누적 거리 730만km를
오차 없이 비행

다누리는 4개월 반 동안 누적 거리 730만km를 비행해 달 임무 궤도에 진입한다. 아무도 없는 우주 공간을 탐사선 홀로 날아가 오차 없이 목표 궤도에 도달하는 건 한 편의 예술과도 같은 일이다.

애초 다누리는 지구 궤도를 여러 차례 돌다 달로 향하는 ‘위상 전이’ 궤도를 사용하려 했다. 그러나 미 항공우주국(NASA)과의 협업 과정에서 현 궤도인 ‘탄도형 달 전이(WSB/BLT)’ 궤도로 변경했다. BLT 궤도는 연료를 위상 전이 방식보다 25%정도 적게 사용하지만, 궤도 설계의 난도가 높다. BLT는 1987년 처음 제안됐지만, 2022년 기준 다누리를 제외하고 이 궤적을 채택한 달 탐사선은 1990년 일본의 히텐, 2011년 미국의 그레일, 2022년 6월 미국의 캡스톤 뿐이다.

BLT 궤도에 따라 다누리는 지구에서 출발해 지구와 달 사이에 있는 라그랑주 L1 지점까지 날아간다. 이 때 지구 중력에 의해 다누리의 속도는 줄어든다.

라그랑주 포인트는 두 천체 사이에 중력과 원심력이 평형을 이루는 지점을 가리킨다. 사실상 무중력인 이 곳에선 추진력을 내지 않아도 한 자리에 계속 머물러 있을 수 있다. 지구와 태양 사이에는 5곳의 라그랑주 포인트가 있다.

라그랑주 L1에서 다누리는 지구 쪽으로 선회한다. 지구 중력의 힘을 받아 이번에는 가속하며 달까지 날아가 달 궤도에 포획된다.

다누리가 계획한 궤도대로 비행하도록 하는 임무가 ‘심우주 항법’이다. 국내 연구진은 시속 수백 km로 날아가는 다누리의 데이터를 실시간 수신하며 궤도상 오차가 어느 정도인지 점검한다. 그리고 중간중간 다누리가 계획 궤도대로 항행하도록 궤적수정기동(TCM)을 수행한다.

다누리의 TCM은 모두 9차례 계획했지만 실제 4차례만 시행됐다. 항우연은 설계한 궤적대로 다누리가 충분히 제어되면서 오차가 적어, 기동을 줄였다고 설명했다.

2022년 8월 5일 발사

다누리는 한국 시간 8시 8분 48초 미국 플로리다주 케이프 커내버럴 우주군 기지에서 스페이스X 팰컨9 발사체에 실려 발사됐다. 다누리는 8시 48분쯤 고도 약 703km 지점에서 팰컨9과 분리됐고, 9시 40분쯤 지상국과 첫 교신에 성공했다. 11시 9분 탄도형 전이궤적(WSB/BLT)에 진입한 것이 확인됐다.

이후 다누리는 자동 절차에 따라 태양전지판을 전개해 전력 생산을 시작했다.

8월 7일 TCM1

1번 궤적수정기동(TCM1)을 완료했다. 궤적수정기동은 설계된 전이궤적으로 다누리를 나아가게 하기 위해 다누리의 추력기로 속도와 방향을 조정하는 것을 말한다.
TCM1에선 궤적 진입오차를 수정하고, 추력기를 시험 가동했다.

9월 2일 TCM3

지구에서 150만km가량 떨어진 '라그랑주 포인트' 인근에서 3번 궤적수정기동(TCM3)을 수행했다. 다누리에 적용된 BLT 궤도는 태양 방향인 라그랑주 포인트 L1까지 날아간 뒤 속도를 줄여 달 쪽으로 방향을 선회하는 게 핵심이다. 다누리는 TCM3을 통해 태양에서 달로 기수를 돌렸다. TCM3은 다누리 비행 과정 가운데 가장 어렵고 중요한 기동으로 꼽혀 왔다.

9월 27일 최대 거리 도달

27일 오후 2시 47분 다누리는 지구에서 154만 8,272km 거리에 도달했다. 전체 비행 궤도 가운데 지구에서 가장 먼 거리다. 다누리의 이동속도는 초속 0.1km로 가장 느리다. 최대거리를 지나면서 다누리의 이동 속도는 가속된다.

11월 2일 TCM5

다누리는 달로 향하는 궤적 상 오차를 보정하기 위해 5번 궤적수정기동(TCM5)을 수행했다. 앞서 TCM2와 TCM4는 궤적 상 오차가 크지 않아 생략됐다. 한국항공우주연구원은 이틀 동안 다누리 궤적을 분석한 결과 궤적수정기동 성공을 확인했다.

11월 16일 TCM6

6번 궤적수정기동(TCM6)을 수행했다. 달을 향해 항해하는 동안 틀어진 궤도를 수정하고, TCM9를 준비하는 단계다.
다누리는 9차례 궤적수정기동을 할 계획했지만, 순조로운 운영으로 4차례 기동으로 운영했다.

12월 17일 달 진입 기동

< 다누리는 5차례 진입 기동할 계획이었지만, 3차례 기동으로 달 상공 100km 임무 궤도에 최종 안착했다. >

다누리는 17일 새벽 2시 45분쯤 달에서 약 108km 떨어진 거리에서 달 진입기동을 시작했다. 달 진입기동은 다누리가 달 상공 100km 원 궤도인 '임무궤도'에 안착하기 위한 기동이다.

17일 진행된 1차 진입기동은 약 13분 동안 실시됐는데, 다누리 속도를 시속 8,000km에서 7,500km로 줄였다. 총알 속도(시속 3,600km)의 2배 넘는 속도로 움직이는 다누리를 계획한 궤도 위에 올려 놓은 고난도 기동이다. 1차 진입기동이 성공하며 다누리는 달 중력장에 계획대로 포획, 진정한 ‘달 궤도선’이 됐다.

역추진을 통한 감속은 다누리 진입기동의 핵심이다. 감속이 제때 이뤄지지 않으면 빠른 속도 탓에 다누리는 심우주로 날아가 버린다. 반대로 감속이 지나치게 이뤄지면 달 표면에 추락할 수도 있다.

다누리는 역추진을 위해 보유 연료의 절반 이상을 5차례 진입 기동에 사용한다. 다누리 전체 무게 678kg 가운데 260kg이 연료인데, 이 중 약 168.5kg이 진입 기동에 쓰인다. 전체 연료 가운데 65%가량이다.

2차 임무궤도 진입기동은 21일, 마지막 진입기동은 26일에 진행됐다. 당초 다누리의 달 임무궤도 진입기동은 5차례로 계획됐지만, 기동운영이 안정적으로 이뤄지면서 3차, 5차 기동은 생략됐다.

한국항공우주연구원은 12월 27일 오후 6시 다누리가 달 궤도 진입에 성공했다고 발표했다.

12월 27일 임무 궤도 달성

다누리는 단궤도 100km, 장궤도 100km인 달 상공 100km 임무 궤도에 성공적으로 진입했다.
항행 모드였던 다누리는 임무궤도에 안착하면서 달 중심 지향 모드로 변경했다.
태양전지판이 항상 태양을 향하고 탑재체는 항상 달 표면을 향하는 자세다.

2023년 2월

1개월간 시운전을 거쳐 다누리는 2023년 2월부터 약 2시간 주기로 달을 공전하며 1년간 달 표면 관측 등 임무를 수행한다.

2023년 7월

임무 운영 연장 여부와 임무 종료 방안을 결정한다. 임무 연장 시에는 고도를 변경할 수도 있다. 다만 고도를 높이거나 낮추면 탑재체마다 유불리가 다르다. 임무 종료 방안으로는 ▲달 표면과 충돌 ▲달 동결궤도(유지기동 없이 일정 고도 유지 가능) 등이 꼽힌다.

2023년 12월

다누리의 임무 종료 예정 시기

154만km : 한국의 첫 심우주 교신

9월 27일 오후 2시 47분, 다누리는 지구에서 가장 멀리 154만 8,272km까지 날아갔다. 지구 상공 600km에서 통신하는 저궤도 위성보다 2,600배, 지구 상공 36,000km에서 통신하는 정지궤도 위성보다 640배 먼 거리다. 한국 우주탐사선이 다다른 가장 깊은 우주다.

가장 먼 우주와의 교신은 어땠을까. 다누리 임무운영 관제를 담당하는 한국항공우주연구원 구철회 박사는 담담하게 말했다. "저희들이 예측했던 대로, 모두 다 제대로 수행됐습니다."

탐사선이 멀어지면 통신의 세기가 약해진다. 다누리는 지구와 거리가 100만km 이내에서 고속 통신 모드(8.5Mbps)를 적용하고, 100만km 밖에서 저속 통신 모드(4.25Mbps)를 사용할 계획이었다. 다누리가 지구와 120만km에 이르자 통신 신호가 약해졌다. 구철회 박사는 다누리는 120만km 밖에서 저속 모드로 전환했고 안정적으로 데이터를 받을 수 있었다고 설명했다. 다누리는 다시 지구와 가까워지면서 달 궤도에서는 고속 통신 모드를 사용한다.

다누리에는 한국 최초로 심우주 통신 기술이 이용된다. 지구와 달의 거리는 38만km지만, 다누리는 BLT 궤도를 이용해 150만km 이상을 항행한다. 일반적으로 200만km 이상을 의미하는 심우주 통신을 다누리에 적용한 이유다.

35m : 심우주지상안테나

심우주 통신은 전파를 주고 받는 거대한 안테나로 이루어진다. 한국은 달 궤도선 사업을 계기로 심우주지상시스템을 구축했다. 심우주지상시스템은 경기도 여주위성센터의 심우주지상안테나(KDSA, Korea Deep Space Antenna)와 대전 한국항공우주연구원의 임무운영센터로 구성된다.

여주 심우주지상안테나는 국내 최대 크기인 직경 35m 반사판을 자랑한다. 지구궤도 위성과 교신하는 안테나의 크기 7~13m에 비해 3~4배가 크다. 안테나는 우주에서 다누리의 이동을 자동으로 정밀하게 추적한다. 국내 최대 10kW급 고출력 증폭기와 극저온의 저잡음 증폭기를 탑재해 아주 작은 신호를 잡아낼 수 있는 고감도 성능을 갖췄다. NASA의 심우주지상안테나와 100%호환되도록 국제 표준 접속 규격으로 제작됐다.

다누리는 지구 세 곳에 있는 심우주지상안테나를 이용한다. 한 개의 안테나는 120도 이상의 각도를 커버한다. 지구가 자전하면서 여주 심우주지상안테나가 다누리를 놓치면, 미국 LA 골드스톤과 스페인 마드리드에 있는 NASA 심우주지상안테나가 다누리와 교신한다. 세 개의 안테나를 통해 지구가 자전하는 동안에도 다누리는 지구와 통신을 유지할 수 있다. 비상 시에는 호주 캔버라에 있는 안테나를 추가로 사용할 수 있다.

< NASA 심우주통신망과 우주 탐사선의 교신 상태를 실시간 확인할 수 있는 DSN Now 홈페이지. 다누리(KPLO)가 마드리드 54번 안테나 데이터를 송수신하고 있다. >

다누리가 NASA 심우주지상안테나를 이용하는 시간대에는 NASA 심우주통신망 홈페이지(https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html)에서 다누리(KPLO)의 교신 상태를 누구나 실시간으로 확인할 수 있다. 다누리는 NASA의 심우주통신망을 무상 사용하는 대신, NASA의 과학탑재체를 싣고 임무를 수행한다.

24시간 : 임무운영센터

우주에서 탐사선의 상태를 파악하고 문제가 발생하면 복구할 수 있는 유일한 방법은 통신을 통한 명령이다. 임무운영센터는 지구에서 다누리와 심우주안테나를 통해 교신하는 곳이다. 다누리가 심우주통신망에 연결되어 있을 때, 임무운영센터는 지상에서 다누리의 상태를 확인하고 동작을 제어해 임무를 수행하도록 명령하며 관측 데이터를 수신한다.

< 다누리의 상태, 명령 전송 내용, 명령 전송 상태, 안테나 연결 가능시간 등이 관제실 전면 모니터에 표시된 모습 >

탐사선이 우주에서 지구로 보내는 데이터를 텔레메트리(Telemetry)라고 한다. 텔레메트리에는 다누리와 과학임무 탑재체의 상태에 관한 정보와 관측 데이터가 담겨있다. 임무운영센터는 수신한 텔레메트리를 분석해 탐사선의 이상여부를 검사하고 관측 데이터를 탑재체 개발기관에 전달한다.

반대로 지구에서 탐사선에 보내는 원격 명령을 텔레코맨드(Telecommand)라고 한다. 임무운영센터는 다누리에 탑재체 상태를 점검하고 영상을 촬영하도록 명령을 보내 동작을 제어한다. 임무운영센터는 8월 26일 다누리에게 고해상도카메라를 통해 사진을 촬영할 수 있는 자세를 취하도록 명령을 보냈고, 다누리는 한국이 우주에서 처음 촬영한 달과 지구의 사진 이미지를 텔레메트리로 보내왔다.

< 심우주통신망 이용을 위해 다른 DSN 지상국과 연락하는 모습 >

임무운영센터는 긴장 속에 24시간 운영된다. 다누리는 9월 2일 태양에서 달로 진행방향을 바꾸는 궤적 수정 기동 직전 데이터 오류가 발생해 안전모드가 가동되기도 했다. 다행히 2시간 반 만에 복구되고 궤적 수정이 이루어졌다. 다누리가 지구와 거리가 120만km를 벗어나자 자세에 극도로 작은 오차가 확인되기도 했다. 소수점의 오차도 우주에서는 차이를 만들 수 있다. 텔레메트리를 분석해 자세제어가 진행됐다.

일상운영을 담당하는 관제실 연구원 12명은 3조 2교대로 12시간씩 근무한다. 항우연에서 기숙사 생활을 하는 연구원들은 관제실 담당이다. 임무운영센터 연구원들도 긴급 상황에는 2시간 안에 센터로 복귀할 수 있도록 대기 상태다.

10시간 : 목성까지 닿은 심우주 교신

< 8월 5일 다누리 발사 직후 대전 달 궤도선 임무운영 관제실의 모습 >

24시간 연결을 준비하고 있지만 다누리가 실제 교신하는 시간은 하루 10시간 정도다. 다누리는 심우주 통신망을 사용할 수 없는 시간에는 탐사선에 데이터를 저장했다가 통신이 재개되면 한꺼번에 보낸다. 구철회 박사는 "심우주안테나는 세계적으로 극히 희귀한 자원"이라고 강조한다.

전세계 심우주지상안테나는 10여 개인데 매일 교신하는 우주 탐사선은 30개가 넘는다. 심우주 통신망을 독점할 수 없기 때문에 탐사선들은 시간을 할당해 통신망을 공유한다. 다른 탐사선에 비상 상황이 생기면 교신을 양보해야 하는 상황이 발생하기도 한다. 다누리보다 한달 앞서 BLT 궤적으로 달로 가던 미국의 큐브위성 캡스톤이 연락두절되자, 다누리가 교신 시간을 양보하는 상황이 발생하기도 했다.

다누리를 통해 한국은 국제 수준의 심우주 교신 역량을 입증했다. 여주 심우주지상안테나는 NASA의 목성탐사선 주노까지 시험 교신에 성공했다. 2011년 발사된 주노는 5년에 걸친 항행 끝에 지구에서 6억km 이상 떨어진 목성에서 연장임무를 수행하고 있다. NASA 탑재체를 한국 위성 본체에 실은 것도 다누리가 처음이다. 탑재체 개발 기관이 요청한 명령을 위탁 받아 운영하고, 관측 데이터를 안정적으로 배포하는 방법을 경험했다.

벌써부터 다누리 임무가 종료된 뒤 여주 심우주지상안테나를 이용하고 싶다는 국제 협력 요청이 들어오는 이유다. 구 박사는 "다른 나라의 우주탐사 임무까지 지원할 수 있는, 국제 우주탐사 파트너의 일원이 될 수 있는 기초가 마련됐다."고 밝혔다.