남쪽에서 창문을 엽니까?(김삼용 시인19021951) 집을 지어도 창문은 남쪽에 낸다는 말이 인상적인 시입니다. 남향은 예나 지금이나 자연도 도시도 거스를 수 없는 이치와 같은 것입니다. 안방과 거실은 햇볕이 드는 남쪽에 있고, 부엌과 창고는 서북쪽에 있는 ‘배치’는 우리 생활 깊숙이 있습니다. 인공위성도 집을 한 채 지어 우주로 보내는 것과 비슷한데요. 골격을 만든 후에 창은 어디로 할 것인지, 각 방은 어떤 가구를 채우고 어떤 용도로 사용할 것인지 모두 배치 설계로 진행합니다. 극한 우주 환경에서 5년 10년간 사용하는 인공위성의 내부 구조는 어떠한 것인가.위성은 버스와 승객으로 구성된다
인공위성의 본체는 사진 오른쪽의 프레임을 포함해 복수의 서브시스템 모두를 버스(BUS)라고 부른다. <사진 출처=나무위키, NASA> 인공위성의 내부 구조를 쉽게 이해하기 위해서는 버스나 버스를 타는 승객을 상상하시면 됩니다. 인공위성에도 마찬가지로 버스와 승객이 있는데요. 버스는 위성의 본체를 말합니다. 승객을 태우기 위한 모든 시스템 일체라고 할 수 있습니다. 실제로 인공위성 개발진도 위성 본체를 버스(Bus)라고 부릅니다. 승객은 위성이며 탑재체(Payload)입니다. 통신·탐사·관측 임무등을 수행하는 중요한 「고객」을 의미합니다. 탑재체는 비교적 명확합니다. 아리랑 3A호는 광학카메라로, 아리랑 5호는 합성 게그레이다(SAR, 위성 개발진은 길게 서로 발음합니다). 정지궤도에 올라있는 천리안 2A, 2B호는 각각 기상, 환경/해양 탑재체에 해당합니다.
하지만 위성 본체는 상당히 복잡하거든요. 버스에도 엔진, 바퀴, 핸들이 있듯이, 인공위성 본체도 몇 가지 서브 시스템이 있습니다. 인공위성의 뼈대인 구조계, 전력원을 공급하는 전력계, 자세와 궤도를 담당하는 자세 제어계, 연료와 추력기등의 추진계, 지상국과 데이터를 교환하는 원격 측정이나 명령계, 위성을 적정 온도로 관리하는 열제어계 등입니다. 이들 구성요소들이 각 방에서 역할을 잘해줘야만 임무가 완성됩니다. 이 중에서 가장 기본은 구조계입니다. 쉽게 말하면 가로세로골격 프레임이죠. 그 형태를 결정하는 것은 고객입니다. 어느 페이지를 게재하느냐에 따라 구조의 형상이 결정됩니다. 경통이 달린 카메라를 실은 아리랑 위성이 환경 탑재체를 실은 천리안보다 더 갸름한 게 이 때문이죠. 또한 페이로드와 각종 서브시스템을 장착면마다 단단하게 고정하여 발사하중, 진동, 충격을 견딜 수 있도록 설계합니다.
위성의 구조 내부는, 그 여러가지 이유에 의해서 여러가지 서브 시스템의 배치가 정해진다. <이미지 출처 = NPO Lavochkin> 고객님 반대편에서 중심을 잡아주시거나
위성의 임무를 수행하는 페이로드는 지구로 향하게 하지만 다른 서브시스템은 개별 역할에 따라 각각 배치 방향이 다르다. 그림 위에서 아리랑 3A호, 천리안 2A호, 아리랑 6호의 상상도, 정해진 틀 안의 각 방마다 본체의 각종 서브 시스템을 어떻게 배치하느냐가 관건입니다. 탑재체는 다른 사람에게 창문을 내는 것만큼 방향성이 매우 명확합니다. 광학 위성은 카메라의 눈이 찍으려고 하는 방향을 정확하게 바라봅니다. 천리안과 같은 정지궤도 위성도 기상, 해양 환경을 24시간 감시하기 위해 항상 같은 장소에서 지구를 향하고 있습니다. 아리랑 5·6호와 같은 SAR 위성은 약간 다르군요. 평판이 좋은 레이더가 지상에 전자기파를 보내 대상지의 전자기적 반사의 특성을 파악합니다. 직접 보는 것이 아니라 만진다는 표현에 가깝죠. 거기서 경사각을 주고 땅을 위아래로 돌립니다 방향이 지구임에는 틀림없습니다 내년에 우주로 날아오를 아리랑 6호에는 특별한 임무 안테나가 하나 실리는데요. 선박이 보내는 비콘 신호를 포착하는 선박자동식별(AIS) 안테나입니다. SAR는 배를 찍어, AIS가 배의 위치를 식별해 데이터를 비교하면, 그 배가 해적선인지 아닌지(불법 조업을 하고 있는지)를 즉시 알 수 있습니다. AIS 안테나도 지구로 향할 것입니다.
이렇게 유료 하중의 위치가 정해지면, 그 쪽으로 무게와 중심이 기울게 됩니다. 인공위성은 기울어지는 자세를 아주 싫어해요. 자세 제어 알고리즘도 복잡해지며, 최대한 아껴야 할 연료가 소모됩니다. 일단 가장 중요한 손님이 자리를 잡으면 나머지 서브시스템이 균형을 잡아주는데 탑재체의 무게를 보상할 만한 무거운 부품이 반대쪽에 배치됩니다 아리랑 5·6호의 탑재체 SAR는 본체 일면에 긴 평판상으로 부착됩니다. 그래서 반대쪽에 배터리와 탑재 컴퓨터를 올려놓고 균형을 잡았습니다. 이와는 달리 광학용 위성은 반사경과 경통이 중앙에 자리잡고 있어서 사방에 균등하게 서브시스템을 배치합니다. 천리안 위성의 경우 기상·환경 탑재체와 떨어진 반대편에 발열량이 많은 통신 관련 부품을 장착했습니다. 이러한 배치는 자세의 균형을 잡기 위한 목적도 있지만 탑재체에 열적으로 영향을 주지 않기 위한 선택이기도 합니다.
센서는 방향도 배치도 제각각
태양센서와 별센서 등 각 역할에 따라 다르게 배치된다. <그림출처= mdpi.com > 여러 서브시스템 중 배치에 가장 민감한 서브시스템은 자세제어계 입니다. 위성 스스로 우주의 어떤 좌표에 있는지, 페이로드가 지구를 바라보고 있는지, 기울지 않았는지, 궤도를 벗어나지 않았는지 등을 시시각각 정밀 조사해야 합니다. 별 센서, 태양 센서, 관성 센서 등 센서마다 지향해야 할 방향이 다릅니다. 별 센서는 이름 그대로 별을 추적해야 합니다 별이 아니라 지구나 태양을 바라보면 기능을 할 수 없어요. 센서에 내장된 ‘카탈로그 별’의 밝기와 위치 정보를 비교 연산하여 자세 정보를 파악합니다. 관성센서 등과는 다른 위치의 절대치를 제공합니다. 옛날 항해사들이 북극성을 보고 위치를 계산하던 것과 같은 방법이지요.
방향과 배치에 또 민감한 센서가 태양센서로, 태양열의 입사각을 측정합니다. 태양 전지판이 태양을 보고 있지 않은 상태인지 판단하고, 보다 효율적으로 전력을 얻기 위해서 입사각을 민감하게 센싱합니다. 자이로스코프로 대표되는 관성 센서는 팽이와 비슷한 개념이기 때문에 어느 위치에 있어도 상관 없습니다. 축(짐발)은 고정된 상태에서 팽이가 돌아가면서 변화된 각도량을 알려주는데. 이 변위각이나 각 속도에 따라 자세 제어를 실시합니다. 자세 제어 구동기 중 하나인 반작용 휠은 보통 3개 이상 들어갑니다. 경사각을 확보할 수 있는 공간에 서로 가까이 배치해야 제어 기능을 높일 수 있습니다.
▶인공위성 반작용 휠이 걱정된다면 http://blog.naver.com/karipr/221934365939
반작용 휠(위)과 쟈이로스코프(아래)는 방향성이나 부착위치와는 무관하게 기능한다. <사진출처=wordpress.mrreid.org/gyroscope.com>자기센서는 다른 서브시스템과 멀리 떨어져주시기 바랍니다. 미리 알고 있는 지구 자기장 데이터와 실제 측정된 지구 자기장 데이터를 비교하여 위성의 자세를 결정해 줍니다. 자력에 매우 민감하기 때문에 단독으로 놓으면 영향없이 제 역할을 할 수 있어요. 이와 비슷한 센서가 바로 자석토커입니다. 전력을 주면 스스로 N, S극을 만듭니다. 인공위성의 3차원 축인 X, Y, Z 축에 하나씩 배치, 지구 자력과 상호작용하면서 자세를 약간 보정합니다. 역시 다른 전장 부품과는 거리를 두지 않으면 안되겠지요?
이 외에도 360° 전방향 커버리지를 제공하는 서브시스템이 있습니다. 지상국과 데이터를 주고받는 원격 측정 및 명령계(TC&R) 안테나입니다. 지구 측과 반대 측에도 안테나를 하나 더 배치해 자세 제어를 할 수 없는 긴급 상황에서도 임무를 수행할 수 있는 비결입니다. 추진계의 추력기는 궤도 조정을 할 때 주로 사용합니다. 위성이 날아가는 반대 방향으로 달아서 로켓처럼 반작용 추력을 내게 됩니다. 배출 가스가 태양 전지 패널 등을 쳐서는 안 되는 곳에 두는 것이 중요하네요. 이처럼 꼭 필요한 방향과 위치에 정교한 배치 설계를 하면서도 또 하나 고려해야 할 것은 전선(하네스)이 복잡하게 얽히지 않도록 하는 일입니다. 구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배라는 속담은 인공위성 같습니다.
기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 다목적실용위성 6호사업단 문홍열 박사
