▲나사의 자율주행 헬리콥터인 인제뉴어티(Ingenuity·창의력)는 다른 행성에서 비행하는 최초의 동력 항공기가 될 것으로 보인다. 연구원이 드론을 점검하고 있다. (사진=나사)

美항공우주국(NASA·나사)이 지난달 23일(현지시각) 화성 지표면 탐사용 로봇인 퍼시비어런스의 배에 탑재돼 화성에서 비행하게 될 드론 헬리콥터 '인제뉴어티'의 비행 테스트 장면 등을 공개했다. 특히 록히드마틴의 테스트 시설 점검과정 및 비행하는 화성 드론의 여러 모습들(맨 아래 동영상)이 관심을 집중시킨다.

발사를 한달 정도 남겨놓은(7월말 8월초) 차기 화성 탐사 미션인 ‘퍼시비어런스(Perseverence·인내)’는 다른 행성에서 첫 동력 비행을 할 자율비행 드론 헬리콥터 인제뉴어티(Ingenuity·창의력)와 함께 화성 임무를 수행한다.

만일 화성에 생명체가 존재한다면, 나사의 화성 지표면 탐사로봇인 ‘퍼시비어런스’가 그 흔적을 찾을 수 있을 것이다. 플로리다의 케네디 우주센터에서 발사될 예정인 나사 탐사선은 화성의 고대 호수 바닥에서 바위를 뚫고 생물학적 특성을 검사하며, 언젠가 지구로 가져오게 될 화성 토양 샘플을 채취할 수 있도록 설계됐기 때문이다.

하지만 화성 임무에서 성공하기 위해서는 또다른 창의력(인제뉴어티)이 필요하다. 화성탐사선 로켓에는 인내(퍼시비어런스)가 함께 실려 발사된다. 그리고 이 탐사로봇의 몸체 아래에 고정된 것은 ‘인제뉴어티’로 불리는 작은 자율형 드론 헬리콥터다. 모든 것이 계획대로 진행된다면, 이 헬기는 다른 행성에서 동력 비행을 하는 최초의 항공기가 될 것이다.

◆쉽지않은 화성 대기중 드론 띄우기

화성에 드론을 띄우는 것은 간단해 보이지만 결코 그렇지 않다. 이 붉은 행성에서 작동되는 비행체를 설계하는 것은 매우 어려웠다. 엔지니어들에게 최악의 적은 지구 대기의 밀도 1%도 안 되고, 착륙지점에서는 밤에 –100℃까지 떨어진다.

캘리포니아 패서디나에 있는 나사 제트추진연구소(JPL)의 비행시험 책임자인 테오도르 차네토스는 “지구의 산들바람을 상상하라”며 “이제 그 바람의 1%가 헬리콥터를 들어 올리고 제어하기 위해 물고 있거나 움켜쥐고 있다고 상상해 보라”고 말한다. 이렇게 희박한 대기 속에서 지구상의 헬리콥터는 지금까지 단 한 번도 날아본 적이 없다.

퍼시비어런스와 인제뉴어티는 내년 2월 18일 화성의 ‘제제로(Jezero)’라는 분화구에 착륙한 뒤 탐사를 위해 출발한다. 약 60 화성일 후에 탐사로봇 퍼시비어런스는 지면에서 약 100m 이동한 후 이 드론 헬리콥터가 이륙하는 것을 지켜보게 될 것이다.

◆퍼시비어런스는 자동차 크기 1025kg, 드론은 1.8kg 불과 분당 헬기보다 5배 빠른 회전

자동차 크기의 탐사로봇 ‘퍼시비어런스’는 질량이 1025kg인 데 반해 인제뉴어티 드론은 1.8kg에 불과하다.

▲화성 탐사로봇은 자동차 크기의 퍼시비어런스로서 질량이 1025kg인 데 반해 이 로봇의 배에 달려 발사될 인제뉴어티 드론은 1.8kg에 불과하다. (사진=나사)

드론의 동체 크기는 티슈 상자 수준이다. 인제뉴어티의 쌍둥이 탄소섬유 로터(회전날개)는 다른 로터 위에 설치돼 위로 올라가 앉아 지구상의 대부분의 헬리콥터 로터보다 5배 빠른 분당 약 2400회전(2400rpm)으로 서로 반대 방향으로 회전한다. 이들이 조금이라도 더 느리게 간다면 헬기는 날 수 없을 것이다. 그럴 경우엔 훨씬 더 빠른 로터 바깥쪽 가장자리가 초음속으로 접근해 충격파와 난기류를 일으켜 드론을 안정화시킬 수 없다.

헬기모습의 자율형 드론인 인제뉴어티를 화성대기에서 날리는 것은 기술 시연을 위해서다. 이 미션 운영자들은 30일 동안 최대 5편의 비행체를 만들기를 원하고 있다. 90초 이상 지속 비행하거나, 10m 이상 고도에 도달하거나, 이륙에서 착륙까지 300m 이상에 이르는 드론 비행은 계획에 없다.

▲화성에 드론을 띄우는 것은 간단해 보이지만 결코 그렇지 않다. 이 붉은 행성에서 작동되는 비행체를 설계하는 것은 매우 어렵다. 엔지니어들은 지구 대기의 밀도 1%도 안 되고, 착륙지점에서는 밤에 –100℃까지 떨어지는 곳인 화성에서 이 드론이 작동하게 만들어야 한다.(사진=나사)

이 프로젝트를 담당한 조시 라비치 JPL 기계공학 책임자는 “지구의 드론보다 조작성이 다소 떨어질 수 있지만 지구에서의 로켓 발사시, 지구에서 화성까지의 여행, 화성 표면 진입시, 하강, 착륙, 그리고 화성의 추운 밤에서도 살아남아야 한다”고 말한다.

이 때문에 JPL 엔지니어들은 전력, 내구성, 기동성, 무게에 대한 경쟁력이 필요한 요구를 충족시키기 위해 수년 간의 설계 작업을 거쳤다. 대부분 로터 위의 소형 태양광 패널과 리튬이온 배터리에서 공급받는 드론 전력은 비행용이 아닌 무선과 비행 유도 시스템을 밤새 따뜻하게 유지하는 데 쓰일 예정이다.

연구진은 드론내부의 전자기기 절연용으로 초경량 폼인 에어로겔을 고려했지만 그조차도 너무 많은 무게를 더할 것이라고 생각했다. 모델링을 통해 이산화탄소가 주성분인 화성 대기가 약간의 열을 완충시켜 줄 것이라는 것을 알 수 있었다.

◆“인제뉴어티 드론 띄울 최적의 시간은 화성의 늦은 아침”

연구팀은 화성에서 이 드론의 첫 비행에 가장 좋은 시간은 화성의 늦은 아침이라고 계산했다. 그 때 쯤이면 단기비행을 위해 전지를 충전할 수 있을 정도로 태양빛이 강하다. 그러나 더 오래 기다리다간 태양의 따뜻함이 또한 공기 기류를 상승시켜 표면의 공기를 희박하게 만들면서 양력을 발생시키기 더욱 어렵게 만들 것이다.

JPL 연구진은 드론이 조금이라도 날아갈 수 있을지 확인하기 위해 모의 화성 대기권으로 가득 찬 3층짜리 방에 시험용 드론 모델을 넣었다. 그위에 철사 장치가 세워져 화성의 0.38g의 중력을 시뮬레이션 했다. 드론은 날았다. 그러나 라비치는 진짜 테스트는 화성에서 할 것이라고 말했다.

인제뉴어티가 성공하면 미래의 미션은 드론을 정찰용으로 사용해 탐사로봇이나 우주비행사들이 접근하기 어려운 절벽 옆면 및 화산 탐험을 도울 수 있을 것이다. 라비치는 “우리는 화성을 표면만 보거나 궤도탐사선을 통해서만 봤다”며 “90초 비행에서는 수백 m 전방을 볼 수 있다”고 말했다. 이 내용은 2020년 7월 종이 인쇄물에 ‘화성 헬리콥터 발사준비(A Mars Helicopter Preps for Launch)’란 제목으로 실린다. 아래 동영상을 통해 이 드론을 테스트하는 모습을 볼 수 있다.