지구상에서 절대 날지 못할 항공기

화성 상공에서 드론을 날릴 수 있다면 로버보다 훨씬 더 빠르게 더 많은 영역을 커버할 수 있습니다. 그러나 하나를 설계하는 것은 엄청난 도전입니다. 2021년 4월 19일 Ingenuity라는 이름의 작은 실험용 헬리콥터가 화성의 지상에서 역사책으로 들어왔습니다. 자율 기계의 로터는 얇은 대기에서 맹렬하게 회전하여 충분한 양력을 생성하여 우주선을 단층 건물 높이까지 추진합니다. 독창성은 공중에 떠 있다가 안전하게 착륙하여 다른 행성에서 인류 최초의 통제 비행을 제공했습니다. 착륙 지점은 항공 개척자의 이름을 따서 라이트 형제 필드(Wright Brothers Field)로 명명되었습니다.

2030년대 중반에는 드래곤플라이(Dragonfly)라고 불리는 소형차 크기의 회전익기가 다음 단계를 밟을 예정이다. 토성의 가장 큰 위성인 타이탄에 착륙하여 인류 최초의 탐사 임무를 시작합니다. 한 시간 안에 Dragonfly는 다른 행성을 여행한 어떤 표면 기반 로버보다 더 멀리 날 것입니다. 다중 로터 무인 항공기는 다음 목적지로 비행하기 전에 실험을 수행하기 위해 타이탄의 1일(지구의 16일) 동안 착륙하여 타이탄 표면을 가로질러 날아갈 것입니다.

그러나 외계 비행에 있어 가장 큰 도전이자 가장 큰 기회는 극도의 열, 압력 및 산성 대기를 지닌 지옥처럼 뜨거운 행성 금성입니다. 금이 가고 슬레이트 같은 표면에서 127분 이상 생존한 착륙선은 없습니다.

대신 과학자들은 두 대의 항공기를 금성에 보낼 것을 제안하고 있습니다. 하나는 태양열 동력 글라이더와 같은 항공기로 행성의 더 온화한 상층 대기를 무기한으로 날 수 있고 다른 하나는 표면에 가까운 적대적인 조건을 통해 날 수 있는 비행 날개 디자인입니다.

"금성에 착륙할 수 있는 기술을 개발하는 것은 어렵다"고 금성의 임무 개념을 개발하고 있는 캘리포니아 행성 과학 연구소의 선임 과학자인 Dr Eldar Noe Dobrea는 말합니다. "유일한 대안은 대기권을 비행하는 것입니다." 항공 모빌리티 그룹(Aerial Mobility Group)의 로봇 공학 기술자이자 Ingenuity Mars Helicopter 팀 리더인 Teddy Tzanetos는 이미 차세대 화성 헬리콥터 설계 작업을 하고 있습니다. "우리는 Wright 형제의 첫 비행이 여기 지구에서 인류를 위해 무엇을 했는지 알고 있으며 다른 행성에서도 같은 모델을 따를 것이라고 생각합니다."라고 그는 말합니다.

존스 홉킨스 응용 물리학 연구소(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)의 수석 연구원인 Elizabeth "Zibi" Turtle은 "나는 이와 같은 아날로그 비교를 생각하지 않았지만 Dragonfly는 Ingenuity의 첫 비행 이후 다음 단계입니다. "그것은 전체 과학적 탑재물을 이곳저곳으로 운반하는 최초의 [공중] 차량이 될 것입니다."

Ingenuity와 같은 소형 헬리콥터(오른쪽)는 Curiosity와 같은 로버가 취한 힘든 접근 방식에 대해 외계 세계를 매핑하는 다른 방법을 제공합니다(Credit: Devromb/Getty Images)

초기 극지방 항공의 개척자들처럼 나사 엔지니어들은 항공 차량이 어떻게 새로운 세계 탐험에 혁명을 일으킬 수 있는지 깨달았습니다. 화성 착륙선인 바이킹(Viking)과 큐리오시티(Curiosity)와 같은 상징적인 기계와 타이탄의 카시니(Cassini)와 같은 궤도선은 적절한 대기가 있는 탐사에서 계속 중요한 역할을 할 것이지만 다른 옵션이 있을 수 있습니다. 로봇 및 제어 비행선, 헬리콥터, 무인 항공기 및 팽창식 프로펠러 비행기(모든 NASA 과학자 제안)는 행성 표면의 넓은 영역에 대한 고품질 데이터를 신속하게 수집하고 위험한 지형을 피하며 로버 또는 궤도에서 불가능한 클로즈업 이미지를 수집할 수 있습니다. , 다양한 관점에서 임무 목표를 봅니다. 이와 같은 공중 차량은 산, 봉우리, 심지어 황량한 금성의 표면까지 로버가 갈 수 없는 곳으로도 갈 수 있습니다.

Nasa 엔지니어의 문제는 각 행성의 환경이 항공기 유형, 탑재량 및 성능에 대해 서로 다른 제약 조건을 부과한다는 것입니다. 엔지니어가 사용할 수 있는 기술에는 유사한 제약이 있습니다.

화성의 대기는 지구 두께의 1% 미만이므로 항공기가 양력을 생성하기 매우 어렵습니다.

Saturn V 로켓 설계자인 Wernher von Braun은 극초음속 글라이더를 타고 화성에 착륙하는 것을 상상했습니다. SF 작가 필립 K 딕(Philip K Dick)은 헬리콥터를 타고 화성에 거주하는 인간을 상상했습니다. 나사 엔지니어 들은 1970년대 바이킹 착륙 이후 화성 항공기의 개념을 살펴보기 시작했으며 , 그 기능은 오늘날 미군이 사용하는 프레데터 드론에까지 이르렀습니다 .

화성의 대기는 지구 두께의 1% 미만이므로 항공기가 양력을 생성하기가 매우 어렵습니다. 이것은 다시 화성 헬리콥터가 매우 가벼워야 하지만 여전히 리튬 이온 배터리, 센서, 카메라, 난방 및 단열재를 들어 올려 추운 화성의 밤을 견딜 수 있어야 함을 의미합니다. Tzanetos는 "이 모든 문제를 해결하고 무게가 1.8kg(4lb) 미만인 항공기를 만들 수 있다면 독창성을 갖게 됩니다."라고 말합니다.

"우리 수석 엔지니어와 팀원들은 1990년대에 화성 헬리콥터에 대한 아이디어를 처음 조사하기 시작했지만 기술이 거기에 없었습니다."라고 그는 말합니다. "2010년대로 넘어가면 그것은 기술 시연을 위한 것이었습니다."

Dragonfly와 같은 견고한 회전익은 소형 원자로로 구동될 수 있습니다(제공: Nasa/Johns Hopkins APL)

팀은 고정익 항공기도 살펴보았지만 화성에서는 회전익 항공기가 비행장 없이 작동할 것이기 때문에 더 합리적이었습니다.

NASA는 "기본 원칙이 준수 및 보고된" 경우를 위한 TRL1부터 임무 운영을 통한 "비행이 입증된" TRL9에 이르기까지 9가지 다른 기술 준비 수준(TRL)을 보유하고 있습니다.

1990년대에 Ingenuity에 전원을 공급하는 데 필요한 배터리 유형은 최근에야 개발되었으며 탄소 섬유와 같은 재료의 잠재력을 깨닫는 사람은 거의 없었습니다. 마찬가지로 센서, 경량 컴퓨팅 근육 및 기계를 비행하는 알고리즘은 충분히 성숙하지 않았습니다. 그것을 만들고 날리는 인간의 기술도 아닙니다.

주요 목표는 우리가 화성에서 날 수 있다는 것을 증명하는 것이었고 우리는 30회 이상 비행을 했습니다. – 테디 자네토스

20년이 넘었다면 얘기가 달라진다. 오늘날 지구에서 드론은 소포와 백신을 배달하고 농작물과 고고학 유적지를 조사하는 데 사용됩니다. Tzanetos는 "이 모든 기술이 적시에 결합하여 Ingenuity를 가능하게 하는 것은 정말 대단한 일이었습니다."라고 말합니다.

Ingenuity는 테스트 비행을 완료했으며 여전히 비행 중입니다. "주요 목표는 우리가 화성에서 날 수 있다는 것을 증명하는 것이었고 우리는 30번의 비행을 했습니다."라고 Tzanetos는 말합니다. "미래에 미칠 수 있는 가장 큰 영향은 Ingenuity를 계속 비행하는 것입니다.

"우리가 성공적으로 완료한 모든 비행은 미래 세대가 사용하는 데 중요한 엔지니어링 데이터의 보고를 제공합니다."

Dragonfly는 표면 위를 날아갈 때 Titan의 자체 지도를 만들 수 있습니다(Credit: Nasa/Johns Hopkins APL)

Tzanetos는 팀이 훨씬 더 먼 거리에 걸쳐 훨씬 더 무거운 탑재량을 운반할 수 있는 회전익기의 설계도 연구하고 있다고 말합니다. "NASA가 질문할 때 답을 얻고 싶습니다."

타이탄은 화성과 반대 극단입니다. 토성의 행성 크기의 달은 얼음으로 덮인 표면 지각을 가지고 있으며 그 아래에는 행성 전체를 덮고 있는 바다가 있습니다. 끔찍할 정도로 춥고 메탄 비가 내립니다. 보트는 달 표면, 잠수함은 지하 바다, 비행선은 대기를 탐사할 수 있다고 제안되었습니다.

Dragonfly 임무의 수석 연구원인 Melissa G Trainer는 "Titan의 환경은 공기보다 무거운 우주선을 타고 탐사하기에 매우 적합합니다. 그것은 낮은 중력과 조밀한 대기를 가지고 있으며 이는 비행기와 헬리콥터가 화성과 같은 행성보다 크기가 더 크고 더 무거운 탑재물을 운반할 수 있으며 더 큰 능력을 가질 수 있음을 의미합니다.

잠자리는 여기에서 일어난 모든 위대한 발전의 합류점입니다 – Melissa G Trainer

Titan의 환경은 Dragonfly와 같은 회전익이 미션의 과학적 목표에 필요한 Nasa의 강력한 핵 배터리는 물론 실험 자체, 컴퓨팅 하드웨어 및 거친 표면에 대처하는 데 필요한 거친 착륙 스키를 탑재할 수 있음을 의미합니다.

기존 지도는 충분히 상세하지 않지만 회전익기는 잠재적인 착륙 지점 위로 비행하고 착륙하기에 안전하지 않은 경우 계속 비행합니다. "잠자리는 날아가면서 타이탄의 지도를 만들 것입니다."라고 Trainer는 말합니다. "이 도약 방식은 가장 덜 위험한 선택입니다."

그러나 화성은 한 가지 측면에서 타이탄보다 이점이 있습니다. "수십 년 동안 거기에 있었던 화성 주변의 전체 궤도선은 독창성을 정찰하고 중계기 역할을 할 수 있습니다."라고 Turtle은 말합니다. "잠자리는 직접 지구 통신과 지역 정찰을 스스로 해야 합니다."

데이터가 화성에서 지구에 도달하고 분석되고 Ingenuity에 대한 명령이 다시 전송되는 데는 하루도 채 걸리지 않습니다. Titan에서는 훨씬 더 오래 걸립니다.

간단하고 견고한 탱크 모양의 로버는 태양계에서 더 척박한 행성을 탐험하는 데 필요할 수 있습니다(제공: Nasa/Johns Hopkins APL)

그 후의 다음 항공 탐사는 지구의 자매 행성인 금성일 수 있습니다. 행성의 대기는 지구보다 90배나 밀도가 높습니다. 온도는 약 475C(900F)이고 압력은 93bar(1,350psi)로 지구 바다 아래에서 1마일에 해당합니다.

Dobrea는 "금성의 대기는 끔찍하지만 또한 훌륭합니다."라고 말합니다. "두께가 20km(12마일)인 거대하고 두꺼운 구름 데크가 표면 위 50km(30마일)에서 시작하여 최대 70km(45마일)까지 올라갑니다. 이는 지구 대기보다 밀도가 높고 날기 쉽습니다. 이 고도에서 태양광 비행기를 거의 무한정 비행하는 것이 가능해야 하며 기존 기술로 가능합니다."

그러나 다른 옵션이 있을 수 있습니다. 풍선

그의 두 번째 개념 항공기는 수면 가까이에서 비행할 것입니다. 그는 극심한 더위, 태양열 발전을 위한 햇빛 부족, 압력 때문에 "엄청난 도전"이라고 덧붙였습니다.

이 항공기는 스털링 엔진 과 같은 엔진을 사용 하여 표면에 가까운 극한의 열을 에너지로 변환하여 더 시원하고 더 높은 고도에서 항공기에 동력을 공급합니다. 그것은 그러한 엔진으로 구동되는 몇 안 되는 비행기 중 하나가 될 것입니다.

그러나 풍선이라는 또 다른 옵션이 있을 수 있습니다.

그것은 외계 세계에서 인류의 첫 비행을 날린 풍선이었다. 1985년 6월, 소련-유럽 Vega 임무는 두 개의 거대한 구형 풍선을 금성 대기에 떨어뜨렸습니다. 그들의 악기는 아래의 곤돌라에 매달렸습니다.

풍선 추적을 위한 미국 프로젝트의 리더인 로버트 프레스턴(Robert Preston)은 "우리는 두 개의 풍선이 발사되었다는 것을 알고 있었지만 아직 살아 있는지는 알지 못했습니다."라고 말했습니다. "오실로스코프 화면에서 우리가 본 것은 소음뿐이었고 소음뿐이었습니다. 그때 희미한 신호가 있었습니다.

"제어실을 나와 이른 아침 하늘에 밝게 빛나는 Venus를 보고 '내가 거기에 있어'라고 생각했던 기억이 납니다."

Vega 풍선은 46시간 동안의 대기 데이터를 수집하기 위해 약 54km(33마일)의 고도에서 계속 떠올랐습니다. "Vega 풍선의 성공을 고려할 때 정답은 '매우' 성공적이었다는 것"이라고 우주 역사가이자 Ambassadors from Earth: Pioneering Explorations with Unmanned Spacecraft의 저자인 Jay Gallentine은 말합니다.

"나는 우리가 미래에 다시 화성에 항공기를 갖게 될 것이라는 것을 알고 있습니다. 그리고 Ingenuity와 함께 우리는 도구 상자에 새로운 도구를 추가하고 있습니다. 우리가 배운 모든 것은 다른 세대가 화성뿐만 아니라 행성을 탐험하는 데 도움이 될 것입니다." 다른 태양계에서."

그러나 JPL Technology Infusion Group의 Nasa 과학자 Jonathan Sauder는 이것이 훨씬 더 어려울 수 있다고 경고합니다. "만약 당신이 우리 태양계 외부의 행성을 보기 시작하면 그곳은 정말 미치기 시작합니다. 얼음으로 만들어진 행성이나 대기에 금속을 함유한 행성이 있습니다. 오늘날 우리가 아는 어떤 것도 보낼 수 없는 행성도 있습니다. 완전히 파괴되지는 않지만 지구와 같은 다른 행성이 있습니다."

Harv 로버는 금성과 같은 환경의 압력과 온도를 견딜 수 있는 단순하지만 강력한 전자 장치를 사용합니다(제공: Nasa/Johns Hopkins APL)

다른 환경이 무엇이든, 물리학은 인류가 탐험하는 태양계가 무엇이든 동일할 것입니다. Tzanetos는 "태양계의 다른 행성에서 항공기를 자율적으로 운영하면서 배운 교훈은 인류가 미래에 어떻게 날 수 있는지에 대한 기본 빌딩 블록입니다."라고 말합니다.

Sauder는 금성에서 생존할 수 있는 착륙선을 설계하고 있습니다. 그가 처음에 극한 환경을 위한 오토마톤 로버(Aree)라고 불렀던 것을 위해 만들어진 메커니즘은 언젠가 수성을 탐사하는 착륙선과 거대한 가스계 깊숙이 떠 있는 탐사선, 그리고 지구 내부를 탐사하는 기계에서 발견될 수 있습니다.

"금성을 위한 착륙선을 구축할 때 극한 환경은 우리가 우주선에 장착하는 많은 기존 구성 요소가 작동하지 않는다는 것을 의미합니다."라고 그는 말합니다.

압력은 대기 중의 산을 구성 요소로 밀어 넣습니다. 즉, 스테인리스 스틸이나 티타늄으로 만들어야 합니다. 고온은 전자 제품을 녹입니다.

나는 우리가 언젠가 금성 표면에 탐사선을 갖게 될 것이라고 확신합니다 – 조나단 소더

사우더의 해법은? "완전히 기계적인 로봇, 오토마톤, 스팀펑크 로버를 만들자." 초기 디자인에는 네덜란드 예술가 Theo Jansen의 거대한 풍력 발전 기계 조각 또는 물가비에서 영감을 받아 바퀴가 아닌 다리가 있었습니다.

장애물 감지 및 회피를 위해 착륙선은 롤러와 범퍼 시스템을 사용합니다. 이 시스템은 어린이용 장난감처럼 착륙선이 장애물에 부딪힐 때 후진하고 약간 다른 방향으로 다시 앞으로 나아가게 합니다.

"가장 효율적이지 않을 수도 있지만 강력하고 안정적이며 해당 환경에서 작동합니다."

Nasa 개념 중 일부는 네덜란드 예술가 Theo Jansen이 디자인한 Strandbeest 기계 조각을 기반으로 합니다(제공: Nasa/Johns Hopkins APL)

그러나 모든 전자 제품을 없애는 것은 너무 어려운 일이었습니다. 대신 고온에서 작동할 수 있는 기본 전자 장치를 사용하여 온도와 화학 성분을 측정하고 데이터를 궤도선에 전송하므로 로버의 이름이 Hybrid Automaton Rover-Venus(Har-V 또는 Har-vee)로 변경되어야 했습니다.

그러면 힘이 있습니다. 금성은 두꺼운 구름과 60일의 밤을 가지고 있기 때문에 태양열은 선택 사항이 아닙니다. 대신 NASA 엔지니어들은 바람에 의존하여 로버의 기계 시스템을 직접 구동했습니다. 카메라와 화학 센서는 여전히 까다롭고 아직 개발되지 않았습니다.

Har-V의 바퀴가 금성에 착륙할 가능성은 희박할 수 있지만 그 설계가 로버에 영향을 미쳤을 가능성은 모두 있습니다.

"나는 우리가 언젠가 금성 표면에 로버를 갖게 될 것이며 HAR-V 아키텍처에서 배운 교훈이 이러한 설계에 영향을 줄 것이라고 확신합니다."라고 Sauder가 말했습니다.