필레 (우주선)

1. 개요

필레는 2014년 11월 12일 유럽 우주국(ESA)의 로제타 미션의 일환으로 67P/추류모프-게라시멘코 혜성 표면에 착륙한 탐사선이다. 필레는 혜성 표면에서 데이터를 수집하고, 혜성의 구성에 대한 정보를 전송하는 임무를 수행했다. 필레는 혜성에 고정하기 위한 작살 발사 실패, 잦은 바운싱으로 인해 착륙 지점이 변경되었고, 태양광 부족으로 인해 주 전원 공급이 어려워져 임무 수행에 어려움을 겪었다. 2015년 7월 통신이 두절되었고, 2016년 로제타의 전기 지원 시스템 프로세서 유닛(ESS)을 끄면서 필레와의 통신은 완전히 불가능해졌다. 필레는 10개의 장비를 탑재하여 혜성의 원소, 동위원소, 분자 및 광물 조성을 분석하고, 혜성 핵의 구조와 자기장 등을 관측했다.

2. 임무

필레의 임무는 혜성 표면에 성공적으로 착륙하여 고정하고, 혜성의 구성에 대한 데이터를 전송하는 것이었다. 로제타 우주선과 필레 착륙선은 2004년 3월 2일 07:17 (UTC)에 아리안 5 로켓으로 프랑스령 기아나에서 발사되어 3,907일(10.7년) 동안 혜성으로 이동했다. 딥 임팩트 탐사선과 달리, 필레는 충돌체가 아니다.

착륙선에 탑재된 일부 기기는 2007년 2월 25일 화성 근접 비행 동안 자율 시스템으로 처음 사용되었다. 카메라 시스템 중 하나인 CIVA는 로제타 기기가 꺼져 있는 동안 일부 이미지를 반환했고, ROMAP는 화성의 자기권 측정을 수행했다. 다른 대부분의 기기는 분석을 위해 표면과의 접촉이 필요했기에 근접 비행 동안 작동이 중단되었다. 착륙 후 임무 기간은 4~5개월로 예상되었다.

2014년 9월 15일, ESA는 필레가 착륙할 지점을 아길키아 (Agilkia)라고 명명했다. 이는 필레 신전이 1901년 아스완 댐 건설로 수몰되었지만, 1970년 아스완 하이 댐 건설 때 유네스코에 의해 나일강의 Agilkia Island^영어으로 이전된 것을 기념한 것이다.

2.1. 과학적 목표

필레의 과학적 임무 목표는 혜성 물질의 원소, 동위원소, 분자 및 광물 조성을 분석하고, 표면 및 지하 물질의 물리적 특성을 규명하며, 핵의 대규모 구조, 자기 및 플라스마 환경을 관측하는 것이다. 이를 위해 표면 및 지하 샘플을 수집하여 여러 기기로 순차적으로 분석한다. 측정은 주로 하강하는 동안과 착륙 후 처음 5일 동안 수행된다.

3. 착륙 및 표면 운영

필레는 2014년 11월 12일 모선인 로제타로부터 분리되어 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에 착륙을 시도했다. 분리 전 점검에서, 착륙 시 기체를 혜성에 고정하기 위한 작살 발사 때 기체가 혜성에서 튕겨 나가는 것을 막기 위해 설치된 콜드 가스 스로스터가 작동하지 않는 것이 밝혀졌지만, 임무는 계속되었다.

착륙 확인 신호는 2014년 11월 12일 16시 03분(UTC)에 수신되었다. 그러나 이후 조사에서 기체를 혜성에 고정하기 위한 작살 2개가 발사되지 않아 안정적인 자세로 착륙했는지 여부가 불분명했다. 11월 13일, 유럽 우주국(ESA)은 혜성 표면에서 필레가 촬영한 사진을 공개하고, 장비가 정상 작동 중이며, 착륙 시 기체가 튀어 오르는 것을 막지 못해 약 2시간 후와 7분 후, 총 3번 착륙했고, 그 결과 착륙 지점이 예정에서 1km 정도 벗어났음을 발표했다.

필레는 다리 3개 중 2개만 접지했고, 작살로 고정되지도 않았다. 예정된 착륙 지점에서는 12.4시간(혜성의 자전 주기) 중 7시간 동안 태양광 발전이 가능했지만, 실제 착륙 지점에서는 1.5시간밖에 발전할 수 없어 전원 부족을 일으킬 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

필레는 로제타와 통신이 회복된 11월 14일 22시 19분부터 15일 0시 36분까지 착륙 후 축적한 관측 데이터를 모두 전송하고, 전원 부족으로 휴면 모드에 들어갔다.

3.1. 착륙 과정

로제타 우주선은 2014년 11월 12일 08:35 협정 세계시(UTC)에 필레를 분리했다. 분리 전 마지막 시험에서 콜드 가스 추력기가 제대로 작동하지 않는 것이 확인되었지만, 수리가 불가능해 "시작" 신호가 주어졌다.

필레의 착륙 신호는 28분 후인 16시 03분(UTC)에 지구에서 수신되었다. 그러나 당시에는 착륙선이 혜성 표면에서 튕겨져 나갔다는 사실이 알려지지 않았다. 이후 분석을 통해 두 번 더 튕겨져 나간 사실이 밝혀졌다.

필레는 15시 34분 04초(UTC, SCET)에 혜성과 처음 접촉했다. 38cm/s의 속도로 튕겨져 나가 약 1km 높이까지 상승했다. 만약 44cm/s를 초과했다면 혜성의 중력을 벗어났을 것이다. 첫 번째 튕김 동안 16시 20분(UTC, SCET)에 표면 돌출부에 부딪혀 회전 속도가 느려지고 우주선이 굴러 떨어졌다. 필레는 17시 25분 26초(UTC, SCET)에 두 번째로 착륙했고, 3cm/s의 속도로 다시 튕겨져 나갔다. 최종적으로 17시 31분 17초(UTC, SCET)에 혜성 표면에 정지했다.

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최종 위치는 아길키아로 명명된 최초 착륙 지점에서 약 1km 떨어진 곳으로, 거친 지형에 약 30도 기울어진 채 절벽이나 분화구 벽의 그림자에 가려져 있었다. 초기 충돌은 예상보다 부드러웠으며, 착륙선을 고정하는 작살과 추진기는 작동하지 않았다.

3.2. 표면 운영 및 통신 두절

필레의 착륙 신호는 28분 지연 후 16시 03분(UTC)에 지구 통신 기지에서 수신되었다. 하지만, 당시 미션 과학자들은 착륙선이 혜성 표면에서 두 번 튕겨져 나갔다는 사실을 알지 못했다.

필레는 15시 34분 04초(UTC, SCET)에 혜성과 처음 접촉했다. 탐사선은 38cm/s의 속도로 튕겨져 나가 약 1km 고도로 상승했다. 이 첫 번째 튕김 동안, 16시 20분(UTC, SCET)에 착륙선은 표면 돌출부에 부딪힌 것으로 추정된다. 필레는 17시 25분 26초(UTC, SCET)에 두 번째로 착륙했고 3cm/s의 속도로 다시 튕겨져 나갔다. 착륙선은 17시 31분 17초(UTC, SCET)에 표면에 최종 정지했다. 거친 지형에 자리 잡은 필레는 근처 절벽이나 분화구 벽의 그림자에 가려져 약 30도 기울어진 상태였지만, 다른 손상은 없었다.

원격 측정 분석 결과, 초기 충돌은 예상보다 부드러웠고, 착륙 시 혜성 표면에 고정하기 위한 작살은 발사되지 않았으며, 추진기도 작동하지 않은 것으로 나타났다.

주 배터리는 약 60시간 동안 장비를 작동하도록 설계되었다. 2차 충전식 배터리가 탐사선 외부의 태양 전지판에 의해 충전될 예정이었지만, 실제 착륙 지점에서는 12.4시간의 혜성 하루 중 90분만 햇빛을 받을 수 있어 필레의 활동을 유지하기에 충분하지 않았다.

2014년 11월 14일, 배터리 잔량은 그날 남은 시간 동안만 작업을 계속할 수 있을 것으로 예상되었다. 기계적 움직임이 필요 없는 장비에서 먼저 데이터를 얻은 후, MUPUS 토양 관통기 및 SD2 드릴이 작동하도록 명령되었다. 이후 MUPUS, COSAC 및 프톨레마이오스 데이터가 반환되었다. 최종 CONSERT 데이터 세트도 작업 종료 시점에 다운링크되었다. 저녁 전송 세션 동안 필레는 4cm 들어 올려졌고, 가장 큰 태양 전지판이 최대한의 햇빛을 받도록 35도 회전되었다. 얼마 지나지 않아 전력이 급격히 감소했고 모든 장비가 강제로 종료되었다. 다운링크 속도는 미미해지다가 멈췄다. 11월 15일 00:36 UTC에 통신이 두절되었다.

독일 항공 우주 센터(DLR)의 탐사선 관리자 스테판 울라메크는 "침묵하기 전에 탐사선은 첫 번째 과학 시퀀스 동안 수집된 모든 과학 데이터를 전송할 수 있었다"고 말했다.

2015년 6월 13일 20:28 UTC, 지상 관제소는 필레로부터 로제타를 통해 전달된 85초간의 신호를 수신했다. 이는 탐사선이 양호한 상태이며 배터리를 충분히 충전하여 안전 모드에서 벗어났음을 나타냈다. 필레는 -35°C에서 24와트의 전력으로 작동하고 있다고 보고했다.

2015년 6월 19일, 로제타와 필레 간의 새로운 접촉이 확인되었다. 2015년 6월 26일까지 탐사선과 궤도선 사이에는 총 7번의 간헐적인 접촉이 있었다. 유럽 우주국(ESA) 관제소는 최소 50분 동안 지속되는 안정적인 접촉을 유지하기 위해 계속 노력했다.

만약 필레가 2014년 11월에 계획된 아길키아에 착륙했다면, 태양열 증가로 인해 2015년 3월에 임무가 종료되었을 것이다. 지상 관제소는 2015년 7월 5일에 CONSERT 레이더 장비를 작동하라는 명령을 보냈지만, 탐사선으로부터 즉각적인 응답을 받지 못했다. 7월 9일에 확인이 이루어졌다.

마지막 통신은 2015년 7월 9일에 있었다. 이후 필레는 추가 명령에 응답하지 않았고, 2016년 1월까지 관제소는 더 이상 통신이 이루어지지 않을 것으로 예상했다.

2016년 7월 27일 09:00 UTC에 유럽 우주국(ESA)는 로제타에 탑재된 전기 지원 시스템 프로세서 유닛(ESS)을 껐고, 이로 인해 필레와의 추가 통신이 불가능해졌다.

4. 주요 과학적 성과

필레는 2014년 11월 12일 16시 03분(UTC)에 혜성 67P/추류모프-게라시멘코에 착륙한 후, 여러 과학적 성과를 거두었다.

* 혜성 표면 사진 촬영: ROLIS 카메라를 통해 고해상도 이미지를 획득했다.
* 유기 분자 검출: COSAC 장비는 아세트아미드, 아세톤, 메틸 이소시아네이트, 프로피온알데히드를 포함한 16종의 유기 화합물을 검출했으며, 이 중 4종은 혜성에서 처음 발견되었다.
* 표면 경도 측정: MUPUS 장비 측정 결과, 필레의 첫 번째 착륙 지점은 깊이 약 25cm의 입자 물질 층 아래에 많은 양의 얼음이 존재하는 것으로 나타났다. 최종 착륙 지점은 단단한 얼음 또는 부석과 유사한 일관성을 갖는 것으로 확인되었다.
* 원시 얼음 발견 (2020년): 혜성 내부에서 약 45억 년 전 형성된 원시 물 얼음을 발견했다.

5. 설계

필레는 육각형 모양의 탄소 섬유 강화 플라스틱 구조로 만들어졌으며, 총 질량은 약 100kg이다. 기계적 안정성을 유지하기 위한 판과 과학 기기를 위한 플랫폼, 그리고 모든 부품을 연결하는 "샌드위치" 형태를 띠고 있다.

전력 공급은 두 단계로 계획되었다.
# 초기 (첫 60시간): 충전 불가능한 1000Wh 주 배터리로 작동한다.
# 이후: 2.2m² 면적의 태양 전지로 충전되는 140Wh 보조 배터리를 사용한다. 태양에서 3AU 떨어진 거리에서 최대 32W의 전력을 공급하도록 설계되었다.

하지만 실제 착륙 후 필레는 태양광 발전이 제한적인 위치에 놓이게 되어 전력 공급에 어려움을 겪었다.

통신은 전력 소모를 줄이기 위해 로제타 궤도선을 중계국으로 사용하여 지구와 통신한다.

필레는 원래 와르타넨 혜성을 탐사할 예정이었으나, 2002년 아리안 5 로켓 발사 실패로 인해 67P/추류모프-게라시멘코 혜성으로 목표가 변경되었다. 이 때문에 혜성의 더 큰 질량과 충돌 속도 증가를 고려하여 착륙 장치를 강화해야 했다.

다음은 필레의 주요 구성 요소별 질량을 나타낸 표이다.

5.1. 탑재 장비

APXS^영어
: 알파 입자 X선 분광기(Alpha Particle X-ray Spectrometer)는 알파 입자와 X선을 감지하여 혜성 표면의 원소 구성에 대한 정보를 제공한다. 이 기기는 화성 탐사선의 APXS를 개선한 버전이다.

; CIVA
: 혜성 핵 적외선 및 가시광선 분석기(Comet Nucleus Infrared and Visible Analyser)(ÇIVA로 표기되기도 함)는 표면의 파노라마 사진을 찍는 데 사용되는 7개의 동일한 카메라 그룹과 가시광선 현미경 및 적외선 분광기로 구성된다. 파노라마 카메라는(CIVA-P) 착륙선 측면에 60° 간격으로 배치되어 있으며, 5개의 단색 이미저와 2개의 스테레오 이미저로 구성된다. 각 카메라는 1024×1024 픽셀 CCD 감지기를 가지고 있다. 현미경과 분광기(CIVA-M)는 착륙선 기지에 장착되어 표면에서 채취한 샘플의 구성, 질감 및 알베도(반사율)를 분석하는 데 사용된다.

; CONSERT
: 전파 전송을 통한 혜성 핵 탐사 실험(Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission)은 전자기파 전파를 사용하여 혜성의 내부 구조를 결정했다. 로제타의 레이더가 핵을 통과하여 필레의 감지기로 신호를 보냈다.

; COSAC
: 혜성 샘플링 및 구성(Cometary Sampling and Composition) 기기는 가스 크로마토그래프와 비행 시간 질량 분석기를 결합하여 토양 샘플을 분석하고 휘발성 성분의 함량을 결정한다.

; MUPUS
: 표면 및 표면 하부 과학을 위한 다목적 센서(Multi-Purpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science)는 혜성 표면의 밀도, 열적 및 기계적 특성을 측정했다.

; 프톨레마이오스
: 혜성 핵의 주요 휘발성 물질의 안정 동위원소비를 측정하는 기기이다. 기기의 일부는 영국 원자력청의 특수 기술 그룹에서 제작되었다.

; ROLIS
: 로제타 착륙선 이미징 시스템(Rosetta Lander Imaging System)은 CCD 카메라로, 하강 중에 고해상도 이미지를 얻고 다른 기기로 샘플링한 영역의 스테레오 파노라마 이미지를 얻는 데 사용된다. CCD 감지기는 1024×1024 픽셀로 구성된다.

; ROMAP
: 로제타 착륙선 자력계 및 플라즈마 모니터(Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor)는 혜성 핵의 자기장과 태양풍과의 상호 작용을 연구하는 자력계 및 플라즈마 센서이다.

; SD2
: 샘플링, 드릴링 및 분배(Sampling, Drilling and Distribution) 시스템은 혜성에서 토양 샘플을 채취하여 프톨레마이오스, COSAC 및 CIVA 기기에 전달하여 현장 분석을 수행한다. SD2에는 드릴, 오븐, 회전목마 및 체적 검사기로 구성된 4개의 기본 하위 시스템이 있다. 강철과 티타늄으로 만들어진 드릴 시스템은 230mm 깊이까지 드릴링할 수 있으며, 프로브를 배치하여 샘플을 수집하고 오븐에 샘플을 전달할 수 있다. 샘플을 가열하기 위한 총 26개의 백금 오븐(180°C의 중간 온도 오븐 10개와 800°C의 고온 오븐 16개)과 드릴 비트를 재사용하기 위한 오븐 1개가 있다. 오븐은 활성 오븐을 해당 기기에 전달하는 회전 회전목마에 장착된다. 전기 기계식 체적 검사기는 오븐에 얼마나 많은 물질이 증착되었는지 확인하며, CIVA의 광학 창에 물질을 고르게 분산시키는 데 사용할 수 있다. SD2의 개발은 이탈리아 우주국이 주도했으며, 시스템 설계 및 전체 통합을 담당하는 주 계약업체 Tecnospazio S.p.A. (현재 Selex ES S.p.A.)와 드릴링/샘플링 도구 및 체적 검사기의 설계, 개발 및 테스트를 담당하는 이탈리아 회사 Tecnomare S.p.A.(Eni S.p.A. 소유), Media Lario, Dallara가 참여했다. 이 기기의 수석 연구원은 아말리아 에르콜리-핀치(밀라노 공과대학교)이다.

; SESAME
: 표면 전기 탐사 및 음향 모니터링 실험(Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiments)은 혜성의 외부 층의 특성을 측정하기 위해 3개의 기기를 사용했다. 혜성 음향 탐사 표면 실험(Cometary Acoustic Sounding Surface Experiment)(CASSE)은 소리가 표면을 통과하는 방식을 측정한다. 유전율 프로브(Permittivity Probe)(PP)는 전기적 특성을 조사하고, 먼지 충격 모니터(Dust Impact Monitor)(DIM)는 표면으로 되돌아오는 먼지를 측정한다.

6. 개발 참여국

Philae^영어의 개발에는 여러 유럽 국가들이 참여했다. 각 국가별 참여 내용은 다음과 같다.

7. 미디어 보도 및 대중 문화

필레의 혜성 착륙은 소셜 미디어에서 크게 주목받았다. 탐사선은 우주선을 의인화한 공식 트위터 계정으로 소통했다. 해시태그 "#혜성착륙"은 큰 인기를 얻었다. 생중계는 통제 센터에 설치되었으며, 전 세계에서 필레의 추류모프-게라시멘코 혜성 착륙을 따라가는 여러 공식 및 비공식 행사가 열렸다. 필레의 다양한 기기들은 뉴스 및 과학적 결과를 발표하기 위해 자체 트위터 계정을 받았다.

반젤리스는 유럽 우주국(ESA)의 로제타 미션이 혜성에 최초로 연착륙을 시도한 것을 기념하기 위해 ESA가 발표한 세 편의 뮤직 비디오의 음악을 작곡했다.

2014년 11월 12일, 검색 엔진 구글(Google)은 홈페이지에 필레의 구글 두들을 게재했다. 2014년 12월 31일, 구글은 2014년 새해 전야 두들의 일부로 필레를 다시 선보였다.

온라인 만화 작가 랜들 먼로는 착륙 당일에 자신의 웹사이트 xkcd에 실시간으로 업데이트되는 만화를 게재했다.