE와 착륙선의 LFS는 저주파(0.1–80 MHz) 전파 천문 관측을 수행하는 데 시너지를 발휘한다.[1]

5. 2. 착륙선


  • 착륙 카메라(LCAM): 우주선의 하단에 장착된 이 카메라는 달 표면 12km 상공에서 비디오 스트림을 생성하기 시작했다.[1]
  • 지형 카메라(TCAM): 착륙선 상단에 장착되어 360° 회전이 가능하며, 달 표면과 로버를 고화질로 촬영하는 데 사용된다.[1]
  • 저주파 분광계(LFS): 태양 전파 폭발을 0.1~40 MHz 주파수에서 연구하고 달의 전리층을 연구한다.[1]
  • 달 착륙선 중성자 및 선량계(LND): 독일 킬 대학교에서 개발한 (중성자) 선량계이다.[70] 이는 달의 미래 유인 탐사를 위한 방사선 선량 측정에 대한 정보를 수집하고, 태양풍 연구에 기여할 것이다.[54][55] 달 표면의 방사선량은 우주 비행사가 국제 우주 정거장에서 경험하는 것보다 2~3배 더 높다는 것을 보여주었다.[56][57]

5. 3. 로버 (위투 2호)



창어 4호 착륙선과 로버 디자인은 창어 3호와 ''위투'' 로버를 모델로 했다. 창어 4호는 창어 3호의 백업으로 제작되었으며,[41] 임무 경험과 결과를 바탕으로 새로운 임무 특성에 맞게 개조되었다.[42]

''위투 2'' 로버 (문자 그대로: "옥토끼")는 1.5 × 1.0 × 1.0 m 크기이며 질량은 140kg이다. 중국 우주 기술 연구원에서 제작했으며 태양열을 사용하고 방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)으로 가열되며,[43] 6개의 바퀴로 움직인다. 로버의 정상 작동 시간은 3개월이지만, 2013년 ''위투'' 로버의 경험을 바탕으로 로버 디자인이 개선되어, 중국 엔지니어들은 로버가 "몇 년" 동안 작동할 수 있기를 희망하고 있다.[44] 2019년 11월 21일, ''위투 2''는 소련의 ''루노호트 1호'' 로버 (1970년 11월 17일 ~ 1971년 10월 4일)가 보유했던 322 지구일의 달 수명 기록을 갱신했다.[45]

''위투 2'' 로버에는 다음 장비들이 탑재되어 있다.

  • 파노라마 카메라 (PCAM): 로버 마스트에 설치되어 360° 회전이 가능하다. 420 nm ~ 700 nm의 스펙트럼 범위를 가지며, 양안 시차를 통해 3D 이미지를 획득한다.[69]
  • 달 관통 레이더 (LPR): 탐사 깊이가 약 30m이며 수직 해상도가 30cm, 100m 이상이며 수직 해상도가 10m인 지표 투과 레이더이다.[1]
  • 가시광선 및 근적외선 영상 분광기 (VNIS): 영상 분광법을 통해 표면 물질과 대기 미량 기체를 식별한다. 스펙트럼 범위는 가시광선에서 근적외선 파장 (450 nm - 950 nm)까지이다.
  • 고성능 중성자 분석기 (ASAN): 스웨덴 우주물리 연구소(IRF)에서 제공하는 에너지 중성자 분석기이다. 태양풍이 달 표면과 어떻게 상호 작용하는지 보여주며, 달의 물 형성을 뒷받침하는 과정을 결정하는 데 도움이 될 수 있다.[70]

6. 달 미세 생태계 실험

창어 4호는 달 탐사 로봇(로버) 광밍을 통해 달 토양에 식물을 심는 실험을 진행했다. 이는 국제우주정거장(ISS)에서 식물을 키운 적은 있지만, 달에서 식물을 키우는 세계 최초의 시도였다.[1]

무게 3kg의 밀폐된 생물권 실린더는 길이 18cm, 직경 16cm로, 식물과 곤충이 함께 자랄 수 있는지 확인하기 위해 씨앗과 곤충 알을 포함했다.[1] 실험에는 목화 씨앗, 감자, 유채, 애기장대, 효모, 초파리 알 등 6가지 유기체가 포함되었다.[59][60][61] 낮은 달 중력과 방사선을 제외하고는 지구와 유사하게 용기 내부 환경을 유지했다.[62]

파리 알이 부화하면 애벌레가 이산화탄소를 생성하고, 발아된 식물은 광합성을 통해 산소를 방출하여 식물과 초파리가 간단한 상호작용을 할 수 있을 것으로 기대되었다. 효모는 이산화탄소와 산소를 조절하고, 파리와 죽은 식물의 폐기물을 분해하여 곤충에게 추가 식량을 제공한다.[1] 이 실험은 중국 28개 대학이 설계했다.[63]

'''결과''': 2019년 1월 3일 착륙 후 몇 시간 안에 생물권 온도를 24°C로 조절하고 씨앗에 물을 주었다. 2019년 1월 15일, 목화, 유채, 감자 씨앗이 발아했지만, 목화 씨앗 이미지만 공개되었다.[1] 그러나 1월 16일, 달의 밤이 시작되면서 외부 온도가 -52°C로 떨어져 실험이 종료되었다.[67] 실험은 계획된 100일 대신 9일 만에 종료되었지만, 가치 있는 정보를 얻었다.[1][68]

7. 착륙 지점

창어 4호는 2019년 1월 3일 오전 11시 26분(한국 시간)에 달의 뒷면에 있는 남극 에이트켄 분지의 폰 카르만 크레이터에 착륙했다.[27] 이는 세계 최초의 달 뒷면 착륙이다.[75]

폰 카르만 크레이터는 직경 180km이며, 달의 극지방-에이킨 분지 내에 있다.[72][73] 이 지점은 아직 탐사되지 않은 달의 뒷면이며, 상징적, 과학적 가치를 지닌다. 중국 우주 프로그램의 창시자인 첸쉐썬의 박사 과정 지도교수가 테오도르 폰 카르만이었기 때문이다.[74]

착륙선의 월면 좌표는 동경 177.5991°, 남위 45.4446°이며, 고도는 -5935m이다.[77][78] 착륙 지점은 2019년 2월에 톈허 기지로 명명되었다.[79]


8. 운영 및 결과

2019년 5월, 창어 4호는 지표면에서 맨틀 암석으로 추정되는 물질을 확인했다고 보고되었다.[85][86][87]

2020년 1월, 중국은 창어 4호의 착륙선과 로버에서 얻은 대량의 데이터와 고해상도 이미지를 공개했다.[88] 같은 해 2월, 중국 천문학자들은 위투 2호 로버에 탑재된 달 관통 레이더(LPR)를 이용해 달의 뒷면을 연구하여 얻은 달 분출 시퀀스의 고해상도 이미지와 내부 구조에 대한 분석 결과를 처음으로 발표했다.[89][90]

9. 국제 협력

창어 4호는 2011년 의회 금지령 이후 미국과 중국 간의 첫 번째 주요 우주 탐사 협력 사업으로 기록된다. 양국 과학자들은 착륙 전에도 정기적으로 연락을 주고받았다.[91] NASA의 달 정찰 궤도선(LRO)은 착륙 당시 탐사선의 로켓 배기가스에 의해 달 표면에서 날아오르는 기체와 입자를 관측하여 결과를 이론적 예측과 비교하는 논의를 진행했으나, 당시 적절한 위치에 있지 않아 관측을 수행하지는 못했다.[92] 미국은 중국 과학자들에게 달 궤도에 있는 자국의 위성에 대한 정보를 제공했으며, 중국은 미국 과학자들에게 창어 4호의 착륙 경도, 위도 및 시기를 공유했다.[93]

중국은 향후 미국의 달 탐사 임무에 창어 4호 탐사선과 췌차오 중계 위성을 사용하도록 해달라는 NASA의 요청에 동의했다.[94]

10. 국제적 반응

NASA 국장 짐 브라이든스틴은 창어 4호의 임무 성공을 "인상적인 성과"라 칭하며 중국에 축하를 전했다.[95]

스웨덴 우주물리 연구소의 마틴 비저(창어에 탑재된 기기 중 하나의 수석 연구원)는 "우리는 궤도 이미지와 위성으로 달의 뒷면을 알고 있지만, 표면에서는 알지 못한다. 그곳은 미지의 영역이며, 그것이 매우 흥미로운 이유이다."라고 말했다.[96]

11. 비용

정확한 금액은 밝혀지지 않았지만, 부 프로젝트 디렉터에 따르면 "전체 임무의 비용은 지하철 1km를 건설하는 비용과 비슷하다."[71] 중국 지하철의 킬로미터당 비용은 건설 난이도에 따라 5억위안 (약 7200만달러)에서 12억위안 (약 1.72억달러)까지 다양하다.[71]

참조

[1] 웹사이트 China says it will launch 2 robots to the far side of the Moon in December on an unprecedented lunar exploration mission https://www.business[...] Business Insider 2018-08-16
[2] 웹사이트 Chang'e 3, 4 (CE 3, 4) http://space.skyrock[...] Gunter's Space Page
[3] 웹사이트 This is the rover China will send to the 'dark side' of the Moon https://www.cnn.com/[...] CNN News 2018-08-16
[4] 웹사이트 探月工程嫦娥四号探测器成功发射 开启人类首次月球背面软着陆探测之旅 http://www.cnsa.gov.[...] China National Space Administration 2018-12-08
[5] 웹사이트 Launch Schedule 2018 https://spaceflightn[...] 2018-09-18
[6] 뉴스 China lands Chang'e-4 mission on the far side of the Moon https://www.nasaspac[...] NASASpaceFlight.com 2019-01-03
[7] 뉴스 China lands Chang'e-4 mission on the far side of the Moon https://www.nasaspac[...] NASASpaceFlight.com 2019-01-03
[8] 웹사이트 中国探月工程立项20年 回顾"嫦娥"奔月之旅 https://content-stat[...] 央视新闻 2024-05-04
[9] 뉴스 Chang'e 4 landing: China probe makes historic touchdown on far side of the moon https://www.theguard[...] The Guardian 2019-01-03
[10] 웹사이트 China successfully lands Chang'e-4 on far side of Moon http://www.planetary[...] 2019-01-03
[11] 뉴스 This map shows exactly where China landed its Chang'e-4 spacecraft on the far side of the moon https://www.business[...] Business Insider 2019-01-03
[12] 뉴스 China's Chang'e 4 Moon Lander and Rover to Touch Down As Toys https://space.com/42[...] Future US, Inc. 2018-12-12
[13] 웹사이트 Plane Speaking with Dr Wu Weiren https://www.aerosoci[...] 2019-12-10
[14] 웹사이트 IAF WORLD SPACE AWARD – THE CHANG'E 4 MISSION https://www.iafastro[...] International Astronautical Federation 2021-08-14
[15] Youtube Chang'e 4 press conference https://www.youtube.[...]
[16] 웹사이트 China's Planning for Deep Space Exploration and Lunar Exploration before 2030 http://epizodsspace.[...]
[17] 웹사이트 A Tentative Plan of China to Establish a Lunar Research Station in the Next Ten Years http://adsabs.harvar[...]
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