제피르 (로버)

제피르
(Venus Landing Rover 미션)

아티스트의 제피르 로버 컨셉
미션형	정찰
연산자	NASA 글렌 연구 센터
임무 기간	지구 50일[1]
우주선 속성
우주선	제피르
우주선형	윙스레일로버
제조사	글렌 연구 센터
발사 질량	1,581kg(3,486lb)
착륙질량	220–265 kg(485–584 lb)
페이로드 질량	23kg(51lb)
힘	≥ 98.4와트
미션의 시작
출시일자	2039년 (1939년)[2]
금성로버

제피르는 비너스 랜저링 로버라고 불리는 임무를 위한 로봇 비너스 로버의 개념이다. 이 임무 개념은 바람의 힘으로 추진될 수 있는 탐사선을 금성 표면에 배치할 것이다. 탐사선은 통신 중계기와 원격 대기 연구를 모두 수행할 수 있는 금성 궤도 위성과 함께 발사될 것이다.^[1]

탐사선은 금성 표면에서 지구 50일 동안 활동하도록 설계되었고, 매우 높은 대기압에서 열과 밀도가 높은 황산 구름으로 뒤덮인 모래 평원을 항해하도록 설계되었다. 탐사선은 풍향에 상관없이 어떤 방향으로도 움직일 수 있다. 제피르는 과학 활동을 수행하는 동안 브레이크와 날개 깃털을 결합하여 주차하는 다음 목표에 도달하기 위해 매일 15분 동안 항해할 것이다.^[3] 탐사선은 로봇 팔을 포함한 23kg(51lb)의 과학 탑재체를 실을 것이다. 전반적인 임무 아키텍처는 무선 통신의 4분 지연과 함께 무선 통신 능력을 달성하는 것을 목표로 한다.

주임 조사관은 오하이오 주 클리블랜드에 있는 NASA 글렌 연구 센터의 제프리 랜디스다.^[4] 가장 중요한 하드웨어를 사용할 수 있게 되어 테스트를 받게 되면, 랜디스는 NASA의 디스커버리 프로그램에^[5] 자금과 2039년을 목표로 하는 발사를 위해 경쟁할 임무를 제안할 생각이다.^[2]

로버 개요

제피르	사양[2]
에어로셸	지름: 3.10m(10.2ft)
발사 질량	1,581kg(3,486lb)
로버 질량	≤ 265 kg(584 lb)
로버 치수	길이: 4.62m(15.2ft) 폭: 5.54m(18.2ft)
윙사일	높이: 5.44m(17.8ft) 길이: 3.10m(10.2ft) 면적: 12m2(130평방피트)
휠(x3)	지름: 1m(3ft 3인치) 너비: 22.9cm(9.0인치)
지상고	0.9m(2ft 11인치)
과학 페이로드 질량	23kg(51lb)
라디오 밴드	UHF
냉각 시스템	없음

2012년부터 과학자 제프리 A. 랜디스는 경직된 날개로 추진되는 금성 탐사선을 위한 임무 개념을 구상하고 있으며, 이는 착륙하는 차량에서 영감을 얻은 것이다.^[3][5] 이 차량에는 돛과 스티어링 앞바퀴의 두 개의 움직이는 부분만 있다.^[2] 이 미션의 이름은 비너스 랜드세일링 로버로, 그리스 서풍의 신 제피루스의 이름을 따서 제피르라고 불린다.^[3]

단순성을 위해 탐사선의 날개는 표면에 태양전지가 있는 수직날개처럼 사실상 단단하다. 고온 전자장치를 운용 준비 상태로 끌어올리기 위해서는 일부 기술 개발이 필요하지만, 이 같은 모빌리티 접근방식이 실현 가능하고, 큰 어려움은 보이지 않는다는 연구 결과가 나왔다.

목표 탐사 로봇의 설계 수명은 50일이다.^[1][2] 금성 표면의 극한 환경 조건을 감안할 때 이전의 모든 착륙선과 대기 탐침은 기껏해야 몇 시간 동안 작동했기 때문에 글렌 연구센터 팀은 극도의 압력, 부식성 대기, 열을 견딜 뿐만 아니라 최소한의 태양열로 작동하도록 개발된 물질과 전자장치를 사용할 계획이다. 냉각 시스템 없이 착륙 질량을 현저히 감소시킨다.^[6][2] 표면의 온도는 740 K(467 °C, 872 °F), 압력은 93 바(9.3 MPa)로 대략 지구상에서 900 m(3,000 ft)의 수중에서 발견된 압력이다.^[7] 추진 목적을 위해 최소 0.4 m/s(1.3 ft/s)와 최대 1.3 m/s(4.3 ft/s)의 표면 풍속을 가정한다. 제피르는 다음 목표에 도달하기 위해 하루에 15분까지 항해할 것이다.^[3] 러시아 베네라 탐사선이 획득한 이미지에서 금성의 표면은 수평선까지 뻗어 있는 평평하고 고른 지형의 풍경을 볼 수 있으며, 그 위치에는 겨우 센티미터 크기의 바위가 있어 육지가 통할 수 있다.^[4][6] 가장 큰 예상 표면 불규칙성은 높이가 약 10.0cm(3.9인치)이다.^[2] 이 차량은 클릿이 있는 금속 바퀴 3개를 사용하며 각각 직경이 1.0m(3ft 3인치)와 폭이 22.9cm(9.0인치)이다.^[2]

NASA의 혁신적 고급 개념(NIAC) 프로그램으로부터 자금을 지원받아 필요한 "강화" 시스템 개발에 대한 연구를 가능하게 하고 있다.^[3] 사실, 글렌 기술학자들은 제트 엔진 내부에서 작동하는 센서를 개척해 왔다. 그러한 전자제품은 450°C(842°F)의 무더운 금성 온도에서도 작동할 수 있다.^[3] NASA는 또한 이 장비 중 일부를 러시아 착륙선에 맞는 장수(24시간) 실험 표면 관측소를 제공함으로써 미래의 금성에 대한 러시아 베네라-D 임무에 제공할 수도 있다.^[8][9][10]

2017년 랜디스의 작품은 월드북 출판사에서 발간한 NASA 발명가 제프리 랜디스와의 육지-곡성 금성로버의 주제였다.^[11][12]

전력

이전 비너스 착륙선들은 과열로 인한 시스템 사망을 지연시키기 위해 열 질량에 의존하면서 기껏해야 몇 시간으로 운용을 제한하는 전력용 배터리에 의존해 왔다. 본 임무를 위한 동력 시스템은 태양열 어레이에 의해 재충전되는 나트륨-황전지(NaS)를 사용하며, 중냉방 시스템 없이도 금성 표면 조건에서 작동할 수 있다.^[2][13]

날개깃과 상갑판은 태양전지에 사용하기 좋은 특성을 가지고 있고, 금성온도에서도 작동할 수 있을 만큼 넓은 띠틈을 가지고 있으며, 360~660nm의 대역에서 빛에 반응하기 때문에 인듐갈륨인산화(InGaP, 일명 GaInP2)로 만들어진 태양전지로 덮일 것이다.^[2]

두꺼운 구름층이 표면에 도달하는 햇빛을 제한하지만, 저전력 수요 시스템에 태양 전지판을 사용할 수 있는 충분한 빛이 있다.^[6] 필요한 전력은 과학작전에 98.4와트, 이송 중 68.4와트, 하우스키핑 등 대기작전에 25.3와트, 통신 세션에 49.3와트다.^[2]

풍력

금성 표면의 풍속은 1m/s(3ft/s)이지만 금성 압력 및 밀도(65kg/m³)에서는 낮은 풍속에서도 상당한 힘이 발생한다.^[3]

윙사일

추진 개념은 바람의 방향에 따라 어떤 방향에서든 리프트(러스트) 벡터를 생성하기 위해 평균 공기역학 중심에서 전기 모터를 통해 회전할 수 있는 베이스에 수직으로 탑재된 견고한 날개다. 날개는 또한 탐사선의 계기들에 동력을 공급하기 위해 사용되는 태양 전지를 장착하기 위한 보다 안정된 표면을 제공한다. 대칭 평형 에어포일은 적은 양의 리프트를 희생해도 훨씬 쉽게 제어할 수 있다. 날개의 구조는 부식성 고온 환경에 적합한 재료를 사용하여 표준 스파링, 늑골, 피부 등을 구성한다.^[2]

폭 5.5m(18ft)의 탐사선은 지표면에서 안정적이며, NASA GRC 팀은 풍랑 돌풍에 의한 전복 방지를 위해 이 시스템에 센서를 내장해 2.39m/s(7.8ft/s) 이상의 지속적 풍풍이 기상관측소에서 인지하고, i를 회전시켜 돛을 느슨하게 할 수 있는 충분한 시간을 줄 것으로 추정하고 있다.바람과 평행한 제로 리프트 위치로.^[2]

에어로셸의 직경은 날개 길이를 3.10m(10.2ft)로 설정하고, 그 면적은 12m²(130sqft)로 설정하며, 높이는 지상 5.44m(17.8ft)로 설정한다.^[2] 발사를 위해 날개깃은 에어로셸에 보관하기 위해 3개 구역으로 접혀 있으며, 3개 바퀴에 낙하산 하강과 착륙 후 전개된다.

과학 페이로드

탐사선의 눈은 베네라 9 착륙선이 사용하는 것과 유사한 기계 스캔 카메라로, 금성 온도, 450°C(842°F), 금성 조명 조건 및 스펙트럼에서 냉각 없이 작동한다.^[2] 이 설계는 선형 광다이오드 배열을 광 감지 요소로 사용할 것이며 초점 평면 광다이오드 배열을 제외하고 카메라는 실리콘 카바이드 전자 장치로 제작된다.^[2]

탐사선은 영상 카메라 외에도 화성 피닉스의 로봇 팔을 포함한 약 23kg(51lb)의 과학 장비를 운반할 수 있었지만 복잡성을 최소화하기 위해 2관절 팔로 단순화했다. 이 팔에는 여러 가지 과학 도구가 들어 있을 것이다.^[5] 개념 과학 페이로드에는 다음이 포함된다.

• 대기 과학 패키지는 풍속계(풍속과 방향), 온도계, 기압계(압력 센서)이다.^[2]
• 현장 광물학: 이 기구들은 로봇 팔의 끝에 장착되어 암석과 리오리스와 접촉하고 구성과 광물학을 결정할 수 있다. 이러한 기기에는 암석 마멸 연삭기, 알파 입자 X선 분광기(APXS) 또는 구성을 위한 에너지 분산 X선 분광기(EDAX), 광물학을 위한 X선 회절 등이 포함된다.^[2]

이 임무는 표면 과학 계기 외에도 하강 중에 작동하는 과학 패키지가 있을 수 있으며, 탐사선에 실려 있지 않은 지진계와 같은 고정된 과학 기구를 배치할 수도 있다.^[2] 모든 데이터는 고온의 무전기로 궤도상에 전송되어 전체 시스템에 냉각된 부품이 없게 된다.^[2]

오비터

두꺼운 금성 대기 때문에 탐사선으로부터의 무선 신호는 동력과 도달력이 부족하기 때문에, 중계 궤도 위성을 임무 아키텍처에 통합할 필요가 있다. 제피르 분리 후에, 그 궤도 위성은 행성의 고도로 편심된 궤도로 예행적으로 브레이크를 밟게 된다. 이 궤도는 24시간 동안 제피르와 각 궤도 동안 12시간에서 18시간 동안 통신을 할 수 있다.^[2]

금성이 지구와 가장 가까운 곳에 있을 때 금성과 지구로부터의 통신 시간 지연은 약 4분으로, 실시간으로 지구로부터 제어하기에는 너무 길기 때문에, 지상 관제사가 지형을 조사하고 다음 목표를 결정하는 동안, 탐사선은 대부분의 시간을 돛이 느슨한 상태에서 관측을 수행하도록 주차될 것이다.^[5]

만약 자금 지원을 위해 선택된다면, 릴레이 궤도 탐사선 또한 일부 과학 기구를 유치할 수 있을 것이다.

참조