한국항공우주연구원

지구와 거리가 매우 먼 심우주를 탐사하기 위해서는 탐사선의 정밀한 위치와 경로를 결정하는 항법 기술이 중요하다. 항법을 위한 여러 기술 요소 중 정확한 시간을 측정하는 것이 무엇보다 중요한 기술이라 할 수 있다. NASA(미국 항공우주국)에서는 미래의 심우주 탐사에 탑재될 기술 검증을 목표로 ‘Deep Space Atomic Clock (DSAC)’ 프로젝트를 진행하고 있다. 

DSAC 프로젝트는 NASA JPL에서 임무 개발 및 응용에 관한 연구 및 관리가 이루어지고 있는데, 위 프로젝트에는 기존 원자시계 보다 정밀하고 안정한(stable) 원자시계가 탑재될 예정이다. 현재, 개발이 완료된 DASC 원자시계 안정도는 지구표면상의 실험실 내에서는 10일 동안 1나노세컨드 이하의 drift 안정도 성능을 나타내고 있는데, 이 수치는 현존하는 원자시계 중에 최고의 성능이라고 언급하고 있다.
우주공간상에서는 온도 변화가 매일 다르고 계절마다 편차가 심하며, 발사 과정에서 지구중력보다 수~수십 배 이상의 힘이 구조체에 가해진다. 이에, JPL의 DSAC 임무 책임자는 환경적으로 안정한 실험실보다 많은 변수 존재하는 우주환경에서 요구되는 성능의 원자시계 설계 및 제작 기술은 매우 도전적인 작업이라고 언급하고 있다. 이 원자시계는 수은 이온을 이용하여 만들어졌으며, 현재, 소형화 단계를 거쳐 환경시험과 성능 최적화작업 등이 완료되어 있는 상태이다. 원자시계 검증용 유닛은 우주비행체에 탑재되어 Space X사의 Falcon 9으로부터 발사될 예정이다.

DSAC 프로젝트에서는 개발된 원자시계 검증과 함께 차세대 무선 통신기술이 시험될 예정이다. 위 차세대 무선 통신 기술은 기존의 two-way 방식의 트래킹(tracking) 아키텍처에서 효과적이고 확장성이 용이한 one-way 방식의 트래킹(tracking) 아키텍처로 전환하여 사용할 예정으로, 이는 기존의 패러다임을 변환하는 기술을 검증한다는데 큰 의미가 있다.

DSAC가 궤도상에 올려지면, 궤도상에서 기술 검증을 위한 실험 단계는 commissioning 단계를 시작으로 여러 단계로 구성되어 있다. 먼저 원자시계의 전원을 켜고, 정상 상태로 가져다 놓은 뒤, 몇 달 동안 가정했던 모델링들을 확인하고 업데이트를 수행을 반복한다. 이 작업을 통하여, 향후 원자시계 기반의 여러 성능을 확인하고, 관측 데이터로부터 DSAC의 성능을 결정하게 된다. 또한, One-way 방식의 항법 활용 가능성 증명하기 위해 약 수개월 동안 운용될 예정이다. 위 과정에서 궤도 결정 정밀도과 성능을 확인하기 위해 GPS 위성의 신호가 사용할 예정이다.

DASC는 향후 응용 분야가 다양하다. 예를 들어 DASC에서 검증될 onw-way방식의 항법을 이용하면, 화성의 대기 진입과정의 aero-brake 과정에서 발생할 수 있는 오차를 보상하여, 이전의 착륙 보다 정밀하게 목표 착륙지에 착륙할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 또 다른 예로, 목성의 달인 유로파 탐사를 들 수 있다. 유로파는 액체/얼음 바다로 구성된 것으로 판단되고 있는데, 목성의 영향을 많이 받아 조석이 발생하게 되어 미세한 중력의 주기적 변화가 발생한다. DSAC 기술은 유로파를 탐사하는 탐사선의 정밀 궤도 결정기술에 적용되어 유로파 중력에 관한 연구에 사용될 수 있으며, 위 데이터를 통하여, 유로파의 액체/얼음 바다 내부 구조를 추정하는데 유용하게 사용이 가능할 것으로 예상하고 있다.

그림. Deep Space Atomic Clock 임무 상상도
(사진 출처: https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/engineering/technology/txt_dsac.html)

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.
    http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4567