원자력/우주항공

창어2호, 심우주 라그랑주점(L2) 궤도진입에 성공

발행일 : 2011 / 09 / 01

□ 중국, 유럽우주국(ESA)과 미국에 이어 세계 3번째로 L2에 진입

● 세계 최초로 달 궤도에서 벗어나 직접 라그랑주점(Lagrange Point)에 도착해 탐사를 진행
● 중국은 최초로 달보다 더욱 먼 심우주에서 탐사 진행
● 중국은 라그랑주점 이전궤도와 임무궤도에 대한 설계 및 제어를 전개하고, 지구로부터 150만km 떨어진 우주공간에서 제어 통신 실현

달 궤도를 벗어나 우주공간을 탐사하던 창어 2호는 8월 25일 23시 24분(현지시간) 4대의 10N엔진 점화에 이어 3분후 지구로부터 150만㎞ 떨어진 라그랑주점(L2)의 순환궤도에 진입함으로써, 중국은 유럽우주국(ESA)과 미국에 이어 세계 3번째로 위성을 L2에 진입시켰다고 국가국방과기공업국이 밝혔다.

창어2호가 도는 L2 궤도는 타원형과 유사한 리사주(Lissajous) 궤도이다. 위성이 궤도를 한 바퀴 도는 데 6개월이 소요된다. 창어 2호는 L2 궤도에서 내년 말까지 1년 이상의 우주 탐사활동을 펼칠 예정이다. 한편 위성에 탑재된 태양풍이온검출기, 태양고에너지입자검출기, X선분광기와 감마선분광기 등 페이로드는 지구에서 먼 자기장의 꼬리(magnetotail) 대전입자를 탐사하며, 또 가능하게 발생할 태양 X선 폭발과 우주 γ선 폭발 현상을 관측해 과학적 데이터를 획득함으로써 태양과 지구 우주환경에 대한 인식을 증진시킬 예정이다.

라그랑주점은 1772년 프랑스 수학자 라그랑주가 수학적 추론을 통해 도출한 5개 지점 중 하나로서 태양과 지구의 중력 작용으로 상대적인 정지를 유지할 수 있는 점을 의미한다. 5개 지점 가운데 L2 지점이 태양과 지구의 연속선상에 위치해 있으며, 지구와 150만km 떨어져있다. L2 지점은 위성에 미치는 중력의 영향이 거의 없어 위성의 연료소비를 최소할 수 있고, 탐측기와 천체망원경으로 태양계를 관측할 수 있는 이상적인 위치로 평가되며, 실제 공정응용 가치와 과학탐사 가치가 있어 세계 심우주 탐사의 핫이슈로 뜨고 있다.

창어 2호는 2010년 건국 기념일인 10월 1일 발사됐으며 6개월간 달 상공을 순항하면서 달 표면 3차원 영상자료를 포함한 각종 영상과 관측 자료를 지구로 보내는 등 계획된 임무를 모두 마쳤다.

□ 전문가, 창어2호의 난제 해석

최근 달탐사공정 전문가는 창어2호의 이번 비행에서 부딪치는 난제를 다음과 같이 해석했다.

○ 궤도설계: 태양, 지구, 달의 중력장 모두 감안해야 함

황하오(黄昊) 창어2호위성 책임 디자이너는 “궤도설계에서 복잡한 여러 천체의 중력장을 골고루 감안해야 한다. 지구위성의 경우 궤도설계는 지구의 중력장만 감안하면 되고, 달탐사위성의 궤도설계는 지구와 달의 중력장, 그리고 그 사이의 이어맞추기를 감안해야 한다. 그러나 이번의 궤도설계는 지구와 달은 물론, 태양의 중력장도 감안해야 한다.”고 소개했다.

L2지점은 아주 민감하여 위성의 궤도진입 시의 위치와 속도에 대한 요구가 높아 조금의 오차가 있어도 실패하여 위성이 더욱 먼 심우주로 비행하거나 지구로 되돌아올 수 있다. 따라서 전체 비행궤도는 모두 정확한 계획과 설계가 뒷받침되어야 한다.

L2지점은 불안정한 지점으로서 궤도비행단계에서 위성이 조금의 교란을 받아도 궤도를 이탈할 수 있다. 이 역시 궤도설계의 정밀도에 더욱 높은 요구를 제시했으며, 한편 여러 회의 궤도수정에 직면할 수도 있다.

○ 원거리 도약: 관측능력을 거의 극한까지 밀고 가

L2지점 궤도의 가장 먼 곳은 지구와 약 172만km 떨어져있기 때문에 관측통신의 난이도가 크게 높아져 관측능력을 거의 극한까지 밀고 갔다고 저우젠량(周建亮) 창어2호 임무 관측시스템 부총설계사가 밝혔다. 그는 위성이 가장 먼 곳까지 날아 지났기 때문에 관측시스템은 최대 거리 도전을 이겨냈다고 덧붙였다.

위성이 지구와 170만km 떨어진 곳에 도착하면 관측시간이 달 궤도비행 시의 5초에서 30초로 연장되고, 위성탑재설비의 발사 파워가 최대치에 이르나 신호는 거의 없다시피 하다.

이에 관측시스템은 여러 가지 대응조치를 채택했다. 우선 디지털 유도방식으로 지상에서 위성 위치를 예보하고, 안테나를 제어해 정확한 추적을 진행했다. 이밖에 연구원은 관계 시스템과 소프트웨어를 업그레이드했다. 후속방식으로는 데이터 처리/전송율 저하, 인코딩 방식 변경이 있으며, 이로써 관측통신능력을 제고시킬 수 있다.

○ 장시간 비행: 위성이 자동차보다 늦은 속도로 비행

창어2호는 지구에서 달까지 비행하는데 112시간이 걸렸으나 달에서 L2지점까지는 77일이 걸렸다. L2지점에 도착하는 데는 많은 선택의 여지가 있다. 그러나 위성에 연료가 얼마 남지 않아 결국 에너지 소비가 가장 적은 궤도를 선정했다고 저우젠량 부총설계사가 말했다. 그는 창어2호가 달 궤도에 진입할 때 속도는 초당 11km이나 L2지점까지 비행하는 도중에 위성의 최저 속도가 초당 31m에 불과한 데, 이는 고속도로를 달리는 자동차보다 느리다고 소개했다.

위성 설계 초기 심우주 비행을 감안하지 않았다. 연료가 남은 것은 앞서 창어2호에 대한 정밀한 제어로 절약된 것이라고 저우젠량 부총설계사가 밝혔다.

소개에 의하면, ‘제로창구'(사전에 계산해놓은 발사시간에 분초의 오차도 없이 로켓을 점화하여 발사하되, 어떤 지연이나 변경도 허용하지 않음을 뜻함) 발사와 정밀한 제어로 위성은 대량 연료를 절약한 것으로 드러났다. L2지점까지 비행하는 과정에서 3-4회의 궤도수정을 실시하기로 계획했었으나 고정밀도 제어로 6월 20일 한 번의 궤도수정으로도 예기의 목표에 도달할 수 있었다.

연료절약을 위해 관측시스템은 창어2호가 저속도로 비행하도록 조치했다. 왜냐하면 속도가 빠르면 ‘브레이크’ 시의 연료소비가 많아지기 때문이다. 현재로서는 창어2호가 당분간 연료부족 우려가 없어 보인다. 위성이 L2 궤도에서 내년 연말까지 비행하려면 초당 96m의 속도를 유지해야 하나, 현재 남은 연료로서는 초당 130m의 속도도 가능하다.

○ 기한을 넘어 서비스: 위성 페이로드가 시련을 이겨낼 수 있는지

창어2호는 설계수명이 반년으로 기한이 이미 넘었다. 게다가 앞으로도 1년 이상 작동해야 하는데, 이는 위성에 탑재된 계측기설비의 신뢰성, 실제능력에 대해 시련이라 할 수 있다.

위성발사 전에 관측시스템은 104건의 고장대응책을 마련했다. 현재는 위성의 관측거리가 멀고, 기한을 넘어 서비스하는 등의 특징에 대비해 또 다른 새로운 대책을 마련한 상태다.

창어2호는 L2지점으로 비행함으로써 세계 최초로 달 궤도에서 직접 L2지점으로 날아간 우주장치로 부상했으며, 궤도 설계, 비행 제어, 관측, 통신 기술의 획기적인 성과를 거두었다고 우즈젠(吴志坚) 달탐사공정 부총지휘가 지적했다.