드래곤플라이(Dragonfly) 계획, 타이탄을 향해[EP.08]

목차 드래곤플라이(Dragonfly) 계획의 바탕 계획명 '잠자리(Dragonfly)' 타이탄의 환경을 견디기 위한 드래곤플라이의 설계와 구조는 어떨까?

 드래곤플라이(Dragonfly) 계획의 바탕

 '뉴 프론티어스(New Frontiers)' 계획

뉴 프론티어스(New Frontiers) 프로그램은 NASA가 우주 탐사 미션을 진행하는 일련의 프로그램으로, 태양계의 이해를 더욱 발전시키기 위한 목적으로 진행됩니다. 이 프로그램은 고급 과학 성과를 제공할 수 있는 중간 규모의 미션을 선택했습니다.

 

현재 진행 중인 뉴 프론티어스 미션은 세 개이며 하나는 개발 중에 있습니다. 2006년에 발사되어 2015년에 명왕성에 도착한 뉴 호라이즌스(New Horizons), 2011년에 발사되어 2016년에 주피터 궤도에 진입한 주노(Juno), 2016년 9월에 발사되어 2018년부터 2021년까지 베누 소행성을 상세히 연구하고 2023년에 지구로 샘플 반환을 계획한 OSIRIS-REx가 있습니다.

 

2019년 6월 27일, 드래곤플라이(Dragonfly)가 뉴 프론티어스 프로그램의 네 번째 미션으로 선택되었습니다.

 

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계획명 '잠자리(Drangofly)'

 무엇을, 어떻게, 왜 탐사하는가?

드래곤플라이(Dragonfly)는 계획 중인 우주선 및 NASA의 미션으로, 토성의 가장 큰 위성인 타이탄의 표면으로 로봇 로터크래프트를 보낼 것입니다. 이는 타이탄 상에 처음으로 날아가는 항공기가 되며,  어떠한 위성에서도 처음으로 동력이 공급되고 완전히 조종된 대기 내 비행을 수행하며, 생화학 및 외계 생명 가능성을 연구하기 위한 것입니다. 그 후에는 수직 이륙 및 착륙(VTOL) 능력을 활용하여 탐사지 사이를 이동할 것입니다.

 

타이탄은 물과 얼음으로 뒤덮인 세계의 표면에 풍부하고 복잡하며 다양한 탄소 풍화학을 가지고 있어, 내부의 물 바다와 함께 독특한 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 타이탄은 외계 생명 과학 및 생명의 기원 연구의 중요 대상이 됩니다. 드래곤플라이 미션은 2017년 4월에 존스 홉킨스 응용 물리 연구소(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, APL)에서 NASA의 뉴 프론티어 프로그램에 제안되었으며, 2017년 12월에 12개 제안 중 두 개의 최종 선정 작업 중 하나로 선정되어 미션 개념을 더욱 세밀하게 개발하였습니다. 2019년 6월 27일, 드래곤플라이는 뉴 프론티어 프로그램의 네 번째 미션으로 선정되었습니다. 타이탄은 초기 지구와 유사하며, 지구 상에서 생명이 어떻게 발생했을지에 대한 단서를 제공할 수 있는 천체입니다. 2005년에 유럽우주국의 후이겐스 랜더(Huygens lander)가 타이탄의 대기와 표면에 대한 일부 측정을 수행하여, 대기와 표면에 다양한 종류의 탄화수소 (유기 화합물) 혼합물인 톨린(tholins)을 감지하였습니다. 그러나 타이탄의 대기가 여러 파장에서 표면을 가리기 때문에, 표면에 있는 고체 탄화수소 물질의 구체적인 구성은 크게 알려져 있지 않습니다.

 

타이탄을 연구하는 주요 목표 중 하나는 지구상에서 생명의 기원과 관련된 환경에서의 전생화학 과정의 진행을 이해하는 것입니다. DNA에 정보를 인코딩하는 염기인 피리미딘(pyrimidines)과 단백질의 구성 성분인 아미노산의 주요 성분을 포함한 환경에서 전생화학의 진전을 연구합니다. 고체 탄화수소 물질과 풍부한 유기 화합물이 상호 작용한 잠재적인 용융된 물의 위치가 관심을 끄는 지역입니다. 드래곤플라이(Dragonfly)는 타이탄의 환경의 생존 가능성을 특징화하고, 전생화학의 진전 정도를 조사하며, 물을 용매로 하는 가설적인 생화학 유형까지도 생명의 지표로 작용할 수 있는 바이오시그니처(생물의 흔적)를 찾기 위한 능력을 제공할 것입니다. 타이탄의 대기는 질소와 메탄이 풍부하게 함유되어 있으며, 액체 메탄이 표면에 존재하는 강력한 증거가 있습니다. 또한 지하에는 액체 물과 암모니아의 존재가 증거로 제시되어, 크라이오 화산의 활동에 의해 표면으로 전달될 수 있습니다. 

 

요약하자면, 드래곤플라이(Dragonfly)는 토성의 위성 타이탄(Titan)에서의 우주생물학 연구를 목표로 한 미션으로, 미생물 거주 가능성을 평가하고 다양한 위치에서 전생 화학을 연구하는 것이 주요 목적입니다. 드래곤플라이는 특정 장소 사이에서 제어된 비행과 수직 이착륙을 수행할 계획이며, 타이탄 표면의 여러 다양한 지역으로 비행하여 다양한 지질학적 관점에서 샘플링을 진행할 것입니다.

 

드래곤플라이의 성공적으로 비행한다면  지구 이외의 천체에서 두 번째 회전익 항공기로써의 업적을 성취하게 됩니다. 이전에는 화성 로버 퍼시버런스와 함께 화성에 착륙한 기술 시연용 UAV 헬리콥터 독창성을 의미하는 'ingenuity'가 2021년 2월 18일에 성공적으로 달성한 바 있습니다. 이러한 업적은 2021년 4월 19일에 동력 비행을 성공적으로 달성함으로써 완성되었습니다.

 

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타이탄의 환경을 견디기 위한 드래곤플라이의 설계와 구조는 어떨까?

 타이탄의 환경에 딱 맞는 설계!

드래곤플라이(Dragonfly)는 타이탄(Titan), 토성의 위성, 탐사를 위한 기획된 회전익 항공기(드론)입니다. 이는 큰 크기의 쿼드콥터와 비슷한 형태로, 더블 로터를 갖춘 옥토콥터 구성을 가지고 있습니다. 드래곤플라이는 로터나 모터 고장이 발생해도 운용이 가능하도록 여분의 로터 시스템을 갖추고 있습니다. 여덟 개의 로터 중 각 로터의 지름은 약 1미터 정도입니다. 이 우주선은 초당 약 10미터의 속도로 이동하며 최대 4킬로미터(13,000 피트) 높이까지 상승할 것으로 예상됩니다.

 

타이탄의 독특한 환경 조건은 비교적 비행을 용이하게 만듭니다. 낮은 중력과 적은 바람이 결합된 높은 밀도의 대기는 효율적인 로터 추진에 용이합니다. 이 우주선은 여러 번의 우주 탐사에서 입증된 방사성 열전소 발전기(RTG)로 전원을 공급받을 것입니다. 알고리즘은 자동 실시간 결정을 가능하게 할 것입니다. 드래곤플라이는 우주 복사선과 극한 온도 환경에서도 운용될 수 있도록 설계될 것입니다. 평균 온도는 94K(약 -179.2°C)입니다.

 

타이탄에서의 무게 대비 비행에 필요한 전력은 지구에서 보다 약 40배 낮습니다. 낮은 중력과 높은 대기 밀도로 인해 필요한 비행 전력이 낮아지며, 이에도 불구하고 추운 기온, 낮은 빛 수준 및 대기 역학 저항과 같은 어려움을 극복하기 위해 설계되었습니다.

 

드래곤플라이는 리튬이온 배터리로 구동되며, 밤 동안에는 다목적 방사성 동위원소 열전 방전기('Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator', MMRTG)로 배터리를 충전할 것입니다. 타이탄의 밤은 약 8일 또는 192시간이 지속됩니다. 이 우주선의 설계는 여러 킬로미터를 비행할 수 있도록 하며, 각 배터리 충전마다 10마일의 범위와 30분의 비행 시간을 제공합니다. 센서를 사용하여 새로운 과학 목표를 식별하고, 임무 컨트롤러가 새로운 착륙 목적지를 승인할 때까지 원래 위치로 돌아갈 것입니다.

 

이 회전익 기체는 약 450kg(990파운드)의 질량을 가지며, 하강 중에는 지름 약 3.7m(12ft)의 열차크 안에 포장될 것입니다. 이착륙기는 지질 채집용 드릴과 호스 두 개, 각각 착륙 스키드에 하나씩,을 사용하여 지질 샘플을 수집하고 분석할 것입니다. 이 우주선은 타이탄의 밤 동안에 다양한 활동을 수행할 것이며, 이는 샘플 수집 및 분석, 지진학 연구, 기상 관측 및 필라이트 이미지 촬영 등을 포함합니다.

 

지구와의 통신은 고이득 안테나를 통해 직접 이루어지며, 직접 통신이 가능하도록 할 것입니다. 펜실베이니아 주립대학의 수직 리프트 연구 센터가 로터 디자인, 비행 제어 개발, 테스트 지원 및 비행 성능 평가를 담당하고 있습니다.

 

요약하자면, 드래곤플라이는 타이탄의 독특한 환경을 탐사하기 위해 개발된 혁신적인 로터크래프트 랜더로, 샘플 수집, 분석 및 과학 연구에 초점을 맞춘 설계입니다.

 

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