새로운 연구에 따르면 SpaceX가 시험 중인 대형 발사체 '스타쉽'은 수송 능력, 궤도 급유 및 에어 브레이크 보호 기관 역할을 함으로써 NASA가 계획하고 있는 천왕성 주력 탐사 임무의 진행을 크게 가속화할 것으로 예상됩니다.

천왕성과 또 다른 "얼음 거인"은 오랫동안 태양계에서 심층 연구할 가치가 있는 가장 가치 있는 연구 중 하나로 여겨져 왔습니다. 국립과학원이 2022년 발표한 10개년 행성 과학 계획 보고서에는 '천왕성 궤도선 및 탐사선'(UOP)이 주력 임무의 최우선 과제로 꼽혔다. 그러나 2030년대 발사 창구에 대한 세부 계획은 아직 완전히 확정되지 않아 차세대 발사 기술의 '개입' 여지가 남아 있다.

현재 인간의 천왕성 근거리 탐사는 여전히 극히 제한적입니다. 마지막 방문은 거의 40년 전 보이저 2호가 궤도에 진입하지 못한 채 비행한 것이었습니다. 천왕성과 해왕성은 태양계에서 장기 우주선을 받은 적이 없는 유일한 행성입니다. 그들은 행성 형성, 내부 구조, 자기장 특성 및 위성 시스템 측면에서 알려지지 않은 많은 것을 포함하고 있습니다. 천왕성 자체는 옆으로 누워 회전하고 있으며 자기장 축은 기울어지고 행성 중심에서 벗어납니다. 위성 그룹에는 얼음 껍질로 덮인 지하 바다가 있을 수도 있습니다. 동시에 천왕성과 크기와 구성이 유사한 행성은 현재 외계 행성 검색에서 가장 일반적인 목표가 되었습니다. 천왕성에 대한 체계적인 조사는 지구와 같은 외계 행성 시스템을 이해하는 데 중요한 '샘플'로 간주됩니다.

천왕성 임무 계획의 가장 큰 어려움은 거리에 따른 시간과 비용의 압박입니다. 태양에서 천왕성까지의 평균 거리는 지구의 약 19배입니다. 보이저 2호는 그해 천왕성에 도달하는 데 9년 반 이상이 걸렸습니다. 10년 계획 단계의 이전 임무 추정에 따르면 Falcon Heavy와 여러 행성 중력 부스트에 의존하더라도 비행 시간은 여전히 ​​13년을 초과할 수 있습니다. 이는 탐지기가 깊은 우주를 횡단하면서 오랫동안 작동 및 지상 지지를 유지해야 함을 의미합니다. 자금 조달 및 핵심 기술 팀은 10년 이상 항상 "온라인" 상태로 유지되어 관리 및 예산 측면에서 어려움을 겪고 있습니다.

이러한 맥락에서 우주선의 출현은 임무 아키텍처를 "재형성"하는 것이 가능한 것으로 간주됩니다. 여러 번의 테스트 비행과 개선 끝에 Starship은 최근 더욱 성공적인 테스트를 달성했습니다. 후속 진행이 순조롭게 진행된다면 금년 말까지 정규 임무를 시작할 수 있는 능력을 갖추고 UOP의 후보 발사 플랫폼 중 하나가 될 것으로 예상됩니다. IEEE 항공우주 컨퍼런스에 제출된 논문에서 연구팀은 우주선이 더 강력한 운반 능력을 갖는 것 외에도 천왕성 임무에 특히 중요한 두 가지 특성을 가지고 있다고 분석했습니다. 하나는 궤도 재급유 능력이고 다른 하나는 재진입 및 에어브레이크 열 차폐 역할을 할 수 있는 잠재력입니다. 우주선 시스템은 궤도 급유를 염두에 두고 설계되었기 때문에 지상의 모든 추진제를 한꺼번에 우주로 보낼 필요가 없습니다. 이론적으로는 탐사선을 더 빠르고 효율적으로 외부 태양계 깊숙한 곳으로 보낼 수 있습니다.

이 논문은 천왕성 궤도 삽입 과정에 직접 참여하는 우주선의 아이디어를 더 탐구합니다. 연구원들은 지구와 화성 재진입 환경을 위한 우주선의 열 보호 설계 덕분에 적당한 수정 후에 천왕성의 대기 제동을 위한 "보호체" 역할을 할 수 있는 기회를 갖게 되었다고 믿습니다. 이 계획에서는 우주선이 궤도 변경을 완료한 후에도 탐사선에서 분리되지 않습니다. 대신 UOP를 타고 천왕성으로 날아가 자체 열 보호 시스템을 사용하여 대형 "에어 브레이크" 역할을 하여 탐사선이 천왕성의 상층 대기를 통과할 때 속도를 효과적으로 줄이고 정지할 수 있도록 돕습니다. 모델 계산에 따르면 궤도 내 재급유가 우주선 에어 브레이크와 결합되면 천왕성까지의 비행 시간은 약 13년에서 약 6년 반으로 단축될 것으로 예상되며 비행 중 더 이상 다른 행성의 중력 지원에 의존하지 않게 됩니다. 우주선을 "동반"하는 데 따른 개발 및 발사 비용 증가를 고려하더라도 비행 시간이 절반으로 줄어들기 때문에 임무의 총 운영 비용은 현재 계획에 비해 여전히 크게 줄어들 수 있습니다.

그러나 논문의 아이디어를 실제 업무로 옮기는 데에는 여전히 불확실성이 많습니다. UOP는 아직 공식적으로 프로젝트를 수립하기에는 멀고, 천왕성의 대기 조건에서 복잡한 공기 브레이크를 수행하는 우주선의 기술 성숙도는 엔지니어링 타당성 단계에 도달하기에는 아직 멀었습니다. 이번 임무는 10개년 계획에서 '1순위'로 꼽히지만, 계속되는 예산 압박과 기관 내부 혼란으로 인해 예정대로 자금 승인을 받을 수 있을지는 여전히 불투명하다. 2030년대라는 주요 발사 기간을 놓치면 상대적으로 이상적인 다음 발사 시기는 보이저 2호의 비행부터 다음 정밀 검사까지의 시간이 거의 70년이 되는 2040년대 중반으로 연기될 것입니다. 이 기사는 궁극적으로 우주선이 채택되는지 여부에 관계없이 천왕성 주력 임무를 지원하는 것이 전 세계 행성 과학 커뮤니티 및 관련 기관 간의 합의가 되어야 이 "소외된 세계"를 깊이 이해할 수 있는 귀중한 기회를 놓치지 않을 것이라고 결론지었습니다.