화성탐사용 헬리콥터 드론 > 화 성

지난 1월 미 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)가 우주탐사의 새 장을 열어젖힐 혁신적 프로젝트를 발표했다. 화성 탐사에 헬리콥터형 드론을 투입하겠다는 것이다. JPL은 이를 통해 기존 외계행성 탐사 로버의 느려터진 이동속도를 보완, 탐사 효율을 배가할 계획이다.

드론을 이용해 외계행성을 탐사하겠다는 아이디어는 최근 갑자기 불거진 것이 아니다. 미 항공우주국(NASA)에서 처음 이에 대한 논의가 시작된 것은 무려 16년 전이다. 이후 산발적 연구가 수행되다가 이번에 프로토타입 모델을 활용해 일정 수준 이상의 기술적 타당성이 검증되면서 공식 발표로 이어졌다.

드론과 로버의 환상 궁합

NASA가 드론에 주목한 것은 기본적으로 현 외계행성 탐사 로버의 비효율성 때문이다. 예컨대 기존 로버는 이동 능력이 굼벵이와 다를 바 없다. 2004년 화성에 도착한 ‘오퍼튜니티’는 11년이 넘는 시간 동안 하루에 이동한 최장 거리가 224m였으며, 2012년 8월 화성에 안착한 NASA의 최신형 로버 ‘큐리오시티’도 하루 이동능력이 200m 정도에 불과하다.

또한 로버의 탐사경로와 임무 스케줄은 지구의 NASA 과학자들이 결정해 하달하는데, 화성 궤도를 공전하고 있는 탐사선과 로버가 보내온 이미지에 많은 부분 의존한다. 그런데 탐사선의 이미지는 선명도가 떨어지고, 로버의 이미지는 선명한 반면 가시거리에 극명한 한계가 있다. NASA는 드론을 통해 이 모든 한계를 극복하고자 하는 것이다.

현재 JPL에서 개발하려는 화성탐사용 헬리콥터 드론은 중량 1㎏, 전폭 1.1m의 소형 모델이다. 두 개의 날개를 이용해 양력과 추진력을 얻으며, 로터 상단에 부착한 태양전지 패널로부터 동력을 공급 받도록 설계돼 있다. 초기에는 고정익 드론이 고려됐었지만 헬리콥터가 부피 감소를 꾀할 수 있고, 정지비행과 수직이 착륙 등 운용상 이점도 크다는 판단 하에 최종 낙점된 것으로 알려졌다.

특히 연구팀은 가급적 이미 개발돼 있는 상용부품을 많이 활용해 드론 제작비용을 절감할 계획이다. 예컨대 내장 카메라는 시중에 나와 있는 경량 액션캠을, CPU는 로봇 장난감이나 스마트폰에 쓰이는 마이크로프로세서를 채용하는 식이다. 배터리도 리튬이온 배터리를 이용할 예정이다.

이 드론이 화성에서 맡게 될 역할은 정찰이다. 실질적 탐사와 표본의 분석 및 채집은 지금처럼 로버가 담당한다. 드론은 로버에 앞서 저고도로 주변을 비행하면서 로버의 이동경로와 지형, 탐사 대상을 사전 정찰하게 된다. 이 정보를 바탕으로 로버의 최적 이동루트와 탐사 목표 설정이 가능해진다는 게 JPL의 설명이다.



인터스텔라_ 네덜란드의 비영리단체 ‘마스 원(Mars One)’의 화성 이주 프로젝트가 성공한다면 2025년 화성에 도착할 첫 이주민들은 붉은 대지 위를 비행하는 드론을 보게 될지도 모른다. 영화 ‘인터스텔라’의 첫 장면처럼 말이다.


최대 3배의 탐사 거리 확장

화성은 지구와 환경이 다르다. 때문에 드론도 화성의 환경에 최적화된 비행시스템을 갖춰야만 한다. 실제로 화성은 중력이 지구의 8분의 3 수준이지만 대기가 지구의 0.6%에 불과할 만큼 희박해 양력을 얻기가 쉽지 않다. 이에 연구팀은 헬리콥터 드론의 축소 모델을 제작, 화성의 저밀도 대기환경을 재현한 7.6m 크기의 진공 체임버 속에서 1년여간 비행실험을 실시했다. 그리고 로터가 약 2,400rpm의 속도로 회전할 때 원활한 양력을 얻을 수 있음을 확인했다.

또한 이를 바탕으로 드론의 전력소비량과 태양전지의 전력생산량을 비교분석한 결과, 드론이 하루 2~3분의 비행을 통해 약 500m의 정찰이 가능한 것으로 나타났다. 로버만 운용했을 때보다 1솔 동안 2.5~3배의 탐사거리 확장을 꾀할 수 있다는 의미다.

JPL 연구팀의 목표는 관련기술을 고도화해 오는 2020년 발사될 화성탐사선에 헬리콥터 드론을 실어 보내는 것. 하지만 그전까지 해결해야할 과제들이 만만치 않다. 그중에서도 자율비행 시스템의 채용과 이·착륙시스템의 개발이 최대 난제다.

먼저 자율비행 시스템은 드론을 지구에서 실시간 무선 조종할 수 없다는 현실적 한계에 기반한다. 지구에서 보낸 극초단파(UHF) 신호를 드론이 수신하기까지 4~24분이나 걸리는데다 그나마도 통신을 주고받을 기회가 1솔 동안 1~2회에 불과한 탓이다. 결국 주변상황에 능동적으로 대응하는 자율비행 기능 없이 화성에서의 드론 운용은 사실상 불가능하다. 또 화성 대기권 진입이 필요한 탐사 임무에서는 EDL로 불리는 진입·강하·착륙이 ‘공포의 7분’이라 불릴 만큼 최고 난이도의 단계로 꼽힌다. 그런데 헬리콥터 드론의 경우 매일 한번씩 이착륙을 반복해야해 안정적 시스템 구현이 매우 중요하다. 연구팀의 표현을 빌리면 드론 운용자들은 매일 ‘공포의 7초’를 경험해야 한다.





우주탐사용 드론의 진화

주지하다시피 외계행성 탐사용 드론은 JPL의 헬리콥터 드론이 처음이 아니다. 가깝게는 2012년에도 토성의 위성인 타이탄에서의 생명체 탐사에 드론을 투입하자는 구상이 발표된 바 있다.

미국 아이다호대학 제이슨 W. 반즈 박사가 주창한 이 프로젝트는 중량 120㎏의 고정익 드론 ‘AVIATR’를 개발, 타이탄의 대기권을 항공탐사하겠다는 게 핵심 골자다. 이를 통해 타이탄의 지형과 기상 현상을 더욱 면밀히 파악할 수 있다는 것. 탐사 대상을 타이탄으로 정한 것은 지구의 4배에 달하는 고밀도의 대기를 가진 태양계 내 유일한 천체이기 때문이다. 그만큼 여타 행성과 달리 대기로부터 손쉽게 드론 운용에 필요한 양력을 얻을 수 있다.

또 타이탄은 표면에 안정된 상태의 액체가 존재하는 것으로 확인된 태양계 내의 유일한 천체이기도 하다. 2006년 NASA의 토성탐사선 카시니호가 액체 에탄과 액체 메탄으로 이뤄진 바다를 발견한 것. 이 모든 요소들을 감안, 우주항공학계는 외계생명체를 발견할 최초의 후보지 중 하나로 타이탄을 지목하는데 주저하지 않는다.

반즈 박사팀의 설계안에 따르면 AVIATR은 우주비행체, 대기권 돌입체, 무인비행체(드론) 등 3개의 모듈로 구성돼 있다. 우주비행체가 대기권 돌입체와 UAV을 싣고 지구에서 타이탄까지의 비행한 뒤 대기권 돌입체가 드론을 품은 채 타이탄으로 강하, 대기권 상공에서 드론을 방출하는 메커니즘이다. 임무 기간은 지구를 출발한 우주비행체가 타이탄 궤도에 도착하기까지 92개월, 타이탄에서의 탐사기간 12개월 등 총 104개월이다.

천문학적 예산규모와 미 정부의 무관심으로 인해 AVIATR가 실제로 개발될 가능성은 현재로선 그리 높지 않아 보인다. 하지만 이처럼 우주탐사에 드론을 활용하려는 아이디어와 노력들이 계속되는 한 드론은 그에 맞춰 진화와 융합을 거듭할 것이다.

42.195㎞ NASA의 화성 탐사로버 ‘오퍼튜니티’가 2004년 1월 화성에 터치다운한 이래 지금까지 11년 2개월간 이동한 거리.

솔 (Sol) 화성의 하루를 의미하는 단위. 1솔은 지구 시간으로 24시간 39분 35.244초다.
EDL Entry, Descent, and Landing의 약자.
AVIATR 타이탄 현지 공중 정찰기(Aerial Vehicle for In-situ and Airborne Titan Reconnaissance)’의 약자

출처;http://popsci.hankooki.com/Article/ArticleView.php?UID=10183281

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