화성 탐사 로버
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1. 개요
화성 탐사 로버는 NASA의 화성 탐사 계획의 일환으로, 과거 화성의 물 활동에 대한 단서를 찾기 위해 암석과 토양을 탐색하고 분석하는 임무를 수행했다. 2003년 발사된 스피릿과 오퍼튜니티는 2004년 화성에 착륙하여 지질학적 과정을 연구하고, 물과 관련된 광물을 탐사했다. 두 로버는 임무 연장을 통해 장기간 활동하며 과학적 성과를 거두었으며, 특히 오퍼튜니티는 엔데버 분화구에서 점토광물 흔적을 발견했다. 스피릿은 2010년, 오퍼튜니티는 2019년에 임무가 종료되었다.
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| 화성 탐사 로버 | |
|---|---|
| 화성 탐사 로버 | |
| 임무 개요 | |
| 임무 유형 | 화성 탐사 |
| 발사일 | 2003년 6월 10일 (스피릿), 2003년 7월 7일 (오퍼튜니티) |
| 착륙일 | 2004년 1월 4일 (스피릿), 2004년 1월 25일 (오퍼튜니티) |
| 종료일 | 2010년 3월 22일 (스피릿), 2018년 6월 10일 (오퍼튜니티) |
| 운영 기관 | 미국 항공 우주국 |
| 로버 | 스피릿 오퍼튜니티 |
| 로버 정보 | |
| 로버 크기 | 높이: 1.5m 길이: 1.6m 폭: 2.3m |
| 무게 | 185 kg |
| 전력 | 태양 전지판 |
| 이동 속도 | 최대 5 cm/s |
| 탐사 목표 | |
| 주요 목표 | 화성 지질 및 과거 환경 조사 |
| 주요 발견 | 과거에 물이 존재했었다는 증거 발견 다양한 종류의 암석 및 토양 분석 화성의 대기 및 기후 특성 연구 |
| 과학 장비 | |
| 카메라 | 파노라마 카메라 내비게이션 카메라 위험 회피 카메라 현미경 촬영기 |
| 분광계 | 알파 입자 X선 분광계 미니 열 방출 분광계 |
| 기타 | 암석 마모 도구 자석 |
| 임무 결과 | |
| 총 이동 거리 | 스피릿: 7.73 km 오퍼튜니티: 45.16 km |
| 임무 성공 | 주요 임무 목표 달성 과학적 발견 및 데이터 축적 로버의 내구성과 기술적 능력 입증 |
| 추가 정보 | |
| 임무 종료 사유 | 스피릿: 모래에 갇혀 통신 두절 오퍼튜니티: 전력 부족 및 모래 폭풍으로 통신 두절 |
| 관련 링크 | 스피릿 로버 업데이트 오퍼튜니티 로버 임무 종료 |
2. 임무 목표
화성 탐사 로버 임무의 주요 과학적 목표는 과거 물 활동의 흔적을 찾기 위해 다양한 암석과 토양을 탐색하고 특성을 분석하는 것이었다.[4] 세부 목표는 다음과 같다.
- 강수, 증발, 퇴적암 시멘테이션, 열수 활동 등 물과 관련된 작용으로 생성된 광물을 포함한 샘플을 채취하여 과거 물 활동의 증거를 찾는다.
- 착륙 지점 주변 광물, 암석, 토양의 분포와 구성을 조사한다.
- 물이나 바람에 의한 침식, 퇴적 작용, 열수 현상, 화산 활동, 크레이터 형성 등 지질학적 과정이 지역 지형과 화학적 성분에 미친 영향을 파악한다.
- 화성 정찰 궤도선(MRO) 장비의 관측 결과를 보정하고 검증하여, 궤도상에서 화성 지질을 조사하는 장비의 정확성과 효율성을 높인다.
- 철 함유 광물을 찾고, 물을 포함하거나 물에서 형성된 광물(예: 철 함유 탄산염)의 상대적 양을 파악한다.
- 암석과 토양의 광물학적 특징과 조직을 분석하여 생성 과정을 밝힌다.
- 액체 상태의 물이 존재했던 환경 조건을 나타내는 지질학적 단서를 찾는다.
- 해당 환경이 생명체 서식에 적합했는지 평가한다.
3. 임무 연표
2004년 4월 8일, NASA는 탐사 로버의 임무 기간을 3개월에서 8개월로 연장한다고 발표했다. 9월까지 1500만달러의 추가 자금을 즉시 지원했고, 이후 운영을 위해 매달 280만달러를 지원했다. 같은 달 말, ''오퍼튜니티''는 인듀어런스 크레이터에 도착하여 약 5일 동안 200미터를 이동했다. 9월 22일, NASA는 탐사 로버의 임무 기간을 6개월 더 연장한다고 발표했다. ''오퍼튜니티''는 인듀어런스 크레이터를 떠나 버려진 열 차폐막을 방문한 후 빅토리아 크레이터로 이동할 예정이었고, ''스피릿''은 콜럼비아 언덕 정상 등반을 시도할 예정이었다.
두 로버가 여전히 잘 작동함에 따라, NASA는 2006년 9월까지 임무 기간을 18개월 더 연장한다고 발표했다. ''오퍼튜니티''는 "에칭 지형"을 방문하고 ''스피릿''은 허즈번드 힐 정상을 향해 바위 경사면을 올라갈 예정이었다. 2005년 8월 21일, ''스피릿''은 581솔과 4.81km의 여정 끝에 허즈번드 힐 정상에 도착했다.
2006년 3월 13일, ''스피릿''의 앞쪽 오른쪽 바퀴는 로버가 맥쿨 힐로 이동하는 동안 작동을 멈췄다. 운전자들은 고장난 바퀴를 ''스피릿'' 뒤로 끌고 가는 시도를 했지만, 하부 경사면의 통과할 수 없는 모래 지역에 도달하여 "로우 릿지 헤이븐"이라는 작은 경사면으로 이동했다. ''스피릿''은 그곳에서 긴 화성의 겨울을 보내면서 봄과 주행에 적합한 태양 에너지 수준이 증가하기를 기다렸다. 그해 9월, ''오퍼튜니티''는 빅토리아 크레이터 가장자리에 도착했고, NASA는 두 로버의 임무를 2007년 9월까지 연장했다.[7][8] 2007년 2월 6일, ''오퍼튜니티''는 화성 표면에서 10km를 이동한 최초의 우주선이 되었다.[9]
2007년 7월, 네 번째 임무 연장 기간 동안 화성의 먼지 폭풍이 로버에 도달하는 햇빛을 차단하여 태양 전지판을 통한 에너지 수집 능력을 위협했고, 엔지니어들은 한 대 또는 두 대 모두 영구적으로 작동 불능 상태가 될 수 있다고 우려했다. 그러나 먼지 폭풍이 가라앉으면서 운영을 재개할 수 있었다.[10]
''오퍼튜니티''는 2007년 6월 28일 덕 베이 가장자리에 있는 자리에서 빅토리아 크레이터로 진입할 준비가 되어 있었지만,[11] 광범위한 먼지 폭풍으로 인해 연기되었다.[12] 두 달 후, ''스피릿''과 ''오퍼튜니티''는 맹렬한 먼지 폭풍 기간 동안 움직임을 멈춘 후 주행을 재개했다.[13]
2007년 10월 1일, ''스피릿''과 ''오퍼튜니티'' 모두 2009년까지 운영을 연장하는 다섯 번째 임무 연장에 들어갔고,[14][15] 5년 동안 화성 표면을 탐험하게 되었다.
2008년 8월 26일, ''오퍼튜니티''는 바퀴 고장 우려 속에 빅토리아 크레이터에서 3일간의 등반을 시작했다. ''오퍼튜니티''는 메리디아니 평원의 다양한 암석을 특징짓기 위해 평원으로 돌아갈 것이며, 2007년 9월 11일부터 빅토리아 크레이터를 탐험해 왔다.[16][17] 2009년 1월 현재, 두 로버는 총 25만 장의 이미지를 보내고 21km 이상을 이동했다.[18]
2009년 3월 7일, ''오퍼튜니티''는 엔데버 크레이터의 가장자리를 처음으로 목격했다.[19] 솔 1897에 16km 지점을 통과했다.[20] 한편, 구세프 크레이터에서 ''스피릿''은 화성 모래에 깊이 파묻혔다.[21]
2010년 1월 26일, NASA는 ''스피릿''을 고정식 연구 플랫폼으로 사용할 것이라고 발표했다.[22] 2010년 3월 24일, ''오퍼튜니티''가 임무 시작 이후 20km 이상을 이동했다고 발표했다.[23] 각 로버는 600m의 주행 거리 목표로 설계되었다.[23]
2010년 3월, ''스피릿''이 화성 겨울잠에 들었을 수 있다는 발표가 있었다.[24] 2011년 5월 22일, NASA는 ''스피릿''과의 연락 시도를 중단했다. 마지막 성공적인 통신은 2010년 3월 22일이었다.[25]
2013년 5월 16일, NASA는 ''오퍼튜니티''가 NASA 차량 중 가장 멀리 주행했다고 발표했다.[26] 2014년 7월 28일, ''오퍼튜니티''는 40km 이상을 주행하여 루노호드 2호의 기록을 넘어섰다.[26][27][28] 2015년 3월 23일, ''오퍼튜니티''는 약 11년 2개월 만에 42.2km의 마라톤 거리를 주행했다.[29]
2018년 6월, ''오퍼튜니티''는 대규모 먼지 폭풍에 갇혔고, 2018년 6월 10일에 마지막으로 연락이 끊겼다. NASA는 ''오퍼튜니티'' 임무를 종료한다고 발표했고, 이는 16년 동안 지속된 화성 탐사 로버 임무의 종결을 의미했다.[35][36][37]
3. 1. 발사 및 착륙 (2003년 - 2004년)
2003년 6월 10일 17시 59분(협정 세계시)에 델타 II 로켓에 실려 ''스피릿''이 발사되었고, 2003년 7월 7일 15시 18분에는 ''오퍼튜니티''가 발사되었다.[38] 두 탐사선은 모두 보잉사의 델타 II 7925-9.5 로켓을 이용하여 케이프커내버럴 우주군 기지 17번 발사대(CCAFS SLC-17)에서 발사되었지만, ''오퍼튜니티''는 화성 궤도 진입에 필요한 추가 에너지 때문에 더 강력한 버전의 발사체를 사용했다.[38]2004년 1월 3일 4시 35분, ''스피릿''은 화성 구세프 크레이터에 착륙했다.[38] ''스피릿'' 착륙 후 1주일 만에 NASA 웹사이트 방문자 수는 기존 임무를 훨씬 능가하는 17억 회를 기록했고, 데이터 전송량은 34.6테라바이트에 달했다. 1월 24일 1시 5분에는 ''오퍼튜니티''가 화성 반대편 메리디아니 평원에 착륙했다.[38]
1월 21일, 심우주통신망(DSN)과 ''스피릿'' 간 통신이 두절되었다. 탐사선은 데이터가 없는 신호를 전송했지만, 이후 예정되었던 마스 글로벌 서베이어와의 통신 세션을 놓쳤다.[92] 1월 22일, JPL이 ''스피릿''으로부터 이상 신호를 수신했고, 1월 23일에는 비행팀이 ''스피릿''으로부터 데이터를 받았다.[92] 통신 두절 원인은 처음에는 오스트레일리아 지구국 부근의 악천후 때문으로 생각되었지만, 조사 결과 로버에 탑재된 플래시 메모리 서브시스템에 문제가 있는 것으로 밝혀졌다.[92] ''스피릿''은 모든 탐사를 중단하고 10일 동안 소프트웨어 업데이트 및 테스트를 실시했다. 플래시 메모리를 재포맷하고, 메모리 과다 사용을 수정하는 패치를 적용하여 문제를 해결했으며, ''오퍼튜니티''도 같은 패치로 소프트웨어 업그레이드를 했다.[92] 2월 5일, ''스피릿''은 활동을 재개했다.
3월 23일, NASA는 기자회견을 열고 화성 표면에서 과거에 물이 존재했다는 증거를 발견했다고 발표했다.[92] 과학팀은 ''오퍼튜니티''가 착륙한 메리디아니 평원의 크레이터 내부 암석 노출 부분에서 발견한, 흐르는 물의 흔적을 보여주는 층상 패턴의 이미지 및 데이터를 공개했다. 또한 여기서 발견된 염소와 브롬의 불규칙적인 분포는 현재는 증발한 염수 해안선의 흔적으로 추정되었다.[92]
3. 2. 임무 연장 (2004년 - 2019년)
2004년 4월 8일, NASA는 탐사 로버의 임무 기간을 3개월에서 8개월로 연장한다고 발표했다. 9월까지 1,500만 달러의 추가 자금을 즉시 지원했고, 이후 운영을 위해 매달 280만달러를 지원했다.[14] 같은 달 말, 오퍼튜니티는 인듀어런스 크레이터에 도착하여 약 5일 동안 200미터를 이동했다. NASA는 9월 22일, 탐사 로버의 임무 기간을 6개월 더 연장한다고 발표했다. 오퍼튜니티는 인듀어런스 크레이터를 떠나 버려진 열 차폐막을 방문한 후 빅토리아 크레이터로 이동할 예정이었다. 스피릿은 콜럼비아 언덕 정상에 오르는 것을 시도할 예정이었다.두 로버가 여전히 잘 작동함에 따라, NASA는 2006년 9월까지 임무 기간을 18개월 더 연장한다고 발표했다. 오퍼튜니티는 "에칭 지형"을 방문하고 스피릿은 허즈번드 힐 정상을 향해 바위 경사면을 올라갈 예정이었다. 2005년 8월 21일, 스피릿은 581솔과 4.81km의 여정 끝에 허즈번드 힐 정상에 도착했다.[14]
스피릿의 앞쪽 오른쪽 바퀴는 2006년 3월 13일, 로버가 맥쿨 힐로 이동하는 동안 작동을 멈췄다. 운전자들은 고장난 바퀴를 스피릿 뒤로 끌고 가려고 시도했지만, 하부 경사면의 통과할 수 없는 모래 지역에 도달할 때까지 이 방법은 효과가 있었다. 운전자들은 스피릿을 "로우 릿지 헤이븐"이라는 작은 경사면으로 이동시켰고, 스피릿은 그곳에서 긴 화성의 겨울을 보내면서 봄과 주행에 적합한 태양 에너지 수준이 증가하기를 기다렸다. 그해 9월, 오퍼튜니티는 빅토리아 크레이터 가장자리에 도착했고, NASA는 두 로버의 임무를 2007년 9월까지 연장했다.[7][8] 2007년 2월 6일, 오퍼튜니티는 화성 표면에서 10km를 이동한 최초의 우주선이 되었다.[9]
2007년 7월, 네 번째 임무 연장 기간 동안 화성의 먼지 폭풍이 로버에 도달하는 햇빛을 차단하여 태양 전지판을 통한 에너지 수집 능력을 위협했고, 엔지니어들은 한 대 또는 두 대 모두 영구적으로 작동 불능 상태가 될 수 있다고 우려했다. 그러나 먼지 폭풍이 가라앉으면서 운영을 재개할 수 있었다.[10]
오퍼튜니티는 2007년 6월 28일 덕 베이 가장자리에 있는 자리에서 빅토리아 크레이터로 진입할 준비가 되어 있었지만,[11] 광범위한 먼지 폭풍으로 인해 먼지가 가라앉고 전력이 안전한 수준으로 돌아올 때까지 연기되었다.[12] 두 달 후, 스피릿과 오퍼튜니티는 태양 에너지를 제한하여 두 로버 모두 영구적인 고장을 초래할 뻔했던 맹렬한 먼지 폭풍 기간 동안 움직임을 멈춘 후 주행을 재개했다.[13]
2007년 10월 1일, 스피릿과 오퍼튜니티 모두 2009년까지 운영을 연장하는 다섯 번째 임무 연장에 들어갔고,[14][15] 계속 생존한다면 5년 동안 화성 표면을 탐험하게 되었다.
2008년 8월 26일, 오퍼튜니티는 스피릿의 앞쪽 오른쪽 바퀴 고장 전에 발생했던 것과 유사한 전력 서지로 인해 바퀴가 고장날 경우 크레이터를 빠져나가지 못할 수 있다는 우려 속에 빅토리아 크레이터에서 3일간의 등반을 시작했다. 프로젝트 과학자인 브루스 배너드트는 "빅토리아 크레이터에 들어와서 해야 할 모든 일을 다 했고 그 이상을 했습니다."라고 말했다. 오퍼튜니티는 메리디아니 평원의 다양한 암석을 특징짓기 위해 평원으로 돌아갈 것이며, 그중 일부는 빅토리아와 같은 크레이터에서 튀어나온 것일 수도 있다. 로버는 2007년 9월 11일부터 빅토리아 크레이터를 탐험해 왔다.[16][17] 2009년 1월 현재, 두 로버는 총 25만 장의 이미지를 보내고 21km 이상을 이동했다.[18]
빅토리아 크레이터를 떠난 후 약 3.2km를 이동한 오퍼튜니티는 2009년 3월 7일 엔데버 크레이터의 가장자리를 처음으로 목격했다.[19] 솔 1897에 16km 지점을 통과했다.[20] 한편, 구세프 크레이터에서 스피릿은 2005년 오퍼튜니티가 연옥 사구에서 겪었던 것과 마찬가지로 화성 모래에 깊이 파묻혔다.[21]
화성에서 6년을 보낸 후인 2010년 1월 26일, NASA는 몇 달 동안 로버를 부드러운 모래에서 빼내려는 시도가 실패한 후 스피릿을 고정식 연구 플랫폼으로 사용할 것이라고 발표했다.[22]
NASA는 2010년 3월 24일, 엔데버 크레이터까지 예상 남은 주행 거리가 12km인 오퍼튜니티가 임무 시작 이후 20km 이상을 이동했다고 발표했다.[23] 각 로버는 600m의 주행 거리 목표로 설계되었다.[23]
2010년 3월, 스피릿이 화성 겨울잠에 들었을 수 있으며 몇 달 동안 다시 깨어나지 못할 수 있다는 발표가 있었다.[24] 2011년 5월 22일, NASA는 2년 동안 모래 함정에 갇혀 있던 스피릿과의 연락 시도를 중단했다. 로버와의 마지막 성공적인 통신은 2010년 3월 22일이었다. 스피릿으로의 마지막 전송은 2011년 5월 25일이었습니다.[25]
2013년 5월 16일, NASA는 오퍼튜니티가 지구 이외의 행성에서 다른 어떤 NASA 차량보다 더 멀리 주행했다고 발표했다.[26] 오퍼튜니티의 총 주행 거리가 35.744km를 넘어서면서, 이 로버는 아폴로 17호 달 탐사 차량이 주행한 총 거리를 넘어섰다.[26] 2014년 7월 28일, 오퍼튜니티는 지구 이외의 행성에서 다른 어떤 차량보다 더 멀리 주행했다.[26][27][28] 오퍼튜니티는 40km 이상을 주행하여 이전 기록 보유자인 루노호드 2호 달 탐사 로버가 주행한 39km의 총 거리를 넘어섰다.[26][27] 2015년 3월 23일, 오퍼튜니티는 약 11년 2개월의 완주 시간으로 42.2km의 마라톤 전체 거리를 주행했다.[29]
2018년 6월, 오퍼튜니티는 대규모 먼지 폭풍에 갇혔고, 로버의 태양 전지판은 충분한 전력을 생성할 수 없었으며, 2018년 6월 10일에 마지막으로 연락이 끊겼다. NASA는 먼지 폭풍이 가라앉은 후 명령을 보내기 시작했지만, 로버는 치명적인 고장이나 태양 전지판을 덮은 먼지층으로 인해 침묵을 유지했다.[34] 2019년 2월 13일, NASA는 오퍼튜니티 임무를 종료한다고 발표했고, 이는 16년 동안 지속된 화성 탐사 로버 임무의 종결을 의미했다.[35][36][37]
4. 우주선 및 로버 설계
탐사선은 태양 센서와 항성 스캐너를 통해 태양과 다른 별들의 위치를 파악하여 우주에서의 방향을 알 수 있었다. 500000000km의 긴 여정 동안 탐사선이 궤도를 약간 이탈할 가능성이 있었기 때문에, 항법사들은 최대 6번의 궤적 수정과 건강 점검을 계획했다.
탐사선을 화성 착륙에 적합한 위치로 보내기 위해, 약 31kg의 히드라진 추진제가 두 개의 알루미늄 탱크에 실렸다. 항법사들은 이 추진제와 순항 유도 및 제어 시스템을 통해 탐사선을 궤도에 유지했다. 추진제 연소와 펄스 발사를 통해 다음과 같은 세 가지 기동이 가능했다.
- 축 방향 연소: 한 쌍의 추력기로 탐사선 속도 변경.
- 측면 연소: 두 개의 추력기 클러스터(각 클러스터당 4개 추력기)를 사용, 몇 초간 펄스로 탐사선을 "측면"으로 이동.
- 펄스 모드 발사: 결합된 추력기 쌍으로 탐사선의 세차 운동(회전) 수행.
탐사선은 고주파 X 대역 무선 주파수 파장을 사용하여 통신했는데, 이는 S 대역을 사용했던 기존 탐사선보다 더 적은 전력과 더 작은 안테나를 사용할 수 있게 했다. 항법사들은 순항 단계의 두 안테나, 즉 내부 링에 장착된 순항용 저이득 안테나와 외부 링에 있는 순항용 중이득 안테나를 통해 명령을 보냈다. 지구 근처에서는 저이득 안테나가 사용되었는데, 이 안테나는 무지향성이므로 거리가 멀어질수록 지구에 도달하는 송신 전력이 감소했다. 탐사선이 화성에 가까워지면서 태양과 지구가 더 가까워졌기 때문에 지구에 도달하는 에너지가 줄어들었고, 탐사선은 중이득 안테나로 전환하여 더 좁은 빔으로 지구에 송신 전력을 집중시켰다.
비행 중 탐사선은 분당 2회전(rpm)으로 자전 안정화되었다. 주기적인 업데이트로 안테나는 지구를, 태양전지판은 태양을 향하도록 유지되었다.
에어로셸은 화성으로 가는 7개월 동안 착륙선을 보호하는 덮개 역할을 했다. 착륙선, 로버와 함께 "진입 장치"를 구성했으며, 주요 목적은 얇은 화성 대기 진입 시 발생하는 강한 열로부터 착륙선과 로버를 보호하는 것이었다. 화성 패스파인더(Mars Pathfinder)와 바이킹(Mars Viking) 설계를 기반으로 했다.
에어로셸은 열 차폐막(heat shield)과 후면 덮개(backshell)로 구성된다. 열 차폐막은 평평하고 갈색이며, 화성 대기 진입 시 착륙선과 로버를 보호하고 우주선의 첫 번째 공력제동(aerobrake) 역할을 했다. 후면 덮개는 크고 원뿔 모양이며 흰색으로 칠해져 있었고, 낙하산과 착륙, 하강 및 착륙 후반 단계에 사용되는 여러 구성 요소를 포함하고 있다.
- 낙하산(후면 덮개 바닥에 수납됨)
- 분리 너트, 로켓, 낙하산 모터 등 파이로테크닉 장치 작동을 위한 후면 덮개의 전자 장치 및 배터리
- 낙하산 아래에서 흔들리는 후면 덮개 방향을 모니터링하고 보고하는 Litton LN-200 관성 측정 장치(IMU)
- RAD 로켓(Rocket Assisted Descent): 3개의 대형 고체 로켓 모터로, 각각 약 1톤(10kN)의 힘을 거의 4초 동안 제공.[39]
- TIRS: 3개의 소형 고체 로켓으로, 주요 RAD 로켓 연소 중 후면 덮개를 더 수직으로 향하게 하는 작은 수평 반동을 제공.
콜로라도주 덴버의 록히드 마틴에서 제작한 에어로셸은 그래파이트-에폭시 페이스 시트 사이에 알루미늄 벌집 구조를 끼운 형태이다. 에어로셸 외부는 페놀 벌집 층으로 덮여 있고, 이 벌집에는 열 차폐재(ablator)가 채워져 대기 마찰열을 발산한다.
열 차폐재는 코르크 나무, 결합재, 미세한 실리카 유리 구체의 혼합물이다. 바이킹 화성 착륙선을 위해 개발되었으며, 머큐리 계획, 제미니 계획, 아폴로 계획에도 비슷한 기술이 사용되었다. 진입 중 화성 대기와 화학 반응하여 열을 제거하고 차량 뒤에 뜨거운 가스 자국을 남기도록 제작되었다. 차량은 약 1분 만에 19000km/h에서 1600km/h로 감속되어 착륙선과 로버에 약 60m/s²(6g)의 가속도를 발생시켰다.
후면 덮개와 열 차폐막은 동일한 재료로 만들어졌지만, 열 차폐막은 약 2.54cm 더 두꺼운 열 차폐재 층을 가진다. 칠해지지 않은 후면 덮개는 매우 얇은 알루미늄 처리된 PET 필름 담요로 덮여 우주 공간의 추위로부터 보호되었고, 이 담요는 화성 대기 진입 중 증발했다.
낙하산은 백쉘에 위치하며, 착륙 과정에서 탐사선 속도를 줄이는 데 도움을 주었다.[40]
2003년 낙하산은 장기적인 화성 낙하산 기술 개발 노력의 일환으로, 바이킹과 마스 패스파인더 설계와 경험을 바탕으로 한다. 패스파인더 낙하산보다 40% 더 크며, 최대 하중은 80~85 킬로뉴턴(kN)이다. 코네티컷주 사우스 윈저의 파이오니어 에어로스페이스에서 설계 및 제작했으며, 이 회사는 스타더스트 임무의 낙하산도 설계했다.[40]
낙하산은 내구성이 뛰어나고 가벼운 폴리에스터와 나일론으로 만들어졌고, 케블라로 만든 삼중 브라이들이 낙하산을 백쉘에 연결한다. 우주선 내 낙하산 공간이 매우 적어 압축 포장해야 했다. 발사 전, 한 팀이 48개의 현수선, 3개의 브라이들 라인과 낙하산을 단단히 접었다. 낙하산은 특수 구조물에 적재되었고, 여러 번 무거운 무게를 가했다. 백쉘에 넣기 전, 낙하산은 열처리로 살균되었다.[40]
낙하산이 지표면으로부터 약 10km 고도에서 배치된 후, 6개의 분리 너트와 푸시 오프 스프링을 사용하여 히트 실드가 분리되었다. 착륙선은 백쉘에서 분리되어 착륙선 꽃잎 중 하나에 내장된 원심 브레이크의 금속 테이프를 따라 "래펠링" 방식으로 하강했다. 금속 테이프를 따라 느리게 하강함으로써 착륙선은 거의 20m 길이의 꼰 자일론 브라이들(테더) 끝에 위치하게 되었다.[40] 자일론은 케블라와 유사한 섬유 재료로, 신발끈 재료와 같은 직조 패턴으로 꿰매어 강도를 높였다. 자일론 브라이들은 에어백 배치 공간, 고체 로켓 모터 배기구와의 거리, 안정성 향상을 제공한다. 브라이들에는 백쉘에서 고체 로켓 발사를 허용하는 전기 하네스가 통합되어 있으며, 백쉘 관성 측정 장치의 데이터를 로버 비행 컴퓨터로 제공한다.[40]
화성 대기 밀도는 지구의 1% 미만이므로, 낙하산만으로는 화성 탐사 로버 속도를 안전하고 낮은 착륙 속도로 충분히 줄일 수 없었다. 탐사선 하강은 로켓의 도움을 받아 화성 표면 10m 위에서 정지했다.[40]
레이더 고도계 장치로 화성 표면까지의 거리를 측정했다. 레이더 안테나는 착륙선 사면체의 아래쪽 모서리 중 하나에 장착되었다. 레이더 측정 결과 착륙선이 지표면으로부터 적절한 거리에 있으면 자일론 브라이들이 절단되어 착륙선이 낙하산과 백쉘에서 분리되어 착륙을 위한 자유 상태가 된다. 레이더 데이터는 에어백 팽창과 백쉘 RAD 로켓 발사 타이밍에도 사용되었다.[40]
화성 탐사 로버 임무에 사용된 에어백은 1997년 마스 패스파인더가 사용한 것과 같은 종류이다.[41] 에어백은 탐사선이 암석이나 험준한 지형에 착륙하더라도 충격을 완화하고, 착륙 후 시속 약 100km의 속도로 화성 표면을 가로질러 튀어 오르도록 충분히 강해야 했다. 에어백은 착륙 몇 초 전에 부풀려졌다가 지면에 안전하게 착륙한 후에는 수축되었다.
에어백은 패스파인더의 에어백과 마찬가지로 벡트란으로 만들어졌다. 벡트란은 케블라와 같은 다른 합성 소재보다 거의 두 배의 강도를 가지며, 저온에서도 더 나은 성능을 발휘한다. 200 데니어(20 mg/m)의 벡트란으로 된 내부 풍선 하나 또는 두 개가 100 데니어(10 mg/m)의 벡트란 6겹으로 보호되었다. 100 데니어(10 mg/m)를 사용하면 직조된 실이 더 많기 때문에 필요한 외부 층에 더 많은 직물을 사용할 수 있다.
각 로버는 각각 6개의 엽을 가진 에어백 4개를 사용했으며, 모두 연결되어 있었다. 연결은 에어백 시스템을 유연하게 하고 지면 압력에 대한 반응성을 유지함으로써 착륙 충격의 일부를 줄이는 데 중요했다. 에어백은 로버에 직접 부착되지 않았지만, 에어백 구조를 가로지르는 로프로 로버에 고정되었다. 로프는 에어백에 형태를 부여하여 팽창을 더 쉽게 만들었다. 비행 중에는 에어백이 팽창에 사용되는 3개의 가스 발생기와 함께 수납되었다.[41]
착륙선은 로버를 보호하는 보호 덮개이며, 에어백과 함께 착륙 시 충격으로부터 로버를 보호한다.
착륙선은 사면체 모양으로, 꽃잎처럼 펼쳐진다. 강하고 가벼우며, 빔과 시트로 만들어졌다. 빔은 흑연 섬유의 여러 층으로 구성되어 있는데, 알루미늄보다 가볍고 강철보다 단단한 직물로 짜여졌다. 티타늄 부속품은 접착제로 빔에 부착되어 볼트로 조립할 수 있도록 되어 있다. 로버는 작은 폭발물로 착륙 후 해제되는 나사와 특수 너트로 착륙선 안에 고정되었다.[92]
로버는 6륜형이며, 높이 1.5m, 너비 2.3m, 길이 1.6m이고 태양 전지판을 전원으로 사용한다. 무게는 180kg이며, 바퀴와 현가장치는 35kg이다.[93]
로버는 로커-보기(rocker-bogie) 방식의 현가장치에 6개의 바퀴를 장착하여 뛰어난 주행 성능을 갖추고 있다. 이 설계는 로버 본체의 요동을 절반으로 줄여, 바퀴 직경(250mm)보다 큰 구멍이나 도랑을 넘을 수 있다. 바퀴에는 클릿이 있어 부드러운 모래밭을 오르거나 암석을 넘는 데 충분한 그립력을 확보한다.
각 바퀴에는 모터가 있고, 앞 두 바퀴와 뒤 두 바퀴는 각각의 회전 모터를 가지고 있어 제자리에서 회전이 가능하다. 로버는 어떤 방향이든 45도까지 기울어져도 전복되지 않도록 설계되었으며, 소프트웨어로 설정된 "장애물 회피 한계"에 따라 기울기 각도가 30도를 넘지 않도록 장애물을 회피한다. 다른 바퀴를 고정한 채 앞바퀴 하나만 회전시켜 지면을 파낼 수도 있다. 최고 속도는 평지에서 50mm/s이며, 소프트웨어가 지형을 인식하기 위해 10초에서 20초마다 정지해야 하므로 평균 속도는 10mm/s이다.
로버에는 최대 140W의 발전 용량을 가진 태양전지 모듈과 2개의 리튬이온전지(각각 7.15kg)가 탑재되어 있다. 로버 주행에는 약 100W의 전력이 필요하다. 태양전지가 최대 출력을 얻을 수 있는 것은 1화성일(솔)당 약 4시간 정도이며, 1일 발전량은 약 300~900와트시이다. 하지만 화성 특유의 모래폭풍이 발생하면 일조량이 줄어들어 발전량이 하루 100와트시 이하로 떨어지는 경우도 있다. 화성 대기에는 다량의 모래먼지가 포함되어 있어 태양전지 패널에 쌓이기 때문에, 탐사 시작 후 90화성일이 지나면 발전량이 하루 50와트시 정도로 떨어질 것으로 예상되었으나, 쌓인 모래먼지가 강풍이나 회오리바람에 의해 날아가는 현상이 자주 발생하여 발전량은 크게 저하되지 않았고, 결과적으로 임무는 10년 이상 장기간 연장되었다.
로버의 제어용 컴퓨터 사양은 다음과 같다.
| 항목 | 사양 |
|---|---|
| CPU | RAD6000(클록 주파수 20MHz) |
| 주기억장치 | 128MB DRAM(오류검출정정 기능 포함) |
| 보조기억장치 | 256MB 플래시 메모리, 3MB EEPROM |
| OS | VxWorks 임베디드 OS |
화성은 매우 추운 환경이므로, 전력을 소비하지 않고 장비를 보온하기 위해 로버에는 플루토늄-238의 붕괴열을 이용한 방사성 동위원소 열전 발전기(RHU)가 8개 탑재되어 있으며, 동체 부분을 실리카 에어로젤 단열재와 금을 스퍼터링한 차열 시트로 덮고 있다(전기 히터도 보조적으로 사용된다). 이러한 조치에 따라 로버의 주요 전자 장비의 온도는 영하 40℃~40℃ 사이로 유지된다.
로버에는 두 종류의 통신 안테나가 탑재되어 있다. 하나는 무지향성 X밴드 저이득 안테나로, NASA의 심우주통신망에 속한 각 지구국과 저속으로 직접 통신한다. 또 하나는 화성 궤도 상의 탐사선을 중계 위성으로 이용하기 위한 X밴드 고이득 안테나로, 저이득 안테나보다 훨씬 고속으로 지구와 통신할 수 있다. 로버는 화성 도착 이후, 2001 마스 오디세이, 마스 글로벌 서베이어, 마스 리콘네상스 오비터와의 위성 통신을 통해 지구에 대량의 관측 데이터를 계속 보내고 있다.
로버의 관측 장비는 동물의 머리 부분과 같은 파노라마 카메라 장착 마스트(PMA)와 팔과 같은 관측 장비 전개 장치(IDD, "로버 암")에 집중적으로 장착되어 있다. 로버 암은 사람의 팔처럼 움직일 수 있으며, 암 끝에 장착된 여러 가지 측정 장비를 조사 대상 암석 등에 사람이 손을 뻗는 것처럼 가까이 가져갈 수 있다.
4. 1. 우주선 구성
화성 탐사 로버는 델타 II 로켓에 실려 발사되도록 설계되었으며, 우주선은 여러 부분으로 구성되어 있다.| 구성 요소 | 무게 |
|---|---|
| 로버 (본체) | 185kg |
| 착륙선 | 348kg |
| 후미 덮개/낙하산 | 209kg |
| 열 차폐막 | 78kg |
| 순항 단계 | 193kg |
| 연료 (추진제) | 50kg |
| 총 중량 | 1063kg |
우주선에는 기존 우주선에 사용되던 S밴드 안테나보다 고주파 대역을 사용하는, 저전력 소형 X밴드 안테나가 탑재되어 있다. 이를 통해 항법 장치는 순항 단계에 있는 두 개의 X밴드 안테나(저이득 안테나와 중이득 안테나)에 명령을 전송할 수 있다. 저이득 안테나와 중이득 안테나는 각각 기체 내부에 있는 링의 안쪽과 바깥쪽에 설치되어 있다. 비행 중 우주선은 2회전(rpm)의 회전 속도로 자세를 안정시키고, 항상 방위가 수정되는 스핀 축 포인팅은 안테나를 지구 쪽으로, 태양 전지판을 태양 쪽으로 향하게 한다.
우주선은 지구 근처에 있는 동안에는 저이득 안테나를 사용한다. 하지만 저이득 안테나는 무지향성이기 때문에 지구로의 데이터 전송 능력은 거리가 멀어짐에 따라 급격히 저하된다. 따라서 지구를 떠나 화성에 접근할 때는 우주선은 강력한 빔으로 지구에 데이터를 전송할 수 있는 중이득 안테나를 사용한다.
4. 2. 순항 단계
순항 단계는 우주선이 지구에서 화성까지 이동하는 데 사용되는 구성 요소이다. 마스 패스파인더와 매우 유사하게 설계되었으며, 진입 장치를 포함하여 직경 약 2.65m, 높이 약 1.6m이다.
주요 구조는 알루미늄이며, 태양 전지판으로 덮인 외부 늑골 고리로 이루어져 있다. 태양 전지판의 지름은 약 2.65m이다. 5개의 구역으로 나뉘어진 태양 전지판은 지구 근처에서는 최대 600와트, 화성에서는 300와트의 전력을 공급할 수 있다.
히터와 다층 단열재는 전자 장치를 따뜻하게 유지한다. 프레온 시스템은 로버 내부의 비행 컴퓨터 및 통신 하드웨어에서 열을 제거하여 과열되지 않도록 한다. 순항 항전 시스템을 통해 비행 컴퓨터는 태양 센서, 항성 스캐너 및 히터와 같은 다른 전자 장치와 인터페이스할 수 있다.
항성 스캐너(백업 시스템 없음)와 태양 센서를 통해 탐사선은 태양과 다른 별들의 위치를 분석하여 우주에서 자신의 방향을 파악할 수 있었다. 500000000km에 달하는 여정을 고려했을 때, 탐사선이 약간 궤도를 이탈할 수 있다는 것은 예상된 일이었다. 따라서 항법사들은 최대 6번의 궤적 수정 기동과 함께 건강 점검을 계획했다.
화성에 착륙하기 위한 적절한 위치에 탐사선이 도착하도록 하기 위해, 두 개의 가벼운 알루미늄 내장 탱크에 약 31kg의 히드라진 추진제가 실렸다. 순항 유도 및 제어 시스템과 함께 이 추진제를 사용하여 항법사들은 탐사선을 궤도에 유지할 수 있었다. 추진제의 연소와 펄스 발사를 통해 세 가지 유형의 기동이 가능했다.
- 축 방향 연소는 한 쌍의 추력기를 사용하여 탐사선의 속도를 변경한다.
- 측면 연소는 두 개의 "추력기 클러스터"(클러스터당 4개의 추력기)를 사용하여 몇 초 동안의 펄스를 통해 탐사선을 "측면으로" 이동시킨다.
- 펄스 모드 발사는 결합된 추력기 쌍을 사용하여 탐사선의 세차 운동 기동(회전)을 수행한다.
탐사선은 고주파 X 대역 무선 주파수 파장을 사용하여 통신했는데, 이는 S 대역을 사용했던 많은 기존 탐사선보다 더 적은 전력과 더 작은 안테나를 사용할 수 있게 해주었다.
항법사들은 순항 단계의 두 개의 안테나를 통해 명령을 보냈다. 내부 링 안에 장착된 순항용 저이득 안테나와 외부 링에 있는 순항용 중이득 안테나가 그것이다. 저이득 안테나는 지구 근처에서 사용되었다. 이 안테나는 무지향성이므로 지구에 도달하는 송신 전력은 거리가 멀어짐에 따라 더 빨리 감소했다. 탐사선이 화성에 가까워짐에 따라 탐사선에서 보았을 때 태양과 지구가 하늘에서 더 가까워졌기 때문에 지구에 도달하는 에너지가 줄어들었다. 그러자 탐사선은 동일한 양의 송신 전력을 지구를 향한 더 좁은 빔으로 집중시키는 중이득 안테나로 전환했다.
비행 중 탐사선은 분당 2회전(rpm)의 회전 속도로 자전 안정화되었다. 주기적인 업데이트를 통해 안테나가 지구를 향하고 태양전지판이 태양을 향하도록 유지했다.
4. 3. 에어로셸
에어로셸(aeroshell)은 화성으로 가는 7개월간의 여정 동안 착륙선을 보호하는 덮개 역할을 했다. 착륙선과 로버와 함께 "진입 장치"를 구성했다. 주요 목적은 얇은 화성 대기로 진입할 때 발생하는 강한 열로부터 착륙선과 그 안에 있는 로버를 보호하는 것이었다. 화성 패스파인더(Mars Pathfinder)와 바이킹(Mars Viking) 설계를 기반으로 했다.;부품
에어로셸은 열 차폐막(heat shield)과 후면 덮개(backshell)라는 두 가지 주요 부품으로 구성되었다. 열 차폐막은 평평하고 갈색이며 화성 대기로 진입하는 동안 착륙선과 로버를 보호하고 우주선의 첫 번째 공력제동(aerobrake) 역할을 했다. 후면 덮개는 크고 원뿔 모양이며 흰색으로 칠해져 있었다. 낙하산(parachute)과 착륙, 하강 및 착륙의 후반 단계에 사용되는 여러 구성 요소를 포함하고 있다.
- 낙하산(후면 덮개 바닥에 수납됨)
- 분리 너트, 로켓 및 낙하산 모터와 같은 파이로테크닉 장치를 작동시키는 후면 덮개의 전자 장치 및 배터리
- 낙하산 아래에서 흔들리는 후면 덮개의 방향을 모니터링하고 보고하는 Litton LN-200 관성 측정 장치(IMU)(Inertial Measurement Unit)
- RAD 로켓(Rocket Assisted Descent)이라고 하는 3개의 대형 고체 로켓(solid rocket) 모터. 각각 약 1톤(10kN)의 힘을 거의 4초 동안 제공한다.[39]
- TIRS(후면 덮개의 측면으로 수평으로 향하도록 장착됨)라고 하는 3개의 소형 고체 로켓. 주요 RAD 로켓 연소 중에 후면 덮개를 더 수직으로 향하게 하는 데 도움이 되는 작은 수평 반동을 후면 덮개에 제공한다.
;구성
콜로라도주 덴버에 있는 록히드 마틴(Lockheed Martin) 우주(Space)에서 제작한 에어로셸은 그래파이트-에폭시(graphite-epoxy) 페이스 시트 사이에 끼워진 알루미늄 벌집 구조로 만들어졌다. 에어로셸의 외부는 페놀(phenol) 벌집 층으로 덮여 있다. 이 벌집에는 열 차폐재(ablator)라고도 하는 열 차폐 물질이 채워져 있어 대기 마찰로 인해 발생하는 열을 발산한다.
열 차폐재 자체는 코르크(Cork (material)) 나무, 결합재(binder (material)) 및 많은 미세한 실리카(silica) 유리 구체의 혼합물이다. 바이킹 화성 착륙선 임무에서 사용된 열 차폐막을 위해 개발되었다. 비슷한 기술이 미국의 최초 유인 우주 임무인 머큐리 계획(Mercury program), 제미니 계획(Gemini program), 아폴로 계획(Apollo program)에 사용되었다. 대기권 진입(atmospheric entry) 중 화성 대기와 화학적으로 반응하여 열을 제거하고 차량 뒤에 뜨거운 가스 자국을 남기도록 특별히 제작되었다. 차량은 약 1분 만에 에서 로 감속하여 착륙선과 로버에 약 60m/s2 (6g)의 가속도를 발생시켰다.
후면 덮개와 열 차폐막은 동일한 재료로 만들어졌지만 열 차폐막은 두께가 약 2.54cm 더 두꺼운 열 차폐재 층을 가지고 있다. 칠해지지 않은 후면 덮개는 매우 얇은 알루미늄 처리된 PET 필름(PET film (biaxially oriented)) 담요로 덮여 우주 공간의 추위로부터 보호되었다. 담요는 화성 대기로 진입하는 동안 증발했다.
4. 4. 낙하산
낙하산은 착륙 과정에서 탐사선의 속도를 줄이는 데 도움을 주었으며, 백쉘(backshell)에 위치해 있다.[40]; 설계
2003년 낙하산 설계는 장기적인 화성 낙하산 기술 개발 노력의 일환이며, 바이킹과 마스 패스파인더 임무의 설계와 경험을 바탕으로 한다. 이 임무의 낙하산은 패스파인더의 낙하산보다 40% 더 크다. 화성 탐사 로버의 최대 하중은 낙하산이 완전히 펼쳐졌을 때 80~85 킬로뉴턴(kN)이다. 비교를 위해 패스파인더의 펼침 하중은 약 35 kN(약 8,000 lbf)이었다. 이 낙하산은 코네티컷주 사우스 윈저의 파이오니어 에어로스페이스(Pioneer Aerospace)에서 설계 및 제작되었으며, 이 회사는 스타더스트 임무의 낙하산도 설계했다.[40]
; 구성
낙하산은 내구성이 뛰어나고 가벼운 폴리에스터와 나일론 두 가지 직물로 만들어졌다. 케블라로 만든 삼중 브라이들(triple bridle)이 낙하산을 백쉘에 연결한다.
우주선에 낙하산을 위한 공간이 매우 적어 낙하산은 압축 포장해야 했다. 발사 전에, 한 팀이 48개의 현수선, 3개의 브라이들 라인과 낙하산을 단단히 접었다. 낙하산은 특수 구조물에 적재되었고, 그 후 낙하산 패키지에 여러 번 무거운 무게를 가했다. 백쉘에 낙하산을 넣기 전에, 낙하산은 열처리를 통해 살균되었다.[40]
; 연결 시스템
낙하산이 지표면으로부터 약 10km 고도에서 배치된 후, 6개의 분리 너트와 푸시 오프 스프링을 사용하여 히트 실드가 분리되었다. 그런 다음 착륙선은 백쉘에서 분리되어 착륙선 페탈 중 하나에 내장된 원심 제동 시스템의 금속 테이프를 따라 "래펠링"(rappelling) 방식으로 하강했다. 금속 테이프를 따라 느리게 하강함으로써 착륙선은 거의 20m 길이의 꼰 자일론(Zylon)으로 만들어진 다른 브라이들(테더)의 끝에 위치하게 되었다.[40] 자일론은 케블라와 유사한 섬유 재료로, 신발끈 재료와 같은 직조 패턴으로 꿰매어 강도를 높였다. 자일론 브라이들은 에어백 배치를 위한 공간, 고체 로켓 모터 배기구로부터의 거리, 안정성 향상을 제공한다. 브라이들에는 백쉘에서 고체 로켓 발사를 허용하는 전기 하네스가 통합되어 있으며, 백쉘 관성 측정 장치(우주선의 속도와 기울기를 측정)의 데이터를 로버의 비행 컴퓨터로 제공한다.[40]
화성의 대기 밀도는 지구의 1% 미만이기 때문에 낙하산만으로는 화성 탐사 로버의 속도를 안전하고 낮은 착륙 속도로 충분히 줄일 수 없었다. 탐사선의 하강은 탐사선을 화성 표면으로부터 10m 에서 15m 위에서 정지시킨 로켓의 도움을 받았다.[40]
레이더 고도계 장치를 사용하여 화성 표면까지의 거리를 측정했다. 레이더 안테나는 착륙선 사면체의 아래쪽 모서리 중 하나에 장착되었다. 레이더 측정 결과 착륙선이 지표면으로부터 적절한 거리에 있음을 나타내면 자일론 브라이들이 절단되어 착륙선이 낙하산과 백쉘에서 분리되어 착륙을 위한 자유로운 상태가 된다. 레이더 데이터는 에어백 팽창과 백쉘 RAD 로켓 발사의 타이밍 시퀀스에도 사용되었다.[40]
4. 5. 에어백
화성 탐사 로버 임무에 사용된 에어백은 1997년 마스 패스파인더가 사용한 것과 같은 종류이다.[41] 에어백은 탐사선이 암석이나 험준한 지형에 착륙하더라도 충격을 완화하고, 착륙 후 시속 약 100km의 속도로 화성 표면을 가로질러 튀어 오르도록 충분히 강해야 했다. 에어백은 착륙 몇 초 전에 부풀려졌다가 지면에 안전하게 착륙한 후에는 수축되었다.에어백은 패스파인더의 에어백과 마찬가지로 벡트란으로 만들어졌다. 벡트란은 케블라와 같은 다른 합성 소재보다 거의 두 배의 강도를 가지며, 저온에서도 더 나은 성능을 발휘한다. 200 데니어(20 mg/m)의 벡트란으로 된 내부 풍선 하나 또는 두 개가 100 데니어(10 mg/m)의 벡트란 6겹으로 보호되었다. 100 데니어(10 mg/m)를 사용하면 직조된 실이 더 많기 때문에 필요한 외부 층에 더 많은 직물을 사용할 수 있다.
각 로버는 각각 6개의 엽을 가진 에어백 4개를 사용했으며, 모두 연결되어 있었다. 연결은 에어백 시스템을 유연하게 하고 지면 압력에 대한 반응성을 유지함으로써 착륙 충격의 일부를 줄이는 데 중요했다. 에어백은 로버에 직접 부착되지 않았지만, 에어백 구조를 가로지르는 로프로 로버에 고정되었다. 로프는 에어백에 형태를 부여하여 팽창을 더 쉽게 만들었다. 비행 중에는 에어백이 팽창에 사용되는 3개의 가스 발생기와 함께 수납되었다.[41]
4. 6. 착륙선
착륙선은 로버를 보호하는 보호 덮개이며, 에어백과 함께 착륙 시 충격으로부터 로버를 보호한다.착륙선은 사면체 모양으로, 꽃잎처럼 펼쳐진다. 강하고 가벼우며, 빔과 시트로 만들어졌다. 빔은 흑연 섬유의 여러 층으로 구성되어 있는데, 알루미늄보다 가볍고 강철보다 단단한 직물로 짜여졌다. 티타늄 부속품은 접착제로 빔에 부착되어 볼트로 조립할 수 있도록 되어 있다. 로버는 작은 폭발물로 착륙 후 해제되는 나사와 특수 너트로 착륙선 안에 고정되었다.[92]
4. 7. 로버 설계
로버는 6륜형이며, 높이 1.5m, 너비 2.3m, 길이 1.6m이고 태양 전지판을 전원으로 사용한다. 무게는 180kg이며, 바퀴와 현가장치는 35kg이다.[93]로버는 로커-보기(rocker-bogie) 방식의 현가장치에 6개의 바퀴를 장착하여 뛰어난 주행 성능을 갖추고 있다. 이 설계는 로버 본체의 요동을 절반으로 줄여, 바퀴 직경(250mm)보다 큰 구멍이나 도랑을 넘을 수 있다. 바퀴에는 클릿이 있어 부드러운 모래밭을 오르거나 암석을 넘는 데 충분한 그립력을 확보한다.
각 바퀴에는 모터가 있고, 앞 두 바퀴와 뒤 두 바퀴는 각각의 회전 모터를 가지고 있어 제자리에서 회전이 가능하다. 로버는 어떤 방향이든 45도까지 기울어져도 전복되지 않도록 설계되었으며, 소프트웨어로 설정된 "장애물 회피 한계"에 따라 기울기 각도가 30도를 넘지 않도록 장애물을 회피한다. 다른 바퀴를 고정한 채 앞바퀴 하나만 회전시켜 지면을 파낼 수도 있다. 최고 속도는 평지에서 50mm/s이며, 소프트웨어가 지형을 인식하기 위해 10초에서 20초마다 정지해야 하므로 평균 속도는 10mm/s이다.
로버에는 최대 140W의 발전 용량을 가진 태양전지 모듈과 2개의 리튬이온전지(각각 7.15kg)가 탑재되어 있다. 로버 주행에는 약 100W의 전력이 필요하다. 태양전지가 최대 출력을 얻을 수 있는 것은 1화성일(솔)당 약 4시간 정도이며, 1일 발전량은 약 300~900와트시이다. 하지만 화성 특유의 모래폭풍이 발생하면 일조량이 줄어들어 발전량이 하루 100와트시 이하로 떨어지는 경우도 있다. 화성 대기에는 다량의 모래먼지가 포함되어 있어 태양전지 패널에 쌓이기 때문에, 탐사 시작 후 90화성일이 지나면 발전량이 하루 50와트시 정도로 떨어질 것으로 예상되었으나, 쌓인 모래먼지가 강풍이나 회오리바람에 의해 날아가는 현상이 자주 발생하여 발전량은 크게 저하되지 않았고, 결과적으로 임무는 10년 이상 장기간 연장되었다.
로버의 제어용 컴퓨터 사양은 다음과 같다.
| 항목 | 사양 |
|---|---|
| CPU | RAD6000(클록 주파수 20MHz) |
| 주기억장치 | 128MB DRAM(오류검출정정 기능 포함) |
| 보조기억장치 | 256MB 플래시 메모리, 3MB EEPROM |
| OS | VxWorks 임베디드 OS |
화성은 매우 추운 환경이므로, 전력을 소비하지 않고 장비를 보온하기 위해 로버에는 플루토늄-238의 붕괴열을 이용한 방사성 동위원소 열전 발전기(RHU)가 8개 탑재되어 있으며, 동체 부분을 실리카 에어로젤 단열재와 금을 스퍼터링한 차열 시트로 덮고 있다(전기 히터도 보조적으로 사용된다). 이러한 조치에 따라 로버의 주요 전자 장비의 온도는 영하 40℃~40℃ 사이로 유지된다.
로버에는 두 종류의 통신 안테나가 탑재되어 있다. 하나는 무지향성 X밴드 저이득 안테나로, NASA의 심우주통신망(Deep Space Network)에 속한 각 지구국과 저속으로 직접 통신한다. 또 하나는 화성 궤도 상의 탐사선을 중계 위성으로 이용하기 위한 X밴드 고이득 안테나로, 저이득 안테나보다 훨씬 고속으로 지구와 통신할 수 있다. 로버는 화성 도착 이후, 2001 마스 오디세이(2001 Mars Odyssey), 마스 글로벌 서베이어(Mars Global Surveyor), 마스 리콘네상스 오비터(Mars Reconnaissance Orbiter)와의 위성 통신을 통해 지구에 대량의 관측 데이터를 계속 보내고 있다.
로버의 관측 장비는 동물의 머리 부분과 같은 파노라마 카메라 장착 마스트(PMA)와 팔과 같은 관측 장비 전개 장치(IDD, "로버 암")에 집중적으로 장착되어 있다. 로버 암은 사람의 팔처럼 움직일 수 있으며, 암 끝에 장착된 여러 가지 측정 장비를 조사 대상 암석 등에 사람이 손을 뻗는 것처럼 가까이 가져갈 수 있다.
- 파노라마 이미지 촬영 카메라(Pancam): 컬러 촬영이 가능한 2대의 카메라. 로버 주변의 고해상도 이미지를 촬영하여 지형 조사, 지질학적 특징 분석에 사용된다.
- 주행용 카메라(Navcam): 2대의 흑백 광각 카메라. 로버의 주행 및 조작에 사용된다.
- 소형 열 적외선 분광계(Mini-TES): 적외선 방사 스펙트럼을 측정하여 암석의 구성 조사 및 화성 대기의 온도를 측정한다. 개발 담당은 애리조나 주립대학교(Arizona State University)이다.
- 뫼스바우어 분광기 MIMOS II(MB): 감마선을 이용한 분광기로, 암석에 포함된 철의 상태와 자성을 측정한다. 개발 담당은 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학교(Johannes Gutenberg-Universität Mainz).
- 알파입자 X선 분광기(APXS): 알파선과 X선을 암석에 조사하여 암석을 구성하는 원소의 종류와 양을 측정한다.
- 자석: 분광기의 측정 대상인 철을 포함한 먼지나 모래를 포집한다. 개발 담당은 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institutet).
- 현미경 카메라(MI): 암석의 미세 구조를 관찰하기 위한 고해상도 카메라. 개발 담당은 미국 지질조사국(USGS)(United States Geological Survey).
- 암석 연마 장치(RAT): 암석의 내부를 드러내기 위한 연마 장치. 풍화된 암석 표면을 깎아내어 신선한 단면을 분광기 등으로 분석한다. Honeybee Robotics 제작.
4. 8. 과학 장비
- 판캠: 컬러 촬영이 가능한 두 대의 카메라로, 로버 주변의 고해상도 이미지를 촬영하여 지형을 조사하고 지질학적 특징을 분석하는 데 사용된다.
- 내비캠: 두 대의 흑백 광각 카메라로, 로버의 주행 및 조작에 사용된다.
- 소형 열 적외선 분광계 (Mini-TES): 애리조나 주립대학교에서 개발한 장비이다. 적외선 방사 스펙트럼을 측정하여 암석의 구성을 조사하고 화성 대기의 온도를 측정한다.
- 장애물 회피 카메라: 로버 차체 전면에 두 대, 후면에 두 대가 장착되어 있다.
5. 과학적 성과
화성 탐사 로버 계획(MER)은 NASA의 화성 탐사 프로그램 중 하나로, 1975년과 1976년의 바이킹 계획 착륙선과 1997년의 마스 패스파인더에 이어 진행되었다.[90] 이 계획의 초기 주요 목표는 두 대의 무인 탐사 로버를 화성에 보내 화성 표면의 지질을 상세히 탐사하고, 암석과 토양을 분석하여 화성에 물이 존재했음을 증명하는 것이었다. 로버의 탐사 활동을 통해 과거 화성에 액체 상태의 물이 일반적으로 존재했고, 산성 호수가 존재했음을 시사하는 증거가 발견되어 이 목표는 긍정적으로 해결되었다. 이후 임무에는 새로운 목표가 주어졌고, 2014년 당시 MER의 주요 과제는 화성 과학 연구실(2012년 화성에 투입된 탐사 로버)과 함께 화성에 생명체가 존재할 가능성을 조사하는 것이었다.
이 계획의 과학적 목표는 다음과 같다.[91]
| 목표 | 세부 내용 |
|---|---|
| 화성 표면 암석 및 토양 분석 | 화성에 물이 있었던 흔적 발견 (퇴적, 증발, 열수 활동 등 물이 관여하여 생성된 암석의 존재 확인) |
| 착륙 지점 주변 조사 | 광물, 암석, 토양의 공간 분포 조사 |
| 착륙 지점 주변 지사 규명 | 물과 바람에 의한 침식, 퇴적, 화산 활동, 소천체의 충돌 등의 역사 규명 |
| 궤도 탐사선 관측 결과 검증 | 화성 궤도 탐사선의 관측 결과를 화성 표면에서 재검증하고, 관측 정밀도 향상 |
| 철 포함 광물 분석 | 철을 포함하는 광물을 정량적으로 분석하고, 함수 광물과 물 유래의 무기물 발견 |
| 암석/토양 생성 과정 규명 | 화성 표면에 있는 암석과 토양의 결정 구조와 광물학적 특징을 명확히 하고, 그 생성 과정 규명 |
| 과거 화성 환경 조건 규명 | 화성 표면에 액체 상태의 물이 존재했던 시대의 환경 조건을 규명하고, 화성의 환경이 생명 활동에 적합한지 평가 |
이 계획은 NASA 제트추진연구소(JPL)의 프로젝트 매니저 피터 사이징거와 코넬 대학교의 천문학 교수이자 책임 연구원 스티브 스콰이어스에 의해 진행되었다. 로버 제작, 발사, 착륙 및 90일간의 초기 임무 운영에 소요된 총 비용은 8.2억달러이며, 4차 연장 임무까지 포함하면 9.24억달러이다.
스피릿은 구세프 크레이터에서, 오퍼튜니티는 메리디아니 평원에서 과거 물의 활동 흔적을 찾기 위해 다양한 암석과 토양을 탐사했다. 특히 강수, 증발, 퇴적암 시멘테이션, 열수 활동과 같이 물과 관련된 과정으로 형성된 광물을 찾는 데 집중했다.[4]
5. 1. 스피릿의 탐사 결과 (구세프 크레이터)
스피릿은 구세프 크레이터에서 과거 물의 활동 흔적을 찾기 위해 다양한 암석과 토양을 탐사했다. 특히 강수, 증발, 퇴적암 시멘테이션, 열수 활동과 같이 물과 관련된 과정으로 형성된 광물을 찾는 데 집중했다.[4]2005년 8월 21일, 스피릿은 581솔(화성의 하루 단위)과 4.81km의 여정 끝에 허즈번드 힐 정상에 도달했다.[7]
2006년 3월 13일, 스피릿의 앞쪽 오른쪽 바퀴가 고장났다. 그럼에도 불구하고 스피릿은 고장 난 바퀴를 뒤로 끌면서 탐사를 계속했지만, 결국 통과할 수 없는 모래 지역에 도달했다. 이후 스피릿은 "로우 릿지 헤이븐"이라는 작은 경사면으로 이동하여 화성의 겨울을 보내며 태양 에너지 수준이 증가하기를 기다렸다.[8]
2007년 먼지 폭풍으로 인해 태양 전지판을 통한 에너지 수집 능력이 위협받았으나, 먼지 폭풍이 가라앉은 후 탐사를 재개했다.[10]
2009년, 스피릿은 화성 모래에 깊이 파묻혔다.[21] 2010년 1월 26일, NASA는 몇 달 동안의 노력에도 불구하고 스피릿을 모래에서 빼내는 데 실패하여, 스피릿을 고정식 연구 플랫폼으로 사용하기로 결정했다.[22]
2011년 5월 22일, NASA는 스피릿과의 연락 시도를 중단했다. 스피릿과의 마지막 성공적인 통신은 2010년 3월 22일이었으며, 마지막 전송은 2011년 5월 25일에 이루어졌다.[25]
5. 2. 오퍼튜니티의 탐사 결과 (메리디아니 평원)
오퍼튜니티 로버는 메리디아니 평원에서 과거 물의 활동에 대한 단서를 찾고, 광물, 암석 및 토양의 분포와 구성을 확인하였으며, 지질학적 과정이 지형을 형성하고 화학적 성분에 어떤 영향을 미쳤는지 조사했다. 또한, 화성 정찰 궤도선 (MRO) 장비의 관측 결과를 보정하고 검증하여 화성 지질 조사의 정확성과 효율성을 높였다. 철 함유 광물을 탐색하고, 물을 포함하거나 물에서 형성된 광물의 양을 정량화했으며, 암석과 토양의 광물학적 특징과 질감을 분석하여 생성 과정을 밝혀냈다. 이를 통해 액체 상태의 물이 존재했던 환경 조건을 추론하고, 그러한 환경이 생명체에 적합했는지 평가했다.[4]2008년 8월 26일, 오퍼튜니티는 빅토리아 크레이터에서 3일간의 등반을 시작했다. 이는 바퀴 고장 시 크레이터를 빠져나가지 못할 수 있다는 우려 때문이었다. 프로젝트 과학자 브루스 배너드트는 "빅토리아 크레이터에서 해야 할 모든 일을 다 했고 그 이상을 했습니다."라고 말했다. 오퍼튜니티는 메리디아니 평원의 다양한 암석을 특징짓기 위해 평원으로 돌아갔다. 그중 일부는 빅토리아와 같은 크레이터에서 튀어나온 것일 수도 있다. 로버는 2007년 9월 11일부터 빅토리아 크레이터를 탐험해 왔다.[16][17]
빅토리아 크레이터를 떠난 후 약 3.2km를 이동한 오퍼튜니티는 2009년 3월 7일 엔데버 크레이터의 가장자리를 처음으로 목격했다.[19] 1897번째 화성일()에 16km 지점을 통과했다.[20]
6. 대한민국 관련 내용
주어진 원본 소스에는 '대한민국 관련 내용' 섹션에 포함될 만한 정보가 없다. 따라서 해당 섹션에는 내용을 추가할 수 없다.
7. 기타
두 화성 탐사 로버의 암석 마모 도구(RAT)에는 9·11 테러로 붕괴된 세계무역센터 잔해에서 채취한 금속 조각이 장착되어 있다.[64] 스피릿의 X밴드 고이득 안테나 뒷면에는 컬럼비아 우주왕복선 참사로 순직한 우주비행사 7명을 추모하는 명판이 부착되어 있다.
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