화성의 경이로움: 화성 헬리콥터 Ingenuity의 테스트 및 개발

폴 윌리스의 말

지난 4월 Mars 2020 임무의 일환으로 화성에 파견된 NASA 헬리콥터인 Ingenuity가 화성에서 50번째 비행을 했습니다. 이 비행은 2021년 4월 화성에서 처음으로 비행한 소형 항공기의 놀라운 2년을 기록했으며, 이는 다른 행성에서 회전익기의 최초 동력 및 제어 비행을 기록한 39초의 여행이었습니다.

그 이후로 Ingenuity는 화성 표면에서 단 5번의 비행을 위한 기술 시연을 목표로 한 개발자의 기대를 훨씬 뛰어 넘었습니다. 이러한 엔지니어 중 핵심은 Ingenuity 개념의 창시자이자 개발, 테스트 및 화성 작전의 수석 엔지니어인 Bob Balaram입니다.

Balaram은 Ingenuity 임무가 달성한 성과를 당연히 자랑스럽게 생각합니다. "밤하늘을 올려다보며 화성의 작은 빨간 점을 보고 그 어딘가에 우리 팀이 함께 만든 작은 헬리콥터가 있다고 생각하는 것은 정말 멋진 일입니다."라고 그는 말합니다.

Balaram의 아이디어를 현실로 바꾸는 것은 엔지니어링의 놀라운 업적이었으며 우주 탐험의 연대기에서 독창성은 분수령의 순간을 잘 증명할 수 있었습니다. Balaram이 말했듯이 Ingenuity는 다른 행성에서 미래의 무인 비행을 위한 "문을 열었습니다".

화성의 경우 NASA는 2026년에 잠정적으로 예정된 샘플 반환 임무의 일환으로 헬리콥터 두 대를 더 보낼 계획입니다. 다음 해 2027년에 발사될 예정인 NASA의 또 다른 임무는 450kg(990lbs)의 Dragonfly입니다. 생명의 흔적을 찾기 위해 토성의 달 타이탄을 탐사하는 데 사용될 회전익기.

무게가 1.8kg에 불과한 Ingenuity보다 훨씬 더 큰 Dragonfly의 개발자들은 큰 야망을 가지고 있습니다. 헬리콥터는 이동형 과학 실험실이 되어 타이탄의 여러 위치에 착륙하여 이 먼 달 표면에 존재하는 원시생물학적 화학을 연구합니다.

Ralph Lorenz는 NASA의 Dragonfly 개발을 주도하고 있는 Johns Hopkins Applied Physics Lab(APL)의 Dragonfly 임무 설계자이자 행성 과학자이자 엔지니어입니다. 그는 Ingenuity와 Dragonfly의 임무 목표와 그들이 운영하게 될 환경 사이의 주요 차이점은 "하드웨어에 유산이 거의 또는 전혀 없음"을 의미한다고 말합니다. 그럼에도 불구하고 그와 그의 팀은 Ingenuity의 운영에서 교훈을 얻고 있습니다. 여러 Ingenuity 팀 구성원이 Dragonfly의 자문 역할을 수행했습니다.

Balaram은 1990년대에 화성에서 헬리콥터 비행에 대한 아이디어를 처음 얻었지만 자신이 유일한 사람은 아니라는 점을 인정했습니다. Balaram은 “미국 헬리콥터 협회에서는 대학생들이 화성용 헬리콥터를 설계할 수 있는 대회를 열기도 했습니다.”라고 말합니다. “이때가 NASA의 Pathfinder 임무가 작은 Sojourner 탐사선과 함께 화성에 착륙했을 때였습니다[1997]. 그래서 당시 화성에 대한 관심이 컸어요.”

그럼에도 불구하고 이 개념은 당시 초기 드론 기술에 대한 관심으로 인해 Balaram이 화성 임무에 대한 기술의 타당성을 자세히 설명하는 간략한 내용을 작성하도록 요청받을 때까지 향후 15년 동안 보류되었습니다. Balaram은 “그들은 우리에게 약간의 초기 자금을 제공했고 우리는 Ingenuity를 설계하고 구축했습니다.”라고 말합니다.

Ingenuity가 2019년 4월 7일 로터 블레이드를 잠금 해제한 순간은 첫 비행 전 중요한 이정표입니다(Photo: NASA/JPL-Caltech)

Balaram과 그의 팀은 몇 가지 복잡한 문제를 극복해야 했는데, 그 중 가장 중요한 것은 화성의 대기가 극도로 희박하다는 것이었습니다. 화성의 공기 밀도는 지구 해수면 공기 밀도의 약 1%입니다.

이로 인해 이륙을 위한 양력 생성이 훨씬 더 어려워집니다. 지구의 약 3분의 1에 해당하는 낮은 화성 중력이 어느 정도 도움이 되는 반면, "아직도 매우 낮은 밀도로 싸우고 있습니다"라고 Balaram은 말합니다.

결과적으로, Ingenuity가 공중에 떠오를 수 있도록 하기 위한 우선순위는 가능한 한 가볍게 만드는 것이었습니다. 그러나 이 설계 기준은 우주선을 화성의 극도로 적대적인 환경에서 살아남을 수 있을 만큼 견고하게 만드는 또 다른 설계 기준과 충돌했습니다.