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- 화성의 대기는 지구보다 100배 더 얇다, 이륙하는데 에너지 더 필요
- 날개 길이 3.5m, 무게 5kg 경량 글라이더, 앨버트로스 처럼 정적,동적 기류 활용
- 접으면 잡지책 크기,화성대기에서 방출되면 날개 펴져
- 상승 기류가 없으면 글라이더는 동적 활공 기동을 사용,
- 화성 글라이더의 에너지는 이러한 주기가 끝날 때마다 7~11% 증가

화성(Mars)에서 사용할 글라이더
초경량 글라이더로 화성의 풍경을 더 쉽게 탐험할 수 있다.

자율 글라이더가 곧 화성의 풍경을 탐험할 수 있다. 미국 연구원들은 최근 무동력 드론 글라이더에 대한 개념을 제시했다. 날개 길이가 3.5미터인 경량 글라이더는 지구의 신천옹(앨버트로스)과 유사한 정적 상승 기류와 역동적인 비행 기동을 능숙하게 사용해 얇은 화성의 공기 중에 오랫동안 머물 수 있어야 한다. 접힌 날개 덕분에 큐브위성을 타고 화성으로 이동하거나 다른 탐사선과 함께 여행할 수 있다. 

▲ 작고 자율적으로 작동하는 글라이더는 미래에 화성을 탐험하는 데 도움이 될 수 있다. © Bouskela et al./ Aerospace, CC-by 4.0

화성은 현재까지 가장 많이 탐사된 이웃 행성이다. 여러 궤도 탐사선은 화성 표면과 대기를 아주 높은 곳에서 연구하는 반면, "Perseverance" 및 "Curiosity"와 같은 화성 탐사선과 정지 착륙 탐사선은 지상에 대한 데이터를 제공한다. 최초의 동력 항공기도 화성에서 활동하고 있다. 그러나 소형 헬리콥터 "Ingenuity"는 최대 12미터까지 올라갈 수 있으며 한 번에 몇 분 동안만 공중에 머무를 수 있다.

▲ 신천옹(앨버트로스)

화성 탐사의 '사각지대’

그러나 지금까지 거의 탐험되지 않은 한 영역이 있다. 바로 붉은 행성의 낮은 대기다. NASA Ames Research Center의 Alexandre Kling은 "표면 위의 처음 몇 킬로미터는 행성 경계층의 중요한 부분을 형성한다"며 “여기서 먼지가 소용돌이치며 날아가고, 여기에서는 미량 가스가 혼합되고 풍경이 대규모 바람을 조절한다. 그러나 지금까지 이 영역에 대한 정확한 데이터는 거의 없다”고 설명했다. 따라서 이러한 목적으로 비행 측정기를 사용하는 것이 분명하다.

▲ 항공비행할 S1과 S2의 작동 개념 (출처: 관련논문 Mars Exploration Using Sailplanes / awrospace)

Ingenuity와 같은 전동 드론의 경우 비행시간은 드라이브와 이에 필요한 에너지로 인해 크게 제한된다. 배터리나 탱크의 무게가 많이 나가서는 안된다. 무거우면 항공기가 화성의 얇은 대기에서 이륙할 수 없다. 대안은 화성의 바람과 같은 주변 환경에서 직접 비행 에너지를 끌어오는 무동력 글라이더다. "자연은 신천옹(앨버트로스)에서 이에 대한 영감의 원천을 제공한다. 착륙하지 않고도 수천 킬로미터 바다를 가로질러 활공할 수 있다"고 연구원들은 설명했다.

로터 드론 대신 글라이더?

이 지상 모델을 기반으로 애리조나 대학의 수석 저자인 Adrien Bouskela와 그녀의 팀은 자율 화성 글라이더에 대한 개념을 개발했다. 무게는 약 5kg에 불과하며 환경 및 가속도 센서, 자동 비행 제어 시스템 및 카메라가 탑재돼 있다. 길이가 3.30미터이고 약간 뒤로 기울어진 날개는 말리거나 접을 수 있는 초경량 소재로 만들어져 화성으로 운송할 수 있다.

▲ 센서, 카메라 및 제어 시스템이 화성 글라이더의 동체에 있다. © University of Arizona College of Engineering

사용 장소에 도달하기 위해 화성 글라이더는 더 큰 탐사선이 있는 보조 탑재체로 CubeSat에서 비행할 수 있다. 팀이 설명하듯이 접었을 때 글라이더는 잡지책보다 크지 않을 것이다. 화성의 대기에서 방출된 후 날개를 펼친다. "이러한 플랫폼을 사용하면 날아다니며 정말 흥미로운 장소를 방문할 수 있다"고 Kling은 말했다. 화성의 거대한 협곡, 깊은 분화구 또는 우뚝 솟은 화산은 지금까지 일반적인 화성 탐사선과 착륙 탐사선이 접근할 수 없었기 때문이다.

화성의 상승기류에 의해 이동

그러한 글라이더가 화성의 얇은 가스 외피에서도 날 수 있을까?
"화성의 대기는 지구보다 100배 더 얇다"고 Bouskela와 그의 동료들은 설명했다. "중력이 낮음에도 불구하고 비행이 쉽지 않다" 예를 들어 화성 헬리콥터 Ingenuity는 2개의 역회전 로터를 가지고 있기 때문에 이륙할 수 있다.

연구원들이 결정한 대로 화성 글라이더는 저항을 줄이는 것이 있을 것이다. "우리가 개발한 디자인으로 무게가 5kg인 글라이더는 화성에서 초당 6.3미터의 하강속도를 가질 것이다" "이것은 정적 활공이 최소한 이 정도의 열을 필요로 한다는 것을 의미한다." 그들의 모델에 따르면 이러한 열 열은 화성의 많은 협곡, 화산 경사면 또는 분화구 가장자리에서 낮 동안 달성된다.

▲ 동적 활공 주기를 통해 화성 글라이더는 다양한 속도로 부는 바람 층에서 에너지를 얻을 수 있다. © Bouskela et al./ Aerospace, CC-by 4.0

상승기류 없이도 역동적인 활공

열 상승기류가 없더라도 화성 글라이더는 공중에 남을 수 있다. "상승 기류가 없으면 글라이더는 동적 활공 기동을 사용할 수 있다"고 Bouskela와 그의 팀은 설명했다. "그들은 고도에 따라 다른 속도로 부는 수평 바람만 필요하다." 이 기울기는 글라이더가 더 깊고 느린 흐름에서 위쪽으로 선회하고 더 빠른 고고도 바람에 의해 밀어내고 다시 아래로 잠수함으로써 이용될 수 있다.

▲ 정적 대기 상승기류 (a) 지열로 인한 열상승 (b) 절벽 근처에서 상승

"우리의 계산에 따르면 화성 글라이더의 에너지는 이러한 주기가 끝날 때마다 7~11% 증가할 것이다"고 연구자들은 말했다. "이 시간 동안 글라이더는 2.2~2.4km 앞으로 이동했을 것이다." Jezero 분화구에서 화성 탐사선 "Perseverance"가 측정한 결과 화성에는 특히 밤에 수평 바람의 기울기가 충분히 강한 것으로 나타났다. 다이내믹한 글라이딩을 가능하게 한다.

▲ 계곡 탐험 개념도, 정적 혹은 동적 상태에 따라 기동한다.

그러나 화성 글라이더가 더 이상 공중에 머물 수 없더라도 여전히 유용할 것이다. "비행 에너지가 바닥나거나 관성 센서가 고장나거나 다른 문제가 발생하더라도 이 글라이더는 여전히 과학임무을 수행할 수 있다"고 Bouskela는 강조한다. 지상에 착륙한 후 글라이더는 기상 관측소 역할을 할 수 있다.

▲ 시작, 하강과 착륙 / 2020 화성 로버 시스템 연구소(출처: 관련논문)

다음 단계: 지구 상공 1만 5천m에서 테스트
다음 단계로 연구팀은 올 여름 지구 대기권에서 글라이더 프로토타입의 실제 테스트를 계획하고 있다. 고도 1만5천미터에서 지구의 대기는 화성만큼 얇기 때문에 화성 글라이더의 비행 거동을 잘 테스트할 수 있다. 공동 저자인 애리조나 대학의 세르게이 슈카라예프(Sergey Shkarayev)는 "지구를 화성 비행 연구를 위한 실험실로 사용할 수 있다"고 말했다.

과학자들에 따르면 이러한 화성 글라이더는 모든 관련 비용을 포함하여 약 1억 달러의 비용이 들 것이며 따라서 적어도 한 번은 이 개념을 시험해 볼 수 있을 만큼 저렴하고 유망할 것이라고 했다. 그들은 화성 글라이더가 NASA의 다음 주요 화성 임무 중 하나에 참여할 수 있기를 바라고 있다.
(Aerospace, 2022; doi: 10.3390/aerospace9060306)
출처: University of Arizona College of Engineering

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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