하야부사(탐사선)

1 개요

2003년 5월 9일에 일본 타네가시마 우주센터에서 M-V 고체로켓 5호기에 실려 발사된 소형 소행성 탐사기 겸 공학실험위성으로 정식명칭은 '제20호 과학위성(第20号科学衛星)'이고 개발명은 「MUSES-C」(MU Space Engineering Satelite-C)이다. 달 탐사 위성이었던 '제13호 과학위성',「MUSES-A」히텐 및, 지상 망원경과 연계한 전파 천문 관측 위성이었던 '제16호 과학위성',「MUSES-B」하루카에 이은 MUSES 시리즈의 3번째 공학탐사기이다.

매라는 뜻의 이름 하야부사는 항공기와 우주선 양 분야에서 저명한 이토카와 히데오가 설계했던 육군 1식 전투기 하야부사에서 따온 이름으로도 소개되었지만 M-V 고체로켓 5호기가 발사된 당일 날에야 붙여졌기 때문에 오해였다고 해명되었다. 이름 자체는 소행성 샘플 회수가 1초간의 착륙과 이륙으로 이루어지는 모습을 매로 비유해 입안된 이름이었다. MUSES-C 프로젝트 출범 당시의 이름 후보에는 '하야부사(はやぶさ)' 말고도 '아톰(Asteroid Take-Out Mission, ATOM)'이라는 이름도 입안되었지만 이쪽은 말뜻의 '원자'에서 '원자폭탄'이 연상된다고 기각되어 최종적으로 하야부사로 결정되었다.

1차 목적은 화성과 지구 궤도를 넘나드는 지구접근천체 S형 소행성 이토카와[1]의 탐사였다. 이토카와가 목적지로 정해진 이유는 첫번째로 태양계가 생성될 당시의 물질들을 아직 많이 가지고 있기 때문에 그것을 통해 지구가 탄생하는 과정에 대한 비밀을 밝혀낼 목적이었고 두번째로 이토카와는 그 크기가 500m 수준의 소행성이며, 이렇게 작은 크기의 소행성을 택한 이유 중 하나는 탈출 속도가 낮아 하야부사와 같은 소형 인공위성이나 탐사선이 가진 추진체로서도 자력 탈출이 가능했기 때문이다. 그리고 2차 목적은 일본 자체 기술로 과연 지구 귀환을 전제로 한 우주 탐사를 해낼 수 있는지에 대한 자료 수집이었다.

목표 소행성 이토카와

최초 계획은 2003년 발사에 2007년 귀환으로 총 4년에 걸친 여행이었으나, 수많은 난관으로 인해 결국 7년만인 2010년에서야 겨우 귀환에 성공했다. 이 기간 동안 하야부사는 태양 주위를 총 5회 공전했으며 총 비행거리는 약 60억km를 달성. 지금까지 지구에 귀환한 우주 비행체 중에서 최장거리 항해 기록을 세웠으며, '인류 최초로 달 이외의 천체에 착륙하고 그 샘플을 채취하여 지구로 귀환한 탐사선'으로 기록되었다.[2][3][4]

2 상세

앞서 언급한 것처럼 순수 일본 기술[5]로만 만들어졌으며, 그렇기 때문에 JAXA에서도 성공 가능성을 매우 희박하게 보고 있었다. 애초에 하야부사가 이토카와에 도착하는 것 자체를 두고 "날아가는 총알을, 총으로 쏴서 맞추는 것"에 비유할 정도로 자체 기술력만으로는 거의 불가능에 가까운 일을 어거지로 해낸 인상이 강했다. 그야말로 그런데 그것이 실제로 일어났습니다의 전형적인 예제라고 할 수 있을 정도.

성공은 했지만 중간과정에 문제가 많았다. 특히 시료 채취 과정에서 거의 모든 문제점이 동시다발적으로 발생했다.

  • 이토카와에 도달하기 전에 원인 불명의 이유로 이미 자세제어용 리액션 휠 3개 중 2개가 고장나서 자세제어에 어려움을 겪었다. 결국 마지막 남은 Z축 리액션 휠[6]과 함께 이온 엔진의 추진체로 쓰이는 제논 가스를 직접 분사하며 자세제어를 행했다. 본래 귀환에 쓸 추진체 확보를 위해 추진체를 아껴야 했지만 자세 제어를 담당하는 리액션 휠이 두개나 고장난지라 추진체 소모를 정교하게 제어하기로 하며 계획을 속행했다.
  • 한편, 하야부사는 본래 사출 분리형 소형 탐사선인 미네르바를 탑재하고 있었지만 강하 리허설 도중 지상에서의 명령 송신의 순서 문제로 하야부사가 강하 속도를 줄이기 위해 추진체를 분사해 하강 속도를 제어하는 그 순간에 미네르바를 사출하는 치명적인 실수를 저질렀다. 이때문에 미네르바를 이토카와에 착륙시키는데 실패하며 소실한다.
  • 미네르바를 잃고난 뒤 샘플 채취를 위해 예비로 준비해둔 소형 쇠구슬을 발사[7]했으나, 착륙 이후의 분석 결과 탄환은 정상적으로 발사되지 않았다.[8] 따라서 이 방법으로도 시료 채취에는 실패했다.
  • 결국 마지막 수단으로 하야부사를 이토카와에 직접 착륙시켜 그 과정에서 생겨나는 파편들을 샘플러 혼에 넣기로 하고 착륙시킨다. 그 과정에서 본체가 파손되며 화학엔진의 연료가 누출되어 온갖 문제점을 일으키고[9] 그 때문에 귀환 과정에서 거의 대부분의 기능이 고장난채로 보조추력인 이온 엔진과 추진체인 제논 가스, 마지막 하나 남은 리액션 휠만을 사용하게 되었다.

만신창이라는 말도 모자라 그야말로 거의 죽어버린 거나 마찬가지인 하야부사를 운용팀이 몇 차례의 프로그램 수정과 데이터 갱신으로 간신히 살려 내고, 태양빛의 압력[10]과 이온엔진의 추력을 기반으로 마지막 남은 리액션 휠 1기를 자세제어에 적절하게 이용해 결국 하야부사를 정상적으로 제어하는데 성공, 2010년 6월 13일 밤 10시경 지구로의 진입에 성공하였다.

오스트레일리아 정부가 귀환 캡슐 투하를 허가한 호주 남부 우메라 출입 금지 구역[11] 을 목표로 하야부사는 목숨을 걸고 채취한 소중한 시료가 담긴 귀환 캡슐을 먼저 투하한뒤 JAXA에게서 마지막으로 전달된 "고향의 사진을 찍어 보내라"는 최후의 임무를 수행했다. 그 후 귀환 캡슐을 뒤따라서 대기권으로 재돌입했고 새하얗게 불타며 분해되는 최후의 순간까지도 앞서 나아가는 귀환 캡슐을 지켜봐주듯 보름달보다 밝게 빛나는 빛무리가 되어 흩어지며 소멸했다.[12]

모든 임무를 완수한 후 대기권에서 산화하며 최후를 맞이하는 하야부사. 미항공우주국의 DC-8 공중연구실(Airborne Laboratory)에서 찍은 영상이다. 약간 앞쪽의 작고 노란 광점이 채취한 시료가 담긴 귀환 캡슐이고 그 뒤를 따라 흩어져 사라지는 파란 광점이 소멸해가는 하야부사의 본체.

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오스트레일리아 남부 우메라 사막에 무사히 안착한 귀환 캡슐의 사진.

우주 공간으로부터의 탐사선 귀환을 독자적으로 시행하고 있는 나라가 그리 많지 않은데다가, 계획이 매끄럽게 굴러가지 않았지만 어쨌든, 목표 달성에 성공했기 때문에 하야부사의 학술적, 기술적 가치는 값으로 매길 수 없는 귀중한 것이다. 왜냐하면 우주공학 관련 기술의 경우 어떻게든 데이터를 회수해서 분석하고 노하우를 축적하기만 하면 그것만으로도 엄청난 성과가 생겨나게 되고 그것이 모두 해당 국가의 기술력을 밑받침해주기 때문이다. 당장 대한민국이 나로호 한 번 쏴 보려고 돈을 퍼부어가며 그 삽질을 한 것도 그런 이유 때문. 대표적인 예제로 재돌입 환경이 있다. 우주왕복선 같은 경우 지구 저궤도에서 지구로 돌입하므로 돌입할 때 섭씨 1500도 정도의 환경에 처해지지만, 행성간 공간으로부터 그대로 지구로 돌입한 하야부사 캡슐의 표면 온도는 섭씨 3000도를 넘었다!

3 그 외 이야깃거리

귀환 당시 원래 탑재되어 있던 4개의 이온 엔진 중 2개는 이미 망가져 있는 상황이었고 2개만이 정상 동작하고 있었는데, 이 두 정상적인 엔진에 그나마 쓸만하던 엔진 하나를 추가로 투입하여 귀환을 시작하게 되었다. 하지만 그나마 정상적이었던 2개의 엔진도 성능이 저하되기 시작했고, 결국 또 하나가 귀환 도중 고장을 일으키고 말았다. 이 상태로는 빨라도 2013년이나 되어서야 지구로의 귀환이 가능하고 그나마 그 확률도 엄청나게 낮아지게 되는데, 이온원이 고장난 엔진의 중화기와 중화기가 고장난 엔진의 이온원[13]을 조합하여[14] 겨우겨우 시간을 맞춰 귀환할 수 있었다고.

참고로 샘플 채취에 성공한 것은 만악의 근원이었던 직접 착륙 과정이었다고 한다. 이토카와의 작은 중력 때문에 하야부사가 착륙하며 날아오른 약간의 먼지 수집에 성공한 것으로 보여지며, 1500 그레인(약 97그램)가량의 샘플 수집에 성공하였다고 한다. 당초 예정에 비해서 정말 미미한 결과만 남겨온 셈이지만, 회수작업 당시의 상황을 생각해 보면 그야말로 대성공. 어쨌거나 사투를 벌여가며 샘플을 채취해 돌아왔다는 그 사실 하나만으로도 '소행성 이토카와의 탐사'와 '일본의 자체 기술력으로도 쏘아보낸 우주 비행체의 자력 귀환을 전제로한 소행성 탐사가 가능한가'라는 당초의 목적이 모두 달성됐기 때문이다.

당초에는 지구에 귀환 캡슐을 떨어뜨린 뒤 화학 엔진을 추가적으로 사용하여 모선을 L1 라그랑주점[15]에 정지시키는 계획도 있었으나, 그놈의 화학엔진이 진작부터 고자라니 상태가 됐고 본체의 손상도 너무 심했기 때문에 어쩔 수 없이 본체는 대기권으로 돌입시키는 방법을 채택했다고 한다.

하야부사가 대기권에 돌입해 최후를 맞이하기 직전, JAXA 연구원들은 마지막으로 지구의 사진을 찍어 전송하라는 명령을 내렸다.

아래는 지구를 떠나기 직전 찍은 사진과 지구로 귀환하면서 찍은 마지막 사진이다.

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오른쪽 사진의 경우, 귀환 당시 본체가 완전히 만신창이가 된 상태라 탑재한 카메라의 작동 안정성도 미지수였고, 캡슐 투하에 문제가 생길경우 그에 대한 영향도 받을 가능성이 점쳐졌지만 다행히 캡슐 투하가 예정대로 진행되면서 사진 촬영에도 문제는 없었다. 그리하여 만신창이가 된 몸으로도 남은 이온 엔진과 리액션 휠 하나로 기체의 자세를 제어하며 간신히 5~6장 정도 촬영해 지상에 송신했지만 도중에 본체가 대기권에 본격적으로 재진입하면서 통신이 끊겨버렸다. 또한 이렇게 필사적으로 촬영해 보낸 사진들도 대부분 검은 화면만 있을뿐이었지만 송신이 끊기며 사진 아래가 잘려나간 마지막 한장만큼은 아슬아슬하게 지구의 모습을 담아 보냈다.

4 하야부사의 여정 기록

/운항 기록 항목 참고. JAXA의 로그를 기반으로 하고 있다.

또한 하야부사의 비행 과정 및 그 시련 등에 대한 자세한 내용은 아래 두 블로그를 참조할 것.

탐사선 하야부사와 미네르바 이야기

5 서브컬처에서의 반응

애초에 실험적 프로토타입 의미가 강했던지라 대내외적으로 별다른 기대를 하지 않고 있었지만, 달 탐사선 카구야가 언론에서 대박을 치고 그 이후 니코니코 동화에서 이 동영상을 통해 하야부사가 연달아 관심을 얻으면서 일반인들에게도 알려지기 시작했다.

그리고 pixiv의 니코동 연합으로 하야부사씨라는 모에화 캐릭터가 생겨나더니 하야부사씨 only전이 개최되고, 이 캐릭터를 기반으로 한 설명 동영상 시리즈와 이 시리즈를 기반으로 한 공식 홍보물까지 나오게 된다. 그리고 지구 귀환 당일날 공중파 채널과 별개로 니코니코채널을 통해 하야부사 착륙 실황중계까지 하며 대미를 장식한다.

그리고 하야부사의 추모곡인 하츠네 미쿠 오리지널곡 하야부사가 2013년 2월 기준으로 80만 재생을 돌파했다.

【ニコニコ動画】【初音ミク】 はやぶさ 【オリジナル曲】

가면라이더 포제의 히로인인 죠지마 유우키가 이를 캐릭터화 인형을 들고 다닐 정도로 좋아하는 것으로 나온다. 다만 한국 더빙판에서는 미리내호로 로컬라이징.

6 후계기

6.1 하야부사 2



기본 포맷은 하야부사 1과 비슷하다. 개발 구상이 이루어진 시기는 2006년인데, 하필 1호기가 우주를 헤메면서 다 죽어갈 시점[16]이라 프로젝트 자체가 공중에 붕 떠버렸다. 하지만 결국 간신히 1호기가 모든 고난을 이겨내며 기적적으로 귀환에 성공하고 그 드라마틱했던 여정이 공개되자 후계기 개발을 요구하는 여론이 쇄도하기 시작, 정부 차원에서 개발이 가속화된다.

생김새나 크기는 거의 1호기와 같지만 가장 말썽을 일으켰던 자세제어시스템을 4개나 넣었고 엔진도 강화되었으며, 통신장비 및 내비게이션/유도 기능도 업그레이드 되었으며, 1호기가 잃어버렸던 소형 로버인 미네르바도 3개나 탑재한다. 가장 큰 특징은 샘플 채취를 위한 보조 시스템이 쇠구슬에서 폭탄(!)으로 상향된 것. 먼저 1호기처럼 소행성 표면의 토양을 채집한 후 다시 이륙해서 2kg의 구리로 만든 자기단조탄(Self-Sharpening bomb)을 투하해 인공 크레이터를 만들어 소행성 내부의 토양도 채집할 계획이라고 한다. 폭탄이 터지기 전에 탐사선 본체는 소행성을 한바퀴 돌며 안전한 곳으로 이동한다. 대략적인 발파 방식은 이 동영상에서 확인 가능.궤도 폭격?

또한 유럽 우주국과 협력하여 독일 항공우주센터(DLR)와 프랑스 우주국(CNES)에서 개발한 이동형 소행성 표면 탐사기 MASCOT(Mobile Asteroid Surface Scout)을 내려놓을 예정이다. 이 탐사기에는 적외선 분광기와 자기장/방사선 검출기, 카메라 등 각종 센서가 탑재되어 있고 리프팅 방식으로 이동하면서 소행성 표면의 자료를 수집하여 하야부사에게 전송한다.

목표 소행성은 C형 소행성인 1999 JU3로, 2014년 11월 30일 H2A 로켓 26호기에 실려 발사됐다. 이 소행성은 2015년 10월 JAXA에 의해 류구(Ryugu)란 명칭이 붙여졌다. 2015년 12월 지구를 스윙바이 해서 소행성으로 접근하고 있다. 계획이 순조롭게 진행되면 류구 소행성에 도착하는 시기는 2018년이고 2019년까지 1년간 체류하며, 지구 귀환은 2020년 말 쯤이 될 전망이다. 예상 항행거리는 52억 km. 지구에 귀환해서 샘플 캡슐을 분리한 이후에는 대기권에 진입하여 소멸하지 않고 하야부사 1호기의 원래 계획처럼 다시 우주로 나가 임무를 계속 수행하게 된다.

6.2 하야부사 Mk.2


JAXA는 2018년까지 기존 1, 2호와는 전혀 다른 포맷으로 하야부사 Mk.2를 개발하고 있다. 본래는 1호기가 탐사한 S형과 2호기가 탐사하는 C형보다 더욱 먼 곳에 있고 더욱 원시적인 D형 소행성을 탐사할 예정이었으나 최근 목표가 바뀌어 Cf형 소행성인 동시에 소행성대 혜성인 윌슨-해링턴을 탐사할 계획이다.

하야부사 Mk.2에는 기존의 샘플 수집, 귀환 기능 외에도 스스로 샘플을 분석하여 그 정보를 지구로 전송할 수 있는 연구 장비와 함께 소행성의 응집력이나 혹시 있을지 모를 미약한 대기의 움직임, 표면 온도, 물의 존재 여부, 소행성에 대한 태양풍의 영향 등을 파악할 수 있는 각종 센서를 탑재한다.

JAXA는 2017년 쯤 하야부사 Mk.2에 사용될 신형 이온엔진과 태양전지판 시험 위성(명칭:소형 과학 심우주 탐사선, DESTINY)을 엡실론 로켓을 이용해 발사할 예정이다. 또한 하야부사 Mk.2는 샘플 리턴 캡슐을 하야부사 1보다 훨씬 먼 곳에서 투하하게 되는데, 하야부사 1 캡슐의 속도 12.2 km/s를 뛰어넘는 14km/s(마하 41)의 속도로 대기권에 진입할 것으로 예상되기 때문에 더 강력한 강도와 내열성을 가진 소재로 DASH-II라는 재돌입 시험기를 제작하여 그 기술을 반영할 예정이다.
  1. ↑ 원래는 1998 SF36이라는 임시 명칭만 붙어있었지만 하야부사의 최종 목적지로 결정하면서 일본의 로켓 과학자인 이토카와 히데오를 기리는 의미에서 명명되었고 명명시기는 하야부사가 출발한지 3개월 뒤의 일이었다.
  2. ↑ 모든 우주비행체를 통틀어서 계산하면 보이저 2호가 가장 길지만, 보이저 시리즈의 경우 지구 귀환이 목적이 아닌 태양계 탈출 목적의 편도 비행이었다.
  3. ↑ 하야부사가 소행성에 최초로 착륙한 탐사선은 아닌게 그 이전에 소행성 에로스에 착륙한 니어 슈메이커가 있기 때문이다. 하지만 착륙을 하고 샘플을 채취해서 지구로 보낸 탐사선은 하야부사가 최초이다. 또한 샘플 귀환이라는 점에서도 아주 최초는 아니다. 소련의 달 탐사선이나 아폴로 계획 같은 무식한(...) 사례가 아니더라도 스타더스트가 '착륙하지 않고' 빌트2 혜성 근접 비행 중에 부스러기를 채취하여 가져온 예가 있다.
  4. ↑ 해당 기록은 기네스북에도 등재되었다.#
  5. ↑ 다만 에임스 연구 센터의 대형 가열 굴을 이용한 내열 실드 실험, 딥 스페이스 네트워크에 의한 하야부사의 추적, DC-8 공중연구소와의 연계에 의한 하야부사의 대기권 재돌입 촬영 등에는 NASA의 협조를 받긴 했다.
  6. ↑ 실전에서는 사용되지 않았지만, 이 마지막 리액션 휠이 고장날 경우를 대비한 대책도 세워뒀었다.
  7. ↑ 0.2초 간격으로 두 발을 발사하였다. 탄환을 맞고 조각난 소행성의 구성물질이 실린더를 통해 내부에 튕겨 들어오도록 하는 장치로, 최대한 많은 파편을 만들기 위해 연속 발사 형식을 채택했다.
  8. ↑ 2005년 12월 7일에 두절되었던 하야부사와의 통신이 간신히 재개되면서 수신받은 데이터에서 2004년 11월 26일의 두번째 강하 리허설 도중의 터치다운 중단 모드가 해제되지 않은 상태임이 밝혀졌고 결정적으로 착륙 시퀀스 도중의 탄환 발사 중지 명령이 발견되었다. 따라서 샘플링용 탄환은 발사되지 않았을 가능성이 높다.
  9. ↑ 연료가 새는 반작용에 의해 하야부사가 제멋대로 움직이며 7주가 넘는 기간 동안 통신 불능 상태가 되었다. 게다가 자세 제어가 불가능해져 태양 전지를 태양을 향해 움직이는 것도 불가능했고, 그 때문에 히터가 전력 부족으로 작동되지 못하게 되어 누출된 연료가 얼어붙어서 주변 장치의 정상 작동까지 방해했다.
  10. ↑ 태양풍이 아니라 태양빛 자체가 가지는 압력을 이용한 게 맞다.
  11. ↑ 오스트레일리아 정부는 하야부사가 귀환하기 11일 전인 6월 2일에 우메라 출입 금지 구역에 하야부사의 재돌입 캡슐을 투하하는걸 허락했고 귀환 당일 날인 13일에는 22시부터 0시까지 이 구역을 지나는 스튜어트 고속도로의 출입을 통제했다.
  12. ↑ 재진입 당시 하야부사는 마이너스 13등급으로 빛났는데 이는 보름달의 두배 밝기에 해당한다. 그래서 오스트레일리아 남부에서는 지상에 그림자가 드리워질 정도였다.
  13. ↑ 이온 엔진은 제논(크세논) 양이온을 고속으로 분출하는 '이온원'과, 양이온을 분출하며 탐사선이 음전하로 대전되는 것을 막기 위해 전자를 방출하는 '중화기'로 구성된다. 하야부사에서는 둘 중 하나만 고장난 엔진의 것을 조합한 것이다.
  14. ↑ 하야부사가 제작될 때 제작팀에서는 만일을 대비해 각각의 이온엔진에서 멀쩡한 부품만 사용할 수 있도록 하는 조합회로를 설치했다. 그리고 제대로 테스트도 해 보지 못한채로 탑재해 발사한지라 하야부사에서 유일하게 검증 과정을 하나도 거치지 않은 그 회로는 하야부사의 중요 기능들이 하나하나 죽어가는 와중에도 훌륭하게 제몫을 하면서 간신히 하야부사를 살려냈다!
  15. ↑ 지구와 태양의 중력이 균형을 이루는 점. 참고로 L1 라그랑주점은 지구에서 약 150만 km 떨어져 있다.
  16. ↑ 이 당시 하야부사는 슬래스터의 연료는 전부 누출로 상실했고 이 때문에 본체의 기능도 상당수가 망가진데다 통신도 두 번이나 끊기는 등 정상적으로 작동되는 부분이 없이 완전히 만신창이가 된 상태였다. 당장 귀환은 커녕 자세제어조차 불가능에 가까웠을 정도.