인공위성 부품, “ 볼까요

"일렬 종대로 모여" 군사훈련이라도 들을 법한 이 얘기죠? 지휘관의 구령 한마디에 검과 함께 '정렬'해야 할 운명을 지닌 한 치의 흐트러짐도 용납하지 않는 인공위성 부품의 정렬세계로 안내합니다.

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안테나, 카메라, 각종 센서, 추력장치, 태양전지판... 인공위성을 구성하는 센서나 장치는 개별 성능도 중요하지만 조립 정확도도 이에 못지않게 중요하다고 생각합니다. 고속도로 주행 중에 차가 한쪽으로 쏠려서 정비소에 가면 아마 '휠 얼라인먼트'를 확인해 봐야겠죠?' 라고 할 겁니다. 타이어 정렬을 확인해 정확한 각도로 수리한다는 의미인데, 자동차는 이상이 발생하면 수시로 수리할 수 있지만 우주로 멀리 나간 인공위성은 정렬 문재를 발견해도 수리할 수 없습니다. 정렬이 바르지 않으면 뭐가 되나요?

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인공위성은 지구 표면에서 수백 km, 더 멀게는 수만 km 궤도에서 운용됩니다. 아주멀리서지구라는피사체에적합되어있는데 이 때문에 각도가 약 오랜만에 틀려도 지구에서는 큰 오차가 생긴다. 예를 들어 정지 궤도에서 지구를 바라보는 방향이 0. 하나도 정도 하면, 땅에는 약 60km정도로 오차가 생성하게 되고 이로 인해서 원치 않은 장소를 촬영하는 고가 나쁘지 않은 토지와 통신 성능이 떨어지는 경우가 생성할 수 있게 보세요.그래서 지구관측위성의 정렬의 경우 메인 카메라의 각도가 나쁘지 않은 위치가 가장 중요하고, 통신방송위성은 안테나가 나쁘지 않은 방향을 제대로 맞추는 것이 가장 중요합니다. 카메라에 나쁘지 않은, 안테나에 지지 않을 뿐만 아니라 인공위성의 자세를 제어하는 부품도 마찬가지입니다. 인공위성은 별 추적기, 지구 센서, 태양 센서, 자이로 센서, 자기장 센서, 반작용 휠, 추력기 등을 이용하여 위성의 위치를 재고 가운데를 잡고 자세를 바꾸는 것입니다. 자세 제어 부품의 정렬이 올바르지 않으면 아무리 정확하게 명령을 내려도 예측과는 다른 동작을 하게 되는 것입니다.

요즘 부품이 준비됐는데 위성에 잘 달까요?개발이 완료된 부품을 위성에 부착하려면 이미 부품이 부착된 위성구조체를 정밀하게 조립해야 합니다. 각 패널들과 브래킷은 30마이크로 미터 이내에 측정 가능한 3차원 위치 측정 장치의 레이저 추적기를 활용하고 매우 매우 정밀하게 조립됩니다. 패널을정확한위치에맞추기위한정밀조립도구도활용합니다. 이러한 과정을 거쳐 조립이 완료된 구조체에 장비를 장착하면 거의 정확하게 위치 및 각도를 맞출 수 있습니다.그러나 홀 빈 차 자체의 다양한 제작 오차 등으로 인해 미세한 장착 오차가 발생할 수 있습니다만. 이러한 미세한 장착 오차도 우주에서 운용되는 위성 성능에는 영향을 미칠 수 있으므로 이를 확인하고 보정하기 위해 정렬 측정 작업을 별도로 합니다.

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수많은 부속품과 하네스, 메인 탑재체와 안테나 과인 등 모든 구성품을 위성 구조체에 부착하는 기계 조립이 완료된 후부터 본격적인 정렬이 시작됩니다. 위성 정렬 측정 시 바쁘게 돌아가던 위성조립실이 조용한 상태로 바뀌지만 다른 작업을 모두 정지시키고 측정 관련 인원의 외출도 제한합니다.​인이 걸을 때 발생하는 작은 바닥 진동에 의해서 정렬 측정 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문이지만, 천리안 1호 위성의 전개형 접시 앙테 내 정렬 측정시에는 실내 공기 조절 장치까지 끄고 정렬 측정을 하기도 했습니다. 에어컨의 제각각으로 인한 공기 진동이 무중력 모사 장치에 영향을 미쳐 측정에 방해가 되기 때문입니다.​ 인공 위성의 정렬 측정을 위해서는±0.00014도 정도로 3차원 각도 측정이 가능한 우주용 데오도우라이토우라은 측정 장비를 사용하는 것입니다. 측정 장비를 측정 대상 물체의 정확한 측정 방향에 위치시키는 동시에 지구의 중력 방향에도 하나 두어야 합니다. 측정장비를 지구의 중력방향으로 위치시키는 이유는 측정대상물체에 대하여 지구의 중력방향이라는 동일한 수직축으로부터의 각도를 측정하기 위해서입니다.또한 각 측정장비 간에 수평방향 좌표축을 하나 값으로 하기 위해 서로 좌표축을 정보를 공유하는 좌표축 맞춤측정도 실시합니다. 이러한 작업은 측정에 대한 이해도가 높은 숙련된 측정자가 아니면 매우 어려울 뿐만 아니라 숙련된 인원이 측정해야 위성이 요구하는 측정 정밀도를 충족시킬 수 있습니다.측정 후에는 측정된 결과를 설계치와 비교하여 요구조건을 충족하는지 확인해야 하며 요구조건을 친구어과의 인면보정 후 재측정을 진행합니다. 정렬을 보정하기 위해서는 장비가 부착되는 부분에 다양한 종류의 심(shim)을 사용하여 높이를 조절하는 과도한 홀 빈차를 사용하여 재조합하는 등의 방법이 있습니다. 장치 아래에 넣는 심은 집안의 살림살이가 수평이 되지 않을 때 끼우는 종이과의 얇은 과인무와 비슷합니다. 정밀도로는 비교할 수 없습니다.​ 하나 발죠크에서 위성 정렬 보정에는 알루미늄 시트 20장을 1mm에서 하프챠크헤고 0.05mm단위로 두께를 조절하는 심을 사용하지만 보정이 필요한 두께 정도 0.05mm의 정밀도로 심기를 제작·적용한 뒤 정렬 측정을 반복합니다. 0.05mm보다 정밀하게 조절하지 않으면 하고 사열·구조적으로 특별한 목적을 위해서는 스테인레스 스틸이나 티타늄 재질의 심지가 사용되기도 할 것입니다.

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부품 중에서도 인공위성 엔진의 정렬은 좀 특별해 보입니다. 인공위성 엔진은 매우 높은 고도에서 운용되는 정지궤도 위성이 나쁘지 않기 때문에 주로 심우주탐사기에 장착되어 있는데요. 3만 6000킬로의 정지 궤도까지 발사체의 힘만으로는 올리기 어려우므로 위성 자체 추진력에 올라가야 한다.​ 그리고 천리안 위성의 경우, 자세 제어용 추력기(Thruster)의 추력 대비 40배 정도의 힘을 낼 수 있는 액체 연료 원지점 엔진(Liquid Apogee Engine)이 탑재되고 있습니다. 인공위성이 발사체와 분리된 후 정지궤도까지 올라갈 때 타원형의 천이궤도를 지나지 않아 큰 원형의 정지궤도로 이동합니다. 이 때 엔진은 4~5도 정도 연소를 하고 전체 연료의 약 70%의 하나.3톤을 순식간에 쓰게 됩니다.짧은 시간에 많은 연료를 소비할 뿐 아니라 원하는 궤도에 확실히 들어가려면 엔진 추력 방향이 잘 정렬돼야 한다. 만약 정렬이 올바르지 않으면 엔진 연소 후에 그 오차만큼의 궤도를 친국어가 나쁘지 않게 되고 정확한 궤도로 되돌리기 위해 얼마 남지 않은 추진제를 역시 사용해야 하는 형세가 발생할 것입니다. 인공위성의 수명은 그만큼 줄어들 것입니다. 단 한 방울의 연료도 아껴야 하기 때문에 엔진 정렬은 발사장 이송 직전에 따로 이뤄집니다. 발사 준비가 완료된 위성의 질량 특성(질량, 무게 중앙, 관성)을 측정해 엔진 정렬 시에 반영하기 때문입니다. 발사장이송되기전마지막위성작업이라고할수있습니다.

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현재 한국 항공 우주 연구원에는 내년 발사한 천리안 2B위성의 발사 환경 시험이 이루어지고 있습니다. 인공위성이 발사체에 실려 우주로 올라갈 수 있는 환경을 지역에서 미리 시험하고 우리가 개발한 위성이 이런 환경을 견디며 자신도 성능저하나 기능적 문재가 없는지 확인하는 과정입니다.발사 환경을 모사하기 위해 위성은 로켓에 실렸을 때처럼 격렬한 진동과 충격, 그리고 소리를 그대로 경험하게 될 것입니다. 이런 환경 시험 다음에 성능에 글재주가 없어야 하는 것도 당연하지만, 소수점 단위로 세세하게 맞춘 정렬 측정을 기억하시죠? 진동 시험에 의해 정렬이 진정되면 실제로 우주로 발사된 후에도 위성의 정렬이 진정된다는 의미가 됩니다.따라서 발사환경시험 다음에 초기 정렬을 한 카메라, 안테나기, 센서, 추력기 등이 모두 제한 범위 안에서 화천이 없는지 반드시 확인해야 한다. 따라서 발사 환경 시험 후 위성체의 최종 정렬을 다시 하고, 비록 자신의 초기 정렬 측정과 비교하여 화천된 것이 있는지, 위성의 정렬 안정성이 확보되었는지를 확실하게 매의 눈으로 파악해야 합니다.

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조립이 완료된 후에 최초로 수행되는 초기 정렬에 잘 2주일이 걸린다, 발사 환경 시험 이후 최종 정렬 수행에도 2주일 정도 기간이 필요합니다. 위성을 다 만들어 놓아도 꼬박 한 달간 정렬합니다. 얼마나 중요한 작업인지 실감이 나시죠? 정렬 측정 결과를 바탕으로 실제 인공위성이 제어되고 작동하기 때문에 측정자 모두가 책임감 있게 설계 요구 조건을 충족하기 위해서는 식은땀을 흘릴 수밖에 없습니다. 그러한 과정을 통해 인공위성의 주요 장치는 하나의 좌표축을 기준으로 각각 설계된 각도와 위치에 정확하게 장착되어야만 비로소 임무 수행을 위한 준비태세가 갖춰집니다.인공위성 정렬 측정은 어렵고 지난한 하나지만 위성의 임무 수행과 직결된다는 것을 아는 연구진은 한순간도 지체할 수 없습니다.물품 병사들, 부디 오차 없이 분발하라! 기획/제작 항공우주 Editor 오요한자문/감수: 정지궤도복합위성사업단 최종수 주임연구원

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