달에 직접 착륙하는 것이 왜 그렇게 어려운가요?

지난 달 오디세우스 로봇 착륙선이 50년 만에 달에 착륙한 최초의 미국산 우주선이 되었을 때 각도가 뒤집혔습니다. 이로 인해 달 표면에서 수행할 수 있는 과학의 양이 제한되었습니다. 왜냐하면 안테나와 태양 전지판이 올바른 방향을 가리키지 않았기 때문입니다.

불과 한 달 전만 해도 일본 우주국이 보낸 또 다른 우주선인 달 탐사용 스마트 착륙선(SLIM)도 착륙 도중 뒤집어져 머리 부분에 부딪혔습니다.

올림픽 체조 선수들이 마루 운동을 하는 것처럼 달에서 우주선이 갑자기 돌고 있는 이유는 무엇입니까? 거기 바로 착륙하는 게 정말 그렇게 어렵나요?

인터넷과 다른 곳에서 사람들은 오디세우스 착륙선의 높이(착륙 발 바닥에서 상단의 태양 전지판까지 14피트)가 불안정한 착륙의 원인이라고 지적했습니다.

오디세우스의 제조업체인 인튜이티브 머신(Intuitive Machines)이 이런 방식으로 우주선을 제작하면서 명백한 실수를 저질렀습니까?

회사 관계자는 길고 슬림한 디자인에 대한 엔지니어링적 정당성을 제시하지만 온라인 댓글 작성자의 주장은 타당합니다.

긴 물체는 짧고 뭉툭한 물체보다 더 쉽게 떨어집니다. 중력이 지구 중력의 6분의 1인 달에서는 전복되는 경향이 더 큽니다.

이것은 새로운 깨달음이 아닙니다. 반세기 전, 아폴로 우주비행사들은 달 표면에서 뛰어내리는 경험을 했고 때로는 지구로 떨어지는 경험도 했습니다.

지난 주 소셜 미디어 사이트 X에서 전직 NASA 엔지니어이자 현재 센트럴 플로리다 대학의 행성 과학자인 필립 메츠거(Philip Metzger)는 다음과 같이 설명했습니다. 수학과 물리학 달에 머무르는 것이 왜 어려운가요?

Metzger 박사는 “이미 계산을 해봤는데 정말 무섭습니다.”라고 말했습니다. “이 정도 크기의 착륙선을 뒤집을 수 있는 측면 움직임은 달 중력에서 초당 몇 미터에 불과합니다.” (미국의 일상 단위로 초당 1미터는 시속 2마일이 조금 넘습니다.)

이 안정성 문제에는 두 부분이 있습니다.

첫 번째는 정적 안정성입니다. 무언가가 큰 각도로 서 있을 때 무게 중심이 착지 다리 바깥쪽에 있으면 떨어지게 됩니다.

여기서 최대 경사각은 달에서와 마찬가지로 지구에서도 동일하다는 것이 밝혀졌습니다. 중력이 방정식을 상쇄하기 때문에 크든 작든 모든 세계에서 동일할 것입니다.

그러나 우주선이 여전히 움직이고 있다면 대답은 달라집니다. 오디세우스는 수평 속도가 0인 상태에서 수직으로 착륙할 예정이었지만 내비게이션 시스템의 문제로 인해 땅에 착지했을 때 여전히 옆으로 움직이고 있었습니다.

Metzger 박사는 “지상 기반 직관은 이제 골칫거리입니다.”라고 말했습니다.

그는 냉장고를 부엌에 밀어넣으려고 하는 예를 들었습니다. Metzger 박사는 “너무 무거워서 간단히 밀어도 밀리지 않습니다.”라고 말했습니다.

그러나 이를 냉장고 모양의 스티로폼 조각으로 대체하여 달 중력에서 실제 냉장고의 무게를 시뮬레이션한 다음 “매우 부드럽게 밀어줍니다”라고 Metzger 박사는 말했습니다.

우주선이 한 조각으로 남아 있다고 가정하면 착륙하는 발이 땅에 닿는 접촉점에서 회전하게 됩니다.

Metzger 박사의 계산에 따르면 Odysseus와 같은 우주선의 경우 동일한 양의 측면 운동을 만나려면 달에서 착륙 다리가 지구에서보다 2.5배 더 멀리 떨어져 있어야 합니다.

예를 들어, 너비가 6피트이면 최대 수평 속도로 땅에 착지하기에 충분할 경우 다리 사이의 거리는 15피트가 되어야 동일한 측면 속도로 달 위로 뒤집히지 않습니다.

설계의 단순화를 위해 오디세우스의 착지 다리는 접히지 않았으며, 오디세우스를 우주로 들어 올린 SpaceX Falcon 9 로켓의 직경은 착지 다리가 전개될 수 있는 거리를 제한했습니다.

“따라서 달에서는 착륙 시 측면 속도를 매우 낮게 유지하도록 설계해야 합니다. 이는 차량이 지구의 중력에 착륙하는 경우보다 훨씬 더 낮습니다.”라고 Metzger 박사는 X에 썼습니다.

지난해 2월 휴스턴에 있는 인튜이티브 머신스 본사와 공장을 방문했을 때도 착륙선은 어떤 모습일지 궁금했다.

“왜 이렇게 키가 커?” 나는 물었다.

Intuitive Machines의 CEO인 Steve Altemus는 우주선의 액체 메탄과 액체 산소 연료가 들어 있는 탱크라고 대답했습니다.

산소의 무게는 메탄의 두 배이므로 산소 탱크를 메탄 탱크 옆에 배치했다면 착륙선의 균형이 맞지 않았을 것입니다. 대신에 두 개의 탱크가 서로 겹쳐져 있었습니다.

Altemus 씨는 “그것이 이 높이를 만들어냈습니다.”라고 말했습니다.

로켓츠에 대한 해설을 제공하는 스콧 맨리(Scott Manley) 엑스 그리고 유튜브Altimus 씨는 10년 전 NASA에 있었을 때 더 짧은 무단 착륙선의 개발을 주도했다고 언급했습니다.

모르페우스(Morpheus)라는 이름의 이 시험 착륙선 역시 메탄과 산소 연료를 사용했지만 무게 균형을 유지하기 위해 탱크를 쌍으로 구성했습니다. 그것은 결코 우주로 날아갈 의도가 없었습니다.

인터뷰에서 Manley 씨는 이 설계가 Intuitive Machines 착륙선에도 효과가 있었을 것이지만 우주선을 더 무겁고 복잡하게 만들었을 것이라고 말했습니다.

우주선에 메탄 탱크 2개와 산소 탱크 2개가 필요하다면 우주선 구조는 더 크고 무거워야 합니다. 탱크도 무거워집니다.

Manley는 “표면적이 더 넓으므로 단열 공간도 더 많습니다.”라고 말했습니다. 그는 또한 “더 많은 배관, 더 많은 밸브, 잘못될 수 있는 더 많은 것”이 필요했을 것이라고 덧붙였습니다.

남극 지역 착륙 지점의 경우 오디세우스의 키는 또 다른 이점을 제공했습니다. 달 바닥에는 햇빛이 낮은 각도로 빛나며 긴 그림자를 만듭니다. 오디세우스가 똑바로 서 있었다면 우주선 꼭대기에 있는 태양 전지판은 더 오랫동안 그림자에서 벗어나 임무를 위해 더 많은 전력을 생산했을 것입니다.

Intuitive Machines를 방문하는 동안 이 회사의 최고 기술 책임자인 Tim Crane은 우주선이 10도 이상의 경사면에서도 착륙할 때 똑바로 유지되도록 설계되었다고 말했습니다. 내비게이션 소프트웨어는 경사가 5도 이하인 장소를 찾도록 프로그래밍되어 있습니다.

오디세우스가 고도를 측정하기 위해 사용한 레이저 장비가 하강 중에 작동하지 않아 우주선은 12도 경사에서 계획보다 빠르게 하강했습니다. 이는 설계 한계를 넘어섰습니다. 오디세우스는 지붕을 따라 미끄러져 여섯 개의 다리 중 하나가 부러지고 옆으로 뒤집혔습니다.

알티모스는 지난주 기자회견에서 레이저가 작동했다면 “우리는 착륙에 성공했을 것”이라고 말했다.

2026년 두 명의 NASA 우주 비행사를 달 표면으로 데려갈 SpaceX의 거대한 우주선에도 동일한 우려가 적용될 것입니다.

16층 건물 높이만큼 높은 우주선은 큰 경사를 피하면서 완전히 수직으로 하강해야 한다. 그러나 이러한 과제는 해결 가능한 엔지니어링 과제여야 한다고 Metzger 박사는 말했습니다.

Metzger 박사는 더 긴 착륙선에 대해 “동적 안정성에서 일부 오차 한계를 제거하지만 모든 오차 한계를 제거하지는 않습니다.”라고 말했습니다. “우주선의 다른 시스템이 작동하는 한 남은 여유분은 관리할 수 있습니다.”