일본의 우주범선(태양 전력 돛 실증기), IKAROS(이카로스)

이카로스(IKAROS = Interplanetary Kite - craft Accelerated by Radiation Of the Sun)
태양복사로 가속되는 행성간 (연 형태의) 우주선?? 뭐 이런 뜻이겠죠.

태양 전력 돛이라고 하는건, 태양돛 + 태양전지돛 이라서 그런가봅니다.

초박막의 돛을 펼쳐서 태양복사를 이용해서 추진하는 우주선입니다.
이 방식의 장점은 연료가 따로 필요없다는거죠.
태양에서 멀어지면 효율은 떨어지지만 계속적으로 추진력을 얻을 수 있긴합니다.

이 미션의 목표는 4가지 입니다.
1. 대형의 얇은 세일(돛)을 우주에서 전개.
2. 박막 태양전지에 의한 발전.
3. 태양돛에 의한 가속.
4. 태양돛을 이용한 항법 기술을 얻는 것.

현재까지 태양돛의 실증 실험은 이카로스가 최초입니다.

지난 2010년 5월 21일 금성탐사선 아카츠키와 함께 발사되었습니다.

저렇게 돛을 감아서 발사합니다.

아 부럽네요.
자국 발사장,
자국 추진체,
자국 탐사선.

이카로스의 태양돛은 정사각형 형태로 한변이 약 14m 정도입니다.
막의 두께는 7.5μm (마이크로 미터)인데 머리카락이나 가정용 랩이 100μm 정도입니다.
덕분에 저 크기에 무게는 15Kg에 불과합니다.
주목적이 태양광 전력 세일의 기술 검증이기때문에 관측기기는 두가지뿐입니다.
더스트 카운터(우주 공간의 먼지분포 확인), GAP(감마선 관측 장치).

7월 7일에 감마선을 관측하는데 성공했습니다.

직경 17cm, 높이 17cm, 무게 3.7Kg, 왼쪽은 스위치.

본체 뒷면에 장착되어있습니다.

태양 돛의 소재는 폴리 이미드 수지입니다.
인공위성의 단열재로 쓰이고 있는 소재이지요.
더 가볍게 만들기 위해 기존의 접착제를 쓰는 방식이 아닌 열을 가해 융착시키는 방식을 개발했다고 하네요.
또한 태양광을 더 잘 반사시키기 위해서, 원래 황색인 폴리 이미드 수지에 알루미늄을 증착시켰다고 합니다.
막이 찢어져도 도중에 균열이 멈추는 구조로 만들어서, 막이 찢어져도 효율은 떨어져도 항해는 계속 할 수 있게했다고 합니다.

돛에는 부분적으로 전력을 생산할 박막 태양전지가 있고, 자세 제어용 장치도 있습니다.
두께가 25μm에 불과한 태양전지로 발전이 가능한가도 검증 목표 중의 하나입니다.
화성 탐사만 해도 태양전지판의 크기가 상대적으로 많이 커집니다.
목성 탐사 수준에 이르면 태양과의 거리때문에 태양전지에 의한 발전이 힘들어집니다.
현재까지의 방식으로 크기를 대형화하기가 어렵고요.
때문에 목성권 이상으로 멀리가는 탐사선의 경우 나사 등 대부분 플루토늄이 붕괴할때 발생하는 열을 이용하는 열전발전기를 씁니다.
얇은 태양전지가 가능해진다면 태양전지의 대형화가 가능해질테고, 태양에서 먼 거리에서도 태양전지의 활용이 가능해지겠지요.
다만 이건 핵전지를 사용하기 힘든 일본의 우주개발 환경때문에 생각해낸 궁여지책으로 보이기도 합니다.;;

돛은 어떻게 펼까요.

발사 후에 중앙부를 회전시키면 원심력으로 펼쳐집니다.
잘 펼쳐지게 돛의 꼭지점에 tip mass라는 0.5Kg의 무게추같은걸 달아놨네요.
이 방식은 따로 지지대가 없기때문에 무게를 줄이는데 효과적입니다.
심하게 약한 추진력이기때문에 태양돛에선 무게를 줄이는게 최우선 과제입니다.

사실 말이 쉽지 연구개발 과정 중에 시행착오가 많았나봅니다.
지상에서 실험은 기본이고,
관측로켓에 실어서 발사하거나, 대형 풍선으로 진공에 가까운 고고도까지 올리거나해서 실험을 하고.
미션 중에도 계속적으로 회전을 해서 막의 형태를 유지합니다.

일단은 잘 펴졌습니다.

완전히 전개된 후에는 설치된 2개의 DCAM이 분리되면서 전개상태를 마지막으로 확인했습니다.

6월 9일에 있었던, 돛의 2차 전개시 광압에 의한 가속이 확인되었습니다.

추진력은 1.12mN 입니다.
지구에서 0.114g의 물체에 걸리는 중력입니다.
엄청나게 약한 힘인거죠.

사각형이 설계치입니다.
파란선이 이번에 관측된 추진력입니다.
설계치의 가속 능력을 발휘했다는걸 보여줍니다.

자세 제어는 어떻게 할까요.

각 변에 2개씩 액정 장치가 있습니다.

액정에 전원이 들어오면 빛을 전반사하고, 전원이 꺼지면 난반사합니다.
전반사하는 쪽이 받는 힘이 더 강하고, 그 힘의 차이로 자세가 바뀝니다.

DCAM이 분리되면서 찍은 사진을 보면 전원이 들어온 것과 아닌 것의 차이가 보이죠.
빨간 원은 전원이 꺼져서 난반사가 일어나니 어느 각도에서 보나 빛나보이고,
파란 원은 전원이 들어가서 전반사가 일어나니 정면이 아니면 밝게 안 보이죠.

7월 13일에 자세 제어 실험에 성공했습니다.

실험에 따른 태양각의 변화 그래프입니다.
태양각이란 이카로스의 회전축과 태양과의 각도.(아래 그림)
제어를 안 했을때 예측되는 각도와는 다르죠.
각이 변화했다는거고, 의도한대로였다면 자세 제어가 성공한거죠.

장기적으로는 중 대형급의 태양 전력 돛을 목표로 합니다.

50m, 100m 급의 태양돛을 개발한다고 합니다.
목성과 토로야군 소행성 탐사 계획인가보네요.
이카로스가 성공한다면 계속 이어지겠죠.
고성능의 이온엔진도 탑재한다고 합니다. 박막 태양전지로 만든 전기로 이온엔진을 돌리는거죠.
하야부사를 통해 얻은 이온엔진 기술에, 이카로스로 얻어질 태양돛 추진, 박막 태양전지 기술.
둘 다 활용하겠다는거겠죠.

나사(NASA)와는 다른 방향으로, 우주개발에서 한발한발 나아가는 일본입니다.
부럽네요. ㅠㅠ