달 궤도
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1. 개요
달 궤도는 달을 공전하는 궤도를 의미하며, 달 궤도 탐사는 1959년 소련의 루나 1호 발사 시도로 시작되었다. 루나 10호는 1966년 달 궤도에 진입한 최초의 탐사선이며, 미국은 루나 오비터 1호를 통해 달 궤도 탐사를 시작했다. 달의 질량 집중(마스콘)으로 인해 달 궤도는 불안정하며, 아폴로 11호 임무에서 궤도 보정 시도가 이루어졌다. 달 궤도 탐사에는 직접 전이, 저추력 전이, 저에너지 전이 방식이 사용되며, 2001년에는 동결 궤도가 발견되었다. 최근에는 라그랑주점을 이용한 근직선 헤일로 궤도가 사용되고 있다.
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| 달 궤도 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 일반 정보 | |
| 유형 | 궤도 |
| 중심체 | 달 |
| 위성 | 인공 위성 우주 탐사선 |
| 고도 | 약 (일반적인 저궤도) |
| 궤도 특성 | |
| 궤도 진입 | 달 궤도 진입 (LOI) 기동 |
| 궤도 유지 | 궤도 유지 기동 |
| 주요 특징 | 달의 중력 영향 궤도 안정성 |
| 활용 분야 | |
| 과학 연구 | 달 지형 연구 달 환경 연구 |
| 탐사 임무 | 달 표면 탐사 달 자원 탐사 |
| 통신 중계 | 지구-달 통신 달 기지 통신 |
| 추가 정보 | |
| 특이 궤도 | 동결 궤도 할로 궤도 저고도 궤도 |
| 관련 연구 | 달 궤도 연구 |
2. 섭동 효과와 저궤도
대부분의 달 저궤도(100km 미만)는 불안정하다.[4]
일부 달 궤도선의 궤도를 약간 왜곡시키는 중력 이상 현상으로 인해 과거 어느 시점에 큰 충돌체에 의해 발생한 달 표면 아래의 질량 집중 지역(마스콘(mascons)이라고 함)이 발견되었다.[4][2]
이러한 이상 현상은 며칠 만에 달 궤도를 크게 변화시킬 만큼 크다. 이로 인해 추의 각도가 수직에서 약 3분의 1도 정도 어긋나 마스콘 쪽으로 향하고 중력이 0.5% 증가할 수 있다.[4]
아폴로 11호 최초 유인 착륙 임무에서는 이러한 섭동 효과를 보정하기 위한 최초의 시도가 이루어졌다(당시에는 동결 궤도가 알려져 있지 않았다). 주차 궤도는 122km × 100km로 "원형화"되었는데, 이는 달 착륙선이 CSM과 랑데부할 때 공칭 원형 110km가 될 것으로 예상되었다. 그러나 그 효과는 두 배나 과대평가되었다. 랑데부 시점에서 궤도는 117km × 105km로 계산되었다.[3]
월 궤도가 약간 휘어지는 중력적 이상으로 인해, 달의 질량 집중부가 발견되었다. 이는 고대에 큰 충돌체가 달 표면을 생성했다고 여겨지는 것에서 기인하는 것으로 생각된다. 이 중력의 변칙성은 수일 만에 월 궤도를 상당히 휘어지게 할 만큼 충분한 힘을 가지고 있다.
아폴로 11호의 최초 유인 착륙 계획은 이 효과를 보정하는 시도를 처음으로 채택했다. 중계 궤도는 122킬로미터에서 100킬로미터 위치에서 "원궤도화"되었는데, 이는 명목상 110킬로미터에서 원궤도를 만들고, 이때 착륙선이 귀환하여 랑데부하는 것을 기대했던 것이다. 그러나 이 중력 변칙 효과는 궤도상의 랑데부가 117킬로미터에서 105킬로미터로 계산되었던 것 등으로 미루어 과대평가되었었다.[20]
2. 1. 질량 집중 (Mascon)
과거 큰 충돌체에 의해 발생한 달 표면 아래의 질량 집중 지역(마스콘)이 발견되었다.[4][2] 이러한 질량 집중은 달 궤도에 큰 영향을 미치는데, 며칠 만에 달 궤도를 크게 변화시킬 만큼 크다.[4] 이로 인해 추의 각도가 수직에서 약 3분의 1도 정도 어긋나 마스콘 쪽으로 향하고 중력이 0.5% 증가할 수 있다.[4]아폴로 11호 최초 유인 착륙 임무에서는 이러한 섭동 효과를 보정하기 위한 최초의 시도가 이루어졌다. 주차 궤도는 122킬로미터에서 100킬로미터 위치에서 "원궤도화"되었는데, 이는 달 착륙선이 CSM과 랑데부할 때 공칭 원형 110킬로미터가 될 것으로 예상되었다. 그러나 그 효과는 두 배나 과대평가되었다. 랑데부 시점에서 궤도는 117킬로미터에서 105킬로미터로 계산되었다.[3][20]
대부분의 달 저궤도(100km(60마일) 미만)는 불안정하다.[4]
2. 2. 아폴로 11호의 궤도 수정
월 궤도는 달의 질량 집중부로 인해 약간 휘어지는 중력적 이상 현상이 발생한다. 이는 고대에 큰 충돌체가 달 표면을 생성했다는 거대 충돌설로 설명된다. 이러한 중력 변칙성은 수일 만에 월 궤도를 상당히 휘어지게 할 만큼 충분하다.[20]아폴로 11호의 최초 유인 달 착륙 계획에서는 이러한 섭동 효과를 보정하기 위한 시도가 처음으로 이루어졌다. 중계 궤도는 122킬로미터에서 100킬로미터 지점에서 "원궤도화"되었는데, 이는 명목상 110킬로미터에서 원궤도를 형성하여 착륙선이 귀환하여 랑데부할 것으로 예상되었다. 그러나 이 중력 변칙 효과는 과대평가되어 궤도상의 랑데부가 117킬로미터에서 105킬로미터로 계산되는 등 어려움을 겪었다.[20]
3. 안정적인 저궤도 (동결 궤도)
달 질량 집중체(mascon)의 영향에 대한 연구는 2001년, 궤도 경사각이 27°, 50°, 76°, 86°인 네 가지 동결 궤도의 발견으로 이어졌다.[4] 이 궤도에서는 우주선이 저궤도에 무기한으로 머무를 수 있다.[4]
3. 1. 아폴로 15호와 16호의 소형 위성
달 질량 집중체(mascon)의 영향에 대한 연구는 2001년, 궤도 경사각이 27°, 50°, 76°, 86°인 네 가지 동결 궤도의 발견으로 이어졌다. 이 궤도에서는 우주선이 저궤도에 무기한으로 머무를 수 있다.[4] 아폴로 15호의 소형 위성 PFS-1과 아폴로 16호의 소형 위성 PFS-2는 모두 아폴로 기계선에서 분리된 소형 위성으로, 이 발견에 기여했다. PFS-1은 28°의 경사각을 가진 장기간 지속되는 궤도에 진입하여 1년 반 만에 성공적으로 임무를 완수했다. PFS-2는 특히 불안정한 11°의 궤도 경사각에 배치되어 달 표면에 충돌하기 전 35일 동안만 궤도를 유지했다.[4]4. 달 고궤도
고도 500~20,000km 범위의 달 궤도에서는 지구의 중력으로 인해 궤도 섭동이 발생한다.[5] 그보다 고도가 높은 곳에서는 섭동을 고려한 2체 천체역학 모델이 부족하며 삼체 모델이 필요하다.[5]
달의 힐 구는 반지름 60,000km까지 확장되지만,[6] 지구의 중력이 개입하여 690km 거리에서는 달 궤도가 불안정해진다.[7]
지구-달 시스템의 라그랑주점은 달 주변에 안정적인 궤도, 예를 들어 헤일로 궤도와 원거리 역행 궤도를 제공할 수 있다.
일부 헤일로 궤도는 달 표면의 특정 지역 상공에 머뭅니다. 이러한 궤도는 달 중계 위성이 달의 달의 뒷면에 있는 지상국과 통신하는 데 사용될 수 있다. 이를 처음으로 수행한 것은 2019년 췌차오 중계 위성이다. 이 위성은 지구-달 L2 주변 약 65,000km에 배치되었다.
2022년부터(CAPSTONE) 라그랑주점을 이용한 근직선 헤일로 궤도가 사용되었으며, 달 게이트웨이에서도 사용될 계획이다.
4. 1. 힐 구 (Hill Sphere)
달의 힐 구는 반지름 60,000km까지 확장되지만,[6] 지구의 중력이 개입하여 690km 거리에서는 달 궤도가 불안정해진다.[7] 고도 500~20,000km 범위의 달 궤도에서는 지구의 중력으로 인해 궤도 섭동이 발생한다.[5] 그보다 고도가 높은 곳에서는 섭동을 고려한 2체 천체역학 모델이 부족하며 삼체 모델이 필요하다.[5] 지구-달 시스템의 라그랑주점은 달 주변에 안정적인 궤도, 예를 들어 헤일로 궤도와 원거리 역행 궤도를 제공할 수 있다.4. 2. 라그랑주점 (Lagrange Point)
지구-달 시스템의 라그랑주점은 달 주변에 안정적인 궤도, 예를 들어 헤일로 궤도와 원거리 역행 궤도를 제공할 수 있다.[5] 일부 헤일로 궤도는 달 표면의 특정 지역 상공에 머무르도록 설계할 수 있다. 이러한 궤도는 달 중계 위성이 달의 뒷면에 있는 지상국과 통신하는 데 사용될 수 있는데, 2019년 췌차오 중계 위성이 지구-달 L2 주변 약 65,000km 지점에 배치되어 이 임무를 처음으로 수행했다.[5] 2022년부터는 CAPSTONE이 라그랑주점을 이용한 근직선 헤일로 궤도를 사용하기 시작했으며, 달 게이트웨이에서도 사용될 계획이다.[5]4. 3. 근직선 헤일로 궤도 (NRHO)
2022년부터 CAPSTONE을 시작으로 라그랑주점을 이용한 근직선 헤일로 궤도(NRHO)가 사용되었으며, 달 게이트웨이에서도 사용될 계획이다.[5]5. 궤도 진입
지구에서 달 궤도에 도달하는 주요 방법은 세 가지가 있다. 직접 전이, 저추력 전이 및 저에너지 전이이다. 이 방법들은 각각 3~4일, 수개월 또는 2.5~4개월이 걸린다.[8]
5. 1. 전이 방식 비교
지구에서 달 궤도에 도달하는 주요 방법으로는 직접 전이, 저추력 전이, 저에너지 전이 세 가지가 있다.[8] 직접 전이는 3~4일, 저추력 전이는 수개월, 저에너지 전이는 2.5~4개월이 소요된다.[8]6. 달 궤도 탐사 역사
달 궤도에 대한 탐사선 투입 시도는 1959년 1월 4일 소비에트 연방(소련)이 루나 1호(Луна 1)로 처음 시도했다.[16] 그러나 루나 1호는 달 표면에서 6000미터 근방을 통과했을 뿐, 달 궤도 진입에는 실패했다.[16] 1959년 10월 4일에는 루나 3호(Луна 3)가 발사되었고, 이는 순항 비행에 성공하여 자유귀환궤도(Free return trajectory)를 타고 달의 중력으로 방향을 전환했지만, 달 궤도에는 진입하지 않았다. 이 탐사선은 세계 최초로 달의 뒷면 사진 촬영에 성공했다.[16] 이후 1966년 4월 3일 소련의 루나 10호(Луна 10)가 달 궤도에 진입하여 세계 최초의 달 궤도 탐사선이 되었다.[17] 이 위성은 1966년 5월 30일까지 유성진의 흐름과 달 환경 연구를 수행했다.[17]
미국(미합중국)의 첫 번째 달 궤도 진입 탐사선은 루나 오비터 1호(Lunar Orbiter 1)로, 1966년 8월 14일에 달 궤도에 진입했다.[18] 궤도는 처음에는 타원 궤도였으며, 원지점이 1867킬로미터, 근지점이 189.1킬로미터였다. 적절한 영상을 얻기 위해 궤도는 점차 원형에 가깝도록 수정되었고, 평균 고도는 310킬로미터가 되었다.[19] 이후 미국은 13개월에 걸쳐 유사한 탐사선 5기를 발사했고, 이들은 모두 달 영상 획득에 성공했다. 이러한 영상 촬영의 주된 목적은 아폴로 계획(Apollo program)의 착륙 지점을 찾기 위한 것이었다.[18]
그 외 국가로는 1992년 2월 15일 일본의 히텐(ひてん), 2004년 11월 13일 유럽의 스마트 1호(SMART-1), 2007년 11월 5일 중국의 창어 1호(嫦娥1号), 2008년 11월 8일 인도의 찬드라얀 1호(चंद्रयान-१) 등이 달 궤도에 도달했다.
6. 1. 최초의 달 궤도 탐사선
소비에트 연방은 1959년 1월 4일 최초로 달(또는 지구 밖 천체) 주변을 지나는 우주선인 로봇 탐사선 루나 1호를 발사했다.[11] 달 표면에서 6,000km 이내를 통과했지만, 달 궤도에 진입하지는 못했다.[11] 1959년 10월 4일에 발사된 루나 3호는 달 궤도가 아니었지만, 달의 뒷면을 돌아 지구로 돌아오는 8자 궤적의 달 주위 자유 귀환 궤적을 최초로 완료한 로봇 우주선이었다. 이 탐사선은 달 표면 뒷면의 첫 번째 사진을 제공했다.[11]루나 10호는 1966년 4월 최초로 달과 지구 밖 천체를 실제로 궤도를 돌았던 우주선이 되었다.[12] 1966년 5월 30일까지 미소 운석 유속과 달 환경을 연구했다.[12] 후속 임무인 루나 11호는 1966년 8월 24일에 발사되어 달 중력 이상, 방사선, 태양풍 측정을 연구했다.
달 궤도를 돈 최초의 미국 우주선은 1966년 8월 14일 루나 오비터 1호였다.[13] 최초 궤도는 타원 궤도였으며, 원지점은 1,867km, 근지점은 189.1km였다.[14] 그런 다음 약 310km에서 궤도가 원형화되어 적절한 영상을 얻었다. 13개월 동안 이러한 5개의 우주선이 발사되었으며, 모두 달을 성공적으로 매핑하여 주로 적합한 아폴로 계획 착륙 지점을 찾는 데 사용되었다.[13]
6. 2. 유인 달 궤도 비행
아폴로 계획에서 사령선/관측선 모듈(CSM)은 달 착륙선(LM)이 착륙하는 동안 달 주차 궤도에 남아 있었다.[15] CSM/LM 결합체는 먼저 약 170 x 60 해리(310 x 110 km)의 타원 궤도에 진입한 후, 약 60 해리 (110 km)의 원형 주차 궤도로 변경되었다.[15] 궤도 주기는 원지점과 근지점의 합에 따라 달라지며, CSM의 경우 약 2시간이었다.[15] LM은 하강 궤도 진입(DOI) 연소를 통해 근지점을 약 15 km로 낮추어 착륙 순서를 시작했는데, 이는 높이가 6.1 km에 달하는 달의 산맥과의 충돌을 피하기 위한 것이었다.[15] 아폴로 14호부터는 LM의 동력 하강을 위해 더 많은 연료를 절약하기 위해 절차가 변경되어 CSM의 연료를 사용하여 DOI 연소를 수행하고, LM이 착륙한 후 원지점을 다시 원형 궤도로 상승시켰다.[15]6. 3. 기타 국가의 달 궤도 탐사
일본은 1992년 2월 15일 히텐(ひてん)을 발사하여 달 궤도에 도달했다.[16] 유럽은 2004년 11월 13일 스마트 1호(SMART-1)를,[16] 중국은 2007년 11월 5일 창어 1호(嫦娥1号)를,[16] 인도는 2008년 11월 8일 찬드라얀 1호(चंद्रयान-१)를 달 궤도에 진입시켰다.[16] 대한민국은 현재 달 궤도선 개발 및 발사 계획을 추진 중이며, 독자적인 달 탐사 능력을 확보하기 위해 노력하고 있다.참조
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