프시케 (우주선)

3. 탐사 대상: 16 프시케

16 프시케는 평균 지름이 220km인, 알려진 가장 무거운 M형 소행성 중 하나이다. 원시 행성의 철핵이 노출된 것으로 추정되는데,^[20] 이는 다른 천체와의 충돌로 인해 맨틀과 지각이 벗겨져 나간 결과로 보인다.

최근 연구에 따르면, 16 프시케는 "금속과 규산염이 혼합된 세계"이며,^[21] 다른 연구에서는 원시 행성의 금속 핵이거나 "국부적으로 금속 농도가 높은 지역이 산재된, 조성이 분화된 세계"로 보기도 한다.^[22] 지구에서 수행된 레이더 관측에서는 철-니켈 조성이 나타났다.^[23] 지금까지의 관측에 따르면, 16 프시케의 직경은 약 252km로 추정된다.^[80] 16 프시케는 화성 크기의 원시 행성이 천체 충돌로 인해 지각이 벗겨지고 중심핵이 드러난 천체로 여겨진다.^[81]

16 프시케의 역사적인 소행성 기호는 별이 박힌 나비 날개(

4. 임무 개요

''프시케'' 우주선은 태양광 전기 추진 방식으로 설계되었으며,^[25][26] 다중분광 영상기, 자력계, 감마선 분광기를 과학 탑재체로 포함한다.^[6][27] 이 임무는 21개월 동안 과학 연구를 수행할 예정이다. NASA 제트 추진 연구소(JPL)가 SSL(구 스페이스 시스템즈/로럴) 및 애리조나 주립 대학교와 협력하여 제작했다.^[1][28]

4. 1. 과학적 목표 및 질문

• 이전에 탐사되지 않은 행성 형성의 구성 요소인 철 핵을 이해한다.
• 지구를 포함한 지구형 행성의 내부를, 분화된 천체의 내부를 직접 조사하여 관찰한다.
• 금속으로 만들어진 새로운 유형의 세계를 탐험한다.

• 16 프시케는 분화된 미행성체의 껍질이 벗겨진 핵인가, 아니면 철이 풍부한 몸체로 형성되었는가? 행성의 구성 요소는 무엇이었는가? 태양에 가깝게 형성된 미행성체는 서로 매우 다른 전체 조성을 가졌는가?
• 16 프시케의 맨틀 (지질학)이 벗겨졌다면, 언제, 어떻게 발생했는가?
• 16 프시케가 한때 용융 상태였다면, 안에서 밖으로 고화되었는가, 아니면 밖에서 안으로 고화되었는가?
• 16 프시케가 냉각되면서 다이나모 이론을 생성했는가?
• 핵의 철 금속에 공존하는 주요 합금 원소는 무엇인가?
• 지질학적 표면과 전반적인 지형의 주요 특징은 무엇인가? 16 프시케는 알려진 암석 및 얼음 물체와 근본적으로 다른가?
• 금속 물체의 크레이터는 암석이나 얼음의 크레이터와 어떻게 다른가?

4. 2. 궤도 계획

첫 번째 궤도인 궤도 A에서 우주선은 56일 동안 자기장 특성 분석과 예비 매핑을 위해 700km 궤도에 진입할 것이다. 그 후 지형 및 자기장 특성 분석을 위해 92일 동안 303km 고도에 설정된 궤도 B1로 내려갈 것이다. 그런 다음 75km로 가장 낮은 궤도인 궤도 D로 내려가며, 다른 궤도가 극 주위를 도는 것과 비교하여 소행성의 적도를 직접 볼 수 있도록 독특하게 기울어져 있으며, 감마선 분광기 및 중성자 분광기를 사용하여 표면의 화학적 조성을 결정하기 위해 100일 동안 운용될 것이다. 그 후 중력 조사를 수행하고 자기장 관측을 계속하기 위해 100일 동안 190km 고도의 궤도 C로 올라갈 것이다. 마지막으로, 궤도선은 궤도 B의 첫 번째 부분 동안 어둠 속에 있던 소행성 표면의 부분을 매핑하기 위해 100일 동안 궤도 B2로 돌아갈 것이다. 또한 지속적인 영상 촬영, 중력 및 자기장 매핑을 수행할 것이다. 총 26개월 동안 진행될 주요 임무는 2031년 11월에 종료될 예정이다. 임무 종료 시, 우주선은 소행성 주위의 궤도에 남겨질 것이다.^{[66][67][62][65]}

5. 탐사 장비 (페이로드)

프시케 탐사선에는 다음과 같은 4가지 종류의 과학 관측 장비가 탑재될 예정이다.^[77] 과학 탑재체의 총 중량은 30kg이다.

프시케는 심우주 탐사선과 지구 사이의 통신에 레이저를 사용하는 실험을 할 예정이다.^[86] 이를 통해 통신 속도가 기존보다 10배에서 100배 향상될 것으로 기대된다.^[86][87]

5. 1. 다중 분광 영상 장치

5. 2. 감마선 및 중성자 분광계

5. 3. 자력계

5. 4. 심우주 광통신 (DSOC)

• '''비행 레이저 송수신기''': 프시케 우주선에 장착되어 지구로 데이터를 보내고 지구로부터 신호를 받는다.
• '''지상 레이저 송신기''': 캘리포니아 주 라이트우드 근처 제트 추진 연구소(JPL)의 테이블 마운틴 시설에 위치하며, 우주선으로 신호를 보낸다.
• '''지상 레이저 수신기''': 캘리포니아 주 샌디에이고 카운티의 팔로마 천문대에 있는 헤일 망원경에 설치되어 우주선으로부터 데이터를 받는다.

6. 추진 시스템

프시케 탐사선은 이온 추진 방식을 사용한다. 4개의 SPT-140 엔진을 장착하고 있으며, 이는 태양 전지판에서 생성된 전기를 화학 연료 대신 전기 로켓 엔진으로 전달하는 태양 전력 추진 방식을 사용하는 홀 효과 추력기이다.^[6][38][39] ''프시케''는 홀 효과 추력기를 사용하는 최초의 행성 간 탐사 임무이다.^[62]

우주선은 스페이스 시스템즈/로럴(SSL)의 1300 버스 플랫폼을 사용하며, 제트 추진 연구소(JPL)는 명령 및 데이터 처리 및 통신 하위 시스템과 모든 비행 소프트웨어를 추가했다.^[36]

6. 1. SPT-140 홀 효과 추력기

이온 추진 방식을 사용하는 이 우주선에는 4개의 SPT-140 엔진이 장착되어 있으며, 이는 태양 전지판에서 생성된 전기를 화학 연료 대신 전기 로켓 엔진으로 전달하는 태양 전력 추진 방식을 사용하는 홀 효과 추력기이다.^[6][38][39] 이 추력기는 정격 4.5kW의 작동 전력을 갖지만,^[40] 약 900W에서도 장기간 작동할 수 있다.^[6]

태양 전력 추력기를 사용하면 우주선이 지구에서 3.3 천문 단위 떨어진 16 프시케에 훨씬 더 빠르게 도달할 수 있으며, 기존 화학 추진 방식을 사용할 때 필요한 추진제의 10% 미만을 소비하게 된다.^[45]

6. 2. 태양 전지판

7. 지상 관측 시스템

프시케 탐사선은 심우주 광통신(Deep Space Optical Communications, DSOC)이라는 레이저 통신 기술을 실험할 예정이다.^[49] 이 장치는 기존 방식보다 우주선의 통신 성능과 효율성을 10배에서 100배까지 향상시킬 것으로 기대된다.^[49][50] DSOC 실험은 지구-달 시스템 너머에서 NASA가 광통신을 처음으로 시연하는 것이다.

DSOC는 비행 레이저 송수신기, 지상 레이저 송신기 및 지상 레이저 수신기로 구성된 시스템으로, 각 요소에 새로운 기술이 구현되었다. 송수신기는 ''프시케'' 우주선에 장착되어 있으며, DSOC 기술 시연은 발사 직후 시작되어 우주선이 지구에서 화성의 중력 보조 비행을 거치는 동안 계속된다. DSOC는 화성 궤도 너머의 거리에서 최대 초당 2메가비트의 속도로 데이터를 전송하여 기능을 선보일 것이다.^[51] DSOC 운영은 발사 후 1년 동안 계획되어 있으며, 확장 임무 기회는 평가될 예정이다.

디스커버리 프로그램은 DSOC 장치 탑재 및 테스트를 위해 임무 프로젝트에 추가로 3천만 달러를 제공했으며, 이는 약 75와트가 필요하다.^[54] NASA는 DSOC를 기술 준비 레벨 6으로 발전시키기를 희망하며,^[53] 레이저 장비의 시험 운행은 외향 궤도 탐사선에서 0.1 ~ 2.5 천문 단위 (AU) 거리에서 수행될 예정이다.^[53]

이 시스템의 첫 번째 성공적인 테스트는 2023년 12월 11일에 발생했으며, JPL 직원의 애완동물인 테이터스라는 이름의 고양이가 레이저 포인터로 노는 고양이 비디오가 3,100만 킬로미터 떨어진 곳에서 지구로 스트리밍되었다. 비디오 신호가 지구에 도달하는 데 101초가 걸렸으며, 시스템의 최대 비트 전송률인 초당 267메가비트 (Mbps)로 전송되었다.

2023년 12월 4일 밤, 이 프로젝트는 62.5 Mbps, 100 Mbps 및 267 Mbps의 다운링크 비트 전송률을 시연했는데, 이는 광대역 인터넷 다운로드 속도와 비슷하다. 해당 기간 동안 총 1.3 테라비트의 데이터를 다운로드할 수 있었다. 비교하자면, NASA의 금성 탐사선 ''마젤란''은 1990년부터 1994년까지 임무 전체 동안 1.2테라비트의 데이터를 다운링크했다.^[47]

2024년 4월 8일 테스트에서 우주선은 최대 25 Mbps의 속도로 데이터를 전송했다. 이 프로젝트의 목표는 226e6km 거리에서 최소 1 Mbps가 가능하다는 것을 증명하는 것이었다.^[55]

7. 1. 레이저 통신 지상국

8. 제작 및 발사 전 테스트

우주선은 스페이스 시스템즈/로럴(SSL)의 1300 버스 플랫폼을 사용하며, 제트 추진 연구소(JPL)는 명령 및 데이터 처리 및 통신 하위 시스템과 모든 비행 소프트웨어를 추가했다.^[36] 2021년 12월부터 우주선에 대한 전자기 시험, 열진공 챔버 시험(TVAC) 등 다양한 시험이 수행되었다.^[68]

8. 1. 테스트

9. 지원, 개발, 투자 기관

프시케 탐사선 개발에는 여러 기관 및 단체가 참여했다.^[125] 주요 참여 기관으로는 NASA, JPL, 린디 엘킨스-탠턴, 아리조나 대학교, Space Systems/Loral 등이 있다.

9. 1. 주요 참여 기관

• NASA
• JPL
• 린디 엘킨스-탠턴
• 애리조나 대학교
• Space Systems/Loral

참조

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