LCROSS

1. 개요

LCROSS는 달의 극지방에 물의 존재를 확인하기 위해 NASA에서 수행한 부속 임무이다. 2009년 6월 18일 발사되어, 2009년 10월 9일에 센타우르 로켓 상단과 셰퍼딩 우주선을 달 표면에 충돌시켰다. 센타우르의 충돌로 발생한 잔해 기둥을 셰퍼딩 우주선이 분석하여 데이터를 수집했으며, NASA는 2009년 11월 13일에 물의 존재를 확인했다. 이 임무는 기술적, 과학적 성과를 인정받아 여러 상을 수상했다.

2. 임무

LCROSS는 달 정찰 궤도선(LRO)에 부속된 신속하고 저비용의 임무였다. LRO를 더 큰 발사체로 옮긴 후 NASA에 의해 추가되었으며, 19개의 다른 제안 중에서 선택되었다. 이 임무는 미국의 방송인 월터 크롱카이트에게 헌정되었다.

LCROSS는 LRO와 함께 애틀라스 V 로켓에 실려 2009년 6월 18일 플로리다주 케이프커내버럴에서 발사되었다. 발사 4.5일 후인 6월 23일, LCROSS와 부착된 센타우르 로켓은 달 스윙바이를 성공적으로 완료하고 주기가 37일인 극궤도에 진입하여 LCROSS를 달 극지방 충돌 위치로 설정했다.

2009년 8월 22일, LCROSS는 센서 문제로 이상 현상을 겪어 연료 140kg을 소모했는데, 이는 당시 남은 연료의 절반 이상이었다.

약 3번의 궤도 후, 2009년 10월 9일 UTC 11시 31분에 센타우르가 달에 충돌하고, 몇 분 후에 셰퍼딩 우주선이 뒤따르면서 달 충돌이 발생했다. 임무 팀은 처음에 LCROSS 이중 충돌의 목표 크레이터가 카베우스 A가 될 것이라고 발표했으나, 이후 더 크고 주요한 카베우스 크레이터로 목표를 수정했다.

2009년 10월 9일 01:50 UTC에 달에 최종 접근하면서 셰퍼딩 우주선과 센타우르가 분리되었다. 센타우르 상단은 달 표면 위로 솟아오르는 잔해 기둥을 생성하기 위해 무거운 충돌체 역할을 했다. 센타우르 상단 충돌 후 4분 뒤, 셰퍼딩 우주선은 이 잔해 기둥을 통과하면서 데이터를 수집하여 지구로 중계한 다음 달 표면에 충돌하여 두 번째 잔해 기둥을 생성했다. 충돌 속도는 초당 2.5 km로 예상되었다.

센타우르 충돌은 350MT 이상의 달 물질을 파내고 직경 약 27m, 깊이 약 5m의 크레이터를 생성할 것으로 예상되었다. 셰퍼딩 우주선 충돌은 약 150MT를 파내고 직경이 약 18m, 깊이가 약 3m인 크레이터를 생성할 것으로 예상되었다. 센타우르 잔해 기둥의 물질 대부분은 10km 미만의 고도에 남아있을 것으로 예상되었다.

결과적인 충돌 기둥의 분광학 분석이 클레멘타인과 루나 프로스펙터 임무의 예비 연구 결과를 확인하는 데 도움이 되기를 희망했는데, 이는 영구적으로 그림자가 드리워진 지역에 물 얼음이 있을 수 있음을 시사했다. 임무 과학자들은 센타우르 충돌 기둥이 25~30 cm 정도의 작은 구경을 가진 아마추어급 망원경을 통해 볼 수 있을 것으로 예상했다. 그러나 그러한 아마추어 망원경으로는 기둥이 관찰되지 않았다. 헤일 망원경과 같은 망원경조차도 적응 광학 장치를 갖추고도 기둥을 감지하지 못했다. 기둥이 여전히 발생했을 수 있지만 지구에서 감지할 수 없는 작은 규모로 발생했을 수 있다.

두 충돌 모두 허블 우주 망원경과 같은 지구 기반 관측소와 궤도 자산에 의해 모니터링되었다.

LCROSS가 물을 발견할지 여부는 미국 정부가 달 기지 건설을 추진할지 여부에 영향을 미치는 것으로 언급되었다. 2009년 11월 13일, NASA는 센타우르가 크레이터에 충돌한 후 물이 감지되었다고 확인했다.

3. 우주선

LCROSS 임무는 진화형 소모성 발사체(EELV)의 부가 탑재체 어댑터(ESPA) 링을 활용, LRO를 센타우르 상단 로켓에 부착하여 셰퍼딩 우주선을 형성했다. ESPA 외부에 우주선의 과학 탑재체, 명령 및 제어 시스템, 통신 장비, 배터리 및 태양광 패널을 장착하는 6개의 패널이 설치되었다. 소형 단일 추진제 추진 시스템은 링 내부에 장착되었고, 두 개의 S 밴드 무지향성 안테나와 두 개의 중간 이득 안테나가 부착되었다.

ESPA 링은 보통 6개의 소형 배치 가능 위성을 보관하는 플랫폼으로 사용되지만, LCROSS는 위성의 중추 역할을 했으며, 이는 링으로는 처음이었다. LCROSS는 상업적으로 이용 가능한 기기를 활용하고 LRO에서 사용된, 이미 비행 검증된 많은 구성 요소를 사용했다.

LCROSS는 NASA 에임스 연구 센터(ARC)에서 관리하고 노스롭 그러먼에서 제작했다. 2006년 9월 8일 예비 설계 검토를 완료했고, 2007년 2월 2일 임무 확정 검토, 2월 22일 중요 설계 검토를 통과했다. 에임스에서 조립 및 테스트를 거친 후, Ecliptic Enterprises Corporation에서 제공한 기기 탑재체는 2008년 1월 14일 우주선 통합을 위해 노스롭 그러먼으로 운송되었다. 2009년 2월 12일 최종 검토를 통과했다.

3.1. 구성 (Instruments)

LCROSS 셔퍼딩 우주선의 과학 기기 탑재체는 에임스 연구 센터(ARC)에서 제공했으며, 총 9개의 기기로 구성되었다. 여기에는 가시광선 카메라 1대, 근적외선 카메라 2대, 중적외선 카메라 2대, 가시광선 분광기 1대, 근적외선 분광기 2대, 광도계 1대가 포함되었다. 데이터 처리 장치(DHU)는 각 기기에서 정보를 수집하여 LCROSS 미션 통제소로 전송했다. 일정과 예산 제약으로 인해 LCROSS는 견고하고 상업적으로 사용 가능한 부품을 활용했다. 각 기기는 발사 및 비행 조건을 시뮬레이션하는 엄격한 테스트를 거쳐 설계 결함과 우주 사용에 필요한 수정을 식별했으며, 이 시점에서 제조업체는 설계를 수정할 수 있었다.

4. 결과

충돌은 예상만큼 시각적으로 두드러지지는 않았다. 프로젝트 관리자 댄 앤드루스(Dan Andrews)는 충돌 전 시뮬레이션에서 플룸(분출물 기둥)의 두드러짐을 과장했기 때문이라고 보았다. 데이터 대역폭 문제로 노출 시간이 짧아 가시광선 스펙트럼 이미지에서 플룸을 보기가 어려웠고, 선명도를 높이기 위한 이미지 처리가 필요했다. 적외선 카메라는 부스터 충돌의 열 신호를 포착했다.

4.1. 물의 존재

2009년 11월 13일, 미국 항공우주국(NASA)은 여러 증거를 통해 LCROSS 센타우르 충돌로 생성된 고각 증기 기둥과 분출물 커튼 모두에 물이 존재했음을 보고했다. 물과 다른 물질의 농도와 분포에 대한 더 많은 분석이 필요했다. 추가적인 확인은 수산기(햇빛에 의해 물이 분해되면서 생성된 부산물)에서 방출되는 자외선 스펙트럼을 통해 이루어졌다.

스펙트럼 분석 결과, 얼어붙은 표토의 물 농도는 약 1% 정도로 추정된다. 다른 탐사 임무의 증거에 따르면, 이것은 상대적으로 건조한 지역이었을 수 있으며, 다른 크레이터에서는 비교적 순수한 얼음이 두껍게 퇴적된 것으로 나타났다. 이후 더 확정적인 분석에서는 물의 농도가 "질량의 5.6 ± 2.9%"로 밝혀졌다. 2018년 8월 20일, NASA는 달 극지 표면에서 얼음을 확인했다.

5. 수상

LCROSS는 기술적, 관리적, 과학적 성과를 인정받아 수많은 상을 받았다.