미국 항공우주국(NASA·나사)이 화성 탐사용 드론 시험을 시작했다. 화성과 환경이 흡사한 사막에서 회전날개와 고정날개를 가진 드론을 띄워 항법장치와 소프트웨어를 시험했다. 네 발로 움직이는 화성 탐사용 로봇도 역시 사막에서 훈련하고 있다. 드론과 사족 보행 로봇은 전장과 산업 현장에서 맹활약한 데 이어 이제 지구 밖으로 활동 무대를 넓히고 있다.
나사는 지난 2021년 화성에 네 바퀴로 움직이는 탐사 로봇(로버) 퍼서비어런스(Perseverance)와 초소형 무인(無人) 헬리콥터인 인저뉴어티(Ingenuity)를 착륙시켰다. 화성 탐사 로봇은 이전에도 있었지만, 화성 하늘을 난 헬리콥터는 처음이었다. 로버는 여전히 작동하고 있지만, 헬기는 지난해 1월 추락해 임무가 종료됐다. 나사는 앞으로 화성에서 헬기 대신 드론을 공중 탐사에 투입하겠다고 밝혔다.
◇지구 밖에서 첫 비행한 헬리콥터 후속작
나사 제트추진연구소(JPL)는 화성 표면과 항공 탐사를 위해 사막 지역에서 드론과 로봇을 시험하고 있다고 지난 2일 밝혔다. 연구진은 올 초 연구용 드론 3대를 캘리포니아주 데스밸리 국립공원과 모하비 사막으로 가져갔다. 화성 상공을 문제없이 비행하려면 모래 언덕이 필요했기 때문이다. 지난해 1월 18일 화성에서 72번째 비행 임무를 하다가 추락해 날개가 부러진 인저뉴어티도 당시 모래 언덕을 비행 중이었다.
그동안 달이나 화성 탐사는 땅에서만 이뤄졌다. 고정형 무인 탐사선이나 바퀴를 단 로버가 탐사를 진행했다. 인저뉴어티는 지구 밖 천체 탐사의 지평을 하늘까지 넓혔다. 인저뉴어티는 2021년 2월 18일 퍼서비어런스의 배 밑에 붙어 화성에 도착했다. 두 달 뒤인 4월 19일 첫 비행에서 3m 높이까지 상승했다가 내려왔다.
인저뉴어티가 성공하면서 인류는 1세기 만에 지구는 물론 다른 천체에서도 동력 비행체로 하늘을 나는 기록을 세웠다. 앞서 나사는 인저뉴어티의 비행 성공 기원을 담아 1903년 라이트 형제가 사상 최초로 동력 비행에 성공한 항공기인 플라이어 1호에서 우표만 한 크기의 천 조각을 떼서 인저뉴어티에 붙였다.
인저뉴어티는 그동안 72회 비행을 하면서 총 128.8분 동안 17㎞ 이상을 이동했다. 화성의 대기 밀도는 지구의 1%에 불과해 날개 회전으로 동체를 띄울 양력(揚力)을 얻기 힘들다고 생각했다. 나사 연구진은 1분에 2400회 회전하는 초고속 날개 두 개로 이런 한계를 극복했다. 지구에서 실시간 원격 조종이 불가능하므로 자율 비행 기술을 적용했다.
나사는 인저뉴어티가 추락한 것은 평평한 지형이 아닌 불규칙한 모래 언덕 위를 비행했기 때문이라고 추정했다. 드론 조종사인 롤랜드 브로커스(Roland Brockers) JPL 연구원은 “인저뉴어티는 지면의 시각적 특징을 관찰해 움직임을 추정하며 지형이 뚜렷한 지역을 비행하도록 설계됐다”며 “미래 탐사 비행체는 모래 언덕 같은 까다로운 지역을 비행할 때도 걱정하지 않아도 되길 바란다”고 말했다.
화성 드론 시험은 다른 천체 탐사에도 도움을 줄 수 있다. 나사는 토성의 위성 타이탄에 갈 탐사 비행체인 ‘드래건플라이(Dragonfly·잠자리)’도 개발했다. 지름 1m의 수평 회전 날개 8개로 비행한다. 나사는 오는 2027년 드래건플라이를 발사해 2034년 타이탄에 착륙시킨다는 계획이다.
◇장거리 비행 드론과 로봇 개도 시험
나사 연구진은 1970년대부터 데스밸리 국립공원을 찾았다. 당시 나사는 쌍둥이 우주선인 바이킹을 처음으로 화성에 착륙시키려고 준비하고 있었다. 데스밸리는 화성 탐사를 시험하기에 안성맞춤인 곳이었다. 한 지역은 화성처럼 황량한 경사면에 화산암 바위들이 널려 있어 ‘마스 힐(Mars Hill, 화성의 언덕)’이라는 이름까지 얻었다.
반세기가 지난 지금도 데스밸리는 화성 탐사체의 단골 시험장이다. 앞서 제트추진연구소 연구진은 데스밸리 상공에서 원격 조종 헬리콥터로 퍼서비어런스 로버의 정밀 착륙 시스템을 검증했다. 나사 연구진은 지난 4월 말과 9월 초에 데스밸리의 마스 힐과 메스키트 플랫츠 모래 언덕을 방문했다. 연구진은 다양한 카메라 필터가 드론의 지상 관측에 어떻게 도움이 되는지, 새로운 알고리즘이 마스 힐과 같은 복잡한 지형에서 드론을 안전하게 착륙시킬 수 있는지 시험했다.
연구진은 3일 후 추가 시험을 위해 캘리포니아주 모하비 사막의 듀몽 사구로 향했다. 2012년 화성에 착륙한 로버인 큐리오시티를 시험한 곳이다. 듀몽 사구는 물결 모양 모래 언덕이 있어 인저뉴어티가 추락한 곳처럼 불규칙한 지형 위로 비행하는 능력을 시험하기에 안성맞춤이었다.
나사는 대형 화성 탐사 비행체도 개발하고 있다. 나사 랭글리 연구센터는 ‘화성 전기 재사용 비행체(MERF)’를 개발 중이다. 소형 스쿨버스만 한 크기의 이 비행체는 고정날개에 쌍발 프로펠러를 장착해 수직 이착륙과 공중 정지 비행이 가능하다. 비행체가 고속으로 하늘을 가로지르는 동안, 배 부분에 장착된 계측기로 표면 지도를 작성할 수 있다.
◇지상-공중 양동 작전 수행할 로봇 개
나사 연구진은 화성 표면을 탐사할 새로운 기술도 개발했다. 바로 네 발로 움직이는 로봇 개다. 지난 8월 나사 존슨우주센터 연구진이 뉴멕시코주의 사막 지역인 화이트샌즈 국립공원에서 래시(LASSIE)-M이란 이름을 붙인 개 모양의 로봇을 시험했다. 래시는 ‘화성 유사 환경용 다족 자율 지상 과학 탐사체(Legged Autonomous Surface Science In Analogue Environments for Mars)’란 뜻을 가진 영문의 약자이다. 연구진은 발이 빠지는 사막에서도 래시-M의 보행이 가능한지 시험 중이다.
래시-M 같은 로봇 개는 새로운 비행체들과 양동 작전을 수행할 수 있다. 스위스 취리히 연방공대(ETH)의 마르코 후터(Marco Hutter) 교수는 지난 8월 네이처에 “인간 전문가들이 팀을 이뤄 다양한 기술을 총동원하는 것처럼, 로봇들도 서로를 보완하며 화성 탐사 임무를 수행할 수 있다”고 말했다. 후터 교수는 2021년 미국 방위고등연구계획국(DARPA)의 지하 탐색 로봇 경진 대회에서 사족 보행 로봇 애니말(ANYmal)로 1위를 차지했다.
나사는 이미 달과 화성의 유인 기지 건설에 대비해 지구의 용암 동굴에서 로봇을 훈련하고 있다. 나사 제트추진연구소는 2021년 미국지구물리학회 연례 학술대회에서 바퀴 달린 탐사 로버를 대신해 달과 화성의 거친 지형과 동굴 등을 탐험할 로봇 개를 공개했다. 현대자동차 계열사인 미국 보스턴 다이내믹스가 개발한 사족 보행 로봇 스팟(Spot)을 화성 탐사용으로 개조한 것이다. 자율(Autonomous) 보행이 가능하다고 ‘Au-스팟’이라는 이름이 붙었다.
그동안 화성 탐사는 오퍼튜니티, 큐리오시티 같은 로버가 맡았다. 하지만 바퀴로 움직이는 로버는 평평한 땅만 이동할 수 있었다. 과학자들이 탐사하려고 하는 지형은 대부분 거칠고 지표면 아래에 있다. 나사 과학자들은 스팟은 지하로 걸어 내려가고 넘어져도 다시 일어설 수 있어 화성의 거친 지형을 탐사하는 데 안성맞춤이라고 밝혔다.
참고 자료
NASA(2024), https://science.nasa.gov/resource/supercams-rmi-spots-ingenuitys-broken-rotor/