톈원 1호

1. 개요

톈원 1호는 2020년 7월 중국이 발사한 화성 탐사선으로, 2021년 5월 세계 3번째로 화성 착륙에 성공했다. 궤도선, 착륙선, 로버로 구성되었으며, 주룽 로버는 화성 표면 탐사 임무를 수행한다. 톈원 1호는 화성의 지질 구조, 토양, 물 얼음 분포 등을 연구하며, 2030년 지구 귀환을 목표로 한다. 또한 국제 협력을 통해 임무를 수행하며, 한국의 우주 탐사 노력과 전망에 영향을 줄 것으로 예상된다.

2. 역사

중국의 행성 탐사 프로그램은 Tianwen^중국어 시리즈로 불리며, 톈원 1호는 이 프로그램의 첫 번째 임무이다. 후속 행성 임무는 순차적으로 번호가 매겨질 것이다. 톈원(Tianwen^중국어)이라는 이름은 고대 중국의 시인 굴원(기원전 340–278년)이 쓴 동명의 고전 시에서 유래되었으며, "하늘에 묻는 질문" 또는 "천국의 진실 탐구"를 의미한다. 톈원 1호의 로버는 불과 빛과 관련된 중국의 신화적 인물의 이름을 따서 Zhurong^중국어(祝融号)으로 명명되었으며, 2021년 1월부터 2월까지 진행된 온라인 투표를 통해 선정되었다.

2.1. 중국의 화성 탐사 시도

2011년 11월, 중국의 첫 번째 화성 궤도선이 될 예정이었던 잉후오 1호가 러시아 우주선 포보스-그룬트에 부착된 보조 우주선으로 바이코누르 우주 기지에서 발사되었다. 그러나 포보스-그룬트의 주 추진 장치가 화성으로 향하는 발사체를 초기 지구 주차 궤도에서 벗어나게 하는 데 실패했고, 다국적 우주선과 실험 장비는 결국 2012년 1월 지구 대기로 재진입했다. 2014년, 중국은 이후 독립적인 화성 탐사 프로젝트를 시작했다.

2020년 7월 23일, 원창 위성발사센터에서 창정 5호 로켓으로 톈원 1호를 발사했다.

2021년 5월 15일, 중국국가항천국(CNSA)는 중국의 첫 화성 탐사선 '톈원 1호'가 화성에 착륙했다고 발표했다. 이는 미국, 소련에 이어 세계 3번째 화성 탐사선 착륙 성공이며, 로버의 화성 착륙은 미국에 이어 세계 2번째 기록이다.

2030년 톈원 1호가 지구에 복귀할 계획이다.

2.2. 다른 국가들의 화성 탐사

중국국가항천국(CNSA)는 2021년 5월 15일에 중국의 첫 화성 탐사선 '톈원 1호'가 화성에 착륙했다고 발표했다. 이는 미국과 소련에 이어 세계에서 3번째로 화성 탐사선을 착륙시킨 성공 사례이며, 로버의 화성 착륙은 미국에 이어 세계 2번째 기록이다.

1998년 일본은 최초의 화성 탐사선인 노조미 (우주선)을 발사했지만 실패했다.

러시아는 2016년 유럽우주국(ESA)과 함께 화성 생명체 탐사를 위해 탐사선 엑소마스를 보냈으나 탐사에 실패했다. 러시아는 2022년에 ESA와 함께 착륙선과 로버를 화성으로 보낼 예정이었다.

3. 발사체 및 구성 요소

톈원 1호는 창정 5호 로켓을 사용하여 발사되었다. 창정 5호는 25톤의 인공위성을 지구 저궤도에 운반할 수 있는데, 이는 20톤 정도인 우주정거장 모듈을 발사할 수 있는 능력이다. 톈원 1호는 궤도선, 착륙선, 주룽 로버로 구성되어 있으며, 로버의 무게는 240kg이다. 즉, 240kg 로버 하나를 화성에 착륙시키기 위해 25톤 우주정거장 발사체가 사용된 것이다.

톈원 1호는 중국 우주 과학 기술 그룹 공사(CASC)에서 개발하고 베이징에 있는 국가 우주 과학 센터(NSSC)에서 관리하며, 2016년에 공식적으로 승인되었다.

2019년 11월 14일, 중국은 화성 착륙선의 호버링 및 장애물 회피 시험을 지구 외 천체 착륙 시험장에서 공개했다. 2020년 4월, 이 임무는 공식적으로 "톈원-1"로 명명되었다.

톈원 1호는 창정 5호 대형 발사체에 실려 하이난 섬의 원창 우주 발사 센터에서 발사되었다.

2020년 9월, 톈원 1호 궤도선은 톈원 1호 제1 배치 가능 카메라(TDC-1)를 배치했다. TDC-1은 톈원 1호의 사진을 촬영하고 무선 통신을 시험하는 두 대의 카메라가 장착된 소형 위성이었다.

탐사선은 화성 궤도를 도는 궤도선과 착륙선(랜더) 및 탐사 로버로 구성되어 있다. 톈원 1호의 총 질량은 약 5t이며, 탐사 로버의 질량은 약 240kg이다.

4. 화성 착륙 과정

톈원^중국어-1호의 화성 착륙은 매우 어려운 기술을 필요로 한다. 지구와의 통신에는 약 18분의 지연 시간이 발생하여 실시간 조종이 불가능하기 때문이다.

중국은 미국에 이어 두 번째로 화성에 로버를 착륙시켜 세계 2위의 우주 기술력을 입증했다. 러시아, 일본, 유럽도 로버 착륙을 시도하고 있다.

톈원^중국어-1호는 열차폐막으로 화성 대기권에 진입한 후, 큰 낙하산을 펼쳐 속도를 줄였다. 마지막에는 역추진 로켓을 분사하여 속도를 더욱 감소시켰다.

2021년 5월 14일 23시 18분(UTC), 톈원^중국어 1호 착륙선은 화성 유토피아 평원 남부의 미리 선정된 착륙 구역에 성공적으로 착륙했다. 착륙 단계는 착륙선과 탐사 로버를 포함하는 보호 캡슐의 방출로 시작되었다. 캡슐은 대기 진입을 거쳐 낙하산 강하 단계를 거쳤으며, 이후 착륙선은 역추진을 사용하여 화성에 연착륙했다.

착륙 지역은 다음 두 가지 주요 기준에 따라 선정되었다.

* 공학적 타당성: 위도, 고도, 경사, 표면 상태, 암석 분포, 지역 풍속, EDL 과정에서의 가시성 요구 사항을 포함한다.
* 과학적 목표: 지질학, 토양 구조 및 물 얼음 분포, 표면 요소, 광물 및 암석 분포, 자기장 감지를 포함한다.

화성 전체를 조사한 결과, 아마조니스 평원, 크리세 평원, 유토피아 평원 세 곳이 초기 후보지로 선정되었다. 세 후보지는 모두 북위 5도에서 30도 사이에 위치했다.

최종적으로 유토피아 평원의 를 중심으로 하는 약 180km x 70km 크기의 지역이 주 착륙 지점으로 선정되었다. 이 지역은 과학적 가치가 높고 착륙에 충분히 안전한 것으로 판단되었다. 유토피아 평원은 화성 북부 저지대에 고대 해양이 존재했을 가능성을 보여줄 수 있다는 점에서도 선호되었다.

2021년 2월, 톈원^중국어 1호 궤도선이 화성 궤도에 진입한 후, 고해상도 카메라(HiRIC)를 사용하여 주 착륙 지역을 더 좁혔다. HiRIC 카메라는 주 착륙 지역의 고해상도 입체 이미지를 수집하여 다양한 해상도의 모자이크 지도를 제작했다.

HiRIC 모자이크를 바탕으로, 착륙팀은 주요 목표 지역 내에서 잠재적인 후보 착륙 타원에 대한 지형 분석을 수행했다. 위험 지수가 가장 낮은 후보 타원 16이 주요 목표로 선정되었다.

2021년 5월 14일(UTC), 주룽 로버와 착륙 플랫폼은 지점, 고도 -4099.4m에 착륙했다.

5. 주룽 로버

주룽은 바퀴가 6개 달린 태양광 탐사 로봇이다. 높이 1.85m, 무게는 240kg으로 중국 고대 신화에 나오는 최초의 '불의 신'을 뜻한다. 3개월간 화성 지표면 탐사 임무를 수행하면서 화성의 토양·암석 샘플을 채취하게 된다. 로버가 착륙한 유토피아 평원은 과거 많은 양의 얼음이 존재했을 것으로 추정돼 미생물 서식에 적합한 환경을 갖췄다.

주룽은 미국 항공우주국(NASA)이 2000년대 개발한 로버인 스피릿 로버, 오퍼튜니티 로버와 유사한 생김새를 지녔다.

주룽에는 카메라, 토양과 암석 조성을 분석하는 센서, 땅속 얼음을 탐색하는 레이더, 기상 관측 장비, 자기장 감지기 등 6가지 장비가 실려 있다.

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2021년 5월 22일 (02:40 UTC)에 주룽 로버는 과학 임무를 시작하기 위해 착륙선에서 화성 표면으로 내려왔다. 로버는 90 솔 동안 표면을 탐사하도록 설계되었으며, 궤도선은 화성에 대한 자체 궤도 관측을 계속하면서 로버의 원격 통신 중계 역할을 할 것이다.

2021년 8월 15일, 주룽은 계획된 탐사 임무를 공식적으로 완료했으며 착륙했던 유토피아 평원 남쪽을 향해 계속 이동할 것이다. 2021년 8월 18일, 주룽은 90솔의 수명을 초과했으며, 중국 과학자들과 엔지니어들은 화성의 고대 해안 지역을 조사하는 것을 목표로 하는 연장된 탐사를 발표했다.

2022년 5월 20일, 주룽은 다가오는 모래 폭풍과 화성 겨울을 대비하기 위해 동면 모드로 전환되었으며, 적절한 온도와 햇빛 조건에서 자체적으로 깨어나도록 프로그래밍되었다.

탐사 로버는 태양광으로 구동하고, 항법 및 탐사에 사용되는 각종 카메라 외에 레이저 유도 파괴 분광계, 자기장 감지기, 지중 레이더 등을 탑재했으며, 약 90화성일 (약 90지구 일) 동안 가동될 예정이며, 지형, 지질, 기상 조사를 수행할 예정이다. 탐사 로버는 중국 신화의 축융을 따서 "주룽호"로 명명되었다.

6. 임무 목표

톈원 1호는 현재와 과거 생명체의 증거를 찾고, 화성 표면 지도를 제작하며, 토양 조성과 물 얼음 분포를 특성화하고, 화성 대기, 특히 전리층을 조사하는 것을 주요 목표로 한다.

이를 위해 다음과 같은 세부 과학적 목표를 설정했다.

이 임무는 2030년대에 계획된 화성 샘플 반환 임무에 필요한 기술을 시험하는 역할도 수행한다. 탐사 로버 주룽호는 이후 샘플 반환 임무를 위해 암석 및 토양 샘플을 보관하고, 궤도선은 보관 위치를 찾는 데 도움을 줄 것이다.

7. 탐사 활동 진행 상황

2020년 7월 23일, 톈원 1호는 창정 5호 로켓에 실려 하이난 섬의 원창 우주 발사 센터에서 발사되었다.

2020년 9월, 톈원^중국어 1호 궤도선은 톈원^중국어 1호 제1 배치 가능 카메라(TDC-1)를 배치했다. TDC-1은 톈원^중국어 1호의 사진을 촬영하고 무선 통신을 시험하는 두 대의 카메라가 장착된 소형 위성이었다. 화성으로 항해하는 동안, 우주선은 4번의 궤도 수정 기동을 완료했고, 태양 중심 궤도 경사각을 변경하기 위한 추가 기동을 수행했다. 또한 여러 탑재체에 대한 자체 진단을 수행했다.

2021년 5월 14일 23시 18분(UTC)에 톈원^중국어 1호 착륙선이 화성 유토피아 평원 남부의 사전 선정된 착륙 구역에 성공적으로 착륙했다. 착륙 단계는 착륙선/탐사 로버를 포함하는 보호 캡슐의 방출로 시작되었다. 캡슐은 대기 진입을 거쳐 낙하산 강하 단계를 거쳤으며, 이후 착륙선은 역추진을 사용하여 화성에 연착륙했다.

2021년 5월 22일 (02:40 UTC)에 주룽 로버는 과학 임무를 시작하기 위해 착륙선에서 화성 표면으로 내려왔다. 주룽 로버는 표면에 드롭 카메라를 배치하여 주룽 로버와 톈원-1 착륙선 모두를 촬영할 수 있었다. 로버는 90 솔 동안 표면을 탐사하도록 설계되었으며, 높이는 약 1.85m이고 질량은 약 240kg이다. 로버 배치 후, 궤도선은 화성에 대한 자체 궤도 관측을 계속하면서 로버의 원격 통신 중계 역할을 할 것이다.

2021년 7월 12일, 주룽은 5월 14일 착륙 중에 화성 표면에 떨어뜨린 낙하산과 후방 덮개를 방문했다. 2021년 8월 15일, 주룽은 계획된 탐사 임무를 공식적으로 완료했으며 착륙했던 유토피아 평원 남쪽을 향해 계속 이동할 것이다.

2021년 9월 중순부터 10월 말까지, 톈원-1 궤도선과 주룽 로버는 태양 합 주변의 통신 두절로 인해 안전 모드로 전환되었다. 2022년 5월 20일, 주룽은 다가오는 모래 폭풍과 화성 겨울을 대비하기 위해 동면 모드로 전환되었으며, 적절한 온도와 햇빛 조건에서 자체적으로 깨어나도록 프로그래밍되었다. 2023년 2월 27일, 임무의 처음 325 솔의 기상 데이터에 대한 초기 결과가 저널 네이처에 게재되었다.

* 2월 5일, 화성까지 220만km 지점에서 촬영한 화성 이미지가 공개되었다.
* 2월 10일 20시경 (CST), 화성 궤도 진입.
* 5월 14일 23시 18분 (UTC), 착륙선(랜더)이 유토피아 평원 남부에 있는 착륙 예정 지점에 무사히 착륙했다.
* 5월 22일 11시 30분 (JST)경, 탐사차가 착륙기를 떠나 화성 표면에서 활동을 시작했다.

* 1월 1일, 중국 국가항천국은 "톈원 1호"에서 전송된 궤도선 일부, 화성 북극관, 궤도선과 화성 등의 이미지를 공개했다.
* 3월 7일, 미국의 "퍼서비어런스(Perseverance)" 화성 탐사차를 촬영했다.
* 6월 29일, 화성 원격 감지 탐사 임무를 완료했다.
* 9월 18일부터 22일까지 개최된 제73회 국제 우주 회의(IAC)에서 "톈원 1호"가 화성 궤도 진입, 착륙, 순찰 탐사를 한 번의 탐사로 실현한 것은 인류 최초라며 "톈원 1호" 미션팀이 국제 우주 항행 연맹(IAF)의 2022년 "세계 우주상"을 수상했으며, 이미 휴면 상태에 있는 주룽^중국어 화성 탐사차는 올해 12월에 자율적으로 재가동할 예정이다.

8. 탑재체

톈원 1호는 궤도선에 8개, 주룽 탐사차에 6개의 과학 장비를 탑재하고 있다. 주룽에는 카메라, 토양 및 암석 조성 분석 센서, 땅속 얼음 탐색 레이더, 기상 관측 장비, 자력계 등 6가지 장비가 실려 있다. 탐사 로버는 질량이 약 240kg이며 태양광으로 구동하고, 항법 및 탐사에 사용되는 각종 카메라 외에 레이저 유도 파괴 분광계, 자기장 감지기, 지중 레이더 등을 탑재했다.

8.1. 궤도선

톈원 1호는 화성 궤도를 도는 궤도선과 착륙선, 탐사 로버로 구성되어 있다. 궤도선에는 각종 카메라와 더불어 자력계, 지중 탐사 레이더, 적외선 분광계, 하전 입자·중성 입자 센서 등이 탑재되어 있다.

* 중해상도 촬영 카메라 (MoRIC)는 고도 400km에서 100m 해상도로 가시광선 대역에서 컬러 사진을 촬영한다.
* 고해상도 촬영 카메라 (HiRIC)는 고도 256km에서 2.5m 해상도(팬크로매틱 모드)와 10m 해상도(컬러 모드)로 촬영한다.
* 화성 궤도 자력계 (MOMAG)는 화성 자기장을 매핑하는 데 사용된다.
* 화성 광물 분광계 (MMS)는 0.45~3.4μm 범위의 파장을 감지하는 가시광선 및 근적외선 이미징 분광계를 활용하여 화성 표면 조성을 조사하고 분석한다. 또한 화성의 레골리스 유형 분포 및 지하 구조를 조사한다.
* 화성 궤도 과학 조사 레이더 (MOSIR)는 레이더의 이중 편파 에코 특성을 통해 화성 표면과 지하 얼음의 물을 탐사하는 것을 목표로 한다.
* 화성 이온 및 중성 입자 분석기 (MINPA)는 우주 환경에서 이온의 플럭스를 측정하고, 주요 이온을 구별하며, 밀도, 속도 및 온도와 같은 물리적 매개변수를 얻는다.
* 화성 에너지 입자 분석기 (MEPA)는 에너지 전자, 양성자, α 입자 및 이온의 에너지 스펙트럼, 플럭스 및 원소 조성을 얻는다.
* 미확인 탑재체, 아마도 화성 궤도 상태 모니터링 센서(MOSMOS)일 가능성이 높으며, 주요 구성 요소의 상태, 중국 국기, 2022년 동계 올림픽 및 패럴림픽 로고를 궤도선에서 모니터링하고 평가한다. 무게 0.8kg이고 길이 1.6m인 셀카 봉은 형상 기억 복합 재료로 만들어졌으며, 태양열로 작동 위치까지 확장되며 한쪽 끝에 두 개의 카메라가 고정되어 있고 다른 쪽 끝은 궤도선에 부착되어 있으며 팔에 약간의 자유도가 있다.

8.2. 주룽 로버

주룽(주룽호)은 바퀴가 6개 달린 태양광 탐사 로봇이다. 높이 1.85m, 무게는 240kg으로 중국 고대 신화에 나온 최초의 '불의 신'을 뜻한다. 3개월간 화성 지표면 탐사 임무를 수행하면서 화성의 토양·암석 샘플을 채취하게 된다. 로버가 착륙한 유토피아 평원은 과거 많은 양의 얼음이 존재했을 것으로 추정돼 미생물 서식에 적합한 환경을 갖췄다.

주룽은 미국 NASA가 2000년대 개발한 로버인 스피릿 로버, 오퍼튜니티 로버와 유사한 생김새를 지녔다.



주룽에는 카메라, 토양과 암석 조성을 분석하는 센서, 땅속 얼음을 탐색하는 레이더, 기상 관측장비, 자기장 감지기 등 6가지 장비가 실려 있다.

* 화성 탐사 로버 관통 레이더(RoPeR): 지표 투과 레이더 (GPR)로, 2개의 주파수를 사용하여 화성 표면 아래 약 100m까지 이미지를 촬영한다. 이는 같은 해에 발사되어 착륙한 NASA의 퍼서비어런스 로버에 장착된 레이더와 함께 화성에 배치된 최초의 지표 투과 레이더 중 하나였다.
* 화성 탐사 로버 자력계(RoMAG): 화성 표면에서의 이동 측정을 기반으로 지각 자기장의 미세 구조를 얻는다.
* 화성 기상 관측소(MCS) (MMMI 화성 기상 측정 장비): 표면 대기의 온도, 압력, 풍속 및 풍향을 측정하며, 화성 소리를 포착하는 마이크도 탑재했다. 로버 배치 중에 소리를 녹음했으며, 화성 2020 퍼서비어런스 로버의 마이크에 이어 화성 소리를 성공적으로 기록한 두 번째 화성 음향 장치 역할을 했다.
* 화성 표면 화합물 감지기(MarSCoDe): 레이저 유도 파괴 분광법 (LIBS)과 적외선 분광법을 결합했다.
* 다중 스펙트럼 카메라(MSCam): MarSCoDe와 결합하여 광물 성분을 조사하여 화성 표면 물 환경과 2차 광물 유형 간의 관계를 설정하고 액체 물의 존재에 대한 과거 환경 조건을 탐색한다.
* 항법 및 지형 카메라(NaTeCam): 2048 × 2048 해상도로 지형도를 구축하고, 경사, 요철 및 거칠기와 같은 매개변수를 추출하며, 지질 구조를 조사하고, 표면 매개변수의 지질 구조에 대한 포괄적인 분석을 수행하는 데 사용된다.

탐사 로버는 태양광으로 구동하며, 약 90화성일 (약 90지구 일) 동안 가동될 예정이며, 지형, 지질, 기상 조사를 수행할 예정이다. 탐사 로버는 중국 신화의 축융을 따서 "주룽호"로 명명되었다.

8.3. 착륙선

착륙선은 과학 탑재체를 탑재하지 않았지만, 치명적인 충돌의 힘에도 살아남도록 설계된 화성 비상 신호기를 탑재했다. 이 비콘은 향후 설계를 돕기 위해 중요한 엔지니어링 데이터를 수집할 수 있게 했을 것이다. 착륙선은 또한 궤도선과 마찬가지로 중국 국기와 2022년 동계 올림픽 및 패럴림픽 마스코트를 함께 실었다.

8.4. 기타 탑재체

* 톈원 1호 배치형 카메라는 2020년 9월 심우주에서, 2021년 12월 31일 화성 궤도에서 각각 배치된 2개의 보조 탑재체로, 톈원 1호의 사진을 촬영하고 무선 연결을 시험했다. 첫 번째 카메라는 톈원 1호 궤도선과 착륙선의 열 보호막을 촬영하는 임무를 수행했고, 다른 카메라는 화성 궤도에서 궤도선과 화성 북극 얼음 덮개를 촬영해야 했다.
* 톈원 1호 원격 카메라는 2021년 6월 1일에 배치된 보조 탑재체로, 배치형 카메라가 궤도선과 했던 것처럼, 주룽 탐사선의 사진을 촬영하고 무선 연결을 시험했다. 이 카메라는 주룽 탐사선과 톈원 1호 착륙선의 단체 사진을 찍는 임무를 수행했다. 이 사진은 2021년 6월 11일에 공개되어 화성 착륙 성공을 확인했다.

9. 국제 협력

아르헨티나 국립 우주 활동 위원회(CONAE)는 라스 라하스, 네우켄에 설치된 에스파시오 레자노 기지를 통해 톈원 1호에 협력하고 있다. 이 기지는 2019년 1월 중국이 달의 뒷면에 창어 4호 우주선을 착륙시키는 데에도 이전 역할을 했다.

프랑스 툴루즈에 있는 천체물리학 및 행성학 연구소(IRAP)는 주룽^중국어 로버에 협력하고 있다. IRAP의 Sylvestre Maurice^프랑스어는 다음과 같이 말했다. "그들의 레이저 유도 분광법(LIBS) 장비를 위해 우리는 [미국 항공 우주국(NASA)의] 큐리오시티 [화성 로버]에 있는 표본의 프랑스 복제본인 보정 표본을 제공했다. 아이디어는 두 데이터 세트가 어떻게 비교되는지 확인하는 것이다."

오스트리아 연구 진흥청(FFG)은 톈원 1호 궤도선에 설치된 자력계 개발을 지원했다. 그라츠에 있는 오스트리아 과학 아카데미의 우주 연구소는 톈원 1호 자력계에 대한 그룹의 기여를 확인했으며 비행 장비의 보정을 도왔다.

톈원 1호 궤도선이 주룽^중국어 로버에게 명령을 내리는 동안, 유럽 우주국의 화성 익스프레스 궤도선이 백업 역할을 할 수 있다.