> 한국어 번역 — 원문: 刘宾, 李新立, 柴洪友, 姜生元, 张大伟, 焦云雷.
> 《嫦娥三号着陆器释放与转移巡视器技术》. 中国科学: 技术科学, 2014, 44(6): 576–581.
> doi: [10.1360/092014-53](https://doi.org/10.1360/092014-53) (영문 제목: *Rover release and transfer techniques of Chang'E-3 probe's lander*)
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> 정리일: 2026-07-09 · 번역 대상: 중국어 원문 전문(초록·본문·그림 설명·참고문헌)을 한국어로 옮긴 것임.
특집: 창어-3 특집 III — 전문 기술(嫦娥三号专题 III: 专项技术)
창어-3 탐사선은 착륙선과 탐사로버(巡视器)로 구성되며, 월면에서 두 기기의 분리·방출을 순조롭게 구현해 예정된 과학·공학 탐사 임무를 원만히 완수하였다. 착륙선이 탐사로버를 방출·분리하는 핵심 설비인 이송기구(转移机构)는 예정된 비행 프로그램에 따라 각 단계의 동작을 원만히 완수하며 착륙선의 탐사로버 방출·이송 임무를 성공적으로 수행하였다. 본 논문은 탐사선 시스템의 임무 특징에서 출발하여, 이송기구의 구형(構型) 특징·시스템 설계 및 시험 검증 상황을 소개한다.
착륙선(着陆器) · 탐사로버(巡视器) · 분리·방출(分离释放) · 이송기구(转移机构)
인류는 미지의 세계를 탐험하고 기묘한 우주를 개척하길 열망하며, 지구의 유일한 천연위성인 달은 예로부터 인류의 꿈을 흔들어왔다. 항공우주대국인 중국은 유인우주비행을 성공적으로 시행한 뒤 월탐사공정의 전략 목표를 제안하였고, 그중 2기 공정은 월면 연착륙(軟着陸) 및 자동 순시(巡視) 탐사를 주요 단계 목표로 한다[1,2].
월탐사 2기 공업의 창어-3 탐사선은 착륙선과 탐사로버(이른바 "옥토호(玉兔号)" 월면차)로 구성된다. 착륙선이 안전하게 착륙한 뒤, 탐사로버를 착륙선 정면(頂面)에서 월면까지 안전하게 이송해야 한다. 탐사로버의 방출과 이송 기술은 중점적으로 고려해야 할 기술 문제이며, 안전한 이송이 가능한지 여부는 2기 공정이 자동 순시 탐사 임무를 완수하는 기반에 해당한다. 탐사로버가 착륙선에 실려 있는 서로 다른 배치 방안에 따라, 이송 방식은 접이식(折叠式)·신축식(伸缩式)·캐빈도어 전복식(舱门翻转式) 등으로 나뉜다[3~7]. 여러 탐사로버 탑재 방식 가운데 정면 탑재 형식은 이송 거리가 가장 길고 이송 과정의 불확실 요소가 많으며, 동시에 착륙 지점의 월면 환경과 착륙선 자세의 불확실성 때문에 이송기구가 월면에 대한 강한 적응 능력을 갖출 것을 요구한다.
본 논문은 탐사선 시스템의 임무 특징에서 출발하여, 창어-3 착륙선이 채택한 이송기구의 구형 특징·시스템 설계 및 시험 검증 상황을 소개하고, 궤도 운용 상황을 간단히 기술한다.
이송기구의 임무는 탐사로버를 착륙선 정상(頂部)에서 월면까지 안전하게 운반하는 것이다. 발사·비행 단계에서 이송기구는 수납·압축고정되어 착륙선 측벽에 부착된다. 착륙선이 착륙한 뒤 이송기구는 전개·잠금되며, 전개 후 현식 사다리(悬梯, 매달린 사다리)는 충분한 강도와 강성을 갖추어 탐사로버에 유효한 지지를 제공해야 한다. 탐사로버가 현식 사다리에 완전히 진입하면, 탐사로버 이동 완료의 참조 정보를 제공한다. 이송 과정에서 이송기구는 평온을 유지하고 큰 충격을 발생시키지 않아야 한다. 현식 사다리가 월면과 접촉한 뒤에는 월면 환경 요구에 적응할 수 있어야 한다.
이송기구는 착륙선의 +Z 패널에 장착되며, 착륙선의 기계 좌표계(O-XYZ)는 다음과 같이 정의된다.
> 그림 1 좌표계 정의도
이송 기술이 종래 설계와 구별되는 점을 분석하면 다음 몇 가지 특징이 있다.
1) 작업 환경이 혹독하다.
이송기구가 겪는 비행 과정은 비교적 복잡하다. 종래의 우주기구와 달리, 이송기구 설계는 발사 구간 및 지구궤도의 우주 환경을 만족시키는 기반 위에, 추가로 월면 궤도 구간 및 월면의 혹독한 작업 환경—특히 월면의 1/6 중력 환경과 월진(月塵, lunar dust)의 시험을 충분히 고려해야 한다.
2) 착륙 자세의 불확실성이 크다.
착륙 지점의 월면 지형과 착륙선 자신의 피치(pitch) 경사각의 여러 가능한 조합, 그리고 월면 암석(함몰)의 영향을 종합적으로 고려하면, 착륙선의 착륙 자세는 무한히 많은 가능성을 가진다.
3) 월면 적응성 요구가 높다.
월면에는 서로 다른 직경의 암석이나 함몰이 존재할 수 있다. 이송기구가 월면에 접촉할 때 암석에 닿거나 함몰에 빠지면, 탐사로버 양측 바퀴에 높이차가 발생하여 안전한 진출(駛離)에 영향을 준다. 따라서 이송기구의 월면 적응성에 더 높은 요구가 제시된다.
4) 이송 거리가 크다.
중국 창어-3 탐사선의 구조 배치에서 탐사로버는 착륙선의 정면(頂板)에 위치하므로, 극한(極限) 조건에서 착륙선과 탐사로버의 분리면(즉 착륙선 정면)이 월면까지의 거리는 2200 mm에 달할 수 있다.
5) 설계 제약이 많다.
창어-3 탐사선 배치에 따라 탐사로버는 +Z 방향으로 분리·방출되므로, 이송기구 설계 시 착륙완충기구·가스병(氣瓶) 등 부품과의 간섭 문제를 고려해야 한다.
6) 경량화 요구가 높다.
탐사선 시스템 자원이 제한되어 이송기구의 질량 및 체적에 가혹한 요구가 제시되며, 동시에 기구는 부하인 탐사로버를 견딜 수 있어야 하므로, 기구의 경량화 설계는 일정한 난이도를 지닌다.
창어-3 탐사로버·착륙선 분리·방출의 임무 특징에 따라, 경사각 점진식(倾角渐变式) 이송기구를 설계하였다. 주로 4절링크기구(四连杆机构)·현식 사다리(悬梯)·전개잠금 힌지(展开锁定铰链)·전개연동기구(展开联动机构)·압축고정 해제기구(压紧释放机构)·완충해제기구(缓释机构) 등으로 구성된다(그림 2).
> 그림 2 이송기구 구성 개념도
> 1. 전개 힌지 · 2. 현식 사다리 콤포넌트 · 3. 전개연동기구 · 4. 압축고정 해제기구 · 5. 4절링크기구 · 6. 완충해제기구 · 7. 부조(助推) 스프링 · 8. 각변위 센서
이송기구의 전체 작동 과정은 압축고정(压紧)·전개(展开)·이송(转移)·접지(触地) 4개 단계로 나뉘며, 각각 서로 다른 기구 형식으로 구현된다. 이송기구의 작동 모드는 그림 3과 같다.
> 그림 3 이송기구 작동 모드 개념도
전개 단계의 작업은 주로 전개기구가 수행한다. 압축고정 해제기구가 현식 사다리 콤포넌트를 해제한 뒤, 전개 힌지와 연동기구의 공동 작용으로 현식 사다리 콤포넌트를 전개·신뢰성 있게 잠금하여, 탐사로버가 통과하는 신뢰성 있는 통로를 형성한다. 전개기구는 2세트의 독립된 기구로 구성되며, 착륙선 구조에 대해 대칭 배치된다. 2세트 기구는 월면 탐사로버의 두 줄 바퀴에 대응하여 탐사로버의 하강 경로를 형성한다.
현식 사다리 전개 시스템은 2개의 회전 자유도를 지닌다. 현식 사다리가 잠금 해제 후 자유 전개되면 긴 현식 사다리의 운동 궤적이 불확실해지므로, 전개 과정에서 외측 현식 사다리 콤포넌트가 완충기 부다리(副腿)와 간섭하는 것을 피하고자 전용 연동기구를 설계하였다.
> 그림 4 이송기구 전개기구 작동 개념도
> 1. 현식 사다리 말단 압축고정 해제기구 · 2. 4절링크기구 · 3. 완충해제기구 · 4. 연결프레임 압축고정 해제기구 · 5. 현식 사다리 압축고정 해제기구 · 6. 내측 현식 사다리 콤포넌트 · 7. 전개연동기구 · 8. 전개 힌지 · 9. 외측 현식 사다리 콤포넌트
이송기구의 이송 과정은 이송 4절링크기구를 통해 구현된다. 탐사로버가 자력으로 이송기구 위까지 주행하여 정확한 위치에 정지한 뒤, 이송기구의 완충해제기구 모터가 작동하여 이송 4절링크기구를 완만히 해제한다. 이송 4절링크기구는 탐사로버의 중력과 완충해제기구 모터의 공동 작용으로 회전하며 현식 사다리를 하강시킨다. 하강 과정에서 각변위 센서가 이송기구 회전각의 원격계측값을 제공한다. 이송 과정은 그림 5와 같다.
> 그림 5 이송기구 이송 단계 작동 개념도
> 1. 현식 사다리 콤포넌트 · 2. 완충해제 로프(缓释绳) · 3. 압축고정 해제기구 · 4. 완충해제기구 · 5. 부조 장치(助推装置) · 6. 인장 링대 콤포넌트(拉杆组件) · 7. 4절링크 베이스 콤포넌트 · 8. 각변위 센서 · 9. 연결프레임 콤포넌트 · 10. 링대 연결프레임(连杆连接架)
그림 6과 같이, 현식 사다리 콤포넌트와 4절링크기구는 회전 힌지(转动铰链)로 연결된다. 접지 단계에서 현식 사다리 콤포넌트의 전단(前端)이 접지한 뒤, 현식 사다리 콤포넌트는 회전 힌지를 통해 역방향으로 회전하여, 현식 사다리 콤포넌트의 후단(後端)이 계속 하강하면서 지면 형상에 적응한다. 동시에 2세트 현식 사다리 콤포넌트는 완전히 독립적이므로, 어느 한 현식 사다리 전단이 돌이나 깊은 구덩이를 만나도 2세트 현식 사다리 콤포넌트가 각자 지면 형상에 적응하여, 한쪽 현식 사다리가 공중에 뜨는(悬空) 상황이 발생하지 않는다.
> 그림 6 이송기구 접지 개념도
> 1. 완충해제기구 · 2. 각도 센서 · 3. 완충해제 로프 · 4. 4절링크기구 · 5. 회전 힌지 · 6. 전개 완료 미세스위치(微动开关) · 7·8. 현식 사다리 콤포넌트
이송기구 정지 설계는 이송기구 설계의 난점 중 하나이다. 이송기구는 탐사로버 이송 임무를 완료한 뒤 제때 정지할 수 있어야 하면서, 회전 과정에서 4절링크기구가 고착(卡死)될 경우에도 제때 정지할 수 있어야 한다. 따라서 이송기구 설계 시 다음의 제어 전략을 채택하였다.
충분한 지상 시험 검증을 통해, 상기 정지 제어 조치 하에서 모두 이송기구의 정상 정지를 보장할 수 있음을 확인하였다.
이송기구 작동 모드에 따라, 이송기구는 착륙선이 월면에 안전 착륙한 뒤 현식 사다리 잠금 해제·전개를 수행한다. 월면 중력이 현식 사다리 전개 저항의 주요 원천이며, 월면 중력의 현식 사다리 전개 방향 성분 크기는 착륙선 착륙 자세와 관련된다. 월면 중력가속도는 지구 중력가속도의 약 1/6에 해당하므로, 지상에서 현식 사다리 전개 시험 시 지구 중력의 현식 사다리 전개 방향 성분의 5/6을 제거해야 한다. 현식 사다리 전개 과정의 중력 환경을 비교적 진실하게 모사하기 위해, 지상 시험에서는 "사면 등가법(斜面等效法)"으로 현식 사다리 전개 월면 중력 환경을 모사한다. 즉 현식 사다리 전개 시험 시, 사면 상에서의 지구 중력가속도 성분이, 현식 사다리 전개 방향을 따른 월면 중력가속도 성분과 같아지도록 한다. 이송기구 양측의 현식 사다리 전개 운동은 서로 독립이므로, 양측 현식 사다리 전개 시험은 독립적으로 진행할 수 있다. 그림 7은 저온 환경에서의 단측 현식 사다리 전개 시험 상황이다.
> 그림 7(웹 컬러) 저온 환경에서의 단측 현식 사다리 전개 시험
이송기구 이송 기능에 대한 충분한 지상 시험 검증은 이송기구 설계 검증 작업의 중점이다. 이송기구 이송 기능 시험 검증 시, 착륙선의 피치·측경(侧倾) 등 다양한 전형적 극한 착륙 조건과 예측된 극한 저온 환경을 모사하였다. 또한 시험 시 탐사로버 모의차(模拟车)로 탐사로버의 월면 환경 중력을 모사하여 이송기구의 하중 능력을 평가하였다. 시험 검증을 통해, 이송기구는 요구 조건에서 탐사로버 이송·방출 기능을 완수할 수 있음을 확인하였다. 그림 8은 저온 환경에서의 이송기구 이송 기능 시험 상황이다.
이송기구는 단기(单机) 개발 단계에서 충분한 기능 시험 검증 외에, 탐사선 종조립 시험 단계에서 탐사로버와 합동시험(联试)을 수행하여 이송기구 설계를 추가로 검증하였다.
월면 극한 고·저온 환경은 이송기구의 원재료 성능·운동쌍(运动副) 간극·윤활제 등에 중요한 영향을 미친다. 이송기구 구동 콤포넌트의 우주 극한 온도 환경 적응성을 검증하기 위해, 구동 콤포넌트에 열진공(热真空) 시험을 수행하였다. 열진공 시험 검증을 통해, 극한 고·저온 환경을 겪은 뒤에도 구동 콤포넌트의 시동이 정상이며, 성능 매개변수가 요구를 만족함을 확인하였다.
또한 이송기구 운동부(活动部件)의 월진 환경 적응성 및 밀봉 설계의 유효성을 검증하기 위해, 운동부에 방진(防尘) 시험을 수행하였다.
> 그림 8(웹 컬러) 저온 환경에서의 이송기구 이송 기능 시험
북경시간 2013년 12월 14일 21시 11분, 착륙선이 월면에 성공적으로 착륙하였고, 이어 이송기구 현식 사다리가 순조롭게 잠금 해제·전개되었다. 12월 15일 4시 35분, 탐사로버가 착륙선과 성공적으로 분리·방출되어 탐사로버가 순조롭게 월면에 도착하였다. 탐사로버·착륙선 분리·방출 과정에서, 이송기구는 예정 프로그램에 따라 각 단계 임무를 순조롭게 완수하였고, 각 항 기능·성능 지표가 설계 요구를 만족하였다.
> 그림 9(웹 컬러) 이송기구 운동부 방진 시험
> (시험 시 시험편을 시험 상자에 넣고, 모사 월진을 불어넣는다. 모사 월진 입자 직경 범위: 20 µm ~ 1 mm.)
구동 콤포넌트가 진埃 환경을 겪은 뒤의 시동 토크 검사 결과에 따르면, 진埃 환경 경과 후 구동 콤포넌트의 최소 시동 전류에 변화가 없어, 진埃 환경이 구동 콤포넌트의 운동쌍에 영향을 미치지 않음을 나타낸다. 이로써 구동 콤포넌트가 채택한 방진 조치가 유효함이 증명되었다.
시험 후 회전 힌지·전개 힌지의 유연성을 검사한 결과, 진埃 환경을 겪은 뒤에도 회전 힌지·전개 힌지가 유연하게 회전하며 고착(卡滞) 현상이 없어, 회전 힌지·전개 힌지가 채택한 방진 조치가 유효함이 증명되었다.
> 그림 10(웹 컬러) 이송기구가 탐사로버 이송·방출 임무를 완료한 모습
중국 창어-3 월탐사선의 구형(構型) 특징 및 과학 탐사 임무의 필요에 따라, 탐사로버와 착륙선의 분리·방출을 위해 진동 4절링크 + 현식 사다리식 탐사로버 이송기구를 설계하였다. 이송기구 설계 시 각종 제약 조건(예: 전기(整器) 배치, 포락(包络) 공간 등)과 월면 복잡 환경(예: 월면 지형, 월진 등)을 충분히 고려하였고, 설계 결과의 합리성과 정확성에 대해 충분한 모사(仿真) 해석 및 지상 시험 검증을 수행하였다. 월면 환경에서 탐사로버·착륙선의 성공적인 분리·방출, 및 각자 예정된 공학·과학 탐사 목표의 원만한 완수는, 이송기구의 두 기기 분리·방출 시스템 설계가 합리적이고 유효함을 증명하며, 향후 중국의 심우주 탐사 분야에서 지외천체(地外星球) 연착륙 및 탐사로버 방출에 귀중한 공학 경험을 축적하였다.
Rover release and transfer techniques of Chang'E-3 probe's lander
LIU Bin¹, LI XinLi¹, CHAI HongYou¹, JIANG ShengYuan², ZHANG DaWei¹ & JIAO YunLei³
¹ China Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China;
² Research Center of Aerospace Mechanism and Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
³ Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical Equipment, Tianjin 300458, China
Chang'E-3 lunar probe included a lander and a rover. The lander separated and released the rover to the moon successfully, and the prospective goals of science and project were achieved. Transfer mechanism which was the key device of the lander to release the rover worked very well through the whole mission phase. The structure characteristics, system designs and test validations of transfer mechanism were introduced.
*Chang'E-3 probe, separated, released, transfer mechanism*
doi: 10.1360/092014-53