화성에서 헬리콥터형 드론이 주류를 이룬 이유는?

 최근 방송에서 지상을 내려다보는 장면은 대부분 드론이 촬영한 영상입니다. 옛날에는 헬리콥터로 항공 촬영을 하는 데에 몇 백만원의 비용이 든 적도 있었습니다. 이제 헬기 대신 날개가 4개인 쿼드콥터 드론이라면 원하는 장소에서 빠르고 멋진 영상을 촬영할 수 있습니다.

하지만 지구와는 달리 화성에서는 쿼드콥터 드론보다 헬리콥터형 드론이 주류를 이룰 것 같습니다. 지난 18일 세계의 주목을 받으며 화성 착륙에 성공한 탐사선 ‘파시비아랑스’에는 세계 최초로 화성을 공중에서 탐사하기 위한 초소형 헬기 드론 ‘인제누아티’가 탑재돼 있습니다. 그동안 화성 탐사는 하루에 불과 200m 정도 움직이는 로버로 탐사했지만, 인제누아티는 하늘에서 화성을 빠른 속도로 약 3배가 넘는 넓은 지역을 탐사할 수 있습니다. 그리고 지상의 로버처럼 웅덩이의 땅에서 헤어나지 못하고 임무를 중단할 수도 없을 것 같습니다.

<화성 탐사 헬리콥터 인제누아티 출처 : NASA> 왜 쿼드콥터 드론이 아니라 헬기형 드론이었을까요?일반적으로 헬리콥터형 드론은 쿼드 콥터 드론에 비해 장점이 더 많습니다. 우선 제자리 걸음인 비행 효율이 좋습니다. 같은 중량급 비행체라면 수직 이착륙 비행 시에 필요한 동력 소모량이 적습니다. 또한 강풍 능력이 뛰어납니다. 몇몇 플롭 비행체보다 헬리콥터처럼 큰 로터 하나로 추력을 낼 때 외풍(강풍, 돌풍 등)에 견디는 능력이 뛰어납니다. 그리고 일정 전진 비행속도까지 동력소모가 적어 드론에 비해 고속, 장거리 비행이 가능합니다. 같은 동력으로 유상 하중(탑재 중량, 승객 등)을 많이 들 수 있습니다.

하지만 지구가 아닌 화성에서 비행체가 비행을 한다는 것이 쉬운 일은 아닙니다. 그 이유는 화성이 지구보다 대기 밀도가 낮기 때문입니다. 화성은 지구보다 대기가 매우 희박해서 비행에 필요한 힘을 얻기가 쉽지 않아요. 화성의 대기는 밀도가 지구 대기의 100분의 1이기 때문에 동력 비행체를 띄우는 공기가 부족하기 때문에 더 많은 동력이 필요합니다. 화성 대기는 대부분 이산화탄소(약 95%)로 이뤄져 있으며 지표 부근의 대기압은 0.006기압에 불과합니다. 따라서 화성에서 날 수 있는 비행체는 원하는 양력과 추력을 내야 하지만, 쿼드콥터 드론보다는 헬리콥터형 드론의 프로펠러 크기가 훨씬 커 원하는 양력과 추력을 낼 수 있습니다.NASA는 2,300만달러를 투입해 초소형 헬리콥터형 드론 인제뉴어티 개발을 시작했습니다. 그렇다 치더라도 지구처럼 바람을 일으켜 공기를 밀어올리며 날아오르는 헬리콥터형 드론은 화성에서는 결코 쉬운 일이 아닙니다. 대기가 거의 없는 화성에서는 훨씬 더 큰 회전속도가 필요했어요. 인제누아티의 프로펠러는 분당 3,000번 돌아가는 속도(3,000rpm)로 구현되었습니다. 지구에서의 제자리 비행에 필요한 회전속도가 기껏해야 200-300rpm인데 비해 무려 10배나 빠른 회전수를 내고 있습니다.

인제누아티는 화성 환경에 맞춰 최적의 비행을 할 수 있도록 설계, 제작되었습니다. 무게는 1.8킬로그램, 높이는 50센티미터, 폭은 1.2미터입니다. 그리고 인제뉴어티에는 역회전하는 회전날개에 4개의 날개가 달려 있습니다. 2개의 날개를 2단으로 장착하는 역회전 블레이드 방식을 채택했습니다. 두 개의 로터가 역회전하여 몸체가 한 방향으로 돌아가는 것을 막는 역할을 합니다. 떠 있는 시간을 늘리기 위해 초고속으로 동시에 같은 속도로 회전합니다. 주로터가 하나인 일체형 헬기는 꼬리로터를 추가로 달아야 하기 때문에 부속품의 무게를 줄이는 데도 역회전 블레이드 방식이 유리했다고 봅니다.그나마 화성은 달보다는 비행체가 비행하기에 유리해요. 달에서는 헬륨풍선이 날 수 없지만 화성에서는 헬륨풍선이 부력을 얻어 날 수 있습니다.

화성헬기 드론 인제누아티가 화성 탐사의 신기원을 열까.인제뉴어티는 곧 화성 탐사를 위한 시작 예정입니다. 최종 목표는 90초 동안 5m 높이로 300m를 비행하는 게 목표입니다. 화성에서의 5m 높이 비행은 희박한 대기 때문에 지구에서 약 30km를 비행하는 것과 비슷하다고 합니다. 시험 비행은 화성 시간으로 30일 이내에 총 다섯 차례 진행될 예정입니다. 인제누아티는 영하 90도까지 내려가는 화성의 밤을 견뎌야 하며, 태양광 패널에서 리튬이온 배터리를 자동 충전해 비행에 필요한 동력을 확보해야 합니다. 따라서 NASA 엔지니어들은 인제누아티를 통한 화성 탐사의 성과도 중요하지만 인류 최초로 대기가 희박한 화성에서의 정상 비행이 가능한지 확인하는 것이 더욱 중요합니다.NASA’s Mars Helicopter Ingenuity will be the first aircraft to fly in acontrolled way on another planet. Asitsownsep… www.youtube.com 장소 인제뉴어티가 최초로 지구 최초로 인류가 되는 것. Asitsownsep… www.youtube.com 기존 탐사로봇의 한계를 보완할 뿐만 아니라 지상탐사로봇인 파서비어런스로 탐사할 대상을 결정하거나 파서비어런스가 가기 어려운 절벽, 협곡 등의 지형을 대신 탐사할 예정입니다. 또한 파시비아랑스에 위험지역과 대상, 지형 특이사항을 미리 알려 안전한 탐사활동에도 도움이 될 것입니다.

아쉽게도 인제뉴어티의 임무는 3월이나 4월경에 종료될 예정입니다. 인제누아티는 화성에서 짧은 기간의 임무를 마치지만, 인제누아티의 성공을 기대하는 후속 비행체가 있습니다. NASA는 2030년대 초반 토성의 위성인 타이탄 탐사에 활용할 새로운 비행체도 준비하고 있습니다. 날개 8개로 수직이착륙이 가능하며 탐사목표물 사이를 날아다닐 수 있는 드래곤플라이를 개발중입니다. 드래곤플라이는 2026년 발사 예정이며, 34년 토성 부근에 도착하여 토성 근처에서 기다렸다가 타이탄 날씨가 가장 평온할 때 적도 부근 샹그릴라 사구에 낙하산을 이용해 착륙할 예정입니다.

드래곤 플라이의 탐사 상상도, 출처:NASA드래곤 플라이의 최종 목적지는 지름 80km크기의 셀 구 분화구에서 이 분화구는 과거에 혜성이나 소행성이 타이탄에 충돌해서 생긴 분화구로 추정됩니다. 여기에는 탄소나 질소를 함유하고 있다고 예측되고 있는 것입니다.드래곤 플라이는 약 2년 7개월 동안 예상 이동 거리 170km로 타이탄의 대기를 날아다니며 타이탄을 탐사할 계획입니다.

앞으로 우주 탐사는 물론 화성이나 토성에서 더 많은 화물과 인원을 수송한 비행체의 등장을 기대하고 있습니다.

항공 우주 에디터 옥스 형