일본의 소행성 탐사선 '하야부사'에 대해서 알아보자

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일간베스트 원문링크 www.ilbe.com/5702721405

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글쓰기에 앞서 이 주제는 예전에 일베에 쓴적이있다.

그 때 쓴글을 읽어보니 조잡하고 또 1년도 더 된 글이라 블로그에 쓸겸 일베에 다시 씀

한 마디로 동일 주제로 다른 내용을쓴거다

예상 귀환 일정보다 3년이나 늦게 , 그것도 고철 수준의 상태에서 지구로 귀환한

일본의 소행성 탐사선 하야부사 (MUSES-C)에 관한 이야기

(하야부사의 2분의1 축소모형)

참고로 하야부사 라는 말은 일본어로 '작은 송골매'라는 뜻으로 작은 몸짓으로 재빠르게 이동하는 제품들에게

호칭이 붙어 진다고 한다 인공위성 이미지하고 잘 어울리는듯

NASDA(과거 JAXA일본 우주항공연구개발기구 가 생기기전 항공우주 기관)는 1990년대 소행성 탐사를 위해

대규모의 프로젝트를 시작하게 된다

이 프로젝트가 바로 제 20호 과학위성 MUSES-C(애칭 하야부사)의 제작

이 인공위성의 목적은 일반적으로 지구 저궤도에서 기상,자연현상을 관측하는게 아닌

소행성으로부터 샘플을 채취해서 지구로 재귀환 하는것으로

이 당시 까지 다른 소천체에 접근,착륙한 탐사선은

2000년에 소행성 에로스에 착륙한 '니어 슈메이커'

혜성 꼬리에서 혜성 파편을 채취한 '스타더스트 '

혜성과 충돌해서 혜성의 물질을 조사한 '딥 임팩트' 등이 있었지만

직접 소행성 표면에 접근해 시료를 채취 후 지구로 재귀환한건 하야부사가 아직까지도(2015년 현재) 유일하다

그 유명한 로제타 인공위성도 소행성에 착륙해 시료를 채취,분석할뿐 다시 지구로 재귀환 하지는 않는다

원래 하야부사는 1982년 2월22일에 발견된 4660-Nereus(니어리어스)를 목적지로 하고 2002년도 발사를 목표로 개발했지만

(니어리어스의 모습)

하야부사 위성의 로켓추진체인 M-5의 개발이 미뤄짐에따라 발사가 연기되었고

(여담으로 이 M-5 로켓은 세계최고수준의 고체연료 로켓이다)

원래 소행성의 궤도를 따라 갈수가 없게 되었다

따라서 다른 소행성인 1998 SF36 (25134-Itokawa 이토카와)를 목적지로 계획이 수정되었다

(이토카와의 모습, 고구마같이 생겨서 혹시 이토카와의 네이밍이 일본어로 고구마인지 궁금해서 찾아봤는데

이토카와 라는 이름은 일본 우주개발의 역군 '이토카와 히데오'의 이름을따왔다고 한다)

하야부사는 이후 우치노우라 우주 센터에서 2003년 5월 9일 13시 29분 25초에 이토카와를 향해 발사되었다

그땐 아무도 몰랐을것이다.. 이 좆만한 위성이 어떤 대장정을겪고 지구로 귀환할지를..

발사 이후 하야부사는 지구 궤도를 돌며 스윙바이를위한 준비를 시작하게된다

일단 스윙바이를 알기 위해서는 호만 전이 궤도 라는걸 알아야 이해하기가 수월한데

호만 전이궤도란 독일의 과학자인 호만 이라는 사람이 생각해낸 목표궤도에 좀더 쉽게 도달하는 방법으로

예전 인공위성이 목표 궤도에 도달하러면 그냥 무식하게 연료를 계속 방출하며 도달하는 방법밖엔 없었으나

이 방법이 착안되고 가장 효과적으로 주 궤도에 이르는 방법이 되었다

일단 추진체의 힘으로 주차궤도에 오른 인공위성이 일정 지점(근지점)에서 인공위성 자체의 엔진을 분사해 타원형 궤도를 만들고

그 뒤 근지점의 180도 반대방향인 원지점에서 또 다시 엔진을 분사하면?

목표궤도에 오르게된다

총 2번의 엔진 분사를 이용해서 계속 추진력을 낼 필요없이 쉽게 주 궤도에 오르게된지

존나 쉬워보이지만 정확한 지점을 잡고 오차 없이 궤도에 오르는데는 많은 계산이 필요할거야

실제로 인공위성 발사부터 주궤도에 오르기까지 그냥 로켓에 불 붙이면 끝나는게아니라

천여개의 소프트웨어가 실시간으로 로켓의 궤도를 끊임 없이 계산,수정해서 목표에 도달하게 해준다

다시 돌아와서, 이 효율적인 방법으로 화성 까지도 행성간 이동이가능하지만 더 먼거리로는 이동 불가하다 그래서 나온게

스윙바이(중력도움,중력점프,슬링샷 효과 다 같은 말)

호만 전이궤도와는 다르게 중력을 이용해 튕겨 나간다는 표현이 맞는것 같다

일단 탐사선이 행성의 중력장 안으로 진입을하면 탐사선의 속도가 행성의 인력에의해 가속되는데

이때 탐사선의 이동방향을 행성의 공전 방향과 비슷하게 측면으로 놓은채 행성에 들이받지 않도록

고도와 각도를 적절히 제어하면 탐사선은 초기 진입속도보다 빠른 속도로 행성을 탈출하게된다

이 탈출 과정에서 탐사선은 행성의 운동에너지를 빼앗아 오는데

행성의 질량과 탐사선의 질량은 비교할수없을정도로 엉청나게 차이나기 때문에 행성의 공전 속도엔 영향을 못끼친다

하야부사는 2003년 5월 19일에 장착된 제논(크세논)이온엔진을 가동하고 스윙바이를 통해 이토카와를 통해 전진한다,

이온엔진은 고 전압으로 이온화된 입자를 분사해 추력을 얻는 방식으로

현재 개발된 우주 엔진중 가장 빠르고 가볍고 작으며 심우주를 탐사하는데 적합하다고 여겨진다

사진은 딥스페이스호 의 이온엔진

아이언맨도 이온엔진으로 날라댕김

근데 여기서 부터 문제가 발생하기 시작한다..

스윙바이 시전하기 며칠전 태양 플레어 폭발로 하야부사의 태양전지가 일부 타버림,

태양전지는 하야부사의 제논 이온엔진을 가동하는데 필요한 동력원으로 (이온엔진은 전기를 존나 처먹는다, 입자를 이온화 시켜야하기때문)

이게 시작부터 맛이 약간 가버린거다

앞으로 겪을 일들에 비하면 새발의 피지만

지구를 떠난 2년뒤 하야부사의 자세제어 장치인 리액션 휠중 X축 담당 리액션 휠이 고장이났게된다

(하야부사에는 X,Y,Z 세개의 리액션 축이있는데 각각 모터에 소형원반을 달아서 그 반작용 으로 자세를 제어하는 방식임)

근데 이 세개중 하나가 고장났으니 남은 2개로 겨우겨우 자세제어하며 목적지로 ㄱㄱ

그후 2005년 9월 12일 드디어 목적지인 이토카와 상공 20km에 도달하게되는데 이토카와 상공에서 정지한채 다음 명령을 기다리던 중

10월 2일 이번엔 Y축 리액션 축이 망가져버린다

하는 수 없이 한 다리(Z축 리액션 축)로 겨우 겨우 자세제어하며 강하 준비 리허설을 시작하려했으나

리허설 도중에 센서 이상이 발생해서 급하게 가동중지

5일뒤 2번째 리허설로 이토카와 상공 70m까지 접근 후 타겟 마커를 투하하고

또 2일 뒤에 미니 탐사체인 미네르바를 투하하지만 이토카와에서 굴러 떨어져 우주미아가 된 후 교신단절

8일 후인 11월 20일 JAXA는 상황이 이상하게 돌아가자

빨리 샘플이나 채취 후 귀환하기위해 이토카와 상공 40m까지 강하 후 타겟 마커(탄환)를 투하 한다

(샘플 채취 방식은 소행성 표면에 쇠구슬을 떨어뜨린뒤 반작용으로 일어나는 먼지를 채취하는 식)

그후 하야부사는 자율모드에 돌입한채 강하 하는데 센서가 이상을 감지한 후 고도를 높이려 했으나 또 센서가 고장을 일으켜 상승도 못한채

강하도 상승도 못하고 소행성에서 이리저리 뒹굴다 통제력을 잃고 소행성 표면으로 추락

추락한 하야부사는 자세를 제어하려했으나 원래 세개인 다리인데 다리 한쪽 가지고 어떻게 일어나?

이내 통신 두절후 섭씨 100도가 넘는 이토카와의 표면에 30분동안 누워있게된다

(딱 사진 모습처럼)

그렇게 30분 동안을 누워있다가 통신복구 후

(원래 성공적이었다면 이런 모습이야함)

하야부사에 장착된 또다른 화학엔진을 가동시켜 소행성에서 이륙에 성공

그러고 JAXA는 두번째 샘플 채취에 도전하지만 실패

?근데 이때 엔진추력으로 흩날린 먼지들이 샘플통에 들어가서 시료채취미션은 완료함

그런데 이번엔 화학엔진에서 연료가 새기 시작한다

연료가 새는 반작용으로 하야부사는 자세제어가 불가능해졌고 누출되는 연료가 기화 함에따라

탐사선의 온도는 급속히 낮아지고 ,배터리는 방전되고 시스템 전체 리셋

2005년 12월 2일 이온엔진 A B C D 네기 모두 재시동해보지만 시동에 실패

똥줄타기 시작한 JAXA는 긴급 자세제어 프로그렘에 착수하지만

또 다시 연료누출이 확인되고 화학엔진은 그 기능을 상실해버린다

그러고 나서 2005년 12월 9일 위성과의 통신이 두절

근데 통신 두절 7주뒤 2006년 1월 23일 JAXA는 기적적으로 하야부사로부터 신호를 수신하게된다

그러고 5월 31일 이온엔진 B D 의 기동이 가능해졌고

2개월동안 태양쪽으로 자세제어와 방전된 배터리충전에 전념

1년뒤 2007년 4월 25일

배터리 충전이 완충된 하야부사가 드디어 지구 귀환 길에 오르게된다

(요시!요시!)

계속되는 노력에 이온엔진 C 가 시동가능에 이르렸고

외발로 자세제어에 성공후 귀환 궤도길에 오르지만

부품 열화로 이온엔진 D가 작동중지해버렸고 이로인해 추력부족으로 귀환 불능이라는 판정을 받게된다

애초에 이온엔진은 1000시간이상 가동할 생각이없었고, 남은 2기도 언제 가동중지되도 이상하지 않을 상황에

남은 2기중 성능 저하로 한 기가 고장을 일으킴

이쯤되면 JAXA 공돌이들 항복하냐?

ㄴㄴ

우리는 답을 찾을것이다 늘 그래왔듯이

정말 예견치 않게 넣은 기능,

(엔진의 각 기능을 따로 분리해 운용가능하게 하는 회로를 시험삼아 연구진이 넣었다함)

이 기능으로 이온엔진 A B 두 대중 살아있는걸 이용해 지구로 귀환 궤도를 재 조정

공돌이들은 2010년 3월 제 2차 궤도변경을 완료하고 4월 정밀 유도를 시작한다..

그러고 드디어 2010년 6월 14일 지구로 귀환

컨트롤 타워에서 마지막으로 보낸 임무, '지구의 모습을 찍어라'

그리고 찍어보낸 사진

이 사진은 하야부사가 지구를 떠날때 찍은 사진이다, 얼마나 만신창이가 됐는지 알 수 있음

원래 하야부사는 캡슐만 지구로 떨군뒤 다시 우주로 나아갈 예정이었지만 그럴 여건이 어딨어

그냥 지구로 떨어뜨림

?

인공위성 본체는 대기권에서 연소되었고 캡슐은 호주로 떨어졌다 그리고 시료도 무사히 얻을 수 있었다

?

이 기적같은 이야기는 이후 다큐멘터리로 만들어져 니혼징들에게 알려졌으며

?

?

하야부사 모에화 사케

영화까지 제작되었다

이 계획이 세워질 무렵 NASDA의 연구진들도

날아가는 총알에 총알을쏴서 맞추는 격이라며 소행성대의 진입조차 성공하기 어렵다고 봤다

지금도 소행성에 인공위성이 접근해 시료를 채취,지구로 재귀환하는건 성공을 장담못하는 고난이도의 계획이고

특히 이야기 처럼 온갖 잔고장이 일어난 고철이 위 계획을 성공시킬 가능성은 0에 가까울것이다

우연이 겹치면 필연이라는 말이 생각나게하는 이야기

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