1969년 아폴로(Apollo)11호는 인류 역사상 처음으로 달에 착륙하였다. 이후 반세기가 지난 현재 미국은 다시 달에 인간을 보내기 위한 아르테미스 프로그램이 진행 중이다. 아르테미스(Artemis)는 그리스 신화에서 달의 여신으로 현재 진행 중인 아르테미스 프로그램은 2024년에 달의 남극 지역에 최초의 여자 우주인과 또 다른 한 명의 우주인을 보내는 프로그램이다.




이 프로그램에는 NASA와 NASA와 계약된 미국 우주항공 관련 기업들, 그리고 유럽 우주국(ESA, European Space Agency), 일본항공 우주개발기구(JAXA, Japan Aerospace Exploration Agency), 캐나다 우주국(CSA, Canadian Space Agency), 호주 우주국(ASA, Australian Space Agency)등 주요 우주개발 강국들이 공동 개발형식으로 참여하고 있다.
아르테미스 프로그램은 크게 우주인 탑재체인 오리온(Orion), 달 궤도에 위치할 소형 우주정거장인 게이트웨이(Gateway), 그리고 상용 달 탑재체 서비스(Commercial Lunar Payload Services), 우주발사체 시스템(Space Launch System)으로 구분이 된다.

아르테미스 프로그램은 현재 3단계로 타임라인이 구성되어 있다. 아르테미스 1은 2021년 11월에 SLS(Space Launch System) Block 1을 사용하여 무인 오리온 우주선을 보낼 예정이다.
우주에서 약 25.5일간 비행 예정이며, 달 궤도에서 6일간 달의 자전 궤도에 역행 비행을 할 예정이다. 상단 발사체인 ICPS(Interim Cryo Propulsion Stage)는 지구 궤도에서 TLI(Trans-Lunar Injection)을 통해 ICPS는 분리되어 떨어져 나가고 오리온과 13대의 CubeSat들이 달 궤도를 향해 보내게 된다. 이때 달까지 가는데 약 3주 정도 시간이 소요된다.
무인 오리온에는 마네킹 팬텀(imaging phantom)이라는 이미지 스캐닝 인형이 탑승하여 한쪽은 달 궤도에서 태양풍이나 우주선(cosmic ray)에 노출되도록 하고 다른 한쪽은 AstroRad 방사선복을 입혀 방사선에 대한 성능 시험이 수행된다 AstroRad 방산선복은 독일 우주항공 센터(DLR, German Aerospace Center), 이스라엘 우주국(ISA, Israel Sapce Agency), 미국 록히드 마틴(Lockheed Martin)의 공동 연구 개발품이다.




아르테미스 1을 통해 달 궤도로 보내지는 CubeSat은 총 13대이며 간단한 설명은 아래와 같다.

1) ArgoMoon, 이탈리아 우주국(ASI, Italian Space Agency)에서 제작했으며, Orion의 ICPS 데이터 기록 임무 수행

2) BioSentinel, 효모를 사용하여 심우주 방사선 환경에서의 유기물 성장 등에 대한 시험 수행

3) CuSP(CubeSat for Solar Particles), Southwest Research Institute에서 제작했으며 태양풍과 자기장에서 동적 입자 운동에 대한 연구와 우주 기사 상태를 추적하여 네트워크 실현 가능성 연구 수행

4) EQUULEUS, 일본 JAXA와 동경대에서 개발했으며, 지구와 달 공간에서 지구의 플라즈마 영역에 대한 연구 수행

5) Lunar Flashlight는 NASA와 UCLA가 공동개발 했으며, 달 남극지점에서의 얼음 탐색 및 지도 작성 임무 수행




6) Lunar IceCube는 Morehead 주립대에서 제작했으며, 달 저궤도를 돌면서 달표면 물의 흔적 탐사 임무 수행

7) LunaH-Map(Lunar Polar Hydrogen Mapper), Arizona 주립대에서 제작했으며, 물의 성분인 수소 입자에 탐색 임무 수행

8) NEA(Near-Earth Asteroid Scout) 는 NASA가 개발한 태양 돛 위성으로 지구와 달 공간을 비행하면서 운석에 대한 탐사 임무 수행




9) OMOTENASHI는 일본 JAXA가 제작했으며, 달 주변 방사선 환경을 조사하는 임무 수행

10) SkyFire는 록히드 마틴이 제작했으며, 달 주변을 비행하면서 달표면 분광 및 적외선 열화상 이미지 측정 임무 수행

11) Cislunar Explorers는 Cornell 대학에서 제작했으며, 물 전기분해를 사용한 추진시스템과 행성간 광학 항해에 대한 검증 실험 수행

12) CU-E3(Earth Escape Explorer) Colorado Boulder대학에서 제작했으며, 태양 주회궤도(heliocentric orbit)에서의 장거리 통신 검증 실험 수행

13)Team Miles는 Fluid and Reason, LLC에서 제작했으며, 하이브리드 이온 추력기와 태양 주회궤도에서 장거리 통신 검증 실험 수행 Cubesat들은 아래 사진의 상단 발사체 ICPS와 오리온의 결합 어댑터에 장착이 되며, 오리온이 분리 될 때 같이 분리가 된다.





아르테미스 2는 오리온 우주선에 유인 우주인이 탑승하여 2023년 8월에 발사할 계획이다. 유인 우주선이 지구 궤도를 벗어나는 건 1972년 아폴로(Apollo)17 이후 처음이 될 것이다. 아르테미스 2에서는 달 게이트웨이(Lunar Gateway) 첫 모듈이 상업용 발사체를 통해 발사될 예정이다. 오리온으로 4명의 우주인을 보낼 계획이며 최장 21일간 달 궤도를 비행할 예정이다. 또한 아르테미스 1에서와 같이 CubeSat을 사용한 여러 미션들이 수행될 예정이다.

아르테미스 3는 2024년 10월 달의 남극에 우주인 2명을 착륙시키는 미션이다. 4명의 우주인이 오리온을 타고 달 궤도에 가게 되면 2명은 달 게이트웨이나 오리온 궤도복합체에 체류하며 나머지 2명은 HLS(Human Landing System)을 통해 달에 6.5일간 체류하게 된다.

아르테미스 프로그램에 사용되는 발사체는 크게 2종류로 분류가 된다. NASA에서 개발하고 있는 우주발사시스템(SLS, space launch system)과 상용 발사체 시스템이다. SLS은 퇴역한 스페이스 셔틀 발사체를 대체하는 것으로 super heavy-lift expendable lanuch vehicle로 달 탐사뿐만 아니라 화성탐사를 위한 유인 우주선 발사체용이다.

SLS은 아래 그림과 같이 탑재하중과 종류에 따라 구분이 된다. SLS Block1은 아르테미스 1, 2, 3 프로그램용으로 사용되며 지구 저궤도에 95톤을 올릴 수 있는 추력을 가지고 있다. 1B가 추가된 모델은 상단이 추가되어 아르테미스 후속인 4부터 7까지 사용될 예정이다. SLS Block1에는 기존에 스페이스 셔틀에 사용했던 부스터를 사용하지만 SLS Block2는 개선된 부스터를 사용하며 지구저궤도에 130톤 탑재체를 올릴 수 있다. Block 2는 화성에 유인 우주선을 보내는 목적으로 개발 중이다.




오리온을 보낼 SLS Block1의 구성은 아래 그림과 같다. 1단 주엔진은 액체 로켓엔진에 2대의 로켓 부스터가 장착되어 있다. 액체로켓엔진은 액체수소와 액체 산소를 사용하며 4개의 RS-25로켓 엔진이 장착되어 있다. RS-25엔진은 스페이스셔틀에 사용되던 메인 엔진이다. 상단은 1대의 RL10B-2 엔진이 사용된다. 공급계는 Delta IV에 사용되었던 DCSS(Delta Cryogenic Second State)로 1단과 같은 액체수소/산소가 사용된다.




Gasteway 모듈과 이에 필요한 물류 이송은 상용 발사체를 사용할 예정이다. 현재까지 계획된 상용 물품 발사 미션은 28건이 계획되어 있으며, Space X의 Falcon Heavy, Falcon 9, United Launch Alliance의 Vulcan, Rocket Lab의 Electron, Blue Origin(amazon.com)의 New Glenn, New Shepard가 사용될 예정이다.

Gateway는 축구장 크기인 국제우주정거장의 축소판이라고 보면 된다. 그림의 파란색 부분은 미국, 보라색은 국제 협력 기구, 노란색은 아직 미정인 모듈이다. A는 태양전지를 사용하여 동력과 전력을 생산하고 통신 및 제어를 위한 모듈이다. B는 과학연구 모듈로 예비 추진제 보관이나 달 통신을 위한 모듈이다. C는 주거 공간을 위한 가압 모듈이다. D, E는 주거 공간으로 생명 유지에 필요한 장치들이 설치된 모듈이다. F는 로봇 팔이다. G는 탐사나 생활에 필요한 각종 물품류를 보관하는 모듈이다. H는 도킹이나 우주로 나가기 위한 에어락(airlok)모듈이다. 오리온은 H부분에 도킹하게 된다. I는 로봇 무인기로 달표면에서 채취한 샘플이나 탑재물을 게이트웨이로 가져오는 역할을 한다.




인간 달착륙을 위한 착륙시스템은 현재 3개의 회사가 경합 중이다. Blue Origin의 ILV(Intergrated Lander Vehicle), SpaceX의 Starship HLS, Dynetics의 DHLS(Dynetics Human Landing System)이다. Blue Origin의 ILV는 3단으로 되어 있는 착륙선이다. BE-7 극저온 엔진을 사용하여 하강할 예정이며, Lockheed에서 이륙관련 부분을 맡을 예정이며, Northrop Grumman에서 이송 및 재충전 관련 부분을 맡을 예정이다. Draper Laboratory는 비행제어, 항법, 통신, 소프트웨어 시스템 등을 맡을 예정이다. ILV는 세 기업으로 구성되었으며, 오리온이나 게이트웨이와 도킹이 가능하고 SLS나 상용발사체 모두 사용 가능하다.




Dynetics는 25개 이상의 방산관련 하도급 업체들로 구성되어 있는 팀이 제안한 달 착륙 시스템이다. DHLS는 단일 요소로 구성되어 있으며, 조종석은 하부에 위치하도록 하여 우주비행사의 동선을 짧게 하였다. 오리온과 게이트웨이의 도킹이 가능하며 도킹하면서 연료탱크 상부 공간을 통해 급유가 가능하다.




SpaceX의 Starship은 달, 화성 및 다른 목적으로 이착륙이 가능하며 이미 지상 및 지구 궤도에서 검증된 Falcon과 Dragon의 Raptor 엔진을 사용하고 있다. Starship은 다양한 방법을 제시하고 있는데 지구 저궤도의 연료보급용 Starship에서 연료 보급을 받고 달 궤도로 보내거나 Super Heavy 로켓 부스터를 사용하여 지구에서 오리온, 게이트웨이, 달로 바로 보내는 방법들을 제시하고 있다.





아르테미스 프로그램에 사용되는 우주복은 xEMU(Exploration Extravehicle Mobility Unit)과 OCSS(Orion Crew Survival system) 2가지 종류가 있다. xEMU는 달표면에서 활동하기 위한 우주복으로 우주 공간에서 8시간 이상 활동할 수 있는 내구성을 가지고 있다. 우주복의 각 결착부는 움직임이 가능하고 허리부분에도 베어링이 있어서 허리를 트는 게 가능하며, 헬멧 내부에 스피커와 헤드셋이 내장되어 있어 가시성과 유동성을 높였다.

xEMU는 아래 그림처럼 우주비행사의 달에서 활동을 극대화시켰으며, 배낭과 우주복 사이로 들어가 착용이 가능하다. OCSS는 오리온에 탑승하고 있는 동안 입는 우주복이다. OCSS는 바다에 착륙시 가시성이 좋도록 주황색 색상을 하고 있으며 내화 능력(fire resistance)과 활동성이 매우 뛰어난 우주복이다.






아르테미스 프로그램은 2030년 화성에 유인우주인을 보내기 위한 전초 기지 역할을 하고 있다. NASA는 2028년에 아르테미스 3단계를 하려고 했으나 미국 행정부의 요청으로 2024년으로 앞당겨 졌다. 그래서 NASA는 국제협력이나 미국의 상용 발사체 시스템을 사용하는 등 다양한 방법을 사용하여 달 탐사 계획을 진행하고 있다. 이에 우리나라도 간접적으로 아르테미스 프로그램에 참여하고 있다.

한국항공우주연구원(KARI) 주도로 진행되고 있는 한국 달탐사 궤도선(KPLO, Korea Pathfinder Lunar Orbiter)에 탑재될 ShadowCam은 아르테미스의 달 착륙 지점인 달의 남극 지역 얼음층 분포 지도를 작성하는데 사용된다. 하지만 KPLO의 중량 증가로 인한 궤도 변경은 NASA가 원하는 지역을 비행하지 않기에 NASA와의 의견충돌로 2020년 발사계획은 연기되었다. 하지만 최근에 KARI와 NASA의 발사궤도 수정 협의로 KPLO은 2022년 8월에 발사될 예정이다[7]. KPLO의 발사와 궤도 비행이 성공한다면 우리나라도 달 탐사를 위한 무인 로버(rover)등 달 탐사와 심우주 탐사를 위한 프로그램들이 지속적으로 진행될 것이다.


참고문헌
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_program
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_1
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_2
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_3
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Launch_System
6. https://www.nasa.gov/feature/nasa-selects-blue-origin-dynetics-spacex-for-artemis-human-landers 7. https://www.mbn.co.kr/news/economy/4294058