바이킹 계획
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1. 개요
바이킹 계획은 1970년대에 진행된 미국의 화성 탐사 프로젝트로, 바이킹 1호와 2호 궤도선 및 착륙선을 화성에 보냈으며, 과학적 목표는 화성 표면의 고해상도 이미지 획득, 대기 및 표면의 특성 분석, 생명체 증거 탐색이었다. 궤도선은 착륙선 운송, 착륙 지점 탐사, 통신 중계, 자체 과학 조사를 수행했으며, 궤도선에서 촬영한 이미지를 통해 화성의 물 존재 가능성을 시사하는 지질 구조와 과거 대규모 홍수의 증거를 발견했다. 착륙선은 생물학, 화학적 조성, 기상학, 지진학 등을 연구하는 장비를 탑재했고, 생명체 탐지 실험에서 논란의 여지가 있는 결과를 얻었으며, 바이킹 계획은 1983년에 종료되었다.
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| 바이킹 계획 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 임무 | 화성 궤도 및 착륙 탐사 |
| 제조사 | 제트 추진 연구소 / 마틴 마리에타 |
| 국가 | 미국 |
| 궤도 | 아레오센트릭 |
| 운영 기관 | NASA / JPL |
| 수명 | 궤도선: 화성에서 4년, 착륙선: 화성에서 4-6년 |
| 상태 | 퇴역 |
| 건조 대수 | 2 |
| 발사 대수 | 2 |
| 최초 발사 | 바이킹 1호 (1975년 8월 20일) |
| 마지막 발사 | 바이킹 2호 (1975년 9월 9일) |
| 퇴역 | 바이킹 1호 궤도선: 1980년 8월 17일 바이킹 1호 착륙선: 1976년 7월 20일 (착륙) ~ 1982년 11월 13일 바이킹 2호 궤도선: 1978년 7월 25일 바이킹 2호 착륙선: 1976년 9월 3일 (착륙) ~ 1980년 4월 11일 |
| 질량 | 3527 kg |
| 전력 | 궤도선: 620 와트 (태양 전지판) 착륙선: 70 와트 (두 개의 RTG 장치) |
| 장비 | |
| 장비 | (정보 없음) |
| 추가 정보 | |
| 추가 정보 | (정보 없음) |
2. 바이킹 계획의 과학적 목표
- 화성 표면의 고해상도 이미지 획득
- 대기 및 표면의 구조와 구성 특성화
- 화성 생명체의 증거 탐색
3. 바이킹 궤도선
두 대의 바이킹 궤도선은 화성으로 착륙선을 운반하고, 착륙 지점을 정찰하여 확인하며, 착륙선과의 통신을 중계하고, 독자적인 과학 탐사를 수행하는 것을 주요 임무로 삼았다. 각 궤도선은 초기 마리너 9호 우주선을 기반으로 설계되었으며, 가로 2.5m 크기의 팔각형 모양이었다.
연료를 가득 채운 상태에서 궤도선과 착륙선 한 쌍의 총 질량은 3527kg이었다. 착륙선이 분리된 후, 착륙선의 질량은 약 600kg이었고, 궤도선만의 질량은 900kg이었다. 발사 시 총 질량은 2328kg이었으며, 이 중 1445kg은 추진제와 자세 제어용 가스였다.
궤도선의 팔각형 고리 구조는 8개의 면으로 이루어져 있었는데, 각 면의 높이는 0.457m였고, 너비는 1.397m와 0.508m인 면이 번갈아 가며 배치되었다. 궤도선 하단의 착륙선 부착 지점부터 상단의 발사체 연결부까지의 전체 높이는 3.29m였다. 궤도선에는 총 16개의 모듈식 구획이 있었는데, 4개의 긴 면에 각각 3개씩, 4개의 짧은 면에 각각 1개씩 배치되었다.
궤도선의 좌표축 방향으로 4개의 태양 전지판 날개가 뻗어 있었으며, 서로 마주보는 두 태양 전지판 날개의 끝에서 끝까지의 거리는 9.75m였다.
3. 1. 추진 시스템
주요 우주선 추진 장치는 인공위성 버스 위에 장착되었다. 추진은 이원 추진제(모노메틸히드라진과 사산화 질소) 액체 연료 로켓 엔진으로 이루어졌으며, 엔진은 최대 9도까지 짐벌 조절이 가능했다. 이 엔진은 1323N의 추력을 낼 수 있었고, 1480m/s의 속도 변화를 제공했다. 우주선 자세 제어는 12개의 소형 압축 질소 분사기를 통해 이루어졌다.3. 2. 항법 및 통신
3축 자세 제어를 위해 태양 감지기, 순항 태양 감지기, 카노푸스 별 추적기 및 6개의 자이로스코프로 구성된 관성 기준 장치가 사용되었다. 2개의 가속도계도 탑재되었다.통신은 20W S-밴드 (2.3 GHz) 송신기와 2개의 20W TWTA를 통해 이루어졌다. 전파 과학 연구를 위한 8.4 GHz X-밴드 다운링크도 추가되었으며, 이를 이용한 통신 실험도 수행했다. 업링크는 2.1 GHz S-밴드를 통해 이루어졌다. 궤도선 기저부의 한쪽 가장자리에는 직경 약 1.5m의 2축 조향이 가능한 고이득 파라볼라 안테나가 부착되었고, 고정형 저이득 안테나는 버스 상단에서 뻗어 있었다. 2개의 테이프 레코더는 각각 1280 메가비트의 데이터를 저장할 수 있었다. 381 MHz 중계 라디오도 사용 가능했다.
3. 3. 전력
두 궤도선에 대한 전력은 각 날개에 두 개씩, 총 8개의 태양 전지판으로 공급되었다. 각 태양 전지판의 크기는 1.57m × 1.23m였다. 이 8개의 태양 전지판은 총 34,800개의 태양 전지로 구성되었으며, 화성에서 620 W의 전력을 생산했다. 4개 패널의 총 면적은 15m2였으며, 규제 및 비규제 직류 전력을 모두 제공했다. 비규제 전력은 무선 송신기 및 착륙선에 공급되었다.전력은 또한 두 개의 니켈-카드뮴 30-A·h 배터리에 저장되었다. 이 충전식 배터리는 우주선이 태양을 마주하지 않을 때, 발사 중, 수정 기동을 수행하는 동안, 그리고 화성 엄폐 동안 전력을 제공했다.[8]
3. 4. 주요 발견
바이킹 궤도선이 보내온 고해상도 이미지는 화성의 물에 대한 기존의 생각을 크게 바꾸는 계기가 되었다. 이 이미지들 속에는 과거 화성에 다량의 물이 흘렀음을 보여주는 뚜렷한 지질학적 증거들이 담겨 있었다.
여러 지역에서 거대한 강 계곡들이 발견되었다. 이는 과거 거대한 홍수가 발생하여 마치 댐이 무너지듯 엄청난 양의 물이 쏟아져 나오면서 깊은 계곡을 파내고, 단단한 기반암에 홈을 만들며 수천 킬로미터를 흘러갔음을 시사한다. 특히 화성 남반구의 넓은 지역에서는 나뭇가지처럼 갈라진 하천 네트워크가 관찰되었는데, 이는 과거 화성에 비가 내렸을 가능성을 보여주는 강력한 증거이다. 일부 화산의 측면에서 보이는 지형은 지구의 하와이 화산 지형과 유사하여, 이 지역들이 과거 강우에 노출되었을 것으로 추정된다.
또한, 많은 충돌구들은 마치 충돌체가 진흙 속에 떨어진 듯한 독특한 모습을 보인다. 이는 충돌 당시의 열로 인해 땅속에 있던 얼음이 녹아 주변 토양을 진흙으로 만들었고, 이 진흙이 분화구 주변 지표면을 따라 흘러내리면서 형성된 것으로 해석된다. 일반적으로 운석 충돌 시 분출물은 위로 솟구쳤다가 아래로 떨어지지만, 일부 화성 분화구에서는 분출물이 장애물을 넘어 지표면을 따라 흘러내린 흔적이 뚜렷하게 나타난다.[9][10][11]
"카오스 지형"이라고 불리는 특이한 지역들도 발견되었다. 이 지형은 지하에 있던 막대한 양의 물이 갑자기 빠져나가면서 땅이 주저앉아 형성된 것으로 보인다. 이 과정에서 흘러나온 물의 양은 지구 최대의 강인 미시시피강 유량의 1만 배에 달했을 것으로 추정된다.[12] 지하 깊은 곳에서 일어난 화산 활동이 얼음을 녹였고, 녹은 물이 지표면으로 터져 나오면서 거대한 수로를 형성하고 지반 붕괴를 일으켜 현재의 카오스 지형을 남긴 것으로 생각된다.
'''바이킹 탐사선이 촬영한 화성의 물 흔적'''
4. 바이킹 착륙선
각 착륙선은 길이가 1.09m와 0.56m인 면이 번갈아 있는 6각형 알루미늄 베이스로 구성되었으며, 짧은 면에 부착된 세 개의 연장된 다리로 지지되었다. 다리 발판은 위에서 볼 때 2.21m 길이의 변을 가진 정삼각형의 꼭짓점을 형성했고, 베이스의 긴 면은 두 개의 인접한 발판과 직선을 이루었다. 계측 장비는 베이스 안쪽과 위에 부착되었으며, 연장된 다리에 의해 화성 표면 위로 올라가도록 설계되었다.[13]
각 착륙선은 화성 대기권 진입 단계에서 속도를 늦추기 위해 에어로쉘 방열판 안에 담겨 있었다. 지구의 유기체에 의한 화성 오염을 방지하고자, 각 착륙선은 조립 후 에어로쉘 내부에 넣어진 상태에서 가압된 "바이오 실드"에 담겨 111°C 온도에서 40시간 동안 살균 처리되었다. 열 문제 때문에 바이오 실드의 캡은 센타우르 상단 로켓이 바이킹 궤도선/착륙선 조합을 지구 궤도 밖으로 밀어낸 후에 분리되었다.[14]
천문학자 칼 세이건은 두 ''바이킹'' 탐사선의 착륙 지점을 선택하는 과정에 참여했다.[15]
4. 1. 착륙 과정 (EDL)
각 착륙선은 궤도선에 부착된 채 화성에 도착했다. 착륙선은 표면으로 하강하기 전에 화성을 여러 번 공전한 후 분리되었다. 하강 과정은 다음과 같은 단계로 진행되었다.먼저 궤도 이탈 연소를 통해 하강을 시작했다. 이후 착륙선은 대기 진입을 경험했으며, 화성 대기와의 마찰열은 진입 시작 몇 초 후에 최고조에 달했다. 고도 약 6km에서 시속 900킬로미터의 속도로 이동할 때 낙하산이 펼쳐졌고, 에어로셸이 분리되었으며, 착륙선의 다리가 펼쳐졌다. 고도 약 1.5km에서는 3개의 역추진 로켓 엔진을 작동시키고 낙하산에서 분리되었다. 착륙선은 역추진 로켓을 사용하여 하강 속도를 늦추고 제어하며 화성 표면에 소프트 랜딩을 성공적으로 수행했다.[16] 착륙 시 착륙선의 질량은 약 600kg(로켓 추진제 사용 후 기준)이었다.
4. 2. 추진 시스템
강하를 위한 추진력은 단일 추진제 히드라진(N2H4)을 사용하는 로켓 시스템으로 제공되었다. 이 시스템은 12개의 로켓 엔진 노즐이 4개의 3개 묶음으로 배열되어 32N의 추력을 발생시켰으며, 이는 180m/s의 속도 변화로 변환되었다. 이 노즐들은 이동 및 회전 제어를 위한 추력기 역할도 수행했다.낙하산 전개 이후의 최종 강하 및 착륙 단계에서는 3개의 단일 추진제 히드라진 엔진이 사용되었다. 이 엔진들은 착륙선 기지의 긴 면 양쪽에 하나씩 부착되어 120도 간격으로 배치되었다. 각 엔진은 배기 가스를 분산시키고 지표면에 미치는 영향을 최소화하기 위해 18개의 [https://artsandculture.google.com/asset/_/fgFN2s2GG-OfQA 노즐]을 가지고 있었으며, 추력은 276N에서 2667N까지 조절이 가능했다. 화성 표면이 지구의 미생물에 오염되는 것을 방지하기 위해 사용된 히드라진은 정제 과정을 거쳤다.
착륙선은 발사 시 총 85kg의 추진제를 탑재했으며, 이는 RTG 방풍막 아래 착륙선의 반대편에 장착된 두 개의 구형 티타늄 탱크에 저장되었다. 추진제를 포함한 착륙선의 총 발사 질량은 657kg이었다. 착륙 과정의 제어는 관성 기준 장치, 4개의 자이로스코프, 전파 고도계, 최종 강하 및 착륙용 레이더, 그리고 제어 추력기를 사용하여 이루어졌다.
4. 3. 전력
바이킹 계획은 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG) 2기로 전력을 공급받았다. 이 RTG는 착륙선 기지 반대편에 부착되어 바람막이로 덮여 있었으며, 플루토늄-238을 포함하고 있었다. 각 바이킹 RTG[17]는 높이가 28cm, 직경이 58cm였으며, 질량은 13.6kg이었다. RTG는 4.4 볼트에서 30 와트의 연속 전력을 제공했다. 또한 최대 전력 부하를 처리하기 위해 4개의 습식 전지 밀폐형 니켈-카드뮴 8 Ah (28,800 쿨롱), 28 볼트 충전식 배터리도 탑재되어 있었다.4. 4. 탑재체
바이킹 착륙선의 통신은 2개의 진행파관을 사용하는 20와트 S 밴드 송신기를 통해 이루어졌다. 착륙선 기지 가장자리 근처의 붐에는 지구와 직접 통신하기 위한 2축 조향 고이득 포물선 안테나가 장착되었고, 기지에서 뻗어 나온 무지향성 저이득 S 밴드 안테나도 같은 목적으로 사용되었다. 이 두 안테나 덕분에 두 궤도선이 모두 고장난 후에도 바이킹 1호는 계속 작동할 수 있었다. 또한, UHF (381 MHz) 안테나는 30와트 릴레이 라디오를 사용하여 궤도선으로 데이터를 단방향으로 중계하는 기능을 제공했다. 데이터 저장은 40 Mbit 테이프 레코더에 이루어졌으며, 착륙선 컴퓨터는 명령 지침을 처리하기 위해 6,000 단어 메모리를 가지고 있었다.
4. 4. 1. 생물학 실험
바이킹 착륙선은 화성 토양에 생명체가 존재하는지를 확인하기 위한 생물 실험을 수행했다. 이 실험은 NASA의 수석 과학자 제럴드 소펜의 지휘 아래 세 개의 독립적인 팀이 설계했으며, 착륙선의 내부 환경 제어 구획에 관련 장비와 가스 크로마토그래프 질량 분석기(GCMS)가 탑재되었다.실험 결과, 세 가지 실험 중 하나인 표지 방출(LR) 실험에서는 신진대사 활동으로 해석될 수 있는 양성 반응이 나타났다. 그러나 다른 두 실험에서는 토양에서 어떠한 유기물도 발견하지 못했다. 이러한 상반된 결과에 대해, 당시 대부분의 과학자들은 LR 실험의 양성 반응이 생명 활동에 의한 것이 아니라, 화성의 고도로 산화된 토양 조건으로 인한 비생물학적 화학 반응일 가능성이 높다고 결론지었다.[18]
NASA는 임무 수행 중 바이킹 착륙선의 두 착륙 지점에서 결정적인 생체 신호를 확인하지 못했다고 발표했으나, 실험 결과와 그 한계에 대한 논의는 계속되고 있다. 특히 LR 실험의 양성 결과 해석은 화성 토양에 산화제가 없다는 가정에 크게 의존했는데, 2008년 피닉스 착륙선이 화성 토양에서 강력한 산화제인 과염소산염을 발견하면서 상황이 달라졌다.[19][20] 이후, 바이킹 착륙선이 분석한 토양에 유기물이 존재했지만, 과염소산염 때문에 검출되지 않았을 수 있다는 주장이 제기되었다.[21] 연구에 따르면 과염소산염은 GCMS 분석 과정처럼 가열될 경우 유기물을 파괴하며 클로로메탄과 디클로로메탄을 생성하는데, 이는 바이킹 GCMS가 화성 토양에서 실제로 검출했던 염소 화합물과 동일하다.[22]
화성에 미생물 생명체가 존재하는지에 대한 질문은 여전히 명확한 답을 얻지 못한 상태이다. 2012년 4월, 국제 과학자 팀은 1976년 바이킹 LR 실험 데이터에 대한 수학적 복잡성 분석을 통해 "화성에 현존하는 미생물 생명체"의 존재 가능성을 시사하는 연구 결과를 발표했다.[23][24] 또한, 2018년에는 바이킹 GCMS 데이터를 재검토하여 새로운 해석을 제시하는 연구 결과가 발표되기도 했다.[25]
4. 4. 2. 카메라/이미징 시스템
이미징 팀의 리더는 로드아일랜드주 프로비던스에 있는 브라운 대학교의 지질학자 토머스 A. 머치였다. 카메라는 12개의 광다이오드를 비추기 위해 움직이는 거울을 사용한다. 12개의 실리콘 다이오드는 각각 다른 주파수의 빛에 민감하도록 설계되었다.여러 개의 광대역 다이오드(BB1, BB2, BB3, BB4로 지정됨)는 착륙선으로부터 약 1.83m에서 약 13.11m 거리에서 정확하게 초점을 맞추도록 배치되었다.[26] 저해상도 광대역 다이오드는 SURVEY로 명명되었다.[26] 또한 컬러 이미지를 얻기 위한 3개의 협대역 저해상도 다이오드(BLUE, GREEN, RED)와 적외선 이미지를 위한 3개(IR1, IR2, IR3)가 있다.[26]
카메라는 초당 5개의 수직 스캔 라인 속도로 스캔했으며, 각 라인은 512개의 픽셀로 구성되었다. 300도 파노라마 이미지는 9150개의 라인으로 구성되었다. 카메라의 스캔 속도가 느려서 이미징 시스템 개발 중에 촬영된 승무원 사진에서 여러 구성원들이 카메라가 스캔하는 동안 움직여 여러 번 나타났다.[27][28]
5. 바이킹 착륙선 위치
바이킹 1호 착륙선은 1976년 7월 20일 화성의 크리세 평원(Chryse Planitia) 서부 지역에 착륙했다. 이 착륙 지점은 토마스 무치 기념 기지(Thomas Mutch Memorial Station)로 명명되었다.[38] 본래 미국 독립기념일인 7월 4일에 착륙할 예정이었으나, 적절한 착륙 지점을 신중하게 탐색하는 과정에서 시간이 소요되어 착륙 일정이 조정되었다.
바이킹 2호 착륙선은 1976년 9월 3일 유토피아 평원(Utopia Planitia)에 착륙했으며, 이 지점은 제럴드 소펜 기념 기지(Gerald Soffen Memorial Station)로 불린다. 바이킹 2호 착륙선은 1980년 4월까지 활동했다.
위 지도에는 바이킹 착륙선 외에도 다음과 같은 주요 화성 탐사선들의 착륙 위치가 표시되어 있어, 바이킹 착륙선의 위치를 상대적으로 파악하는 데 도움이 된다.
6. 바이킹 계획의 종료
바이킹 계획의 탐사선들은 다음과 같이 차례로 작동을 멈추었다.[3]
| 탐사선 | 도착일 | 종료일 | 작동 수명 | 고장 원인 |
|---|---|---|---|---|
| 바이킹 2 궤도선 | 1976년 8월 7일 | 1978년 7월 25일 | 1년 11개월 18일 | 추진 시스템 연료 누출로 인한 종료. |
| 바이킹 2 착륙선 | 1976년 9월 3일 | 1980년 4월 11일 | 3년 7개월 8일 | 배터리 고장으로 인한 종료. |
| 바이킹 1 궤도선 | 1976년 6월 19일 | 1980년 8월 17일 | 4년 1개월 19일 | 우주선 자세 제어 연료 고갈로 인한 종료. |
| 바이킹 1 착륙선 | 1976년 7월 20일 | 1982년 11월 13일 | 6년 3개월 22일 | 소프트웨어 업데이트 중 인적 오류로 인해 착륙선의 안테나가 작동하지 않아 전원 및 통신이 종료됨. |
''바이킹 1'' 궤도선은 화성과의 충돌 및 잠재적 오염 가능성을 막기 위해, 1980년 8월 7일 궤도를 상승시킨 후[35] 8월 17일에 작동을 중단했다.[3] 2019년부터 화성 표면에 충돌할 가능성이 있는 것으로 예측된다.[35]
바이킹 계획은 공식적으로 1983년 5월 21일에 종료되었다.[3]
7. 바이킹 계획의 의의와 영향
바이킹 1호는 1975년 8월 20일에 발사되었다. 1976년 6월에 화성 궤도에 도달한 후, 착륙에 적절한 지점을 탐색하여 착륙선을 분리했다. 원래 7월 4일 미국 독립기념일에 착륙할 예정이었으나, 착륙 지점 선정에 시간이 소요되어 실제 화성 착륙은 1976년 7월 20일에 이루어졌다.
바이킹 2호는 1975년 9월 9일에 발사되어 1976년 9월 3일 화성에 착륙했다. 바이킹 2호 착륙선은 1980년 4월까지 활동했다.
8. 기념물
각 ''바이킹'' 착륙선은 임무에 참여한 수천 명의 이름이 담긴 작은 마이크로필름 점을 실었다.[37] 이는 이전에 여러 우주 탐사선들이 파이오니어 명판이나 보이저 골든 레코드와 같은 메시지나 기념물을 실어 보낸 것과 유사하다. 이후 ''퍼서비어런스'' 로버와 같은 탐사선들도 기념물이나 이름 목록을 실었는데, 퍼서비어런스 로버는 임무에 이름을 올리기로 서명한 약 1,100만 명의 사람들을 기리는 명단을 실었다.
참조
[1]
웹사이트
Viking 1
https://www.jpl.nasa[...]
JPL
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[2]
웹사이트
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[3]
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간행물
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[5]
뉴스
Viking 1: First U.S. Lander on Mars
https://www.space.co[...]
2016-12-13
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웹사이트
The Viking Program
https://planetary-sc[...]
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2018-04-13
[7]
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California Science Center
2018-04-13
[8]
웹사이트
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https://www.jpl.nasa[...]
Jet Propulsion Laboratory
2012-03-27
[9]
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https://archive.org/[...]
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2011-03-07
[10]
서적
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https://archive.org/[...]
National Geographic Society
[11]
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The Atlas of the Solar System
https://archive.org/[...]
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[12]
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https://archive.org/[...]
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[13]
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https://books.google[...]
Hearst Magazines
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논문
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https://www.science.[...]
2023-12-21
[15]
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https://www.britanni[...]
2022-08-09
[16]
웹사이트
Viking
http://astro.if.ufrg[...]
[17]
웹사이트
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