우리는 미항공우주국(NASA·나사)과 제트추진연구소(JPL)가 대기 밀도가 지구의 100분의 1에 불과한 화성에서 최초로 동축 헬리콥터(이하 헬기) ‘인제뉴어티’ 비행에 성공했다는 것을 익히 알고 있다.

NASA가 후속으로 훨씬 더 큰 6축으로 된 화성과학헬리콥터(MSH·Mars Sceince Helicopter)를 보낼 준비를 해왔다. 이 헬기는 현재 화성에서 활약 중인 인제뉴어티 무게(1.8kg)의 17배나 되는 31kg짜리 6축 헬리콥터다. 이 헬기는 아직 컨셉 차원이지만 꽤 세밀한 설계 내용까지 연구돼 있는 것으로 밝혀졌다. 이런 내용은 지난 주 NASA가 차기 화성 비행 헬기 설계를 상세히 기술한 백서를 발표하면서 드러났다.

백서까지 등장한 만큼 NASA와 JPL이 언제 인제뉴어티 후속 화성 헬기인 MSH를 개발해 화성에 착륙시킬지가 관심을 모으고 있다. 임무, 제원, 성능 및 효율성 등도 궁금해진다. 무엇보다도 획기적인 이 헬기의 2가지 기능은 기존 지표면 탐사로봇이나 인제뉴어티가 가지 못한 곳에서 직접 투사기를 쏘아 표본을 채집까지 하는 데다 화성 물얼음 지도제작까지 맡게 된다는 점이다.

NASA와 JPL은 아직 후속 헬기 발사계획에 대해 자세히 밝히지는 않고 있다. 하지만 화성에서 인제뉴어티를 면밀히 모니터링하고 있는 만큼 이 임무에 이어 후속 화성 헬기를 보내게 될 것이 분명해 보인다.

시험 모델을 보낸 후 본대를 보내는 방식은 이전에도 있었다.

NASA는 1997년 7월 화성 지표면 탐사 가능성을 확인하기 위해 소형 탐사로봇 소저너를 화성에 착륙시켰다. 소저너는 당초 7 화성일 동안의 임무를 부여받았지만 83일 동안 활동했다. 이 성과는 NASA가 후속 스피릿, 오퍼튜니티, 큐리오시티, 퍼서비어런스 같은 화성 지표면 탐사로봇들을 차례로 화성으로 보내는 데 필요한 경험과 자신감을 확보할 수 있게 했다. 인제뉴어티도 소저너처럼 화성 과학탐사용 헬기 임무가 무엇을 할 수 있는지를 확인하기 위한 예고편인 셈이다.

JPL의 인제뉴어티 수석 과학자 밥 발라람은 “현재 MSH 개념이 광범위한 잠재적 과학 임무에 충분히 성숙돼 있으며, 다음 단계는 착륙 위치, 시기, 전체적인 목표와 제약 등을 고려해 가며 특정 임무 시나리오에 맞게 최적화하는 것”이라고 밝혔다.

MSH에 대해 알아 봤다.

인제뉴어티 vs MSH

JPL과학자들은 백서에서 더크고 더많은 날개축을 가지며 더 오랫동안 화성 상공을 날아 다닐 차기 화성 과학 헬기(MSH)를 제안하고 있다.

먼저 현재 화성에 있는 인제뉴어티는 지난 4월 3일(현지시각) 탐사용 로봇 퍼시비어런스와 함께 화성에 도착한 소형 화성 비행 헬기로서 무게 1.8㎏, 날개 길이 1.2m다. 지난 4일 11번째 비행에서 최장비행시간인 약 2분간 비행했다. 지난 4개월 동안 화성 하늘에서 비행 가능하며, 실용적이며, 탐사로봇에 실질적 과학적 가치를 제공할 수 있음을 충분히 입증하고 있다.

NASA는 이를 통해 얻은 데이터를 통해 미래 화성 탐사에 긍정적 영향을 미칠 방법을 찾고 있다.

현재 후속으로 준비되고 있는 컨셉 MSH는 질량이 약 31kg이고 총 지름이 4m가 조금 넘으며, 6개의 로터가 각각 0.64m인 4개의 날을 가지고 있다. 최고 시속 107km(초속 약 30m), 그리고 각 비행마다 최대 선회시간은 5분이다. 최대 5kg이나 되는 적재량은 MSH가 과학적 기기들을 싣는 데 매우 매력적이다. 1회 비행시 최대 10km거리를 비행하며 동체에 붙어있는 태양전지는 1 화성일 동안이면 MSH의 배터리를 충전할 수 있다.

MSH의 이러한 성능은 큐리오시티가 지난 수년간 탐사한 것 같은 지표면 탐사작업을 단 몇일만에 수행할 수 있다는 것을 의미한다.

JPL이 MSH를 6축으로 설계한 것도 나름대로 이유가 있다. 6축 방식이 동축 설계시보다 다소 무겁긴 하지만 한 개(또는 두 개)의 비기능 로터만으로도 작동할 수 있는 장점을 갖기 때문이다.

JPL과 협력사는 이미 MSH의 블레이드 설계, 제조 가능성, 그리고 MSH가 착륙선에 실려 화성에 진입, 하강 및 착륙을 할 때 에어로셸 내부에서 접히는 방식까지도 연구해 놓고 있다.

인제뉴어티 화성 착륙 3년 전부터 MSH 준비

사실 NASA의 화성 과학 헬리콥터에 대한 많은 작업이 퍼서비어런스와 인제뉴어티의 화성 착륙 이전에 이뤄졌다. 이 덕분에 MSH 팀은 인제뉴어티가 지난 몇 달 동안 어떤 성능을 보여왔는지에 대해 많은 것을 배웠으며, 이는 다시 MSH 설계를 결정할 많은 정보를 제공하고 있다.

약 3년 전 JPL과 NASA 에임즈 연구센터, 그리고 인제뉴어티 개발을 도운 에어로바이론먼트(AeroVironment)의 로봇 기술자들은 인제뉴어티의 설계와 테스트 단계가 대부분 끝나고 퍼서비어런스 탐사로봇 발사가 가까워지자 차세대 화성 헬기를 개발하기 시작했다.

이들은 어떻게 효과적으로 화성 헬기를 확대할 수 있을지, 어떤 종류의 과학 기구들을 운반할 수 있을지, 그리고 그런 헬리콥터로 어떤 임무를 수행할 수 있을지 등에 대해 그림을 그리기 시작했다.

그 결과가 화성 표면 탐사로봇 지원 없이도 독특한 과학임무를 수행할 수 있는 6축 로터에 31kg 무게의 MSH였다. 즉 6축에 각각 4개의 비행날이 붙어 있는 헥사(6축)헬리콥터다. 이에 달리 인제뉴어티는 위아래 로터가 모두 같은 축에 붙어 있는 동축 헬기다.

JPL의 수석 엔지니어이자 화성 과학 헬리콥터에 관한 백서 저자 중 한 명인 J. 밥 발라람은 “인제뉴어티의 크기를 늘리거나 줄이는 것 모두 가능하다. 우리는 정찰용으로 더 작게 만들 수 있고 대형 독립형 헬리콥터로 확장할 수도 있다. 그리고 그 사이에 아마도 5kg급이 있을 것이다. 먼 곳에서 샘플을 채취해 분석을 위해 착륙선으로 가져가는 것이다”라고 말했다.

MSH, 도달하기 힘든 곳 표본채취 및 화성 물얼음 지도 제작

JPL과 NASA 과학자들이 향후 MSH등을 통해 수행할 커다란 잠재적 임무 사례에는 접근 불가능한 곳에서의 생명체 탐색, 그리고 화성의 물얼음을 찾아 지도를 그리는 것이다.

생명체 탐색과 관련한 NASA의 최대 관심지역은 ‘마스 밸리스’(MAWRTH VALLIS)같은 접근 불가능한 곳이다.

마스 밸리스 계곡은 약 35억년 전 강, 호수, 습지 등이 있었을 가능성 높은 640km의 거대한 수로다. 지구에서는 이런 곳에서 발견되는 광물들에 유기물이 들어 있다.

헬기는 넓은 지역에 걸쳐 유망한 장소를 정찰한 뒤 팔과 마이크로 드릴을 이용해 샘플을 착륙선으로 가져오게 되며, 착륙선에는 마이크로 영상 처리 및 생명탐지 장비를 포함한 과학 장비들이 실려 있게 될 것이다. 그리고 화성에서 도저히 발견될 것같지 않은 생명체가 발견될 경우, 헬리콥터로 공중 이송된 샘플링은 오염을 방지하는 데 도움을 주게 된다.

백서에서 이러한 임무 시나리오를 통해 제시하는 가장 놀라운 잠재적 헥사콥터 용도는 접근 불가능한 표면에 접촉하는 방식의 조사다. 즉, 탐사로봇은 물론 사람도 결코 도달할 수 없는 절벽 중간같은 지역을 비행해 암석이나 토양의 샘플을 채취한다.

발라람은 “드론으로부터 작은 투사물을 발사해 절벽에 박은 후 절벽 샘플과 함께 감아 올린다. 혹은 모으고 싶은 초록색 찌꺼기를 찾게 됐을 때 파리잡이 종이처럼 끈적끈적한 것을 쏠 수도 있다. 이것이 우리가 잠재적으로 할 수 있는 과학의 일종이다”라고 말했다.

MSH의 또다른 중요한 미션은 화성 물얼음 지도 제작이다.

화성의 북반구 고위도 지역 지표면 바로 아래에는 상당한 양의 물얼음이 있는 것으로 여겨진다.

발라람과 그의 팀은 백서에 “많은 얼음으로 뒤덮인 한 급경사 지역은 직경 75km에 동경 212°, 북위 54.7°에, 해발고도 –4000m인 밀란코비치 분화구다. 또 분화구 안과 주변의 풍경은 빙하인접 활동 및 빙하활동을 보여주면서 광범위한 지상 얼음을 가리킨다. 얕은 땅위의 얼음은 또한 미래의 인류 탐사를 위한 귀중한 자원이다. 우리는 얼음으로 덮인 경사와 주변 지역을 근접해 조사하기 위한 독립형 6축 헬리콥터 사용 임무를 제안한다”고 썼다.

이는 화성의 물의 순환과 기후 역사를 이해할 열쇠이자 물 얼음이 미래의 인류 탐사를 위한 로켓 연료뿐만 아니라 호흡용 산소를 공급할 수 있기 때문에 중요하다.

궤도에서 정확한 지표면 아래 얼음의 지도를 만들기는 어렵지만 중성자 분광계, 적외선 이미저 및 기상학 패키지가 장착된 MSH의 대형 헥사콥터 버전은 매우 넓은 영역에서 고해상도 데이터를 제공할 수 있다.

발라람은 “화성 헬기는 화성을 바라보는 완전히 새로운 방식이다. 이는 도달 범위와 해상도를 제공한다. 바퀴 달린 탐사로봇이 갈 수 없는 곳까지 갈 수 있다. 매일 수 km씩 이동할 수 있다. 게다가 어떤 높이로 비행하느냐에 따라 원하는 도구로 원하는 해상도를 얻을 수 있다”고 설명했다.

MSH에 많은 도움을 준 인제뉴어티

NASA와 JPL이 인제뉴어티를 화성에 착륙시키기 전에 가장 어려웠던 점은 이 헬기 착륙 지점을 선정하기 위해 의존한 화성궤도 위성 촬영 사진의 신뢰성이었다. 또하나는 현대 컴퓨팅 하드웨어와 소프트웨어가 우주선에서 어떻게 사용될 수 있을지였다.

인제뉴어티는 상대적으로 낮은 화성 궤도위성 촬영 이미지가 착륙 작업에 상당히 적합하며 신뢰할 만 하다는 것을 보여주었다. 이는 MSH가 자동 착륙하고 설계 단순화 및 질량 절감을 하는 데 있어 매우 정교한 위험 감지 시스템이 필요하지 않을 수 있다는 것을 말해 준다. 또한 이 헬기는 리눅스에서 돌아가는 퀄컴 스냅드래곤 801로 평소보다 좀더 창의력을 발휘할 수 있다는 점도 증명했다. 이 소형 헬기는 퍼서비어런스 로버보다 150배나 많은 컴퓨팅 파워를 제공받았다.

발라람은 인제뉴어티의 성공 방식을 MSH에도 유사하게 활용하기를 원하고 있다. 그는 “인제뉴어티를 통해 입증한 것 중 하나는 기술 시연이었지만 우리는 여전히 영리한 컴퓨팅 아키텍처를 통해 적절한 수준의 예비컴퓨팅 능력을 구축할 수 있었다는 것도 알게 됐다”고 말했다.

연구팀은 이 프로세서를 사용하는 것이 방사선 관점에서는 약간 취약할 수 있지만 컴퓨팅에는 큰 문제가 없다고 보고 있다.

NASA는 MSH를 화성에 보낼까

현재 NASA의 화성 프로그램은 화성 생명 존재를 증명할 표본을 가지고 착륙선으로 복귀하는 작업에 초점을 맞추고 있다. 화성 헬리콥터가 샘플 복귀 임무에서 독특하고 설득력 있는 역할을 할 수 있지만, 결코 분명하게 결정한 것은 아니다.

NASA가 MSH 임무에 자금지원을 하지 않는 결정을 내리지 않는 한 차기 화성 헬기는 비용, 복잡성, 위험성에 대한 잠재적 과학성을 따져보는 경쟁적 제안 과정에서 살아남게 될 것으로 보인다.

발라람은 “인제뉴어티가 매우 효과적이었다는 점을 감안할 때, NASA가 MSH를 가지고 완전히 새로운 방식으로 화성을 접하게 될 기회를 주게 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 인제뉴어티는 지난 4일 고대 화성의 생명 징후를 찾아 제제로 분화구를 탐험하고 있는 퍼서비어런스 지상 탐사로봇을 돕기 위한 일련의 정찰 임무를 준비했고, 이 때 381m 상공에서 130초 동안 11번째 비행을 성공적으로 수행했다. 인제뉴어티는 이 2분 여 비행 후 과학자들이 ‘사우스 사이타(South Séítah)’로 부르는 지역에 착륙했다.

이곳은 화성 제제로 분화구 바닥에 있는 지반으로, NASA 과학자들은 이 헬기를 매우 곤란하게 할 모래 파문이 일어날 것을 우려하고 있다.

퍼서비어런스는 현재 제제로 분화구에 있는 착륙 지점에서 남쪽으로 향하고 있으며, 인제뉴어티는 퍼서비어런스의 탐사를 돕기 위해 그곳을 정찰하고 있다.