20 m 소행성 곁의 2톤 탐사선 — 톈원-2가 1 AU에서 떠안은 남는 전력과 태양광 압력

ISSUE 2026 · W28 | 우주 소재·탐사기술

랑데부 발표: 30,000 km에서 20 km까지

글로벌타임스가 7월 6일 전한 중국국가항천국(CNSA) 발표에 따르면, 톈원-2는 2025년 5월 29일 시창 위성발사센터에서 발사된 뒤 2026년 6월 6일 처음으로 소행성을 탐지했고, 6월 7일 약 30,000 km 거리에서 포착 기동을 했으며, 6월 19일 2,000 km 이내로 접근했다. 랑데부는 7월 2일 완료됐고, 탐사선은 소행성에서 약 20 km 떨어진 지점에 도달했다. 이 과정에서 얻은 영상 자료로 소행성 위치 불확도는 100 km 이상에서 km 수준으로 좁혀졌다.

표적 469219 카모오알레와(2016 HO3)는 지구와 거의 같은 1년 주기로 태양을 도는 준위성이다. 2026년 1월 Space Science Reviews에 실린 임무 논문은 장반경 1.001 천문단위(AU, Astronomical Unit), 근일점 약 0.90 AU, 원일점 약 1.10 AU, 자전주기 약 27~30.5분, 추정 지름 30~100 m, 분광형은 S형 가능성이 가장 높다고 정리했다. 한편 7월 6일 테크타임스는 첫 근접 영상과 제임스 웹 우주망원경 관측을 다룬 사전 논문을 인용해 크기가 약 20 m로 더 작을 수 있고, 그 경우 반사율이 달 물질과 맞지 않는다는 해석을 전했다. 크기 추정은 아직 수렴하지 않았다.

이후 일정은 약 8 km 고도에서의 정밀 관측, 2027년 4월까지 200~1,000 g 표본 채취, 2027년 11월 지구 근접 시 귀환 캡슐 분리로 이어진다. 탐사선 본체는 이후 주소행성대 혜성 311P/PanSTARRS로 향하는 확장 임무를 수행한다.

2톤 탐사선의 전력계: 혜성에 맞춰 키운 태양전지판

Space Science Reviews 논문에 따르면 톈원-2는 궤도선과 재진입 캡슐을 합쳐 약 2,000 kg이다. 추진계는 화학 추진과 다중 모드·장수명 이온 전기추진을 병행한다. 전력계의 핵심은 원형 유연 태양전지판인데, 논문은 이를 “태양 중심 거리 약 3억 7,500만 km의 주소행성대 혜성 탐사 단계에서 충분한 전력을 공급하도록” 설계했다고 적었다. 3억 7,500만 km는 약 2.51 AU다.

설계점이 먼 곳에 있다는 사실은 가까운 곳에서의 전력 상황을 결정한다. 일사량은 거리의 제곱에 반비례하므로, 같은 태양전지판이 1 AU에서 받는 빛은 2.51 AU의 약 6.3배다. 카모오알레와의 근일점 0.90 AU에서는 약 7.8배, 원일점 1.10 AU에서도 약 5.2배다. 셀 온도 상승에 따른 효율 저하와 누적 열화를 빼더라도, 소행성 단계의 톈원-2는 설계상 전력이 남는 탐사선이다. 태양전지판의 실제 면적과 정격 출력은 공개 자료에서 확인되지 않았다.

남는 전력은 어디로 가는가

남는 전력은 공짜가 아니다. 쓰지 않는 전력은 분로(shunt) 회로로 열로 버리거나 태양전지판을 태양에서 비스듬히 돌려 흡수 자체를 줄여야 한다. 어느 쪽이든 열 제어 부담으로 돌아온다. 또 태양전지판이 크다는 것은 빛을 받는 면적이 크다는 뜻이고, 이것이 소행성 근접 운용에서 두 번째 얼굴을 드러낸다.

남는 전력의 가장 생산적인 소비처는 전기추진이다. 이온 엔진의 추력은 투입 전력에 거의 비례하므로, 태양에 가까운 구간에서 전기추진을 집중적으로 돌리면 같은 추진제로 더 빠르게 궤도를 바꿀 수 있다. 반대로 2.51 AU 부근에서는 전력이 설계 기준점까지 줄어들어 추력도 함께 줄어든다. 즉 톈원-2의 전력계는 임무 전 구간에 걸쳐 “가까울수록 빨리, 멀수록 천천히”라는 추진 리듬을 탐사선에 새겨 넣는다. 다만 이온 엔진의 소비전력과 추력 값은 공개 자료에서 확인되지 않아 여기서는 정성적 관계만 적는다.

표는 한 탐사선의 전력계가 임무 단계에 따라 “굶는 설계”와 “남는 설계”를 모두 떠안는다는 점을 보여 준다. 소행성 단계에서는 전력이 부족한 것이 아니라 전력을 만드는 면적 자체가 운용 제약이 된다.

중력이 없는 곳의 “호버링”

카모오알레와의 중력이 얼마나 약한지 규모를 보자. 지름 20 m, 밀도 2,500 kg/m³를 가정하면 질량은 약 1,050만 kg이다. 20 km 거리에서의 중력 가속도는 약 1.8×10⁻¹² m/s², 중력가속도 단위로 약 1.8×10⁻¹³ G다. 8 km 관측 고도에서도 약 1.1×10⁻¹¹ m/s²에 그친다. 소행성이 실제로 100 m급이라면 질량은 125배 커지지만 여전히 극히 작다.

반면 1 AU에서 태양광 압력은 완전 흡수 기준 약 4.56×10⁻⁶ N/m²다. 태양전지판과 본체의 유효 수광면적을 30 m²로 가정하면 힘은 약 1.4×10⁻⁴ N, 2,000 kg 탐사선에 주는 가속도는 약 6.8×10⁻⁸ m/s²다. 20 km 거리 기준으로 소행성 중력보다 약 3.9만 배 크다. 보정하지 않으면 하루 동안 약 250 m를 밀려난다. 소행성 자신도 태양광 압력을 받지만 면적 대비 질량이 훨씬 커서 그 영향은 탐사선보다 수백 배 작다.

결국 소행성 옆의 “호버링”은 궤도를 도는 것이 아니라, 거의 같은 태양 궤도를 나란히 날면서 태양광 압력과 항법 오차를 주기적으로 상쇄하는 편대비행이다. 그 상쇄에 쓰이는 추력은 화학 추진이든 전기추진이든 결국 전력과 추진제 예산에서 나온다.

전력·에너지 관점

Point. 톈원-2의 태양전지판은 혜성 단계에서는 전력원이지만, 소행성 단계에서는 과잉 전력과 태양광 압력이라는 두 가지 부담의 원천이다. 근접 운용의 비용은 소행성의 중력이 아니라 탐사선 자신의 전력원 면적이 결정한다.

Reason. 전력계는 가장 불리한 지점, 즉 가장 먼 태양 거리에 맞춰 크기를 정한다. 그 결과 가까운 지점에서는 면적이 필요 이상으로 커진다. 태양광 압력은 일사량과 같은 1/r² 법칙을 따르므로, 전력 과잉 배수와 섭동 증가 배수가 같다. 1 AU에서 전력이 6.3배 남는다면 같은 면적이 받는 복사압도 2.51 AU 대비 6.3배다.

Example. 가정값으로 계산한 하루 약 250 m의 표류는 20 km 거리에서는 관리 가능한 수준이지만, 1 m 고도까지 내려가는 호버 채취나 표면에 닻을 거는 부착 채취 단계에서는 정밀 제어가 필수다. 임무 논문이 소개한 채취 방식은 1 m 고도의 로봇팔 호버 채취, 역회전 브러시와 가압 가스를 쓰는 접촉 채취, 삼각대 완충 장치와 갈고리·스파이크로 고정하는 부착 채취의 세 가지다. 특히 부착 방식은 약 28분 주기로 도는 표면에 탐사선을 붙잡아 두는 동안 자세 제어와 태양전지판 지향을 동시에 관리해야 하므로, 전력 여유가 곧 제어 여유가 된다.

Point. 소행성 단계의 전력 과잉은 낭비가 아니라 보험이다. 남는 전력이 있기에 잦은 궤도 보정, 레이더·분광계 동시 운용, 고속 자료 전송을 감당할 수 있다. 다만 그 보험료는 방열 설계와 섭동 보정 추진제로 지불된다.

반론과 제약. 이 해석에는 제약이 있다. 첫째, 태양전지판 면적·질량·출력이 공개되지 않아 태양광 압력 계산은 규모 비교에 그친다. 둘째, 최악의 경우 탐사선이 부착 채취 중 자전 표면과 상대 운동을 제대로 맞추지 못하면 고정 장치에 하중이 집중되고, 이를 피하기 위한 긴급 이탈 기동이 추진제와 전력을 한꺼번에 소모한다. 셋째, 소행성 크기 추정이 20 m와 100 m 사이에서 흔들리는 만큼 표면 중력·자전 원심력 조건도 아직 확정되지 않았다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 부착형 채취 기구와 표면 접촉 동역학은 지상에서 중력 보상 장치나 낙하 시험으로 검증할 수밖에 없다. 그러나 약 10⁻¹² m/s²급 미소중력과 고진공(10⁻¹⁰ Torr 이하 수준의 우주 공간), 태양광 압력이 동시에 작용하는 조건은 지상에서 재현되지 않는다. 또 귀환 캡슐은 약 12 km/s로 재진입해 최대 열유속 약 12 MW/m², 총 열부하 약 315 MJ/m²를 견뎌야 한다고 논문은 적었는데, 이 조건 역시 지상 아크제트 시험과 실제 재진입 사이에 괴리가 남는다.

정리하면 톈원-2의 소행성 단계는 전력이 모자라서가 아니라 전력을 만드는 면적이 커서 생기는 제약을 관리하는 운용이다.