(Rotor blade cross-sections highlight the thinner profile of the roamx-0201 design (above) compared to the more traditional, rounded shape (below) used by NASA's Ingenuity Mars helicopter, which accomplished the first powered flight on Mars. Credit: NASA)
나사의 인저뉴어티 화성 헬리콥터는 지구 이외의 천체에서 로터를 이용한 첫 동력 비행을 한 항공기라는 역사적 과업을 달성했습니다. 2021년 4월 19일 첫 비행을 시작한 인저뉴어티는 총 2시간 8분 18초를 비행해 총 17.163km 날았습니다. 최대 고도는 24m였고 최고 속도는 시속 36km이었습니다. 본래 30일 동안 5번 비행을 목표로 했던 이 화성 헬리콥터는 당초 목표와는 비교도 되지 않을 정도로 먼 거리를 오랜 시간 비행했습니다.
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인저뉴어티의 마지막 비행은 2024년 1월 18일 72번째 비행이었습니다. 마지막 비행 중 인저뉴어티는 고도 12m까지 올라갔다가 4.5초 후 초당 1m의 속도로 하강했습니다. 하지만 지표에서 1m 위치에서 착륙을 앞두고 갑자기 통신이 두절됐습니다.
이후 인저뉴어티와 통신을 회복한 나사의 과학자들은 인저뉴어티 헬리콥터의 탄소 섬유 블레이드 한쪽이 손상된 것을 확인했습니다. 통신은 가능해도 더 이상 비행은 불가능해진 것입니다. 결국 지난 72번째 비행이 마지막 비행으로 남게 됐습니다.
인저뉴어티의 업적은 후배인 스카이폴 (SkyFall) 미션으로 이어질 예정입니다. 스카이폴은 하나가 아니라 3개의 헬리콥터를 이용해 더 상세한 항공 임무를 수행합니다.
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나사는 스카이폴 이후 미래 임무를 위한 차차세대 화성 헬리콥터도 연구하고 있습니다. 캘리포니아 실리콘 밸리에 있는 NASA 에임스 연구센터의 한 연구팀은 영국 임페리얼 칼리지 런던, 일본 나고야 대학과 협력하여 화성에서의 공기역학적 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 블레이드 단면, 즉 에어포일(airfoil)을 테스트하고 있습니다.
나사 연구팀은 화성 환경에 맞춰 조정된 첨단 시뮬레이션과 알고리즘을 사용하여 roamx-0201이라는 새로운 날개 형상을 설계했습니다. 화성의 대기 밀도는 지구의 1% 밖에 되지 않기 때문에 희박한 공기를 이용해 최대한 양력을 발생시키면서도 무게를 대폭 줄여야 합니다. 연구팀을 이를 위해 기존 로터보다 더 얇고 비대칭적인 형태를 도출했습니다. 이후 풍동 실험 결과는 이 설계가 성능을 향상시키고 위험한 비행 상황에서 더 잘 회복할 수 있음을 보여주었습니다.
연구팀은 고정밀 시뮬레이션 도구를 사용하여 roamx-0201 날개의 성능을 분석하고 이를 인제뉴이티 탐사선의 성능과 비교했습니다. 만약 roamx-0201 날개를 적용할 경우 차세대 화성 탐사 헬리콥터는 과학 장비를 탑재한 상태로 한 번의 연속 비행으로 이동할 수 있는 거리를 인제뉴이티의 0.7km에서 최대 18.7km까지 확장할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 연구 결과는 9월 22일 AIAA 저널에 발표되었습니다 .
roamx-0201 블레이드가 우수한 성능을 보인 이유 중 하나는 "항력 발산(drag divergence)"이라는 현상이 발생하기 전에 더 높은 속도로 더 오랫동안 작동할 수 있었기 때문입니다. 항력 발산이란 로터가 음속에 가까워질 때 성능이 갑자기 떨어지는 현상인데, 화성의 기체 분자량(주로 CO₂)과 온도로 인해 음속이 지구보다 낮아, 로터 팁이 마하 0.6 수준에서도 이미 항력 발산 현상에 접근합니다.
여기에 블레이드 크기가 작고 대기가 희박해서 공기층이 분리되는 층류 분리(laminar separation)가 후방에서 발생하여 항력을 크게 증가시킵니다. 또 인제뉴이티의 블레이드는 각도 변화 시 성능이 급격히 떨어지는 현상을 뚜렷하게 보였습니다.
새로운 roamx-0201 에어포일은 의도적으로 블레이드 앞쪽, 즉 앞전 부분에서 이 경계층의 흐름을 방해하여 역설적으로 블레이드를 위로 끌어올리는 교란을 발생시킵니다. 이는 기존 설계보다 회전익 항공기를 더욱 효과적으로 들어 올리는 데 도움이 됩니다. 교란이 오히려 양력을 만들어 역설적으로 비행 성능을 높이는 것입니다. 또 두께를 5분의 1로 줄여 층류 분리 문제를 완화하고, 마하 0.6 근처에서 항력 발산이 발생하는 시점을 늦춥니다.
인제뉴이티의 블레이드는 실속 시 성능 저하가 심했지만, 연구된 조건에서 roamx-0201 설계는 실속 특성이 크게 개선된 것으로 나타났습니다. 이는 향후 헬리콥터가 더 넓은 범위의 비행 각도에서 안전하게 운항할 수 있음을 의미합니다. 만약 새로운 로터 블레이드를 통해 한번에 18.7km 이상을 안정적으로 비행할 수 있는 화성 헬리콥터가 실현되면 바퀴 차량이 접근할 수 없는 지형을 독립적으로 조사하는 등 완전히 새로운 과학 임션 프로파일이 열립니다.
따라서 이번 연구는 화성 로터크래프트의 "제1세대(증명) → 제2세대(SkyFall, 확장) → 제3세대(roamx 기반, 장거리 과학)"라는 로드맵에서 제3세대의 기술적 토대를 놓는 작업으로 평가할 수 있습니다. 다만 스카이폴의 데이터가 추가될 필요가 있으므로 앞으로 스카이폴 임무가 성공적으로 진행되는 것이 우선적인 목표가 될 것입니다.
참고
Lidia Caros et al., Computational and Experimental Comparison of CLF5605 and Roamx-0201 Martian Helicopter Rotor Airfoils, AIAA Journal (2026). DOI: 10.2514/1.j066610
https://phys.org/news/2026-10-nasa-experimental-mars-helicopter-blade.html
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