창어 5호

3. 임무 목표

창어 5호는 중국 우주 개발 역사상 최초로 시도되는 다음 네 가지 주요 목표를 달성하고자 했다^[71].

# 달 표면에서의 자동 샘플 채취

# 달 표면에서의 이륙

# 38만km 이상 떨어진 달 궤도에서의 무인 도킹

# 제2우주 속도까지 가속하여 달 토양 샘플과 함께 지구로 귀환

3. 1. 달 표면 자동 샘플링

3. 2. 달 표면 이륙

3. 3. 달 궤도 무인 도킹

3. 4. 지구 귀환

4. 탐사선 구성 요소

창어 5호 임무는 크게 네 개의 모듈, 즉 구성 요소로 이루어져 있다. 이 네 모듈은 함께 발사되어 달까지 비행한 후, 각자의 역할에 따라 분리되고 작동한다. 총 발사 질량은 약 8200kg으로 예상된다.^[22]

네 가지 주요 구성 요소는 다음과 같다.

• '''궤도선''': 달 궤도에 머무르며 착륙선 및 상승선과의 통신을 중계하고, 최종적으로 달 샘플이 담긴 귀환선을 지구로 운반하는 역할을 한다.
• '''귀환선''': 궤도선에 실려 있다가 지구 도착 직전에 분리되어, 달에서 가져온 샘플을 싣고 지구 대기권으로 재진입하여 지표면에 착륙한다.
• '''착륙선''': 달 표면에 착륙하여 드릴과 로봇 팔을 이용해 달 토양 및 암석 샘플을 채취하는 핵심 임무를 수행한다. 착륙선의 추정 질량은 약 3200kg이다.^[22]
• '''상승선'''(Ascender|어센더^eng): 착륙선 위쪽에 탑재되어 있으며, 채취된 샘플을 싣고 달 표면에서 이륙하여 달 궤도에 있는 궤도선과 자동 랑데부 및 도킹을 수행한다. 상승선의 추정 질량은 약 700kg이다.^[22]

• ''참고: 모듈별 무게는 출처에 따라 약간의 차이가 있을 수 있다. 예를 들어 착륙선 1200kg, 상승선 약 120kg으로 제시된 자료도 있다.''^[106][112]

4. 1. 궤도선

4. 2. 귀환선

4. 3. 착륙선

4. 4. 상승선

5. 발사 및 궤도 진입

창어 5호는 원래 창정 5호 로켓을 이용하여 2017년 11월에 발사될 예정이었다. 그러나 2017년 7월 창정 5호 로켓 발사 실패로 인해 계획은 2020년 말까지 두 차례 연기되었다.^[27] 2019년 12월 27일, 창정 5호는 성공적으로 운용을 재개하여 톈원 1호 임무 이후 창어 5호 임무를 진행할 수 있게 되었다.^[28]

• 1차 궤도 수정: 2020년 11월 24일 14:06 UTC (22:06 CST)^[79]
• 2차 궤도 수정: 2020년 11월 25일 14:06 UTC (22:06 CST)^[79]

6. 달 착륙 및 샘플 채취

7. 달 궤도 도킹 및 샘플 이송

창어 5호 상승선은 2020년 12월 3일 15:10 UTC에 폭풍의 바다에서 달 샘플을 싣고 이륙하여 6분 뒤 달 궤도에 성공적으로 진입했다.^[38][86] 이후 상승선은 2020년 12월 5일 21:42 UTC(12월 6일 05:42 CST)에 달 궤도에서 대기 중이던 궤도선/귀환선 조합체와 성공적으로 도킹했다. 이는 중국 최초의 달 궤도상 자동 랑데부 및 도킹이었다.^[39][87] 도킹 후 약 30분 뒤인 22:12 UTC(12월 6일 06:12 CST)에 채취한 달 샘플을 상승선에서 귀환 캡슐로 성공적으로 옮겼다.^[39][87] 샘플 이송을 완료한 상승선은 2020년 12월 6일 04:35 UTC(12월 6일 12:35 CST)에 궤도선/귀환선 조합체에서 분리되었다.^[39][88] 임무를 마친 상승선은 2020년 12월 7일 22:59 UTC(12월 8일 06:59 CST)에 탈궤도 명령을 받았고, 23:30 UTC(12월 8일 07:30 CST)경 달 표면의 예정된 지점(약 ~30°S, 0°E)에 제어된 상태로 충돌하여 폐기되었다.^[40][89]

8. 지구 귀환 및 착륙

2020년 12월 13일 09:51 CST (01:51 UTC), 달 표면에서 약 230km 상공에 있던 궤도선과 귀환선 조합체는 4개의 엔진을 점화하여 달-지구 호만 전이 궤도에 성공적으로 진입했다.^[41][91] 이는 12월 12일과 13일에 걸쳐 이루어진 두 차례의 귀환 궤도 변경 기동의 결과였다.^[90][91] 지구로 향하는 도중, 12월 13일과 16일에 추가적인 궤도 수정이 이루어졌다.^[92][93][94]

2020년 12월 17일 새벽(CST 기준, 12월 16일 18:00 UTC경), 약 300kg 무게의 귀환 캡슐은 아라비아 해 상공에서 대기권 재진입을 시작했다. 이 과정에서 캡슐은 대기 상층부에서 한 번 튕겨나갔다가 다시 진입하는 탄도식 스킵 재진입(skip reentry) 방식을 사용했다. 이는 제2우주속도에 가까운 빠른 속도로 귀환할 때 발생하는 고열과 충격을 완화하고, 착륙 지점의 정확도를 높이기 위한 기술이다.^[43]

같은 날인 12월 17일 01:59 CST (12월 16일 17:59 UTC), 약 2kg의 달 토양 및 암석 샘플을 탑재한 귀환 캡슐은 예정된 착륙 지점인 중국 북부 네이멍구 자치구 울란차부시 쓰쯔왕 기의 초원 지대에 성공적으로 착륙했다.^[43][95][96] 착륙 예정지에서 대기하던 감시 무인 항공기가 하강하는 캡슐을 먼저 발견했으며, 지상 회수팀이 신속하게 현장에 도착하여 캡슐을 확보했다.^[43]

9. 과학적 목표 및 탑재 장비

창어 5호의 주요 과학적 목표는 착륙 지점 주변의 달 표면 지형 관측과 지질 실지 조사를 실시하고, 채취된 샘플 분석을 통해 달의 기원과 변화 역사를 심층적으로 연구하는 것이다.

구체적인 과학적 목표는 다음과 같다.

• 착륙 지점 주변 지형 조사: 샘플 채취 지점 주변의 지형과 구조적 특징, 크레이터의 형태, 크기, 분포 등을 조사한다.
• 물질 성분 조사: 샘플 채취 지점의 물질 성분 특징, 달 토양의 물리적 특성 및 구조, 얕은 지각층의 온도 기울기 등을 조사한다.
• 달 샘플 연구: 지구로 가져온 달 샘플에 대해 장기간에 걸쳐 연구실 측정을 수행한다. 여기에는 물리적 특성 및 물질 구조, 광물 및 화학적 조성, 미량 원소 및 동위원소 조성, 달 암석 형성·변화 과정에서의 동위원소 연령 측정 등이 포함된다. 이를 통해 우주 방사선 및 태양풍 이온과 달의 상호 작용, 풍화와 환경에 의한 변화 과정 등 달의 기원과 변화 역사에 대한 연구를 심화시킨다.

창어 5호는 두 가지 방식으로 샘플을 수집했다. 하나는 지하 샘플을 얻기 위한 드릴링 방식이고, 다른 하나는 표면 샘플을 얻기 위한 스쿠핑 방식이다. 스쿠핑 장치는 홍콩 이공대학교에서 개발했으며, 샘플러 A, 샘플러 B, 근거리 카메라, 밀봉 및 포장 시스템으로 구성되었다.^[26] 드릴로는 비교적 깊은 곳의 토양(약 0.5kg)을 채취하고, 로봇 팔로는 넓은 범위의 표면 토양(약 1.5kg)을 긁어 모았다.^[97][72]

또한 창어 5호는 중국 우주 개발 역사상 다음과 같은 네 가지 최초의 시도를 목표로 했다.^[71]

# 달 표면에서의 자동 샘플 채취

# 달 표면에서의 이륙

# 38만km 이상 떨어진 달 궤도에서의 무인 도킹

# 제2우주 속도까지 가속하여 달 토양 샘플과 함께 지구로 귀환

이러한 과정을 거쳐 채취된 샘플을 실은 귀환선은 2020년 12월 17일 내몽골 자치구의 초원 지대에 성공적으로 착륙했다.^[73]

10. 착륙 지점

착륙선/상승선은 2020년 12월 1일 15:11 (UTC)에 달에 착륙했다.^[30] 창어 5호의 착륙 지점은 북위 43.1°, 서경 51.8°이며, 달 북서쪽 앞면에 있는 거대한 화산 복합체인 륌케르 산 근처의 폭풍의 대양에 위치한다.^[31] 이 지역은 미국 지질조사소에 의해 '에라토스테네스기 바다'로 분류되었으며,^[32] 착륙 지점은 톈추안 기지(Statio Tianchuan)로 명명되었다.^[33]

착륙 지점은 열을 생성하는 원소가 풍부하고 지각이 얇으며, 화산 활동이 오랫동안 지속된 폭풍의 바다 KREEP 지형 내에 위치한다.^[34] 이 지역은 달에서 가장 젊은 현무암(약 12억 1천만 년 전 생성 추정)으로 이루어져 있으며,^[35] 티타늄, 토륨, 감람석 함량이 높은 특징을 보인다.^[35] 이러한 특징은 과거 미국의 아폴로 계획이나 소련의 루나 계획에서 샘플을 채취했던 지역과는 다르기 때문에,^[36] 이곳에서 채취한 샘플은 기존에 알려지지 않았던 달의 지질학적 역사에 대한 새로운 정보를 제공할 것으로 기대되었다.^[99]

창어 5호가 수집한 약 1731g의 달 샘플 분석 결과, 실제로 아폴로 계획 등에서 얻은 암석보다 훨씬 젊은 약 19억 6천만 년 전에 생성된 현무암 용암임이 2021년 10월에 밝혀졌다.^[53][100] 이는 달의 연대 측정 기준을 보정하고 다른 태양계 천체의 표면 연령을 추정하는 데 중요한 기여를 할 수 있다.^[49][50][53] 또한, 중국지질과학원이 주도한 샘플의 반사 스펙트럼 분석을 통해 수산기 분자의 증거가 발견되었는데, 이는 최대 120ppm 농도의 물 분자가 존재할 가능성을 시사하며, 태양풍에 의해 달 토양에 유입된 것으로 추정된다.^[54]

11. 기술적 성과 및 의의

창어 5호 임무는 중국 우주 개발 역사상 중요한 기술적 도전을 포함했으며, 특히 다음 4가지 점에서 최초의 시도를 목표로 했다.^[71]

# 달 표면에서의 자동 샘플링 수행

# 달 표면에서의 이륙 성공

# 380000km 이상 떨어진 달 궤도에서의 무인 도킹 성공

# 제2 우주 속도에 가까운 속도로 가속하여 달 토양 샘플과 함께 지구로 귀환

창어 5호는 2020년 12월 1일 달 폭풍의 대양 지역에 착륙하여 약 2kg의 샘플 채취를 목표로 활동했다. 설계된 두 종류의 샘플링 장치, 즉 끌을 이용한 심층 토양 채취(약 0.5kg)와 로봇 팔을 이용한 표면 토양 수집(약 1.5kg)을 통해 다양한 종류의 샘플을 확보했다.^[97] 채취된 샘플은 이륙선에 실려 달 표면에서 이륙한 뒤, 달 궤도에서 대기하던 궤도선과 성공적으로 도킹하고 귀환선으로 옮겨졌다.^[72] 이후 귀환선은 2020년 12월 17일 내몽골 자치구 쓰쯔왕 일대 초원 지대에 성공적으로 착륙했다.^[73]

이 임무의 성공으로 중국은 미국과 구 소련에 이어 세계에서 세 번째로 달 표면 샘플을 지구로 가져오는 데 성공한 국가가 되었다.^[119][73] 이는 1960년대와 1970년대 우주 경쟁 시대 이후 약 40여 년 만에 이루어진 달 샘플 귀환 임무였다. 중국국가항천국(CNSA)은 창어 5호를 통해 다음과 같은 5가지 측면에서 중국 최초의 성과를 달성했다고 발표했다.^[101]

• 지구 외 천체에서의 시료 채취 및 밀봉 보존 기술 확보.
• 지구 외 천체에서의 점화 및 이륙 후 정확한 궤도 진입 성공.
• 달 궤도상에서의 완전 자동 무인 도킹 및 시료 이동 기술 구현.
• 달 시료를 탑재한 상태에서 제2 우주 속도에 가까운 고속 대기권 재진입 및 귀환 성공.
• 중국 자체적인 달 시료 보존, 분석, 연구 시스템 구축 기반 마련.

12. 국제 협력 및 반응

유럽 우주국(ESA)은 창어 5호 임무에 협력하여 프랑스령 기아나의 쿠루 기지를 통해 추적 지원을 제공했다. ESA는 창어 5호의 발사 및 착륙 단계를 추적했으며, 임무 기간 동안 중국 지상 기지에 대한 온콜 백업(on-call backup)을 지원했다. 쿠루 기지에서 얻은 데이터는 베이징 우주 비행 통제 센터가 우주선의 상태와 궤도를 파악하는 데 중요한 역할을 했다. 창어 5호가 2020년 12월 16일 지구로 귀환할 때, ESA는 스페인의 국립 항공 기술 연구소(INTA)가 운영하는 카나리아 제도의 마스팔로마스 기지를 통해 착륙 단계 추적을 도왔다.^[62]

창어 5호 임무는 20세기에 달 샘플을 성공적으로 가져온 미국의 아폴로 계획과 구소련의 루나 계획(루나 16, 루나 24 등)과 비교되며 많은 언론의 주목을 받았다. 특히 루나 16호는 약 100g의 달 토양을 가져왔으며, 창어 5호 이전 마지막 달 샘플 회수 임무는 1976년의 루나 24호였다.^[63]

창어 5호가 가져온 달 암석 샘플은 달 지질학 연구에서 "20억 년의 간격을 메우는 완벽한 샘플"이라는 평가를 받았다.^[64] 중국국가항천국(CNSA)은 이 샘플을 호주, 미국, 영국, 스웨덴 과학자들로 구성된 국제 컨소시엄에 공개했다. 이러한 개방적인 태도에 대해 세인트루이스 워싱턴 대학교 맥도넬 우주 과학 센터 소장인 브래드 졸리프는 "국제 협력, 데이터와 지식의 자유로운 공유가 이상적인 방식으로 이루어졌다. 이것이 바로 과학을 통한 외교"라며 높이 평가했다.^[65]

13. 하야부사 2와의 비교

창어 5호의 임무는 일본의 소행성 탐사선 하야부사 2의 귀환 시기와 비슷하여 언론에서 두 탐사선을 비교하는 보도가 종종 나왔다. 달 탐사와 소행성 탐사는 목표 천체와 기술적 난이도의 방향성이 달라 직접적으로 우열을 비교하기는 어렵다. 하지만 중국 언론은 일본의 행성 탐사에 미국의 기술적 영향이 있다는 점 등을 지적하며 중국의 독자적인 기술력을 강조하는 모습을 보였다. 동시에 창어 5호가 계획보다 적은 양의 시료를 채취한 점을 들어, 계획 이상의 성과를 거둔 하야부사 2와 비교하며 일본의 높은 기술력 또한 인정했다.^{[102][103][104]}

14. 관련 임무

창어 5호 T1은 창어 5호 임무에서 사용될 예정인 캡슐 디자인에 대한 대기권 재진입 시험을 수행하기 위해 2014년 10월 23일 발사된 실험적인 달 탐사 임무이다.^{[113][114][57][58]} DFH-3A로 명명된 서비스 모듈은 지구 주위를 궤도 비행하다가 2015년 1월 13일까지 지구-달 L₂를 거쳐 달 궤도로 이동하여, 남은 연료 800kg을 사용하여 향후 달 탐사 임무에 중요한 기동 시험을 수행했다.^[115][59]

창어 6호는 달의 뒷면에서 샘플을 회수하기 위해 창어 5호와 동일한 임무 구조를 사용하는 중국 국가항천국(CNSA)의 후속 임무이다.^[60][61] 창어 6호는 2024년 5월 3일에 발사되어 2024년 6월 1일에 달의 뒷면에 성공적으로 착륙했으며, 2024년 6월 25일에 샘플을 가지고 지구로 귀환했다.^[60][61]

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