한국항공우주연구원

  목성은 태양계 8개 행성 - 2006년 이전 9개였으나 가장 질량이 작고 크기도 작은 행성이었던 명왕성이 행성 지위에서 강등된 이후 현재까지 8개의 행성이 있음 - 중에서 가장 중량이 많이 나가는 행성이다. 목성의 질량은 지구의 약 320배이며 만약 목성의 질량이 현재 값의 약 70배 이상이었다면 태양계에는 태양이외에 또 하나의 별 - 여기서 별은 자체 핵융합 반응으로 에너지를 발생하는 천체를 의미함 -을 갖게 되었을 것이다. 이러한 상상은 단지 상상에 그치지 않고 우리가 살고 있는 은하계에는 이와 같은 쌍성계가 무수히 많이 있다. 목성은 이와 같이 질량이 태양계 행성 중에서 가장 크다는 이유만으로도 충분히 연구 대상이다. 특히 태양계 행성을 크게 2가지로 구분할 때 - 지구와 같이 딱딱한 표면을 갖는 지구형 행성과 목성과 같이 가스입자로 구성된 목성형 행성- 목성형 행성의 대표이다. 목성을 자세히 연구하면 유사한 행성들인 토성, 천왕성, 해왕성에 대한 연구도 가능하다.

<그림 첨부파일 참고>
  미국 NASA를 중심으로 1973년 Pioneer 10을 시작으로 목성 연구가 시작되었고 가장 최근에는 Galileo (1995 ~ 2003) 탐사선이 약 8년간 2달 주기의 고타원궤도로 목성 주위를 공전하며 탐사를 수행하였다. 최근에 대중에게 공개되는 목성 및 목성의 위성에 대한 대부분의 연구 및 사진 자료는 Galileo 탐사선에 의한 것이다. 다만, Galileo 탐사선은 목성뿐만 아니라 행성 목성을 구성하는 다른 천체 - 목성의 위성 - 의 연구를 동시에 수행하였기에 공전 궤도의 장반경이 매우 커서 목성 자체를 연구하는 데 있어서는 명확한 한계를 갖고 있었다.

<그림 첨부파일 참고>

  행성계로서의 목성 연구보다는 목성 자체의 기원에 관한 연구를 수행하기 위해 미국 NASA는 2011년 8월 새로운 목성 탐사선 JUNO (JUpiter Near-polar Orbiter)를 발사하였다. 이름 JUNO는 그리스-로마 신화에서 신들의 제왕 Jupiter (or Zeus)의 아내 Juno (or Hera)가 남편이 고의로 만든 구름의 장막을 통해서 남편 Jupiter의 행동을 감시하는 것에 기인한다. 즉, 탐사선 JUNO가 매우 두꺼운 가스구름으로 뒤덮인 목성의 대기를 통하여 목성 탄생 및 기원을 연구한다는 의미를 갖는다. JUNO의 개발, 발사, 운영에는 미화 약 11억 달러가 소요되었다.
  JUNO는 약 5년간의 우주비행을 마치고 올해 7월 초 (7월 5일)에 목성에 접근하고 이후 목성의 중력장에 포획되어서 탐사 임무를 수행할 예정이다. 발사 2년 후인 2013년 10월 경에 지구에 접근하여 (지표면에서 약 560km까지 접근함) 지구 중력장의 도움으로 가속을 하였다. 이때 얻게 된 속도 이득 값은 약 3.9km/s인데 이 값을 발사체 Atlas V 551의 추력과 비교하면 전체 발사체 추력의 약 70%에 해당한다. 즉, 지구 중력의 도움으로 그 만큼의 연료를 절약할 수 있었다는 의미이다. 그림 2에 JUNO의 우주비행 궤적과 지구 중력장의 도움을 받은 시점이 표시되었다. 그림 3은 Earth fly-by를 위해 JUNO가 지구에 접근하는 궤적을 지구의 위와 옆에서 관측한 모습이다. JUNO는 밤 시간에 아프리카 대륙 남쪽을 지나면서 지구 중력장의 도움으로 가속하였다.

<그림 첨부파일 참고>
  목성 탐사선 JUNO는 몇 가지 측면에서 심우주 탐사선으로서 예외적이다. 이 중 가장 주목할 만한 것은 매우 큰 면적을 갖는 태양전지판이다. JUNO의 태양전지판 구조는 한국의 아리랑 위성 3호 (혹은 다목적실용위성 3호)와 유사하다. 다만, 태양전지판의 면적이 매우 크다. JUNO에 설치된 태양전지판의 크기는 2.7 x 8.9m2로서 NASA에서 개발한 심우주 탐사선에 설치된 태양전지판 중에서 가장 큰 규모를 갖는다 (참고로 아리랑 3호에 설치된 태양전지판과 비교하면 JUNO에 설치된 태양전지판은 약 11배 크기임). 이렇게 큰 태양전지판을 JUNO에 설치한 이유는 매우 단순하다. 미국 NASA는 그동안 목성 궤도 이상의 심우주탐사선에는 핵연료를 탑재한 RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)를 이용하여 전력을 생산하였다. 그리고 주 연료로서 플루토늄을 사용하였고 대부분 러시아에서 수입하였다. 그런데 최근에 러시아에서의 플루토늄 수입이 원활하게 이루지어지 않았고 또한 핵연료 탑재 탐사선 발사에 수반된 위험에 대한 일반 대중의 우려가 큰 점도 고려하였다. 그리고, 태양에서 목성까지의 거리가 태양에서 지구사이 거리의 약 5배 이상이므로 목성 궤도에서 받게 되는 태양빛의 양은 지구궤도에서 받게 되는 값의 약 4% 수준이므로 탐사선을 유지하고 탑재체를 운영하여 탐사를 수행하기 위한 전원을 공급받기 위하여 매우 큰 태양전지판이 필요하였다. 다만 이러한 크기의 태양전지판은 무게만도 340kg에 달하여 전체 탐사선의 중량 증가에 큰 몫을 하였다. JUNO는 설치된 태양전지판을 이용하여 약 450W의 전력을 생산하며 임무를 수행할 예정이다 (비교하여 아리랑 3호는 설치된 태양전지판을 이용하여 약 1,400W의 전력을 생산함).

<그림 첨부파일 참고>
  목성 근처에 다다른 후 JUNO는 적당한 역추진분사를 통하여 목성의 중력장에 포획되며 임무 수행을 위하여 공전주기 약 14일의 목성의 북극과 남극을 공전하는 고타원궤도 (목성 최근접 거리는 약 4,300km임)를 갖게 될 예정이다 (그림 4 참조). 그러면 JUNO는 약 1년의 임무 기간 동안 37회 목성 주위를 공전한다. 비록 목성 표면에서 약 4,300km까지 접근하나 대부분의 기간 동안에는 목성에서 상당히 먼 거리에서 임무를 수행하므로 목성에서 발생되는 강한 복사 - 이러한 복사는 탐사선과 탑재체의 성능에 심각한 영향을 미침 - 로부터 최소한으로 영향 받게 된다. 실제로 탐사선 JUNO는 탑재체 전자부의 보호를 위해 약 티타늄으로 만들어진 1cm 두께의 차페벽을 갖고 있다.

  JUNO 미션의 성공을 통하여 미국 NASA는 다음의 과학적 목적을 이루고자 한다.
    1) 목성 생성의 기원
    2) 목성에 있는 물, 산소의 양
    3) 목성의 내부 구조 (지구처럼 고체 코어 존재 유무)
    4) 목성의 전반적인 자전 양상
    5) 목성의 매우 강한 자기장 생성 기원
    6) 목성 대기의 현상과 목성 내부 구조의 상호 관계 (대적점 등)
    7) 목성 극지방의 형태
이러한 목적을 달성하기 위해서 JUNO 탐사선에는 9개의 탑재체가 탑재되었다 (표 1 참조). 9개의 탑재체는 다양한 목적을 갖고 있으며 임무 완수 후 인류는 목성의 기원에 대한 이해의 깊이를 더욱 깊게 할 수 있을 것으로 기대된다.

<표 첨부파일 참고>

  탐사선 JUNO는 1년의 임무 기간이 종료된 이후 적절한 제어를 통하여 목성과 충돌할 예정이다. 아마도 매우 강한 목성의 복사에 의해 탐사선 본체와 탑재체의 기능이 지속적으로 저하될 것이다. 다만, 1년의 임무 기간 동안 특별한 어려움 없이 탐사선이 작동을 하여 목성의 기원, 더 나아가서 태양계 행성에 대한 많은 비밀이 해결되기를 기대한다.

※ 이 글은 아래의 누리집과 자료에 기반하여 작성되었다.
JUNO Mission: Wikipedia, the free encyclopedia
JUNO Mission Profile: JUNO Launch Press-Kit/August 2011, NASA
Earth fly-by: http://www.nasa.gov/mission_pages/juno/earthflyby.html#.VhXfjnpViko
Juno Payloads: Dodge, Boyles, & Rasbach, “Key and Driving Requirements for the Juno Payload Suite of Instruments”, JPL, Feb. 23, 2011