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메신저 (우주선)

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목차

1. 개요

메신저(MESSENGER)는 수성을 탐사하기 위해 미국 항공우주국(NASA)이 발사한 우주선이다. 2004년 발사되어 2015년 수성 표면에 충돌하며 임무를 마쳤다. 메신저는 델타 II 로켓으로 발사되었으며, 지구, 금성, 수성을 여러 번 스윙바이하는 궤도를 통해 수성에 접근했다. 임무 목표는 수성의 표면, 지질학적 역사, 자기장, 핵의 크기, 극지방의 휘발성 물질, 대기 등을 연구하는 것이었다. 주요 과학적 성과로는 수성 대기에서 물의 발견, 수성 표면의 상세 지도 제작, 유기 화합물과 물 얼음의 발견 등이 있다. 메신저는 2015년 연료 고갈로 인해 수성 표면에 충돌하며 임무를 종료했다.

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메신저 (우주선)
MESSENGER 미션 정보
MESSENGER가 수성을 공전하는 모습의 예술가 렌더링
예술가의 상상도: MESSENGER 호가 수성을 공전하는 모습
휘장MESSENGER 미션 휘장.png
미션 유형수성 궤도 탐사선
운영 기관NASA
웹사이트http://messenger.jhuapl.edu/
COSPAR ID2004-030A
SATCAT28391
총 미션 기간10년 8개월 27일
수성 궤도 기간4년 1개월 14일
이동 기간7년
1차 미션 기간1년
1차 연장 미션 기간1년
2차 연장 미션 기간2년
제조사응용물리학연구소
발사 질량1107.9 kg
전력450 와트
발사일2004년 8월 3일 06:15:56 UTC
발사 로켓델타 II 7925H-9.5
발사 장소케이프 커내버럴 공군 기지, SLC-17B
임무 시작2011년 4월 4일
폐기 방식수성 충돌
파괴 일시2015년 4월 30일 19:26 UTC
궤도 기준 시점2000년 1월 1일
궤도헤르미오 중심 궤도
궤도 근지점200 km
궤도 원지점10300 km
궤도 경사80°
궤도 주기12시간
궤도 칭호헤르미온
행성간 비행 정보
종류플라이바이 (중력 도움)
거리2347 km
도착일2005년 8월 2일
종류플라이바이 (중력 도움)
거리2990 km
도착일2006년 10월 24일
종류플라이바이 (중력 도움)
거리337 km
도착일2007년 6월 5일
종류플라이바이
거리200 km
도착일2008년 1월 14일
종류플라이바이
거리200 km
도착일2008년 10월 6일
종류플라이바이
거리228 km
도착일2009년 9월 29일
종류궤도 진입
도착일2011년 3월 18일 01:00 UTC
프로그램 정보
프로그램디스커버리 계획
이전 미션CONTOUR
다음 미션딥 임팩트

2. 임무 배경

수성은 1974년-1975년 마리너 10호의 탐사 이후 오랫동안 직접적인 탐사가 이루어지지 않은 행성이었다. 마리너 10호는 수성 표면의 일부(약 45%)만을 관측했을 뿐이며,[22] 태양과의 근접성으로 인한 높은 온도와 전자기파 간섭, 수성의 빠른 공전 속도 등은 후속 탐사를 어렵게 만드는 요인이었다. 2000년대에 들어 태양계 형성 과정을 더 깊이 이해하기 위해 수성에 대한 과학적 관심이 다시 높아졌고, 이에 따라 메신저 탐사 계획이 수립되었다. 메신저는 연료 소모를 줄이고 수성 궤도에 효율적으로 진입하기 위해 지구, 금성, 수성을 이용한 여러 차례의 스윙바이(중력 도움) 기동을 활용했으며, 이전 탐사의 한계를 넘어 수성의 물질 구성, 자기장, 지형, 대기 등에 대한 종합적인 과학 데이터를 확보하는 것을 목표로 하였다.

2. 1. 이전 임무

1973년 미국 항공우주국 (NASA)은 마리너 10호를 발사하여 금성과 수성을 여러 차례 근접 통과하며 탐사했다. 마리너 10호는 수성 표면의 약 40~45%를 촬영하여 지도화했고, 이를 통해 수성에 대한 최초의 상세 데이터를 확보할 수 있었다.[22] 하지만 이는 전체 표면의 절반에도 미치지 못하는 수준이었기 때문에, 수성은 태양계에서 탐사가 가장 늦어진 행성 중 하나로 남게 되었다.

마리너 10호의 마지막 수성 근접 통과는 1975년 3월 16일에 이루어졌으며, 이후 30년 이상 동안 수성에 대한 근접 관측은 이루어지지 않았다. 수성 탐사가 어려웠던 주된 이유로는 태양으로부터 받는 막대한 열과 전자기파로 인한 통신 장애, 그리고 수성의 빠른 공전 속도 등이 꼽힌다. 메신저 탐사선 이전까지 수성에 접근했던 유일한 탐사선은 1974년부터 1975년까지 활동한 마리너 10호였다.

2. 2. 임무 제안

1974년부터 1975년까지 활동한 마리너 10호는 메신저 이전에 수성에 접근한 유일한 탐사선이었지만, 표면의 45%밖에 촬영하지 못했다. 이로 인해 수성은 태양계의 행성 중 탐사가 가장 늦어진 곳 중 하나로 남아 있었다. 수성 탐사가 어려웠던 주된 이유는 태양에서 오는 막대한 열과 전자기파로 인한 통신 장애, 그리고 수성 자체의 빠른 공전 속도 때문이었다.

마리너 10호 이후 수성을 다시 방문하려는 계획은 대형 발사체와 많은 양의 추진제가 필요해 비용 문제로 인해 쉽게 제안되지 못했다. 또한, 지구에서 직접 수성으로 향하는 탐사선은 태양의 강력한 중력에 의해 가속되어 너무 빠른 속도로 수성을 지나치게 되므로, 궤도에 진입시키는 것 자체가 기술적으로 매우 어려운 과제였다.

그러나 1985년, Chen-wan Yen이 새로운 궤적 설계를 제안했다.[23] 이 설계는 여러 번의 연속적인 중력 보조(스윙바이) 기동을 활용하는 방식이었다. 즉, 금성과 수성 주변을 지나가며 행성의 중력을 이용해 탐사선의 속도를 점진적으로 늦추고, 약간의 추진력을 이용한 궤도 수정을 병행하여 필요한 추진제의 양을 크게 줄이는 방법이다. 1998년의 한 연구는 이 방식을 통해 NASA의 디스커버리 프로그램 비용 범위 내에서 수성 궤도선 임무 수행이 가능하다는 것을 보여주었다.[24]

2000년대에 들어 태양계 형성에 대한 이해를 높이기 위한 목적으로 수성에 대한 과학적 관심이 다시 높아졌고, 여러 탐사 계획이 수립되었다. 메신저 탐사선은 이러한 배경 속에서 추진된 계획 중 하나이다. 마리너 10호가 수성의 기본적인 물리적 성질 외에는 많은 정보를 밝혀내지 못했기 때문에, 메신저는 수성을 구성하는 물질, 자기장의 특성, 상세한 지형, 그리고 희박한 대기의 성분 등을 조사하는 것을 목표로 삼았다.

탐사선은 연료를 절약하기 위해 지구, 금성, 그리고 수성 자체를 이용한 여러 차례의 감속 스윙바이를 거쳐 수성 궤도에 접근하도록 설계되었다. 이 복잡한 궤적 때문에 지구에서 수성까지의 최단 거리는 약 1억 km에 불과하지만, 메신저는 총 79억 km에 달하는 긴 거리를 비행하게 되었다.

2. 3. 임무 목표

메신저 임무는 수성 궤도에서 수성의 특징과 환경을 연구하는 것을 목표로 한다. 구체적인 과학 목표는 다음과 같다.[25][26]

  • 수성 표면의 화학적 조성을 특성화한다.
  • 행성의 지질학적 역사를 연구한다.
  • 전 지구적 자기장(자기권)의 본질을 밝힌다.
  • 수성 핵의 크기와 상태를 결정한다.
  • 극지방의 휘발성 물질 목록을 결정한다.
  • 수성의 외기권의 특성을 연구한다.

3. 우주선 설계

Interactive 3D model of MESSENGER
''MESSENGER''의 대화형 3D 모델


''MESSENGER'' 우주선은 존스 홉킨스 대학교 응용물리학 연구소(APL)에서 설계 및 제작했으며, 과학 및 임무 운영 역시 APL에서 담당했다.[27] 우주선의 구체적인 구조, 추진 시스템, 통신 장비, 전력 시스템, 컴퓨터 및 소프트웨어 등 세부 설계 내용은 하위 섹션에서 설명한다.

3. 1. 구조 및 비용



''MESSENGER'' 우주선은 존스 홉킨스 대학교 응용물리학 연구소(APL)에서 설계 및 제작되었다. 과학 운영은 수석 연구원 션 솔로몬이 관리했으며, 임무 운영 또한 JHU/APL에서 수행되었다.[27] ''MESSENGER''의 위성 버스는 높이 1.85m, 너비 1.42m, 깊이 1.27m였다. 버스는 주로 추진제 탱크, 대형 속도 조절(LVA) 추진기, 자세 감시 및 보정 추진기, 안테나, 기기 팔레트, 그리고 수동 열 제어를 위한 높이 2.5m 및 너비 2m의 대형 세라믹 천 차양을 지지하는 네 개의 흑연 섬유 / 시아네이트 에스터 복합 패널로 구성되었다.[27] 발사 당시 우주선의 무게는 연료를 포함하여 약 1100kg이었다.[28] ''MESSENGER''의 총 임무 비용은 우주선 제작 비용을 포함하여 4.5억달러 미만으로 추정되었다.[29]

3. 2. 자세 제어 및 추진

주 추진은 645 N의 추력과 317초의 Isp을 내는 이원 추진제(히드라진 및 사산화 질소) 방식의 대형 속도 조절(LVA) 추력기로 이루어졌다. 사용된 모델은 영국 웨스트콧 공장에서 AMPAC-ISP가 개발하고 제조한 LEROS 1b였다. 우주선에는 607.8kg의 추진제와 LVA용 헬륨 가압기가 탑재되었다.[27]

4개의 22 N 추력을 내는 단일 추진제 추력기는 주 추력기 작동 중 우주선의 방향을 조종하는 데 사용되었고, 12개의 4.4 N 추력을 내는 단일 추진제 추력기는 자세 제어에 사용되었다. 정밀한 자세 제어를 위해 반작용 휠 시스템도 갖추고 있었다.[27] 자세 제어에 필요한 정보는 항성 추적기, 관성 측정 장치 및 6개의 태양 센서를 통해 얻었다.[27]

3. 3. 통신

탐사선에는 심우주 트랜스폰더 2개가 장착되어 심우주 네트워크와 통신을 할 수 있었으며, 3가지 종류의 안테나가 있었다.[30] 주요 빔을 한 평면에서 전자적으로 조향할 수 있는 고이득 위상 배열 안테나, 중간 이득 "팬 빔" 안테나, 그리고 넓은 패턴을 가진 저이득 혼 안테나였다.[30] 고이득 안테나는 8.4GHz에서 송신 전용으로 사용되었고, 중간 이득 및 저이득 안테나는 8.4GHz에서 송신하고 7.2GHz에서 수신했으며, 세 안테나 모두 우원 편파(RHCP) 방사로 작동했다.[30] 각 안테나 종류별로 하나씩 태양을 향하도록 탐사선 전면에 장착되었고, 나머지 하나씩은 태양 반대 방향을 향하도록 탐사선 후면에 장착되었다.[30]

3. 4. 전력

우주 탐사선은 갈륨 비소/게르마늄 태양 전지판 2개로 전력을 공급받았으며, 수성 궤도에서 평균 450 와트를 제공했다. 각 패널은 회전 가능했으며, 전지판의 온도를 조절하기 위해 광학 태양 반사경을 포함했다. 전력은 공통 압력 용기, 23-암페어시 니켈 수소 배터리에 저장되었으며, 용기는 11개, 각 용기에는 2개의 셀이 있었다.[27]

3. 5. 컴퓨터 및 소프트웨어

우주선의 탑재 컴퓨터 시스템은 핵심 항공 전자 공학을 하나의 상자에 통합한 장치인 통합 전자 모듈(IEM)에 포함되어 있었다. 중복성을 확보하기 위해 우주선에는 동일한 IEM 두 개가 탑재되었다. 각 IEM에는 방사선 경화 처리된 IBM RAD6000 25 메가헤르츠(MHz) 주 프로세서 두 개와 10 MHz 오류 보호 프로세서가 장착되었다. 데이터 저장 장치로는 각각 최대 1 기가바이트(GB)를 저장할 수 있는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 레코더 두 개를 탑재했다. IBM RAD6000 주 프로세서는 ''MESSENGER''의 기기에서 데이터를 수집하고, 데이터 압축 및 저장 후 지구로 전송하는 역할을 담당했다.[27]

메신저호 컴퓨터 시스템 사양 요약
구성 요소사양비고
통합 전자 모듈 (IEM)핵심 항공 전자 공학 통합동일 모듈 2개 탑재 (중복성 확보)
주 프로세서방사선 경화 IBM RAD6000 (25 메가헤르츠)IEM 당 2개
오류 보호 프로세서10 MHzIEM 당 1개
데이터 저장 장치솔리드 스테이트 드라이브 (SSD)각 1 기가바이트(GB) 용량, 총 2개 탑재



''MESSENGER''는 SciBox라는 소프트웨어 제품군을 사용하여 임무 운영을 지원했다. 이 소프트웨어는 궤도와 기기를 시뮬레이션하여, 우주선의 여러 제약 조건(지점, 데이터 다운링크 속도, 저장 용량 등)을 만족시키면서 기기 관측 간의 충돌을 최소화하고 과학적 성과를 극대화하는 복잡한 과정을 조율하는 데 사용되었다.[68]

4. 과학 장비

메신저 우주선에는 다음과 같은 과학 장비가 탑재되었다.


  • 수성 이중 영상 시스템 (MDIS)
  • 감마선 분광기 (GRS)
  • 중성자 분광기 (NS)
  • X선 분광기 (XRS)
  • 자력계 (MAG)
  • 수성 레이저 고도계 (MLA)
  • 수성 대기 및 표면 조성 분광계 (MASCS)
  • 에너지 입자 및 플라스마 분광계 (EPPS)
  • 전파 과학 실험 (RS)

4. 1. 수성 이중 영상 시스템 (MDIS)

메신저의 수성 이중 영상 시스템(MDIS)


수성 이중 영상 시스템(MDIS)은 회전하는 플랫폼에 장착된 두 개의 CCD 카메라, 즉 좁은 시야 카메라(NAC)와 넓은 시야 카메라(WAC)로 구성되었다. 이 카메라 시스템은 수성 표면 전체에 대해 250m/pixel 해상도의 지도를 제공하고, 지질학적으로 중요한 지역은 20m/pixel에서 50m/pixel 해상도로 촬영하는 것을 목표로 했다. 컬러 이미지는 넓은 시야 카메라(WAC)에 부착된 협대역 필터 휠을 통해서만 얻을 수 있었다.[31][32]
목표[18]

  • '''비행 단계:'''
  • * 약 500m/pixel 해상도로 거의 전 지구적 범위 촬영.
  • * 약 2km/pixel 해상도의 다분광 지도 작성.
  • '''궤도 단계:'''
  • * 중간 태양 입사각 (55°–75°) 및 250m/pixel 이상의 샘플링 해상도를 가진 천저 방향의 단색 전 지구 사진 모자이크 제작.
  • * 전 지구 입체 영상 지도 작성을 위해 천저 방향 모자이크를 보완하는 25° 비(非)천저 방향 모자이크 제작.
  • * 비행 중 시작된 다분광 지도 작성 완료.
  • * 주요 지질 단위 및 구조를 나타내는 특징들에 걸쳐 고해상도(20m/pixel ~ 50m/pixel) 이미지 스트립 촬영.


필터[33]
넓은 시야 카메라 필터
이름 (위치)파장감도
Clear (2, B)400–1000 nm
Violet (6, F)420–440 nmstyle="background: #2e00ff" |
Blue (3, C)465–485 nmstyle="background: #00d5ff" |
Green (4, D)555–565 nmstyle="background: #c0ff00" |
Far Red (1, A)695–705 nmstyle="background:#f00;"|
N-IR (7, G)745–755 nmstyle="background: #a30000" |
N-IR (12, L)825–835 nmN/A
N-IR (10, J)895–905 nmN/A
N-IR (8, H)945–950 nmN/A
N-IR (9, I)980–1010 nmN/A
N-IR (11, K)975–1045 nmN/A



''주요 연구자: 스콧 머치 / 존스 홉킨스 대학교''

4. 2. 감마선 분광기 (GRS)



수성 표면에서 측정된 감마선 방출을 통해 특정 원소(산소, 규소, 황, 철, 수소, 칼륨, 토륨, 우라늄)를 10cm 깊이까지 감지하여 행성의 구성을 결정한다.[34][35]

'''목표'''[18]

  • 주요 원소의 표면 존재량을 제공한다.
  • 철, 규소, 칼륨의 표면 존재량을 제공하고, 칼륨 존재량으로부터 알칼리 고갈을 추론하며, 극지에서 수소(얼음)와 황(존재하는 경우)의 존재량 한계를 제공한다.
  • 가능한 경우 표면 원소 존재량을 지도화하고, 그렇지 않은 경우 표면 평균 존재량을 제공하거나 상한선을 설정한다.


:''주 연구원: 윌리엄 보인턴 / 애리조나 대학교''

4. 3. 중성자 분광기 (NS)



메신저 우주선에 탑재된 중성자 분광기(Neutron Spectrometer, NS)는 우주선(cosmic ray)이 광물과 충돌하여 생성된 저에너지 중성자를 감지하여 40cm 깊이까지 수소 광물 조성을 측정했다.[18][35]

NS의 주요 목표는 다음과 같다.[18]

  • 수성의 북반구 대부분에 걸쳐 수소의 풍부도를 확인하고 지도화한다.
  • 북극 근처의 영구 음영 크레이터 내 및 주변에 물 얼음의 존재 가능성을 조사한다.
  • GRS(감마선 분광기)가 측정한 감마선 강도를 원소의 풍부도 측면에서 해석하는 데 도움이 되는 보조 증거를 제공한다.
  • 태양풍이 표면 물질에 수소를 주입할 수 있는 자기권의 북쪽 및 남쪽 첨단의 기저부에 있는 표면 영역을 개략적으로 설명한다.


''주요 연구자: 윌리엄 보인턴(애리조나 대학교)''

4. 4. X선 분광기 (XRS)

X-선 분광기


X선 분광기(XRS)는 수성 표면 상위 1mm 이내의 광물 조성을 지도화하기 위해 마그네슘, 알루미늄, 황, 칼슘, 티타늄, 철에서 방출되는 X-선 스펙트럼선을 감지했다. 감지 범위는 1–10 keV이다.[36][37]

XRS의 주요 목표는 다음과 같다.[18]

  • 수성의 형성 역사를 결정한다.
  • 입사하는 태양 플럭스에 의해 유도된 X-선 방출을 측정하여 표면 원소의 조성을 파악한다.


주요 연구자는 응용물리연구소(APL)의 조지 호이다.[18]

4. 5. 자력계 (MAG)



자력계(MAG)는 수성의 자기장을 자세히 측정하여 자기장의 세기와 평균 위치를 결정하는 장비이다.[38][39]

주요 목표는 다음과 같다.[18]

  • 수성의 자기권 구조와 태양풍과의 상호 작용을 조사한다.
  • 자기권 자기장의 기하학적 구조와 시간 변화를 특성화한다.
  • 자기권과의 파동-입자 상호 작용을 감지한다.
  • 지구 자기권의 서브스톰과 유사할 수 있는 현상을 포함하여 자기 꼬리 역학을 관찰한다.
  • 자기권 경계면 구조와 역학을 특성화한다.
  • 행성과 자기권을 연결하는 자기장 정렬 전류를 특성화한다.


주요 연구자는 미국 항공 우주국 고다드 우주 비행 센터의 마리오 아쿠냐(Mario Acuna)이다.

4. 6. 수성 레이저 고도계 (MLA)

수성 레이저 고도계(MLA)


수성 레이저 고도계(Mercury Laser Altimeter, MLA)는 수성의 표면에서 반사되는 적외선 레이저 빛을 감지하여 수성 표면의 지형 높이에 대한 상세한 정보를 제공했다.[40][41]

MLA의 주요 목표는 다음과 같다.[18]

  • 고위도 북부 지역에 대한 고정밀 지형도를 제공한다.
  • 중저위도 북부 지역에서 장파장 지형 특징을 측정한다.
  • 북반구의 주요 지질학적 특징에 걸쳐 지형 프로파일을 결정한다.
  • 대규모 지형 특징의 시간 경과에 따른 움직임을 추적하여 행성의 강제 물리적 진동을 감지하고 정량화한다.
  • 1,064 나노미터의 MLA 작동 파장에서 수성의 표면 반사율을 측정한다.


주요 연구자는 고다드 우주 비행 센터(GSFC)의 데이비드 스미스(David Smith)이다.

4. 7. 수성 대기 및 표면 조성 분광계 (MASCS)



자외선 방출을 측정하여 수성을 둘러싼 희박한 대기의 특성을 파악하고, 적외선 반사율을 측정하여 표면에서 철과 티타늄 광물의 존재를 확인했다.[42][43]
목표[18]

  • 외기권의 조성, 구조 및 시간적 거동을 특성화한다.
  • 외기권을 생성하고 유지하는 과정을 조사한다.
  • 외기권과 표면 조성을 연관시킨다.
  • 휘발성 물질의 극지방 퇴적물을 찾고, 이러한 퇴적물의 축적이 외기권 과정과 어떻게 관련되는지 확인한다.


주요 연구자: 윌리엄 맥클린톡 / 콜로라도 대학교[44]

4. 8. 에너지 입자 및 플라스마 분광계 (EPPS)



에너지 입자 분광기(EPS)를 사용하여 수성 주변 자기권 내의 하전 입자를 측정하고, 고속 영상 플라즈마 분광기(FIPS)를 사용하여 표면에서 나오는 하전 입자를 측정했다.[45][46]

'''목표'''[18]

  • 행성의 자기장 구조를 결정한다.
  • 외기권 중성 입자와 가속된 자기권 이온의 특성을 규명한다.
  • 수성의 극지방에서 레이더 반사 물질의 조성을 결정한다.
  • 지각/대기/환경 인터페이스의 전기적 특성을 결정한다.
  • 수성 자기권의 역학적 특성과 외부 구동 요인 및 내부 조건과의 관계를 결정한다.
  • 순항 중 및 수성 근처에서 행성간 플라즈마 특성을 측정한다.


:''주 연구자: 배리 마우크 / 응용 물리학 연구소 (APL)''

4. 9. 전파 과학 실험 (RS)

메신저 우주선에는 전파 과학 실험 (Radio Scienceeng, RS) 장비가 탑재되었다.

5. 임무 프로필

메신저의 공식적인 데이터 수집 임무는 2011년 4월 4일에 시작되었다.[14] 주요 임무는 2012년 3월 17일에 완료되었으며, 이 기간 동안 약 10만 장의 이미지를 수집했다.[15] 메신저는 2013년 3월 6일에 수성의 100% 지도를 완성했으며, 2013년 3월 17일에 첫 번째 1년 연장 임무를 완료했다.[16]

탐사선의 두 번째 연장 임무는 2년 이상 지속되었으나, 낮은 궤도가 점차 낮아지면서 수성 표면과의 충돌을 피하기 위해 여러 차례 궤도 수정 기동이 필요했다. 2014년 10월 24일과 2015년 1월 21일에 마지막 궤도 수정 연소를 수행한 후, 연료가 고갈된 메신저는 2015년 4월 30일에 계획대로 수성 표면에 충돌하며 임무를 종료했다.[17][18][19]

수성 궤도에 머무는 동안 탐사선에 탑재된 기기들은 수성의 자기장 특성[4]과 행성 북극의 영구 음영 지역에서 얼음 형태의 물 발견[71][20] 등 중요한 데이터를 보내왔다. 특히 물 얼음의 존재는 지구 기반 레이더 관측을 통해 오랫동안 추정되어 왔던 사실을 확인시켜 준 성과였다.[21]

5. 1. 발사 및 궤적

''MESSENGER'' 탐사선은 2004년 8월 3일 06:15:56 (UTC)에 NASA에 의해 플로리다 케이프 커내버럴 공군 기지의 발사 단지 17B에서 델타 II 7925 발사체에 실려 발사되었다. 발사 후 57분간의 연소 과정을 거쳐 우주선은 태양 중심 궤도에 진입했으며, 최종 속도는 10.68 km/s였다. 이 궤적은 2011년 3월 18일 수성 궤도에 진입하기까지 6년 7개월 16일 동안 총 79km(약 78.86km)를 이동하는 긴 여정이었다.[27]

수성에 도달하여 궤도에 진입하는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제이다. 수성은 태양의 강력한 중력 우물 깊숙이 위치하고 있어, 지구에서 수성으로 직접 향하는 우주선은 태양 쪽으로 계속 가속되어 수성에 도착할 때 속도가 너무 빨라진다. 이 때문에 궤도 진입을 위해 막대한 양의 연료가 필요하게 된다(델타-v 참조). 금성이나 화성처럼 대기가 있는 행성의 경우, 대기 포획이나 대기 제동 기법을 사용하여 연료 소모를 줄일 수 있지만, 수성의 희박한 대기로는 이러한 기동이 불가능하다.

따라서 ''MESSENGER''는 지구, 금성, 수성에서 총 6번의 중력 어시스트(스윙바이) 기동을 수행하여 속도를 점진적으로 줄였다. 이후 대형 로켓 엔진을 사용하여 최종적으로 수성 주위의 타원 궤도에 진입했다. 여러 번의 스윙바이를 거치는 방식은 필요한 추진제의 양을 크게 줄였지만, 임무 기간이 수 년 연장되고 총 비행 거리가 79km에 달하게 되었다.

또한, 수성으로 가는 도중 필요한 미세한 궤도 조정은 태양 전지판에 작용하는 태양 복사압을 이용하여 수행함으로써 추진제 소모를 더욱 줄일 수 있었다.[54] 최종적으로 선택된 길쭉한 타원 궤도는 두 가지 추가적인 이점을 제공했다. 첫째, 우주선이 뜨거운 수성 표면과 태양 사이를 지날 때 냉각될 시간을 확보할 수 있었다. 둘째, 다양한 거리에서 태양풍과 수성의 자기장을 측정하면서 동시에 표면과 외기권에 대한 근접 관측 및 촬영을 지속할 수 있게 했다.

원래 ''MESSENGER''는 2004년 5월 11일부터 시작되는 12일간의 발사 기간 중에 발사될 예정이었다. 이 계획대로라면 금성 스윙바이를 세 번 수행하고 2009년에 수성 궤도에 진입할 예정이었다. 그러나 2004년 3월 26일, NASA는 우주선의 추가 테스트를 위해 발사 일정을 2004년 7월 30일부터 시작하는 15일간의 발사 기간으로 연기한다고 발표했다.[55] 이 변경으로 인해 임무 궤적이 크게 수정되었고, 수성 도착 시점은 2년 뒤로 미뤄졌다. 변경된 계획에 따라 ''MESSENGER''는 지구 스윙바이 1회, 금성 스윙바이 2회, 수성 스윙바이 3회를 거쳐 2011년 3월 18일에 수성 궤도에 진입하게 되었다.[56]

다음은 ''MESSENGER''의 주요 비행 과정이다.[16][49][50][51][52][53][64]

'''메신저 주요 사건 연표'''
날짜사건비고 (최단 접근 거리 등)
2004년 8월 3일 | 06:15:56 (UTC) 발사 | 케이프 커내버럴 공군 기지, 델타 II 로켓 사용
2005년 8월 2일 | 지구 근접 비행 (스윙바이) | 2348km
2006년 10월 24일| 금성 첫 번째 근접 비행 | 2987km (자료에 따라 2992km)
2007년 6월 5일 | 금성 두 번째 근접 비행 | 338km (자료에 따라 313km)
2008년 1월 14일 | 수성 첫 번째 근접 비행 | 200km
2008년 10월 6일 | 수성 두 번째 근접 비행 | 200km
2009년 9월 29일 | 수성 세 번째 근접 비행 | 228km (자료에 따라 200km)
2011년 3월 18일 | 수성 궤도 진입 | 초기 궤도: 약 200km × 15200km, 궤도 경사각 82.5도
2012년 3월 17일 | 첫 번째 연장 임무 시작 | [92]
2013년 3월 17일 | 두 번째 연장 임무 시작 | [93]
2015년 4월 30일 | 임무 종료 (수성 표면 충돌) | 연료 고갈 후 계획된 충돌[96]


5. 2. 지구 근접 통과

''메신저''는 발사 1년 후인 2005년 8월 2일 지구 플라이바이를 수행했다. 가장 가까이 접근한 시각은 UTC 19시 13분으로, 몽골 중부 상공 2348km 고도였다.[57][16][49][50][51][52][53][64]

지구 플라이바이 동안 ''메신저'' 팀은 탑재된 카메라 시스템(MDIS)을 사용하여 지구와 달을 촬영했다. 또한 대기 및 표면 구성, 자기권을 관측하고 모든 기기가 예상대로 작동하는지 확인하며 여러 다른 기기의 상태를 점검했다. 이 보정 작업은 우주선이 수성 궤도에 진입했을 때 얻게 될 데이터의 정확한 해석을 보장하기 위한 것이었다. 임무 초기 단계에서 기기의 정상 작동을 확인함으로써 사소한 오류들을 미리 처리할 수 있었다.[58]

이 지구 플라이바이는 일부 우주선에서 예측과 약간 다른 궤적이 관찰되는 플라이바이 이상 현상을 조사하는 데에도 활용되었다. 그러나 ''메신저''의 플라이바이에서는 해당 이상 현상이 관찰되지 않았다.[59]

시간 (UTC)사건
2005년 8월 2일
13:00:00우주선 회전 (햇빛 가리개를 태양 쪽으로 돌림)
13:16:00고에너지 입자 분광기, 지구 관측 시작
13:38:00MDIS, 남아메리카 컬러 이미지 촬영 시작 (세트 1)
16:55:00MDIS, 남아메리카 컬러 이미지 촬영 시작 (세트 2)
19:13:08지구 최단 접근 (2348km)
20:20:00우주선 회전 (햇빛 가리개를 태양 반대 방향으로)
20:20:00MDIS, 아마존 분지 컬러 이미지 시퀀스 시작
22:16:00MDIS, 출발 "동영상"용 컬러 이미지 시퀀스 시작 (동영상)
2005년 8월 3일
23:38:00MDIS, 출발 "동영상"용 컬러 이미지 시퀀스 종료



지구 플라이바이 동안 메신저에서 본 지구의 모습
지구 플라이바이 동안 ''메신저''에서 본 지구의 모습.


''메신저''는 이 지구 플라이바이 이후 2005년 12월 12일, 금성 플라이바이를 위해 524초간의 추력기 연소(심우주 기동, DSM-1)를 통해 궤도를 초속 316m 만큼 조정했다.[57]

5. 3. 두 번의 금성 근접 통과

메신저는 2006년 10월 24일 08:34 (UTC)에 고도 2992km에서 금성과 첫 번째로 조우했다. 이 과정에서 메신저는 금성 뒤를 통과하며 합 상태에 들어갔다. 합은 지구와 태양이 태양계를 기준으로 정확히 반대편에 위치하여 태양이 무선 통신을 방해하는 시기이다. 이 때문에 첫 번째 근접 비행 동안에는 과학적 관측이 수행되지 않았다. 탐사선과의 통신은 11월 말에 재개되었고, 두 번째 금성 근접 비행을 위한 궤도를 수정하기 위해 12월 12일에 심우주 기동(Deep-Space Maneuver)을 수행했다.[60]

2007년 6월 5일 23:08 (UTC)에 메신저는 고도 338km에서 두 번째 금성 근접 비행을 수행했다. 이는 임무 중 가장 큰 속도 감소를 가져온 기동이었다. 이 조우 동안 모든 기기가 금성을 관찰하고 다음 수성 조우를 준비하는 데 사용되었다. 이 조우는 상층 금성의 대기에 대한 가시광선 및 근적외선 영상 데이터를 제공했다. 상층 대기의 조성을 파악하기 위해 자외선 및 X선 분광 관측 기록도 이루어졌다. 당시 유럽 우주국(ESA)의 비너스 익스프레스 탐사선도 금성 궤도를 돌고 있었기 때문에, 두 탐사선이 동시에 금성의 입자 및 전장(電場) 특성을 측정할 수 있는 첫 기회가 되었다.[61]

2006년 첫 번째 비행에서 ''MESSENGER''가 촬영한 금성

5. 4. 세 번의 수성 근접 통과



메신저(MESSENGER)는 수성 궤도에 진입하기 전, 속도를 줄이고 궤도를 정밀하게 조정하기 위해 총 세 차례에 걸쳐 수성 근접 통과(flyby)를 수행했다.

첫 번째 근접 통과는 2008년 1월 14일 19:04:39 UTC에 이루어졌으며, 수성 표면으로부터 200km 고도까지 접근했다.[10] 이 통과를 통해 메신저는 이전에는 관측되지 않았던 수성 지역의 이미지 등 중요한 데이터를 확보했다.

두 번째 근접 통과는 2008년 10월 6일에 실시되었으며, 08:40 UTC에 최저 고도인 200km 지점을 통과했다.[10] 이 통과에서도 추가적인 관측 데이터와 이미지를 성공적으로 수집했다.

세 번째이자 마지막 근접 통과는 2009년 9월 29일에 진행되었다. 21:55 UTC에 수성 표면으로부터 228km 고도까지 근접하여 우주선의 속도를 계획대로 더욱 감속시켰다.[11][12] 그러나 이 마지막 근접 통과 중 최저점 부근을 지날 때, 우주선이 예상치 못하게 안전 모드로 전환되는 문제가 발생했다. 이로 인해 통과 비행 후반부에 계획되었던 일부 과학 데이터와 이미지 수집이 이루어지지 못했지만, 다행히 이후 수성 궤도 진입에 필요한 비행 궤도에는 영향을 미치지 않았다. 우주선은 약 7시간 후 완전히 정상 상태로 복구되었다.[62]

이 세 번의 근접 통과 임무를 마친 후, 메신저는 2009년 11월 24일 22:45 UTC에 마지막 심우주 기동(DSM-5)을 수행했다. 이 기동은 탐사선의 속도를 초속 0.177km만큼 변화시켜,[63] 2011년 3월 18일로 예정된 수성 궤도 진입을 위한 최종 준비를 완료했다.

5. 5. 궤도 진입

2011년 3월 18일 00시 45분(UTC)에 메신저 탐사선을 수성의 궤도에 진입시키기 위한 추력기 기동이 시작되었다. 약 15분 동안 0.9km/s의 속도를 줄이는 제동 기동이 이루어졌으며, 같은 날 01시 10분(UTC, 동부 표준시 기준 3월 17일 오후 9시 10분)에 탐사선이 성공적으로 수성 궤도에 진입했음이 확인되었다.[64] 임무 총괄 엔지니어인 에릭 피네간(Eric Finnegan)은 메신저가 거의 완벽한 궤도에 진입했다고 평가했다.[65]

메신저의 궤도는 매우 타원형으로 설계되었다. 궤도 주기는 12시간이며, 수성 표면에 가장 가까울 때는 약 200km까지 접근하고 가장 멀 때는 약 15000km까지 멀어졌다. 이러한 궤도는 매우 뜨거운 수성 표면에서 방출되는 열로부터 탐사선을 보호하기 위해 신중하게 선택된 것이다. 탐사선은 궤도의 일부 구간에서만 낮은 고도를 비행하며 행성의 뜨거운 면에서 방출되는 열복사에 노출되는 시간을 최소화했다.[66]

찰스 볼든과 동료들이 ''메신저'' 탐사선의 소식을 기다리는 모습.

6. 주요 과학적 성과

메신저는 수성 궤도 진입 후 18일간의 시운전 단계를 거쳐 탐사선과 과학 장비들이 정상적으로 작동함을 확인했다.[67][68] 2011년 4월 4일부터 주 임무가 시작되었으며, 메신저는 12시간 주기로 수성을 공전하며 행성에 대한 포괄적인 관측 데이터를 수집하는 것을 목표로 삼았다.[68] 당시 카네기 연구소 소속의 수석 연구원 숀 솔로몬은 이 임무가 수성에 대한 첫 전 지구적 관점을 제공하고, 태양 활동이 증가함에 따라 수성의 역동적인 자기권과 대기 시스템을 가까이에서 관찰할 기회가 될 것이라고 설명했다.[68]

임무 개시 약 6개월 후인 2011년 10월 5일, 프랑스 낭트에서 열린 유럽 행성 과학 회의에서 메신저의 초기 과학적 성과가 발표되었다.[69] 이 발표에는 수성의 밤 지역에서 예상보다 높은 농도의 마그네슘과 칼슘이 발견되었다는 점과, 수성의 자기장이 행성의 기하학적 중심에서 북쪽으로 상당히 치우쳐 있다는 사실 등이 포함되었다.[4] 이는 메신저가 밝혀낸 수많은 수성의 비밀 중 일부였다.

6. 1. 주요 발견

메신저는 수성 궤도 진입 후 18일간의 시운전 단계를 거쳤다. 이 기간 동안 탐사선과 탑재된 과학 장비들이 수성의 극한 환경에서도 정상적으로 작동하는지 확인했다.[67][68]

주 임무는 2011년 4월 4일에 시작되어, 12시간 주기로 수성을 공전하며 12 지구 개월(수성의 2 태양일) 동안 진행될 예정이었다.[68] 임무의 주요 목표는 수성에 대한 최초의 전 지구적 관측 자료를 확보하고, 태양 활동이 증가하는 시기에 맞춰 수성의 역동적인 자기권-대기 시스템을 근접 관찰하는 것이었다.[68]

MDIS(수성 이중 영상 시스템) 데이터를 기반으로 한 수성의 지형


2011년 10월, 프랑스 낭트에서 열린 유럽 행성 과학 회의에서 메신저의 초기 6개월간의 과학적 발견들이 발표되었다.[69] 주요 내용으로는 수성의 밤 지역에서 예상보다 높은 농도의 마그네슘과 칼슘이 발견되었고, 수성의 자기장이 행성 중심에서 북쪽으로 상당히 치우쳐 있다는 사실 등이 포함되었다.[4]

2011년 11월, NASA는 태양 극대기를 관측하기 위해 메신저 임무를 1년 연장한다고 발표했다.[1] 연장 임무는 2012년 3월 17일부터 2013년 3월 17일까지 진행되었으며, 2012년 4월에는 궤도를 8시간 주기로 변경하여 추가적인 관측을 수행했다.[70]

2012년 11월, NASA는 메신저가 수성 북극의 영구적으로 그늘진 분화구에서 물 얼음과 유기 화합물의 존재 가능성을 발견했다고 발표했다.[71][72][73] 2013년 2월에는 메신저가 촬영한 수천 장의 이미지를 합성하여 당시까지 가장 상세하고 정확한 수성의 3D 지도를 공개했다.[74][75]

메신저는 첫 번째 연장 임무를 2013년 3월 17일에 완료하고,[16] 2015년 4월까지 두 번째 연장 임무를 수행했다.[19] 2013년 11월에는 엔케 혜성(2P/Encke)과 ISON 혜성(C/2012 S1)을 관측하기도 했다.[76][77][78] 임무 종료가 가까워진 2015년 초, 궤도가 낮아지면서 메신저는 얼음으로 채워진 분화구와 수성 북극의 다른 지형들에 대한 매우 상세한 근접 사진을 촬영할 수 있었다.[79] 임무가 완료된 후에는 수집된 전파 거리 측정 데이터를 분석하여 태양의 질량 손실률을 처음으로 측정하는 성과도 거두었다.[80]

북극 지역의 최대 온도를 보여주는 가상 색상 지도.


행성 남반구에 뻗어 있는 분출선.


칼로리스 분지의 원근감 있는 모습 – 높음(빨간색); 낮음(파란색).


2008년 7월에는 메신저 팀이 수성의 얇은 대기권(정확히는 외기권)에서 예상치 못하게 많은 양의 물 분자를 발견했다고 발표했다.[83] 또한 메신저는 수성 표면에서 과거 화산 활동의 명확한 시각적 증거를 포착했으며,[84] 액체 상태의 철 행성 핵이 존재한다는 증거도 제시했다.[83] 이 외에도 영구적으로 그늘진 분화구 내에서 탄소를 포함한 유기 화합물과 물 얼음을 발견했으며,[85] 질량 밀집(mascon)을 중력 이상 측정을 통해 발견하여 수성의 지하 구조와 진화 과정을 이해하는 데 기여했다. 탐사선은 수성에 대한 가장 상세하고 정확한 지도를 제작하는 데 성공했다.[85]

MLA 데이터에서 얻은 북반구 지형은 의 수직 범위를 보여준다: 높음 (적색); 낮음 (자주색).


수은 북극 지역의 영구 음영 분화구 내 물 얼음 (노란색)

6. 2. 임무 연장

2011년 11월, 미국 항공우주국(NASA)은 ''메신저'' 임무를 1년 연장하여 우주선이 2012년 태양 극대기를 관측할 수 있도록 할 것이라고 발표했다.[1] 연장 임무는 2012년 3월 17일에 시작되어 2013년 3월 17일까지 계속되었다.[16] 이 기간 동안 ''메신저''는 중요한 과학적 발견을 이어갔다. 2012년 4월 16일부터 20일까지는 일련의 추진기 기동을 통해 8시간 주기의 새로운 궤도에 진입하여 수성에 대한 추가 스캔을 수행했다.[70]

2012년 11월, NASA는 ''메신저''가 수성 북극의 영구적으로 그늘진 분화구에서 물 얼음과 유기 화합물의 가능성을 발견했다고 보고했다.[71][72][73] 이는 지구 기반 레이더 관측을 통해 오랫동안 제기되어 온 가설을 뒷받침하는 중요한 발견이었다.[21] 2013년 2월에는 ''메신저''가 촬영한 수천 장의 이미지를 조합하여 가장 상세하고 정확한 수성의 3D 지도를 발표했다.[74][75] ''메신저''는 2013년 3월 6일에 수성 표면 전체의 100% 지도를 완성했으며,[16] 2013년 3월 17일에 첫 번째 연장 임무를 성공적으로 마쳤다.[16]

첫 번째 연장 임무가 종료된 직후, 두 번째 연장 임무가 시작되어 2015년 4월까지 이어졌다.[16][19] 2013년 11월에는 엔케 혜성(2P/Encke)과 ISON 혜성(C/2012 S1)을 관측하기도 했다.[76][77][78] 하지만 임무 말기에는 연료 고갈로 인해 궤도 유지가 어려워졌다. 낮은 고도를 비행하면서 궤도가 점차 낮아졌고, 수성 표면과의 충돌을 피하기 위해 여러 차례 궤도 수정 기동이 필요했다.[17][18][19] 2014년에는 근수점(수성에 가장 가까운 지점) 고도를 점차 낮추어 120km,[94] 100km, 50km, 심지어 25km까지 접근하며[95] 전례 없는 저고도 관측을 수행했다. 2015년 초, 이렇게 낮은 고도에서 비행하며 ''메신저''는 얼음으로 채워진 분화구를 포함한 수성 북극 지역의 지형을 매우 상세하게 촬영할 수 있었다.[79]

마지막 남은 연료를 사용하여 2014년 10월 24일과 2015년 1월 21일에 마지막 궤도 수정 연소를 수행했고,[17][18][19] 2015년 3월부터는 총 7차례의 추가적인 슬러스터 분사를 통해 충돌 시점을 1개월 이상 늦추었다.[96] 마침내 2015년 4월 30일, ''메신저''는 계획대로 수성 표면에 충돌하며 임무를 마감했다.[17][18][19] 임무 종료 후, 탐사선의 전파 거리 측정 데이터를 분석하여 태양의 질량 손실률을 처음으로 측정하는 성과를 거두기도 했다.[80]

7. 임무 종료

추진제가 고갈된 후, 메신저는 2014년 말부터 예상대로 수성 궤도 감쇠의 최종 단계에 들어섰다. 남은 헬륨 가스를 반작용 질량으로 사용하여 추진제 탱크의 압력을 높이는 방식으로 우주선의 작동은 몇 주간 더 연장되었다.[88] 메신저는 이 궤도 감쇠 기간 동안에도 수성 연구를 계속 수행했다.[2]

낮아지는 궤도로 인해 충돌을 피하기 위한 궤도 수정 기동이 필요했으며, 2014년 10월 24일과 2015년 1월 21일에 마지막 궤도 수정 연소가 이루어졌다.[17][18][19]

결국 메신저는 2015년 4월 30일 오후 3시 26분 EDT (19:26 UTC)에 시속 14080km/h의 속도로 수성 표면에 충돌하며 임무를 마쳤다. 이 충돌로 수성 표면에 폭 약 16m의 새로운 크레이터가 생성되었을 것으로 추정된다.[18][90] 충돌 지점은 수이세이 평원 내 54.4° N, 149.9° W 지점으로, 야나체크 크레이터 근처로 추정된다.[89] 충돌은 당시 지구에서는 관측할 수 없는 수성의 반대편에서 발생했기 때문에 직접 목격되지는 않았다. NASA는 심우주 네트워크가 수성 뒤편으로 사라진 메신저의 신호를 예정된 시간에 다시 수신하지 못하자, 오후 3시 40분 EDT (19:40 UTC)에 임무 종료를 공식 확인했다.[90][91]

참조

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[2] 뉴스 NASA Set to Extend Mercury Mission for Another Month http://www.scienceti[...] The Science Times 2015-04-03
[3] 간행물 MESSENGER's Operations at Mercury Extended https://spaceref.com[...] Applied Physics Laboratory 2015-04-03
[4] 웹사이트 MESSENGER https://solarsystem.[...] NASA's Solar System Exploration website 2022-12-01
[5] 웹사이트 Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration https://solarsystem.[...]
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