금속 줄자로 인공위성 태양전지판을 전개한다?

태양전지판과 안테나 등은 접어서 발사체에 탑재된 뒤 우주에서 전개된다. 사진 왼쪽은 발사 준비 중인 천리안 2B호, 오른쪽은 태양전지판을 펼친 천리안 2B호의 상상도.

인공위성은 변신 로봇입니다. 발사체에 웅크린 채 탑승해 우주에 도착하면 단단히 숨겨둔 안테나와 태양전지판을 점점 넓힙니다. 변신의 순간을 두 눈으로 볼 수 없다는 것은 언제까지나 안타까운 일입니다. 어떤 위성은 마치 병풍을 드리우듯 우아하게 날개를 펴기도 합니다. 위성을 위성답게 만드는 전개장치의 비밀을 들어보겠습니다. 전개에 실패하면?

임무 테스트 중 남쪽 방향 태양전지판이 손상됐다는 신호를 받은 인텔샛19의 상상도. <이미지 출처=SSL>

세계 최대의 위성 통신 회사의 1개인 인텔샛은 2012년에 뼈아픈 성명을 발표해야 했어요. 그 해 5월에 발사한 인텔·삿토-19가 임무 시작 전에 날개 한쪽을 잃었다는 뉴스였어요. 2개의 태양 전지판의 하나가 전개에 실패했습니다. 당시 인텔샛은 52개의 통신 위성을 거느리고 국제 위성 방송가의 거물이었습니다. 잇달아 발사를 앞두고 있는 다른 2개의 위성에도 악영향을 미칠 수밖에 없었습니다. 드디어 임무는 시작됐지만 이미 이용 가능 전력의 절반 가까이가 사라지고 총 수명도 줄어 버렸습니다. “전개”여부가 인공 위성의 생명줄을 쥐고 있음을 새삼 일깨운 사례였어요. 이렇게 임무 전력의 책임을 지는 태양 전지 패널, 지상과의 유일한 소통 창구 안테나가 열리지 않으면, 수백수천억 예산과 노력은 순간 물거품이 됩니다. 가끔 부러지고 들어가는 레이더가 열리지 않고도 마찬가지입니다.발사체는 방이 충분하지 않아요. 그것에 접어서 쌓지 않게 전개하는 구성품은 발사 순간 다 망가져서 버립니다. 태양 전지판과 안테나는 어느 쪽도 본체에 평평한 고정하겠습니다. 위성이 우주 공간에 터진 뒤 태양 전지 패널을 먼저 전개하고 추력기와 반작용 휠 같은 자세 제어 장치로 위성의 자세를 제어하게 됩니다. 이런 전개 시스템을 쉽게 힌지(Hinge)이라고 부릅니다만 한국어로 관절이라는 뜻입니다. 극한 온도 변화로 성능을 유지해야 하고”불량품은 없다”라는 믿음이 없으면 안 됩니다. 미세 중력으로 움직임을 예측하지 않으면 안 되고, 돌아서기도 해서는 안 됩니다. 이런 까다로운 조건을 충족시키는 가장 전통적인 힌지는 “메이저”입니다.

테이프 힌지 전개 시스템에는 상기와 같은 금속 메이저가 사용된다. <사진 출처 = pixabay>

국내 최초로 영상레이더(SAR)를 탑재한 아리랑 5호는 마이크로파를 발사하는 레이더 장비(그림으로 본체 앞에 장착된 긴 직사각형 탑재체)도 전개형으로 제작됐다. 지상에서는 양쪽으로 갈라져 본체 옆에 고정되도록 하고 우주에서는 그림의 형태로 길게 합쳐진다. <사진제공 : 한국항공우주연구원>

금속 줄자로 태양 전지판을 넓히다

금속 줄자로 태양 전지판을 넓히다

다목적 실용위성 아리랑 1, 2호의 전개 장치로 사용된 테이프 힌지. 금속 줄자를 마주보도록 연결하여 강성을 높였다. <사진제공 : 한국항공우주연구원>

메이저 중에서도 보통의 가정은 하나씩 두고 쓸 만한 금속 메이저를 인공 위성의 전개 장치로 사용합니다. 모양과 성능을 떠올리세요. 단면은 U모양으로 굽어 있고, 길게 뽑아도 곧은 상태를 유지합니다. 그러면서도 유연하게 휘어짐도 있습니다. 인공 위성 본체와 태양 전지 패널을 이것으로 연결하지만. 10cm안팎에 짧게 자른 채 양 끝에 연결 장치를 달아 본체에 굽힙니다. 메이저 1편은 강성이 떨어지므로 2개를 평행하게 맞아요. 때는 각각 두겹으로 포개곤 합니다. 체결 부품은 사방에서 태양 전지 패널을 꼭 잡아 두고 우주에 가면 풀어 줍니다. 비록 잠시 돌아는 있었지만 구속이 풀리자 동시에 “찰칵”소리를 내면서 날개가 펼쳐지는 장면이 그려지고 있습니까?보다 정확한 용어로는 이런 전개 장치를 “테이프 힌지”이라고 부릅니다. 동력도 필요 없고, 금속제이기 때문에 튼튼한 위, 인공 위성이 선호하는 매우 간결한 방법입니다. 특히 중량의 작은 인공 위성으로 코스트 퍼포먼스의 높은 전개 시스템입니다. 끊기거나 부러지거나 하지 않는 이상은 틀림 없이 확산되고, 광활한 태양 전지 패널에서도 중력이 거의 없는 우주에서는 처지다 걱정은 없습니다. 인공 위성에 전개식 태양 전지 패널을 사용한 이래 가장 전통적으로 사용된 방식이기 때문에 신뢰도가 높습니다. 간단한 것 같지 않나요? 제작 과정이 쉽지 않았습니다. 우리의 개발 진이 테이프 힌지를 개발한 당시 전개용으로 딱의 메이저를 찾기가 매우 어려웠대요. “처음에는 세계적으로도 시장 점유율이 높은 국내산 메이저의 문을 두드렸습니다. 문제는 국내산 메이저들이 너무 튼튼하다는 것이었습니다. 메이저로서 성능은 나무랄 데 없었지만 테이프 힌지에는 좀 더 부드럽지 않으면 안 됩니다. 결국 부품을 제작하는 업체에서 처음부터 끝까지 테이프 힌지를 직접 만들어 쓸 수밖에 없었다고 합니다. 그러나 제작 비용과 시간이 너무 걸리고 후속 위성에는 전 세계의 메이저를 찾고 개발 진이 원하는 적당한 강도와 탄력성을 가진 금속 메이저를 구입할 수 있었답니다. 2겹을 덧붙였을 때도 시험에서 문제가 생겼습니다. 강성을 높인 덕분에 메이저가 고정된다 양 끝에 변형이 일어났습니까. 우리의 개발 진 은”인공 위성은 매우 작은 변화에도 민감하고, 다른 설계 수정까지 이어진다”라고 합니다. 스프링을 이용한 전개 장치

그림 위에는 아리랑 1·2호, 아래에는 3·3A호. 윙 장착 방법에서 차이가 뚜렷하다. 아리랑 33A호는 고기동 위성으로 개발, 태양전지판을 개별 배치하고 스프링 힌지와 스트럿(윙을 지지하는 금속봉)을 사용했다.

아리랑 1·2호까지는 테이프 힌지만으로 충분했다. 그 뒤 우리의 위성은 점점 진화했습니다. 탑재체는 점점 침중해 지다 필요한 전력량도 늘어납니다. 특히 아리랑 3호·3A호는 기동에서 이전과는 전혀 달라졌어요. 궤도 선회 중 얼뜻 봐서 찍은 촬영 방식이 아니라 부산을 찍고 빨리 자세를 바꿔서 대전을 찍고 동해를 찍을 수 있도록 했습니다. 이를 고 기동 위성이라고 하는데, 이때 가장 중요한 미션이 카메라의 진동을 억제하는 것입니다. 얼마나 신속하게 진동을 억제하느냐가 임무의 질을 결정하는 상황에서 면적이 큰 태양 전지 패널을 효과적으로 고정하는 새로운 힌지 타입이 필요했습니다. 고 기동 위성 아리랑 3호·3A호를 보면 윙의 설치 방식에서 다릅니다. 병풍처럼 부러지고 길게 펴는 것이 아니라 단일의 패널을 따로 설치했습니다. 고 기동에 대응하기 위한 전략입니다. 이와 함께”스프링 힌지”과 “맥퍼슨 스트럿”에서 전개력·고정력을 높였습니다. 스프링 힌지는 견인 스프링을 사용하고 전개합니다. 테이프 스프링 힌지처럼 인장 스프링을 접었다 뒤에 전개하는 방식입니다.

스프링 힌지 시스템에 사용되는 인장 스프링(사진 왼쪽)과 인장 스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진출처=generalwirespring.com / spacetech-i.com>

복합 재료로 만든 맥퍼슨 스트럿은 우산의 껍질을 떠올리세요. 태양 전지판이 모으지 않도록 지지하는 장치입니다. 이런 방식으로 아리랑 3호·3A호는 흔들림 없이 선명한 고해상도 영상을 얻었습니다. 인공 위성 반작용 휠의 떨림을 억제하는 비결이 궁금하다면? https://blog.naver.com/karipr/221660819113스프링 힌지은요 베어 말린 토션 스프링(Torsion Spring)을 사용하고 펼 수도 있습니다. 흼 응력(외부의 힘에 의해서 생기는 내력)이 생긴 상태에서 구속을 풀면 자연스럽게 확산됩니다. 토션 바 크기를 조정함으로써 충격을 최소화할 수 있습니다.

스프링 힌지 시스템에 쓰이는 토션 스프링(왼쪽)은 쥐잡기에도 쓰인다. <사진 출처 =generalwirespring.com / depositphotos>토션 스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진출처=honeybeerobotics.com>정지궤도 위성은 날개를 ‘깨끗하게’ 늘린다동기 힌지 시스템의 전개 과정을 나타내는 도. 각 패널이 동일한 각도를 유지하면서 전개된다. <그림출처=인공위성 태양전지판의 힌지 메커니즘 및 전개 구동에 관한 연구>펀치총의 작동 방식과도 비슷하다. <사진 출처 = G마켓>지구와 같은 속도로 돌며 특정 영역만 커버하는 정지 궤도 위성은 큰 기동을 필요로 하지 않습니다. 그러나 수명이 7~10년 이상으로 긴 저궤도 위성보다 무게가 3배 이상이라 전력 소모가 큽니다. 태양 전지판도 2배 이상 크겠지만. 복수단으로 접된 패널을 전개할 때, 패널들의 간섭과 충돌 전개 지연 등이 발생할 위험성이 높습니다. 본체에까지 영향을 주고 파손, 자세 제어의 문제 등으로 이어질 가능성이 있습니다. 이를 해결하기 위한 특별한 구동 방식이 필요했습니다. 주로 대형 위성에 사용되는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은 “동력”과 “전개 동기화”입니다. 스프링 힌지 시스템을 이용하여 태양 전지 패널을 전개하고 전기 모터를 이용하고 윙을 넓히는 전개 속도를 조절하면서 모든 패널을 같은 각도로 작동시킵니다. 각 패널의 첨단을 잇는 동기 케이블을 설치, 이를 본체의 모터와 연결하여 전개 속도를 조절하면서 태양 전지 패널 전개가 같도록 동기화 합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계가 복잡하지만 그만큼 정교하게 임무 개시가 가능합니다. 특히 천리안 같은 정지 궤도 위성은 한번에 목표 궤도에 오르지 못하고, 천이 궤도를 통과합니다. 이때 시스템 점검에 필요한 전력을 얻기 위해서 가장 바깥쪽 패널만 90°로 넓히겠습니다 나머지의 패널은 정지 궤도에 갔을 때처럼 90도로 벌린 뒤 추진 동기 장치에서 동시에 반듯이 펼쳐고난도 전개 쇼를 진행하겠습니다. 아까 힌지가 몇초 이내에 전개를 완료하는 것에 대한 동기 힌지 시스템은 1분 정도 걸린다고 합니다. 테스트 장면을 지켜본 개발 진 표현에 따르면 날개를 늘리는 과정이 “너무 예쁘다”이래요. 기획 제작 항공 우주 Editor이·정원 내용 감수:위성 기술 연구부 김·교은우오은 박사지구와 같은 속도로 돌고 특정 영역만을 커버하는 정지궤도 위성은 큰 기동을 필요로 하지 않습니다. 그러나 수명이 7~10년 이상으로 길고 저궤도 위성보다 무게가 3배 이상이어서 전력 소모가 큽니다. 태양전지판도 두 배 이상 큰데요. 여러 단으로 접힌 패널을 전개할 때 패널 간 간섭이나 충돌, 전개 지연 등이 발생할 위험성이 높습니다. 본체에까지 영향을 미쳐 파손, 자세 제어 문제 등으로 이어질 수 있습니다. 이를 해결하기 위한 특별한 구동 방식이 필요했습니다. 주로 대형 위성에 사용되는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은 ‘동력’과 ‘전개 동기화’입니다. 스프링 힌지 시스템을 이용하여 태양전지 패널을 전개하고 전기모터를 이용하여 윙을 넓히는 전개 속도를 조절하면서 모든 패널을 동일한 각도로 작동시킵니다. 각 패널의 선단을 연결하는 동기 케이블을 부착하고, 이를 본체의 모터와 연결하여 전개 속도를 조절하면서 태양전지 패널의 전개가 같도록 동기화합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계는 복잡하지만 그만큼 정교하게 임무 시작이 가능합니다. 특히 천리안과 같은 정지궤도 위성은 한 번에 목표궤도에 오르지 못하고 천이궤도를 통과합니다. 이때 시스템 점검에 필요한 전력을 얻기 위해 가장 바깥쪽 패널만 90°로 넓힙니다. 나머지 패널은 정지궤도에 갔을 때 동일하게 90°로 펼친 뒤 전개동기장치로 동시에 똑바로 펼치는 고난도 전개쇼를 진행합니다. 아까 힌지가 몇 초 안에 전개를 완료하는 데 반해 동기 힌지 시스템은 1분 정도 걸린다고 합니다. 테스트 장면을 지켜본 개발진의 표현에 따르면 날개를 펴는 과정이 ‘너무 예쁘다’고 합니다. 기획제작 : 항공우주 Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 김경원 박사