JAXA의 하야부사 - 그 첫번째 탐사선

 

인류 최초로 달 이외의 천체에 착륙하고 그 샘플을 채취해서 지구로 귀환한 탐사선. 하야부사1은 이렇게 기록되어 있다. 

하야부사1 구조도 (출처 JAXA)

하야부사1은 2003년 5월 9일에 일본 우치노우라 우주센터에서 M-V 고체로켓 5호기에 실려 발사된 소형 소행성 탐사기 겸 공학실험위성이다. 하야부사1의 1차 목적은 화성과 지구 궤도를 넘나드는 소행성 이토카와의 탐사였다. 이토카와가 목적지로 정해진 첫번째 이유는 지구 탄생 과정에 대한 비밀을 밝혀 낼 목적이었고, 두번째는 탈출 속도가 작아 하야부사가 가진 추진체로의 자력 탈출이 가능했기 때문이다. 2차 목적은 일본 자체 기술로 지구 귀환을 전제로 한 우주 탐사를 해낼 수 있는 지에 대한 자료수집이었다고 한다. 

하야부사1이 촬영한 소행성 이토카와

최초 하야부사의 목표는 2003년 발사 후 2007년 귀환이었지만, 여러 가지 문제 발생으로 인해 2010년에 지구로 귀환하게 되었다. 이 기간동안 하야부사는 태양 주위를 총 5번 공전하고 약 60억km의 비행 거리를 달성했다. 이것은 지구에 귀환한 우주 비행체 중 최장거리 항해 기록이라고 한다. 

 

하야부사1의 타임라인을 간단히 살펴보면, 

① 2003년 발사 

② 2004 지구 스윙바이

③ 2005년 9월 이토카와 도착

④ 여러 가지 문제 발생으로 인해 3개월 뒤 final 착륙

⑤ 2010년 6월 지구 귀환

과 같다. 

아래 링크에 들어가면 좀 더 자세한 운항 기록을 편하게 볼 수 있다.

https://namu.wiki/w/%ED%95%98%EC%95%BC%EB%B6%80%EC%82%AC(%ED%83%90%EC%82%AC%EC%84%A0)/%EC%9A%B4%ED%95%AD%20%EA%B8%B0%EB%A1%9D

 

또한 이때 생긴 문제점들에 대해 잘 정리되어있는 문서가 있어 그 부분을 발췌해 첨부한다. (출처: 나무위키)

• 2003년 말, 지구 궤도에서 스윙바이 중에 대규모 태양풍에 직격 당해 태양전지판 성능이 감소되어 출력이 저하되었다. 이로인해 당시 2005년 여름으로 예상되었던 소행성 도착 시점이 9월로 연기되었다.

• 이토카와에 도달하기 전에 원인 불명의 이유로 자세제어용 리액션 휠 3개 중 2개가 고장나서 자세제어에 어려움을 겪었다. 결국 마지막 남은 Z축 리액션 휠과 함께 이온 엔진의 추진체로 쓰이는 제논 가스를 직접 분사하며 자세제어를 행했다. 본래 귀환에 쓸 추진체 확보를 위해 추진체를 아껴야 했지만 자세 제어를 담당하는 리액션 휠이 두개나 고장난지라 추진체 소모를 정교하게 제어하기로 하며 계획을 속행했다.

• 한편, 하야부사는 본래 사출 분리형 소형 탐사선인 미네르바를 탑재하고 있었지만 강하 리허설 도중 지상에서의 명령 송신의 순서 문제로 하야부사가 강하 속도를 줄이기 위해 추진체를 분사해 하강 속도를 제어하는 그 순간에 미네르바를 사출하는 치명적인 실수를 저질렀다. 이때문에 미네르바를 이토카와에 착륙시키는데 실패하며 소실한다.

• 미네르바를 잃고난 뒤 샘플 채취를 위해 예비로 준비해둔 소형 쇠구슬을 발사했으나, 착륙 이후의 분석 결과 탄환은 정상적으로 발사되지 않았다. 따라서 이 방법으로도 시료 채취에는 실패했다.

• 결국 마지막 수단으로 하야부사를 이토카와에 직접 착륙시켜 그 과정에서 생겨나는 파편들을 샘플러 혼에 넣기로 하고 착륙시킨다. 그 과정에서 본체가 파손되며 화학엔진의 연료가 누출되어 온갖 문제점을 일으키고 그 때문에 귀환 과정에서 거의 대부분의 기능이 고장난채로 보조추력인 이온 엔진과 추진체인 제논 가스, 마지막 하나 남은 리액션 휠만을 사용하게 되었다.

 

하야부사가 지구와 이토카와 사이를 비행할 때 제논 이온 엔진이 사용되었다. 4개의 이온 엔진이 사용되었고, 초속 2.2km의 속도로 비행하였다. 후에 있을 포스팅에서 이온엔진에 대해 다룰 예정이다!

 

하야부사1이 이토카와에서 물질을 채취할 때 사용한 방법은 직접착륙이다. 이것이 2010년대 언저리가 되어서야 최초라는 타이틀이 붙은 이유는 그만큼 어려운 일이었다는 것을 반증한다. 이것이 어려운 이유는 소행성에는 중력이 거의 없기 때문이다. 중력이 거의 없는 천체에 착륙하며 날아오른 약간의 먼지들과 파편을 수집하고, 하야부사는 지구로 귀환하게 된다. 

 

이토카와에서 채취해 온 물질들이 들어있는 캡슐의 착륙은 호주 남부 사막에서 이루어졌다. JAXA에서 배포한 하야부사1 관련 자료에 의하면, 지름 40cm의 작은 캡슐이 지구로 재진입 할 때의 속도는 초속 12m이고, 이 때의 대략적인 온도는 섭씨 10000도 이상이라고 한다. 이때의 최대 열 전도율은 space shuttle orbiter의 30배 이상이고, 아폴로 recovery module보다 몇 배 높다고 한다.    

착륙한 하야부사1의 캡슐

대기 재진입시 이 캡슐이 타서 없어지지 않기 위해서는, 캡슐의 표면이 이 온도보다 녹는 점이 높거나 두께가 일정 이상 되어 방열량이 더 많아야 한다. 표면에 세라믹을 사용해 방열량을 늘리고 충분한 녹는 점을 확보하는 것이 그 방법 중 하나라고 할 수 있겠다. (하야부사에 관련된 기사나 기록들을 쭉 읽다가, 어떤 물체가 지구 대기권에 재진입 할 때 타버리는 것은 당연한데, 왜 우주왕복선이나 하야부사에서 돌아온 캡슐에 대해서는 의문을 갖지 못했을까.. 라는 생각이 들었다. 그래서 위 방법은 인터넷 검색을 통해 알게 되었다.) 하야부사에서 이 방법을 사용했다고 밝히지는 않았지만, JAXA는 이러한 방열재 또한 기술적 도전이었다고 밝혔다. 

 

이토카와에서 채취된 샘플들에 관한 기사는 아래 링크에서 확인 할 수 있다. 

https://global.jaxa.jp/projects/sas/muses_c/topics.html#topics8524

하야부사1을 통해 이루어낸 것들 모두가 정말 대단하지만, 나는 무엇보다도 악조건에서도 포기하지 않고 하야부사를 살려낸 연구진들의 노력에 박수를 보내고 싶다. 하야부사1의 프로젝트는 애초에 크게 기대하지 않았던, 임무를 완수해 돌아오면 그야말로 기적인 프로젝트였다고 한다. 그랬던 프로젝트가 여러 가지 최초의 타이틀을 얻게 된 것은 연구진들의 보이지 않는 노력들 때문이라고 생각한다. 

 

더 궁금한 것이 있다면 JAXA 홈페이지에서 프로젝트 탭으로 들어가 직접 찾아보는 것을 추천한다! 몇몇 과학 용어들만 알고 있다면 그리 어렵지 않은 영어들로 되어있어 고등학생 정도라면 무난히 이해할 수 있을 것이다. 

Reference : JAXA Archives