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카시니호의 수명을 늘린 ‘플라이 바이’

카시니호

카시니호가 발사 후 토성에 도착할 때까지 금성(Venus)에 2번, 지구(Earth)에 1번 그리고 목성(Jupiter)에 1번 플라이 바이한 후 토성으로 멀어지는 과정을 화살표로 나타낸 것이다. / 이미지 출처 : NASA / Jet Propulsion Laboratory - Caltech 


- 카시니호는 어떻게 10년이나 더 움직였을까?
 카시니호는 2008년 임무 종료 예정이었으나 10년이나 그 수명을 연장하며 임무를 수행했다. 카시니호 수명 연장의 일등 공신은 바로 ‘플라이 바이(Flyby)’였다.
 1997년 지구에서 발사된 카시니-하위헌스호는 1998년 12월과 1999년 6월에 두 차례 금성(Venus)을, 곧이어 1999년 8월에 지구를 그리고 마지막으로 2000년 12월에 목성(Jupiter)을 플라이 바이한 후 토성으로 향했다. 토성에 도착하기 전 3개의 행성에 4차례 플라이 바이하며 연료를 덜 사용하면서도 토성에 가기 위한 충분한 속력을 얻었다.
 이뿐만이 아니라 카시니호는 토성에 도착한 후에도 플라이 바이로 수명을 연장했는데, 토성의 가장 큰 위성인 타이탄을 무려 127회나 플라이 바이했다. 플라이 바이를 통해 연료를 거의 사용하지 않고도 추진력을 얻어 예상보다 10년이나 더 토성의 궤도를 따라 돌 수 있었다.


- 플라이 바이란?
 플라이 바이를 요약해 설명하면, 태양과 행성의 중력을 이용하여 탐사선을 가속하는 방법이다. 탐사선이 원래 가진 속도보다 더 빠른 속도를 얻기 위해 여행 도중 특정 행성에 접근하여 그 행성의 중력을 이용하는 플라이 바이(Flyby)를 우리말로는 근접비행이라고도 하는데, 스윙 바이(Swingby) 또는 그래비티 어시스트(Gravity Assist)라는 용어로 소개되기도 한다.
 롤러코스터가 내려갈 때는 속도가 빨라졌다(가속)가 다시 올라갈 때는 속도가 느려지는 것처럼 탐사선도 중력을 가진 행성의 옆을 지날 때 가속되고, 행성의 중력을 벗어날 때는 감속된다. 여기서 고려되어야 할 것이, 이 행성은 실제로는 한 자리에 가만히 있는 것이 아니라 태양 주위를 돌며 궤도 운동을 하고 있다는 것이다. 탐사선이 행성에 접근하는 시간은 길고 멀어지는 시간을 짧게 궤도를 형성하면, 가속시간은 길고 감속시간은 짧아져 연료를 쓰지 않고도 가속이 가능해진다. 우주는 마찰이 없는 진공상태라 플라이 바이를 통해 얻은 속력은 그대로 유지가 가능하다.
 탐사선이 행성에 너무 가까이 접근하면 행성의 중력에 빨려 들어가 행성과 충돌할 수 있으므로 행성과의 거리 그리고 행성의 궤도를 충분하게 고려해 정확하게 시행해야 하는 무척 전문적인 작업이다. 연료를 덜 사용하고 빠르게 목적지에 도착할 수 있어 경제적, 시간적으로 유리해 대부분이 이 플라이 바이 항법을 선택하고 있다.

[연료가 부족했던 목성탐사선 갈릴레오의 선택, 플라이 바이]
 1989년 미국 케네디 우주센터에서 발사된 목성 탐사선 갈릴레오는 12년에 걸친 기획․개발을 거쳤다. 미국의 우주왕복선 아틀란티스호를 타고 지구를 떠나기로 예정되어 있었는데, 챌린저호 사고로 액체 추진로켓을 사용하지 못하고, 성능이 낮지만 더 안전한 고체추진 로켓으로 교체됐다. 챌린저호 사고란, 1986년 1월 7명의 승무원을 태우고 발사 후 60초 만에 공중에서 폭발해 승무원 전원이 사망하는 참사였다.
 안전을 위한 선택이었지만, 이 고체추진 로켓은 목성탐사선 갈릴레오를 목성궤도로 보낼 수 없다는 큰 문제를 야기했다. 그래서 전문가들이 선택한 방법은 자체 추진력에만 의존하지 않고, 금성과 지구에 플라이 바이해 속도를 얻으려는 계획을 세웠다. 발사 4개월 후 금성에서 2.2km/s, 다시 10개월 후 지구로부터 5.2km/s, 또 2년 후 다시 지구에서 3.7km/s의 속도를 추가로 얻어 총 11.1km/s나 가속하게 됐다. 결국 갈릴레오는 6년에 걸친 여행 끝에 목성에 도착했고, 목성의 대기권과 목성의 위성들을 탐사하게 됐다. 그러고 나서 2003년 갈릴레오는 목성의 대기로 떨어지며 목성 도착 후 8년여의 임무를 마쳤다.

카시니호
목성의 고리 사이로 떨어지기 직전의 카시니를 상상한 모습. / 이미지 출처 : NASA


 - ‘카시니호’는 왜 토성으로 추락해 산화해야 했나?
 목성 탐사선 갈릴레오가 목성으로 추락하며 사라진 것처럼 지난주에 살펴본 토성 탐사선 카시니호도 토성 대기로 진입하며 산화했다. 카시니호의 배터리가 다해 토성의 공전궤도에 제어가 안 되는 상태로 남을 경우 토성의 주위를 떠돌다 토성의 위성에 충돌해 지구에서 묻어갔을지 모를 미생물로 인해 혹시 존재할지도 모를 토성과 위성의 생명체에 피해가 발생할 우려가 있어서다. 지난 2017년 9월 15일 카시니호는 토성의 대기 중으로 떨어지며 산화했고, 그렇게 자신의 임무를 종료하게 됐다.

카시니의 20여 년을 되돌아보며 아쉬워하는 NASA의 엔지니어들. / 이미지 출처 : NASA / Jet Propulsion Laboratory - Caltech  


[더 찾아보기] : NASA의 CASSINI 페이지
지난 카시니-하위헌스호의 발사부터 카시니호의 마지막 모습까지 모든 기록이 남겨져 있다. https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/index.html

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