우주 탐사의 역사는 인류의 호기심과 도전 정신이 빚어낸 위대한 업적입니다. 우주 탐사선은 이러한 인류의 꿈을 실현하는 데 핵심적인 역할을 해왔습니다. 이 글에서는 탐사선의 개요와 역사, 그리고 탐사선에 사용된 기술에 대해 알아보겠습니다.
개요
우주 탐사선은 우주 공간을 탐험하고 연구하기 위해 설계된 무인 또는 유인 우주선입니다. 이들은 지구 궤도를 벗어나 달, 행성, 소행성, 혜성 등을 탐사하며, 우주에 대한 인류의 지식을 확장하는 데 크게 기여해 왔습니다. 탐사선은 다양한 과학 장비를 탑재하고 있으며, 이를 통해 천체의 대기, 지형, 자기장 등을 연구합니다.
역대 탐사선
무인 탐사선
인류는 1957년 소련의 스푸트니크 1호를 시작으로 무인 탐사선을 우주로 보내기 시작했습니다. 이후 미국의 익스플로러 1호, 소련의 루나 1호 등이 잇따라 발사되었습니다. 1960년대에는 미국의 레인저 프로그램과 서베이어 프로그램이 달 탐사를 수행했고, 소련의 루나 프로그램도 활발히 진행되었습니다.
1970년대에는 미국의 바이킹 프로그램이 화성 탐사를 시작했으며, 소련의 베네라 프로그램은 금성 탐사를 수행했습니다. 1980년대에는 보이저 1호와 2호가 태양계 외곽을 탐사했고, 갈릴레오 탐사선은 목성과 그 위성들을 연구했습니다.
1990년대 이후에는 우주 탐사의 범위가 더욱 확대되었습니다. 매젤런 탐사선은 금성을, 마르스 글로벌 서베이어와 마르스 패스파인더는 화성을, 카시니-하위겐스 탐사선은 토성을 탐사했습니다. 또한, 근 지구 소행성을 탐사하는 니어 슈메이커 탐사선과, 혜성을 탐사하는 딥 임팩트 탐사선 등도 발사되었습니다.
최근에는 화성을 집중적으로 탐사하는 탐사선들이 주목받고 있습니다. 마르스 익스프레스, 마르스 리커니센스 오비터, 마르스 사이언스 래보러토리 등이 화성의 지형과 대기, 지질을 연구하고 있습니다. 또한, 소행성 베누를 탐사하는 오시리스-렉스, 목성의 위성 유로파를 탐사할 유로파 클리퍼 등의 미션도 진행 중입니다.
유인 탐사선
유인 우주 탐사는 1961년 소련의 유리 가가린이 보스토크 1호를 타고 지구 궤도를 비행하면서 시작되었습니다. 이후 미국의 머큐리 프로그램, 제미니 프로그램을 거쳐 아폴로 프로그램으로 발전했습니다. 아폴로 11호의 닐 암스트롱과 버즈 올드린은 1969년 인류 최초로 달에 착륙했습니다.
1970년대 후반부터는 미국의 스페이스 셔틀 프로그램이 시작되었습니다. 스페이스 셔틀은 재사용이 가능한 유인 우주선으로, 1981년부터 2011년까지 운용되었습니다. 이 기간 동안 135차례의 미션을 수행하며 인공위성 발사, 우주 정거장 건설 등에 활용되었습니다.
현재는 국제우주정거장(ISS)이 유인 우주 탐사의 중심이 되고 있습니다. ISS는 미국, 러시아, 일본, 캐나다, 유럽 등 16개국이 공동으로 건설하고 운영하는 우주 정거장으로, 1998년 첫 모듈이 발사된 이래 지속적으로 확장되어 왔습니다. ISS에서는 장기 미소중력 환경에서의 과학 실험, 우주 의학 연구, 우주 기술 개발 등이 이루어지고 있습니다.
플라이트(Flight) 컴퓨터
탐사선의 모든 기능을 제어하고 조율하는 핵심 시스템이 바로 플라이트 컴퓨터입니다. 이 컴퓨터는 탐사선의 자세 제어, 데이터 처리, 통신 등을 담당합니다. 초기의 플라이트 컴퓨터는 매우 제한된 성능을 가지고 있었지만, 기술의 발전에 따라 점차 고성능화되었습니다.
예를 들어, 아폴로 11호에 사용된 AGC(Apollo Guidance Computer)는 2.048MHz의 클록 속도와 4KB의 RAM을 가진 컴퓨터였습니다. 반면, 1998년 발사된 딥 스페이스 1호의 플라이트 컴퓨터는 25MHz의 RAD6000 프로세서와 128MB의 RAM을 탑재했습니다. 오늘날의 플라이트 컴퓨터는 상용 부품을 활용한 고성능 시스템으로 발전했습니다.
사용된 CPU
초기의 탐사선에는 당시의 최신 기술이 적용된 CPU가 사용되었습니다. 1960년대의 레인저 프로그램에는 RCA 1802 프로세서가, 1970년대의 바이킹 프로그램에는 RCA 1802와 Honeywell ALERT 컴퓨터가 사용되었습니다.
1990년대에는 RAD6000, RAD750 등의 래디에이션 하드닝된 프로세서가 널리 사용되었습니다. 이들은 우주 환경에서의 높은 신뢰성을 보장하기 위해 특수 설계되었습니다. RAD6000은 화성 탐사선 마르스 글로벌 서베이어, 마르스 패스파인더 등에 사용되었고, RAD750은 화성 탐사선 마스 리커니전스 오비터, 달 탐사선 LRO 등에 탑재되었습니다.
최근에는 상용 부품을 우주 환경에 맞게 개조한 COTS(Commercial Off-The-Shelf) 프로세서도 활용되고 있습니다. 예를 들어, 화성 헬리콥터 인제뉴어티에는 퀄컴의 스냅드래곤 801 프로세서가 사용되었습니다.
나노&마이크로&스몰셋 CPU
최근에는 초소형 위성인 큐브셋(CubeSat)이 주목받고 있습니다. 이에 따라 저전력, 소형화된 CPU의 필요성도 대두되었습니다. 이를 위해 ARM Cortex-M, RISC-V 등의 마이크로컨트롤러가 활용되고 있습니다. 이들은 낮은 전력 소모와 간단한 구조로 큐브셋에 적합한 솔루션으로 평가받고 있습니다.
예를 들어, 2018년 발사된 MarCO(Mars Cube One) 큐브셋에는 ARM Cortex-M 프로세서가 탑재되었습니다. 이 큐브셋은 화성 탐사선 인사이트호의 착륙을 모니터링하는 역할을 수행했습니다. 이는 저비용, 소형화된 큐브셋이 우주 탐사에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여준 사례입니다.
큐브셋 CPU
큐브셋에는 다양한 종류의 CPU가 사용되고 있습니다. ARM Cortex-M 시리즈가 가장 널리 사용되는 가운데, RISC-V 아키텍처를 채택한 프로세서들도 주목받고 있습니다. RISC-V는 오픈소스 명령어 집합 아키텍처로, 저비용 고효율의 프로세서 설계를 가능하게 합니다.
대표적인 RISC-V 기반 프로세서로는 실리콘 랩스의 EFM32GG11이 있습니다. 이 프로세서는 낮은 전력 소모와 우수한 성능을 특징으로 하며, 2019년 발사된 큐브셋 TTU-SAT1에 탑재되었습니다. 또 다른 예로 Microsemi의 PolarFire 프로세서가 있는데, 이는 RISC-V와 FPGA를 결합한 SoC 디자인입니다.
이외에도 Xilinx의 ZYNQ 시리즈, Microchip의 ATmega128 등 다양한 프로세서들이 큐브셋에 활용되고 있습니다. 앞으로도 고성능, 저전력, 내방사선 특성을 갖춘 프로세서에 대한 수요가 지속될 것으로 보입니다.
우주 탐사선은 인류의 우주 개발 역사와 함께 발전해 왔습니다. 초기의 제한된 성능에서 벗어나, 오늘날의 탐사선은 고성능 컴퓨터 시스템을 탑재하고 있습니다. 특히 최근에는 저비용, 소형화된 큐브셋이 주목받으면서, 이에 적합한 CPU 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.
ARM Cortex-M, RISC-V 등의 마이크로컨트롤러가 큐브셋용 CPU로 각광받고 있는 가운데, 앞으로도 우주 환경에 최적화된 프로세서 기술이 지속적으로 발전할 것으로 기대됩니다. 이러한 기술 발전은 우주 탐사의 새로운 지평을 열어줄 것이며, 인류의 우주 개발 역사에 또 다른 이정표가 될 것입니다.