￥300 거리 동전 조준 허블우주망원경
▣ 테마가 있는 인공위성 이야기 – (9)
(그림 1) 허블우주망원경 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hst_sts82.jpg
신비롭고 푸릇푸릇한 빛을 내는 수많은 은하들. 몇 개인지 세기도 어려운 토성의 아름다운 고리. 목성의 위성 다양한 형태의 성단과 성운 수십억 광년외 퀘이사(준항성체). 블랙홀일지도 모르는 몇몇 후보들. 이 모든 천체의 신비롭고 맑은 모습을 영상으로 찍어 지구에 전달하는 임무를 10년 넘게 수행해온 인공위성이 허블우주망원경입니다.
천문관측용 인공위성에는 허블우주망원경 외에도 미국의 코비(COBE), 오에이오(OAO), 갈렉스(GALEX), 유럽의 XMM, 아일러스(IRAS), 일본의 아스트로(Astro) 시리즈 등 많은 위성이 있지만 가장 널리 알려져 있고 많은 활약을 한 것을 꼽자면 단연 허블우주망원경이 최고일 것입니다.
우주의 팽창을 발견한 미국 천문학자 에드윈 허블(1889년~1953년)의 이름을 딴 허블우주망원경은 1990년 4월 우주왕복선 디스커버리호에 의해 지구 상공 약 570km 지점의 우주궤도에 올랐습니다.
긴 원통형으로 길이가 약 13.2m, 태양전지판을 포함한 폭이 약 4.2m인데 양쪽에 달린 태양전지판을 제외하면 고속버스 크기 정도가 되겠죠. 두 개의 태양전지 패널에서 생산되는 전력은 약 2800와트로 100와트 전구를 28개 켜는 것과 동등한 전력입니다.
자동차 배터리 20개 분량의 우주용 배터리를 싣고 있으며 전체 무게는 약 11톤, 지구 둘레를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 1시간 37분입니다. 시속으로는 약 28,000km/h, 초속으로는 7.8km/s의 매우 빠른 속도로 지구 주위를 회전하고 있습니다.
허블우주망원경이 갖고 있는 특징 중 다른 인공위성에 비해 가장 눈에 띄는 것이 있다면 뭐니뭐니해도 관측 목표를 오랫동안 정확하게 바라볼 수 있는 지향 정확도와 안정도일 것입니다.
(그림2) 허블우주망원경 내부구조 http://www.spacetelescope.org/images/screen/instruments.jpg
지향 정확도란 얼마나 세밀하게 방향을 구분할 수 있는지를 말하고, 안정도란 망원경이 얼마나 흔들리지 않고 한 지점을 고정적으로 바라볼 수 있는지를 의미합니다. 허블 우주 망원경은 지금까지 발사된 어떤 위성보다도 가장 뛰어난 지향 정밀도와 안정도를 자랑합니다.
허블 망원경의 지향 정확도는 각도로 약 0.007초인데, 이는 약 1.6km 거리에서 머리 두께 정도의 틈을 구별할 수 있다는 의미입니다. 그리고 안정도 역시 뛰어나서 만약 300km 밖에서 망원경의 지향점 흔들림을 측정한다면 그 흔들림 정도가 10원짜리 동전 크기 이상은 빠지지 않을 정도입니다. 거의 흔들림이 없다고 할 수 있습니다.
그럼 이렇게 허블 우주 망원경을 안정적이고 정밀하게 목표로 하도록 하는 것은 어떤 원리에 의한 것일까요. 그것은 허블우주망원경에 장착되어 있는 자세제어장치가 매 순간 망원경의 지향방향을 매우 정밀하고 안정적으로 조정해주기 때문에 가능한 것입니다.
허블망원경뿐만 아니라 모든 인공위성에는 자세제어장치가 탑재돼 있어 통신용 안테나 또는 지구관측용 카메라의 방향이 흔들림 없이 원하는 방향으로 향하도록 조정하는 기능을 담당하고 있습니다.
인공위성의 자세제어장치는 현재 자세를 감지하기 위한 센서, 감지된 자세측정치의 잡음을 제거하여 목표치와 비교하여 자세오차와 보정치를 계산하는 소프트웨어, 그리고 보정치만큼의 자세오차를 직접 수정하는 구동장치로 구성됩니다.
먼저 현재 자세가 어떤 상태인지 감지하기 위해서는 인공위성의 지향 방향이 어디로 향하는지 알아야 하는데 이때 사용되는 것이 자이로스코프, 지구 센서, 태양 센서, 별 센서입니다. 보통 자이로스코프는 반드시 장착되고 나머지 지구, 태양, 별 센서는 필요에 따라 1개 또는 2개를 장착합니다.
자이로스코프는 아이들이 과학실험에 사용하거나 장난감을 가지고 노는 우주 팽이와 비슷합니다. 즉 원형 틀 안에 주변과 분리되어 회전하는 묵직한 원반이 들어 있어 틀, 즉 인공위성 본체의 자세가 바뀌어도 원반의 회전 방향은 변하지 않는 원리를 이용하여 위성 본체의 자세가 얼마나 어긋나는지 판단하게 됩니다.
지구, 태양, 별 센서는 각각의 천체를 기준으로 위성이 어디를 지향하는지 측정하는 원리입니다. 이때 정확도는 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 높습니다. 그에 따라 가격 역시 태양센서가 가장 낮고 별센서가 가장 비싸네요.
태양 센서나 지구 센서의 정확도가 별 센서보다 낮은 이유는 태양이나 지구는 천구상에 하나밖에 없고 인공위성으로 봤을 때 기준 목표물이 너무 커서 기준점(태양이나 지구 중앙)이 어디인지 명확하지 않기 때문입니다.
반면 별 센서는 기준 목표인 별이 우주 공간에 무수히 많을 뿐만 아니라 그 각각이 점에 불과하기 때문에 정밀한 각도 측정이 가능해집니다. 다만 센서에 포착된 별이 목록상 수백 내지 수천 개의 별 중 어느 것인지 순간적으로 정확하게 판단해야 하기 때문에 이를 개발하기 위해서는 그만큼 어려운 기술이 필요합니다. 물론 그에 따라 센서의 가격도 오르는 것입니다.그림 3 인공위성에 사용되는 반작용 휠
둘째, 자세 측정값과 지향하고자 하는 목표와의 오차를 계산하여 보정값을 계산하는 소프트웨어를 만들기 위해서는 ‘제어이론’이라는 분야의 기술이 필요합니다.
이는 공학계열에서 대학 수준 이상의 학업을 이수하고 오랜 경험을 가진 전문가 각각의 위성에 맞는 제어 알고리즘을 개발하여 적용함으로써 인공위성마다 본체의 크기와 모양, 센서 종류와 구동장치의 특성이 모두 다르기 때문에 각 위성이 각기 다른 ‘제어 소프트웨어’를 탑재하게 됩니다. 일반적으로 복잡한 수식과 여러 절차를 거쳐 보정값을 계산합니다.
마지막으로 자세 오차를 보정하기 위해 사용되는 구동기로는 대표적인 것으로 반작용 휠(Reaction Wheel)과 추력기(Thruster)가 있습니다. 반작용 휠과 추력기는 모두 작용/반작용 원리를 이용한 것입니다. 반작용 휠은 고속으로 회전하는 무거운 원반의 회전 속도를 조절함으로써 위성 본체의 각도를 바꾸는 장치입니다.
(그림4) 허블우주망원경 자세제어장치 http://www.thetech.org/exhibits_events/online/hubble/direction.html
수천 RPM(Round Per Minute)으로 회전하는 원반의 속도를 올렸다 내렸다 하면 원반의 속도 변화에 따른 운동량 변화가 위성 본체의 회전을 가져오는 원리를 이용한 것입니다. 이때 원반의 회전속도 변화가 위성의 한 축에만 영향을 미치기 때문에 세 축의 모든 변화를 위해 세 개의 반작용 휠이 세트로 장착되고 거기에 예비로 한 개의 휠이 추가로 장착되며 보통 반작용 휠 네 개가 하나의 시스템으로 되어 있습니다.
그리고 추력기는 위성에 탑재된 하이드라이진 연료를 짧은 순간에 연속적으로 필요한 만큼 분사하여 위성의 자세를 바꾸는 장치입니다. 연료 사용을 줄이기 위해 대부분의 위성이 평소에는 연료 소모가 필요 없는 반작용 휠을 주로 사용하고 크고 빠른 움직임이 필요할 때는 추력기를 사용하여 자세를 조정합니다. 미세한 움직임이 요구될 때도 반작용 휠을 주로 사용합니다.
(그림5) 허블우주망원경 반작용휠 교환씬 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/5_rwa_04.jpg
(그림6) 태양전지 패널 교체작업 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/4_sa3_26.jpg
허블우주망원경에는 이처럼 4개의 반작용 휠, 3개의 별 센서, 3개의 고성능 자이로스코프가 장착돼 있어 자세제어 소프트웨어가 1초에 15번씩 자세를 측정해 매 순간마다 오차를 수정하고 있기 때문에 앞과 같은 고정밀, 고안 정도의 지향성을 유지할 수 있는 것입니다.
허블우주망원경의 내부 구조를 잠깐 살펴보겠습니다. 허블 우주 망원경의 내부 구조는 일반적인 반사식 천체 망원경과 비슷한 형태를 하고 있습니다. 허블망원경에는 지름 2.4m의 주반사경과 30cm의 부반사경, 경통, 각종 관측장비, 전기공급장치, 보호덮개, 통신장치, 자세 및 궤도조정장치 등이 장착되어 있습니다. 각 장치의 부품이 낡아 고장이 나거나 성능이 저하되면 우주왕복선에 새 부품을 싣고 올라가 수리하거나 교체합니다.
(그림7) 외부 은하 M84에 있는 블랙홀 후보 http://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/1997/12/images/a/formats/web_print.jpg
허블우주망원경은 지구 대기권 밖에 위치하기 때문에 지상에서는 볼 수 없었던 맑고 깨끗한 영상을 많이 보내주었습니다. 수많은 은하와 성단, 행성의 아름다운 영상을 볼 수 있었고 동시에 신비로운 영상도 많이 볼 수 있었는데, 그 중 하나가 블랙홀 후보를 촬영했습니다(그림7).
M84 외부 은하의 중심부를 촬영한 것인데 오른쪽 분광사진을 통해 별이 큰 S자형으로 움직이는 것을 알 수 있습니다. 이것은 이 별이 사진에는 찍히지 않은 중앙의 한 별을 중심으로 공전했다는 것을 의미합니다.
크고 밝은 별을 밝기만 할 정도의 중력을 가지면서도 사진에는 거의 찍히지 않은 무언가가 중심부에 있을 것으로 추측되는데, 혹시 그것이 블랙홀이 아닐까 추측하고 있습니다. 기술이 더 발전하면 언젠가는 블랙홀을 직접 관측할 수 있는 우주망원경도 등장하지 않을까요?
￥300 거리 동전 조준 허블우주망원경
▣ 테마가 있는 인공위성 이야기 – (9)
(그림 1) 허블우주망원경 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hst_sts82.jpg
신비롭고 푸릇푸릇한 빛을 내는 수많은 은하들. 몇 개인지 세기도 어려운 토성의 아름다운 고리. 목성의 위성 다양한 형태의 성단과 성운 수십억 광년외 퀘이사(준항성체). 블랙홀일지도 모르는 몇몇 후보들. 이 모든 천체의 신비롭고 맑은 모습을 영상으로 찍어 지구에 전달하는 임무를 10년 넘게 수행해온 인공위성이 허블우주망원경입니다.
천문관측용 인공위성에는 허블우주망원경 외에도 미국의 코비(COBE), 오에이오(OAO), 갈렉스(GALEX), 유럽의 XMM, 아일러스(IRAS), 일본의 아스트로(Astro) 시리즈 등 많은 위성이 있지만 가장 널리 알려져 있고 많은 활약을 한 것을 꼽자면 단연 허블우주망원경이 최고일 것입니다.
우주의 팽창을 발견한 미국 천문학자 에드윈 허블(1889년~1953년)의 이름을 딴 허블우주망원경은 1990년 4월 우주왕복선 디스커버리호에 의해 지구 상공 약 570km 지점의 우주궤도에 올랐습니다.
긴 원통형으로 길이가 약 13.2m, 태양전지판을 포함한 폭이 약 4.2m인데 양쪽에 달린 태양전지판을 제외하면 고속버스 크기 정도가 되겠죠. 두 개의 태양전지 패널에서 생산되는 전력은 약 2800와트로 100와트 전구를 28개 켜는 것과 동등한 전력입니다.
자동차 배터리 20개 분량의 우주용 배터리를 싣고 있으며 전체 무게는 약 11톤, 지구 둘레를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 1시간 37분입니다. 시속으로는 약 28,000km/h, 초속으로는 7.8km/s의 매우 빠른 속도로 지구 주위를 회전하고 있습니다.
허블우주망원경이 갖고 있는 특징 중 다른 인공위성에 비해 가장 눈에 띄는 것이 있다면 뭐니뭐니해도 관측 목표를 오랫동안 정확하게 바라볼 수 있는 지향 정확도와 안정도일 것입니다.
(그림2) 허블우주망원경 내부구조 http://www.spacetelescope.org/images/screen/instruments.jpg
지향 정확도란 얼마나 세밀하게 방향을 구분할 수 있는지를 말하고, 안정도란 망원경이 얼마나 흔들리지 않고 한 지점을 고정적으로 바라볼 수 있는지를 의미합니다. 허블 우주 망원경은 지금까지 발사된 어떤 위성보다도 가장 뛰어난 지향 정밀도와 안정도를 자랑합니다.
허블 망원경의 지향 정확도는 각도로 약 0.007초인데, 이는 약 1.6km 거리에서 머리 두께 정도의 틈을 구별할 수 있다는 의미입니다. 그리고 안정도 역시 뛰어나서 만약 300km 밖에서 망원경의 지향점 흔들림을 측정한다면 그 흔들림 정도가 10원짜리 동전 크기 이상은 빠지지 않을 정도입니다. 거의 흔들림이 없다고 할 수 있습니다.
그럼 이렇게 허블 우주 망원경을 안정적이고 정밀하게 목표로 하도록 하는 것은 어떤 원리에 의한 것일까요. 그것은 허블우주망원경에 장착되어 있는 자세제어장치가 매 순간 망원경의 지향방향을 매우 정밀하고 안정적으로 조정해주기 때문에 가능한 것입니다.
허블망원경뿐만 아니라 모든 인공위성에는 자세제어장치가 탑재돼 있어 통신용 안테나 또는 지구관측용 카메라의 방향이 흔들림 없이 원하는 방향으로 향하도록 조정하는 기능을 담당하고 있습니다.
인공위성의 자세제어장치는 현재 자세를 감지하기 위한 센서, 감지된 자세측정치의 잡음을 제거하여 목표치와 비교하여 자세오차와 보정치를 계산하는 소프트웨어, 그리고 보정치만큼의 자세오차를 직접 수정하는 구동장치로 구성됩니다.
먼저 현재 자세가 어떤 상태인지 감지하기 위해서는 인공위성의 지향 방향이 어디로 향하는지 알아야 하는데 이때 사용되는 것이 자이로스코프, 지구 센서, 태양 센서, 별 센서입니다. 보통 자이로스코프는 반드시 장착되고 나머지 지구, 태양, 별 센서는 필요에 따라 1개 또는 2개를 장착합니다.
자이로스코프는 아이들이 과학실험에 사용하거나 장난감을 가지고 노는 우주 팽이와 비슷합니다. 즉 원형 틀 안에 주변과 분리되어 회전하는 묵직한 원반이 들어 있어 틀, 즉 인공위성 본체의 자세가 바뀌어도 원반의 회전 방향은 변하지 않는 원리를 이용하여 위성 본체의 자세가 얼마나 어긋나는지 판단하게 됩니다.
지구, 태양, 별 센서는 각각의 천체를 기준으로 위성이 어디를 지향하는지 측정하는 원리입니다. 이때 정확도는 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 높습니다. 그에 따라 가격 역시 태양센서가 가장 낮고 별센서가 가장 비싸네요.
태양 센서나 지구 센서의 정확도가 별 센서보다 낮은 이유는 태양이나 지구는 천구상에 하나밖에 없고 인공위성으로 봤을 때 기준 목표물이 너무 커서 기준점(태양이나 지구 중앙)이 어디인지 명확하지 않기 때문입니다.
반면 별 센서는 기준 목표인 별이 우주 공간에 무수히 많을 뿐만 아니라 그 각각이 점에 불과하기 때문에 정밀한 각도 측정이 가능해집니다. 다만 센서에 포착된 별이 목록상 수백 내지 수천 개의 별 중 어느 것인지 순간적으로 정확하게 판단해야 하기 때문에 이를 개발하기 위해서는 그만큼 어려운 기술이 필요합니다. 물론 그에 따라 센서의 가격도 오르는 것입니다.그림 3 인공위성에 사용되는 반작용 휠
둘째, 자세 측정값과 지향하고자 하는 목표와의 오차를 계산하여 보정값을 계산하는 소프트웨어를 만들기 위해서는 ‘제어이론’이라는 분야의 기술이 필요합니다.
이는 공학계열에서 대학 수준 이상의 학업을 이수하고 오랜 경험을 가진 전문가 각각의 위성에 맞는 제어 알고리즘을 개발하여 적용함으로써 인공위성마다 본체의 크기와 모양, 센서 종류와 구동장치의 특성이 모두 다르기 때문에 각 위성이 각기 다른 ‘제어 소프트웨어’를 탑재하게 됩니다. 일반적으로 복잡한 수식과 여러 절차를 거쳐 보정값을 계산합니다.
마지막으로 자세 오차를 보정하기 위해 사용되는 구동기로는 대표적인 것으로 반작용 휠(Reaction Wheel)과 추력기(Thruster)가 있습니다. 반작용 휠과 추력기는 모두 작용/반작용 원리를 이용한 것입니다. 반작용 휠은 고속으로 회전하는 무거운 원반의 회전 속도를 조절함으로써 위성 본체의 각도를 바꾸는 장치입니다.
(그림4) 허블우주망원경 자세제어장치 http://www.thetech.org/exhibits_events/online/hubble/direction.html
수천 RPM(Round Per Minute)으로 회전하는 원반의 속도를 올렸다 내렸다 하면 원반의 속도 변화에 따른 운동량 변화가 위성 본체의 회전을 가져오는 원리를 이용한 것입니다. 이때 원반의 회전속도 변화가 위성의 한 축에만 영향을 미치기 때문에 세 축의 모든 변화를 위해 세 개의 반작용 휠이 세트로 장착되고 거기에 예비로 한 개의 휠이 추가로 장착되며 보통 반작용 휠 네 개가 하나의 시스템으로 되어 있습니다.
그리고 추력기는 위성에 탑재된 하이드라이진 연료를 짧은 순간에 연속적으로 필요한 만큼 분사하여 위성의 자세를 바꾸는 장치입니다. 연료 사용을 줄이기 위해 대부분의 위성이 평소에는 연료 소모가 필요 없는 반작용 휠을 주로 사용하고 크고 빠른 움직임이 필요할 때는 추력기를 사용하여 자세를 조정합니다. 미세한 움직임이 요구될 때도 반작용 휠을 주로 사용합니다.
(그림5) 허블우주망원경 반작용휠 교환씬 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/5_rwa_04.jpg
(그림6) 태양전지 패널 교체작업 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/4_sa3_26.jpg
허블우주망원경에는 이처럼 4개의 반작용 휠, 3개의 별 센서, 3개의 고성능 자이로스코프가 장착돼 있어 자세제어 소프트웨어가 1초에 15번씩 자세를 측정해 매 순간마다 오차를 수정하고 있기 때문에 앞과 같은 고정밀, 고안 정도의 지향성을 유지할 수 있는 것입니다.
허블우주망원경의 내부 구조를 잠깐 살펴보겠습니다. 허블 우주 망원경의 내부 구조는 일반적인 반사식 천체 망원경과 비슷한 형태를 하고 있습니다. 허블망원경에는 지름 2.4m의 주반사경과 30cm의 부반사경, 경통, 각종 관측장비, 전기공급장치, 보호덮개, 통신장치, 자세 및 궤도조정장치 등이 장착되어 있습니다. 각 장치의 부품이 낡아 고장이 나거나 성능이 저하되면 우주왕복선에 새 부품을 싣고 올라가 수리하거나 교체합니다.
(그림7) 외부 은하 M84에 있는 블랙홀 후보 http://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/1997/12/images/a/formats/web_print.jpg
허블우주망원경은 지구 대기권 밖에 위치하기 때문에 지상에서는 볼 수 없었던 맑고 깨끗한 영상을 많이 보내주었습니다. 수많은 은하와 성단, 행성의 아름다운 영상을 볼 수 있었고 동시에 신비로운 영상도 많이 볼 수 있었는데, 그 중 하나가 블랙홀 후보를 촬영했습니다(그림7).
M84 외부 은하의 중심부를 촬영한 것인데 오른쪽 분광사진을 통해 별이 큰 S자형으로 움직이는 것을 알 수 있습니다. 이것은 이 별이 사진에는 찍히지 않은 중앙의 한 별을 중심으로 공전했다는 것을 의미합니다.
크고 밝은 별을 밝기만 할 정도의 중력을 가지면서도 사진에는 거의 찍히지 않은 무언가가 중심부에 있을 것으로 추측되는데, 혹시 그것이 블랙홀이 아닐까 추측하고 있습니다. 기술이 더 발전하면 언젠가는 블랙홀을 직접 관측할 수 있는 우주망원경도 등장하지 않을까요?