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2013년 7월 21일 일요일

태양계 이야기 157 - 화성 탐사용 무인기 (Mars airplane)



 태양계에는 지구처럼 단단한 지표와 대기를 가진 천체들이 몇개 있습니다. 행성 가운데는 화성과 금성이 대표적이고 위성 가운데는 타이탄이 있습니다. 위치와 환경상 가장 잘 탐사된 외계 천체의 대기는 바로 화성일 것입니다. 비록 화성의 대기가 지구에 비해서 대단히 옅지만 화성의 모래폭풍을 비롯한 여러가지 기상 현상을 일으키는 것은 물론 화성 탐사선이 착륙할 때 공기의 저항을 생각해야 하는 등 화성 탐사에서 빼놓을 수 없는 요소인 것도 사실입니다.


 화성의 대기 역시 지구와 마찬가지로 고도에 따라 압력이 변하게 됩니다. 바다가 없는 화성의 특징상 평균 보다 낮은 지대에는 물대신 상대적으로 높은 압력의 공기가 존재합니다. 예를 들어 헬라스 평원 (Hellas Planitia) 에서 대기압은 1115 Pa 이 되고 올림푸스 산 위에서는 30 Pa (0.03 kPa) 이 됩니다. 화성 평균 지표 높이에서는 600 Pa (0.6 kPa) 정도의 대기 압력을 가지게 되는데 이는 지구의 해수면 높이에서의 대기 압력인 101.3 kPa 에 비해서 0.6 % 수준에 불과한 정도입니다. 화성의 대기압이 낮은 이유는 기본적으로 화성 대기의 밀도가 낮기 때문이며 추가로 화성의 중력이 지구의 38% 수준에 불과해서 물질이 압축되는 힘이 약하기 때문입니다.


 지구의 대기압과 비교한다면 화성에 대기압은 가장 높은 지역에서조차 지구의 해수면 35 km 높이 수준으로 희박합니다. 이렇게 들으면 왜 지금까지 화성을 탐사하면서 비행선이나 혹은 비행기를 띄울 수 없었는지 이해가 쉬울 것입니다. 지구에서도 그 정도 고도 까지 올라가는 프로펠러 무인기를 만들기는 쉽지 않으며 풍선의 경우 간신히 올라는 가지만 대개 아주 얇은 재질로 만들기 때문에 오래 버티지는 못합니다.


 그럼에도 불구하고 이전부터 화성에 무인기를 날리려는 연구는 계속되고 있습니다. 화성의 대기가 워낙 옅은 만큼 쉽지는 않지만 대신 중력이 낮기 때문에 상대적으로 낮은 양력으로도 하늘을 날 수 있다는 장점도 있습니다. 여러 연구 기관에서 화성 비행기에 대한 연구가 진행 중에 있습니다.



(화성 비행기에 대한 컨셉   A concept for an airplane on Mars.  Credit : MIT )



(붉게 보이는 화성의 옅은 대기.   1976 년 바이킹 착륙 당시 찍은 사진 Atmosphere of Mars taken from low orbit.  Credit : NASA )


 화성에 비행기를 날리려는 시도는 여러모로 다소 제정신이 아닌 (insane) 느낌이 들기는 하지만 일부에서는 가능성을 점치는 의견도 있습니다. 예를 들어 크기에 비해 극도로 가벼운 항공기를 만들면 어떻게 될까요. 마치 날아다니는 곤충같은 소형 로봇은 화성에서도 날 수 있을 지 모릅니다.


 유체 속에 물질을 놓았을 때 그 흐름이 난류가 될지 층류가 될지 경계가 되는 값인 레이놀즈 수 (Reynolds Number : Re) 값의 경우 일부 곤충들은 대단히 작은 값을 지녀서 마치 대기 중을 수영하듯이 천천히 이동할 수 있습니다. 만약 이런 형식의 로봇 비행기라면 아주 빠르게 움직이지 않고도 화성대기를 날 수 있지 않을까 하는 의견이 Phys.org 에 포스팅 되었습니다.


 이 흥미로운 내용에 의하면 무게 500 그램에 날개 너비 1 미터 정도 되는 UAV (무인 항공기) 라면 19.24 m/s 의 속도면 날 수 있을 것으로 보입니다. 화성 처럼 대기가 희박한 곳에서 항공기가 날기 위해서는 결국 속도가 엄청나게 빨라야 하는데 무게를 극단적으로 줄이면 이를 극복할 수 있다는 이야기죠.


 한편 희박한 대기에서 추진력을 내기 위해서 프로펠러 디자인 보다는 날개를 펄럭이는 디자인이 더 낫다는 의견도 있습니다. (화성 대기의 95% 는 이산화탄소이고 산소는 거의 없으므로 제트 엔진을 사용하기는 불가능) 이를 상상해 보면 꽤 기괴한 UAV 가 탄생하게 되는데 당장 화성 대기에 비행기를 날릴 계획인 없는 상황이라 아직 구체적인 이야기는 나오지 않고 있지만 여러 연구 기관들에서 컨셉이나 상상도를 만들고 있는 중입니다.


 그 중에 하나는 취소되기는 했지만 1 시간 정도 글라이더 비행을 하려고 계획했던 ARES 가 있습니다.  ( http://en.wikipedia.org/wiki/Aerial_Regional-scale_Environmental_Survey )


 화성에 비행기를 띄울 수 있다면 그 자체로 로버나 오비터가 할 수 없는 귀중한 정보를 우리에게 제공하겠지만 아마도 기술적으로도 놀라운 성과라고 할 수 있겠죠. 다만 쉽게 가능할 것으로 생각하기는 어려울 것 같습니다.



 참고

http://phys.org/news/2013-07-mars-robot.html#ajTabs

http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mars












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