▲ 중국 화성 탐사 우주선(사진=중국우주비행과학기술그룹회사(中國航天科技集團公司·CASC)

지난 1971년 소련은 화성에 우주 탐사선 ‘마스(Mars) 3’를 착륙시키려 했으나 착륙 도중 빈 이미지만을 전송한 후 교신이 끊기면서 착륙에 실패했다. 미국 항공우주국(NASA)은 지난 1976년 한쌍의 바이킹 착륙선을 화성에 착륙시킨후 지속적으로 화성 탐험 활동을 벌이고 있다. 미국은 세계에서 가장 많은 화성 탐사 기록과 경험을 보유하고 있는 국가다. 이제 중국이 화성 탐험에 도전하고 있다. 중국은 화성 탐사를 위한 로켓 발사를 수개월 앞두고 있지만 많은 부분이 아직 베일에 쌓여 있다.

‘IEEE 스펙트럼’은 그동안 중국측이 발표한 내용과 천체 우주과학자들의 의견을 바탕으로 중국의 화성 탐사 계획에 관해 전반적으로 소개했다.

발사

우주 과학자들은 중국이 NASA의 화성 탐사 로버(rover)인 ‘퍼시버런스(Perseverance)’나 아랍에미레이트의 자금 지원으로 추진하고 있는 ‘호프(Hope)' 궤도선처럼 올해 7월경 로켓을 발사할 것으로 예상하고 있다. 이 기간은 우주 과학자들이 ’호만 전이 궤도(Hohmann transfer orbits)‘라고 부르는 기간으로 26개월에 한번씩 돌아온다. 이 기간에 화성 탐사에 나서면 최소의 연료와 엔진을 사용해 지구에서 화성까지 도달할 수 있는 최적의 궤도를 찾을수 있다.

▲ 중국의 우주 로켓 발사 장면(사진=중국우주비행과학기술그룹회사(中國航天科技集團公司·CASC)

중국의 화성 탐사 우주선은 창정 5호(长征五号·Long March 5) 로켓에 실려 약 7개월간의 대장정을 떠날 예정이다. 화성 궤도에는 내년 3월경 진입할 것으로 예상된다. 우주선은 5톤에 달하며 궤도선, 탐사 로버용 착륙 장치 등으로 이뤄져 있다. 우주선은 4월까지는 화성 궤도에 머물러 있는다. 궤도선은 사전에 선정된 착륙 지점에 대한 영상 촬영을 위해 한쌍의 카메라를 탑재하고 있다. 탐사 로버는 무게 240kg이며 아직 명칭이 공식적으로 발표되지는 않았다.

착륙

화성의 대기권은 아주 엷고 중력도 크게 차이가 난다. 이 때문에 착륙시 우주선이 위험한 수준까지 과열된다. 게다가 지구와 화성의 거리는 1억5000만km에 달한다. 지구와 화성간에 무선 통신 데이터를 보내는 데 8분간의 시간이 걸린다. 따라서 우주선은 착륙 프로세스를 지구와의 교신없이 자율적으로 수행해야 한다. 중국은 지난해 창어 4호(嫦娥四號·Chang’e-4)를 이용해 달의 먼쪽 지표면에 착륙했을 때 창어4호의 GNC 기술을 활용했다. GNC는 우주선의 착륙을 위한 유도(guidance), 네비게이션(navigation), 제어(control) 기술을 의미한다. 당시의 GNC 경험이 이번 화성 탐사에 활용된다. GNC는 우주선이 자율적으로 화성에 착륙할 수 있도록 도와주는 기술이다.

우주선은 화성 대기권 진입시 발생하는 열을 최대한 차단하기 위해 70도 각도의 원추형 모습을 하고 있다. 이 같은 우주선의 구조는 대기권 진입시 우주선의 속도를 빠르게 낮춰준다. 다음 단계로 우주선은 낙하산을 펼쳐 속도를 더 낮춘다. 중국은 유인 우주선인 선저우(Shenzhou·神舟)의 지구 대기권 재진입 및 착륙 기술을 기반으로 화성 우주선의 착륙 기술을 설계했다.

마지막 하강 단계에선 역추진 기술이 사용되는데, 7500뉴톤의 변형 추력엔진(variable thrust engine)이 채택되었다. 총 3단계를 거쳐 착륙에 필요한 수준까지 속도를 낮추는 것이다. 변형 추력 엔진 기술은 창어-3와 창어-4의 달 착륙선에 활용됐다. 착륙선은 네비게이션 데이터를 획득하기 위해 레이저 거리 측정 기술과 마이크로 웨이브 거리 속도 센서를 활용한다.

착륙선은 화성 70m 고도에 이르면 우주선으로부터 분리된다. 이때 3D 레이저 스캐닝, 즉 라이더 기술을 이용해 착륙 지점을 찾게 된다. 착륙선은 광학 카메라를 탑재하고 있는데 20m 상공에서 장애물 회피 모드를 작동시켜 착륙 지점을 최종 확인하게 된다.

착륙 지점

중국은 2개의 착륙 지역 가운데 여러 곳의 착륙 지점을 검토하고 있다. 현재 유토피아 평원의 2곳이 유력하게 검토되고 있다. 다른 착륙 지점은 크리세 평원(Chryse Planitia)으로, 바이킹 1호와 패스파인더(Pathfinder)의 과거 착륙 지점에서 가까운 곳이다. 중국 산둥대학(山東大學) 우주과학연구소는 혹시 착륙시 생길지 모르는 먼지 폭풍의 가능성에 대해 연구하고 있다.

▲ 미 애리조나대학 연구진이 화성 정찰 우주선에 탑재된 고해상도 카메라(HiRise)로 촬영한 화성의 지표면(사진=애리조나대)

중국은 여러 번의 화성 탐사 경험을 갖고 있는 NASA와 달리 착륙 지점의 범위(landing ellipses)를 100 x 40km로 넓게 잡고 있다. 이에 비해 NASA의 화성 탐사 로버 퍼시버런스의 착륙 지점 범위는 25 x 20km이다.

중국은 화성 탐사 미션을 위해 중국, 나미비아, 아르헨티나 등에 지상국을 운영하고 있다. 창정 5호 로켓은 올해 1월 테스트를 마쳤으며 탐사 로버는 시뮬레이션 환경에서 마지작 환경 테스트를 통과했다. 모든 과정이 계획대로 이뤄진다면 우주선은 오는 7월 지구를 떠나 2021년 3월경 화성에 도착할 것으로 예상된다. 창정 5호는 오는 7월 하이난섬에 있는 원창 위성우주발사센터(文昌卫星发射中心)에서 발사될 예정이다.