(출처: 나사)
나사의 퍼서비어런스 로버에 탑재된 화성 헬리콥터 인제뉴어티 (Ingenuity)는 역사상 최초로 지구 이외의 장소에서 동력비행을 한 비행체로 이름을 올렸습니다. 하지만 무게 1.2kg의 작은 헬리콥터로 기본적으로 카메라 이외에 과학 장비를 탑재한 건 아니어서 본격적인 탐사 임무에는 적합하지 않았습니다. 우선 비행이 가능한지 검증하는 목표였기 때문입니다.
따라서 나사는 다음 목표로 비행하면서 화성을 탐사하는 본격적인 화성 헬리콥터 프로젝트인 스카이폴 (SkyFall)을 계획하고 있습니다. 여러 개의 헬리콥터가 동시에 하늘을 비행하면서 탐사합니다. 발사 방식도 공중 배치(mid-air deployment) 방식으로, 전통적인 착륙선 없이 헬리콥터 무리를 공중에서 직접 떨어뜨려 배치하는 혁신적인 방법을 사용합니다. 지하 투과 레이더 등 과학 장비 역시 탑재합니다.
스카이폴 프로젝트 전에 나사의 과학자들은 차세대 화성 헬리콥터의 로터를 개발하고 있습니다. 화성 대기는 지구 대기 밀도의 1%에 불과하기 때문에, 추력을 극대화하려면 블레이드 끝을 음속에 가깝게 회전시켜 상당한 양력을 얻어야 합니다. 지구에서도 직경이 작은 로터는 분당 수천 회전할 수 있지만, 더 많은 공기 분자를 밀어내야 하므로 음속에 근접할 필요가 없습니다.
인제뉴어티 비행팀은 화성에서 72번의 비행 동안 복합 소재로 덮인 폼 로터의 회전 속도가 분당 2,700회전(rpm)을 넘지 않도록 했습니다. 그 이유는 두 가지였습니다. 첫째, 예측할 수 없는 음속 장벽의 물리적 현상을 피하기 위해서였고, 둘째, 예상치 못한 돌풍(예를 들어 회오리바람)으로 인해 로터 끝부분이 음속 한계를 넘어서는 것을 방지하기 위해서였습니다. 그러나 이번에는 로터를 초음속으로 회전시켜 희박한 대기에서 양력을 얻어야 합니다.
참고로 지구 해수면에서의 마하 1은 약 시속 1,223km에 해당하지만, 화성의 음속은 행성의 희박하고 차가우며 이산화탄소가 풍부한 대기 때문에 훨씬 느린 약 시속 869km 입니다. 그러나 최대한 가볍게 만든 로터가 이 속도를 견디게 하는 일은 상당한 기술적 도전입니다.
나사의 연구팀은 에어로비론먼트(AeroVironment)에서 개발한 로터를 평가하기 위해 JPL의 25피트 우주 시뮬레이터 내부에서 3엽 로터를 테스트했습니다 . 연구팀은 시뮬레이터 내부의 공기를 빼내고 화성 대기와 유사한 농도가 되도록 이산화탄소를 주입한 다음, 로터가 점점 빠른 속도로 회전하는 동안 바람을 불어넣었습니다.
연구팀은 초음속 실험 중 블레이드가 파손될 경우를 대비해 챔버 일부에 판금을 덧대는 예방 조치를 취했습니다. 로터의 회전 속도가 3,750rpm까지 올라가는 동안 블레이드 끝부분은 마하 0.98의 속도로 회전했습니다. 그런 다음 엔지니어들은 챔버 내부의 팬을 작동시켜 로터에 강한 맞바람을 불어넣었습니다. 매번 실험을 마친 후에는 다음 실험을 위해 풍속을 점차 높였습니다.
이런 방식으로 점점 속도를 끌어올린 끝에 연구팀은 로터 끝단 속도를 마하 1.08까지 끌어올려 화성 탐사선의 양력을 30% 향상시켰습니다. 향후 임무에서 첨단 센서와 장시간 비행을 위한 대용량 배터리를 포함한 더 무거운 과학 장비를 탑재할 수 있는 양력을 확보하는데 중요한 목표를 달성한 것입니다. 추가로 연구팀은 2엽 버전의 로터도 테스트했는데, 3엽 버전보다 길이가 약간 더 길기 때문에 맞바람이 불기 전에 로터 끝에서 거의 초음속에 가까운 속도를 내는 데에는 3,570rpm만 필요했습니다.
(Testing the Next Generation of Mars Helicopter Rotor Blades)
나사 스카이폴 프로젝트는 2028년 12월을 목표로 하고 있지만, 현재 개발 정도로 봐서는 이보다 많이 연기될 가능성이 높아 보입니다. 특히 최근 미국이 나사의 예산을 대폭 삭감하고 있어 여러 프로젝트들이 쉽지 않은 상황이라 불확실성이 커보입니다. 연기는되더라도 결국은 진행해서 우주 탐사에 새로운 기원을 열어주기를 기대합니다.
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