구조는 어떻게 생겼을까. 인공위성 내부

남쪽에 창문을 내요(김삼용 시인19021951)집을 짓는데 창문은 남쪽으로 내겠다는 말이 인상적인 시다. 남향은 예나 지금이나 자연이나 도시나 거스를 수 없는 이치와 같습니다. 거실과 거실은 햇볕이 잘 드는 남쪽에, 부엌이나 창고는 북, 서쪽에 두는 배치는 우리 생활 깊숙이 들어와 있습니다. 인공위성도 집을 한 채 지어 우주로 보내는 것과 비슷하죠. 골격을 만든 뒤 창문은 어디에 내는지, 방마다 어떤 가구를 채우고 어떤 용도로 쓰는지 모두 배치 설계를 해 나갑니다. 극한우주환경에서5년~10년을사용하는인공위성의내부구조는어떻게생겼는지같이살펴볼까요?위성은 버스와 승객으로 구성된다

인공위성의 본체는 사진 오른쪽 프레임을 포함해 여러 서브시스템 모두를 버스(BUS)라고 부른다. <사진출처=나무위키, NASA> 인공위성의 내부구조를 쉽게 이해할 수 있도록 버스와 버스를 타는 승객들을 상상해보세요. 인공위성에도 마찬가지로 버스와 승객이 있어요. 버스는 위성의 몸체를 말합니다. 승객을 태우기 위한 모든 시스템의 일체라고 할 수 있습니다. 실제로 인공위성 개발진도 위성 본체를 버스(Bus)라고 부릅니다. 승객은 위성으로 탑재체(Payload)입니다. 통신·탐사·관측 임무등을 수행하는 중요한 「고객」을 말합니다. 탑재체는 비교적 명확합니다. 아리랑 3A호라면 광학카메라이고, 아리랑 5호는 합성 개구리 레이더(SAR, 위성 개발진은 길고 '사'로 발음합니다)입니다. 정지 궤도에 타고 있는 천리안 2A, 2B호는 각각 기상, 환경 해양 탑재체에 해당합니다.

하지만 위성 자체는 꽤 복잡해요. 버스에도 엔진, 바퀴, 핸들이 있듯이 인공위성 본체에도 여러 서브시스템이 있습니다. 인공위성의 뼈대인 구조계, 전력원을 공급하는 전력계, 자세와 궤도에 책임을 가지는 자세 제어계, 연료와 추력기등의 추진계, 지상국과 데이터를 주고 받는 원격 측정·명령계, 위성을 적정 온도로 관리하는 열제어계 등입니다. 이 구성요소가 각 방에서 제 역할을 해줘야 임무가 완성됩니다. 이 중에서 가장 기본은 구조계입니다. 대야는 가로세로의 골격을 갖춘 프레임입니다. 그 형태를 결정짓는 것은 고객입니다. 어느 payload를 싣느냐에 따라 구조의 형상이 결정됩니다. 경통 카메라를 실은 아리랑 위성이 환경 탑재체를 실은 천리안보다 좀 더 긴 게 이 때문이죠. payload와 각종 서브시스템을 설치면마다 단단히 고정시켜 발사 하중, 진동, 충격에 견딜 수 있도록 설계합니다.

위성 골조 내부는 각자의 이유에 따라 각종 서브시스템의 배치가 결정된다. <그림의 출처=NPO Lavochkin> 고객의 반대편에서 중심을 잡을 수도 있습니다.

위성 임무를 수행하는 페이로드는 지구로 향하면 되지만 다른 서브시스템은 개별 역할에 따라 각각 배치 방향이 다르다. 그림 위에서 아리랑 3A호, 천리안 2A호, 아리랑 6호의 상상도 각 방마다 본체의 각종 서브시스템을 어떻게 배치하느냐가 관건입니다. 탑재체는 사람에게 창문을 내주는 것과 같은 정도로 방향성이 매우 명확합니다. 광학 위성은 카메라의 눈이 찍히려는 방향을 정확하게 바라봅니다. 천리안 같은 정지궤도 위성도 기상 해양환경을 24시간 감시하기 위해 항상 같은 장소에서 지구를 향하고 있습니다." 아리랑 5, 6호 같은 SAR 위성은 다소 다릅니다. 긴 평판 형태의 레이더에서 지상으로 전자기파를 보내 대상지의 전자기적 반사 특성을 파악합니다. '직접 보는 것이 아니라 만지다'라는 표현에 가깝습니다. 그래서 경사각을 줘서 지면을 위아래로 하는 것이죠. 분명 방향이 지구라고 할 수 있죠. 내년에 우주로 날아가는 아리랑 6호에는 특별한 임무 안테나가 하나 더 쌓입니다. 배가 보내는 비콘신호를 포착하는 선박자동식별(AIS) 안테나입니다. SAR는 배를 찍어 AIS가 배의 위치를 식별하고 데이터를 비교하면 해당 선박의 해적선 여부(불법조업 중인지)를 한번에 알아낼 수 있습니다. AIS 안테나도 지구로 향할 것입니다.

이렇게 payload의 위치가 정해지면 그쪽으로 무게 중심이 모이게 됩니다. 인공위성은 기우는 자세가 너무 싫어요. 자세 제어 알고리즘도 복잡해지는데다 최대한 아껴써야 할 연료가 더 많이 쓰이거든요. 일단 가장 중요한 고객이 자리를 잡으면 나머지 서브시스템이 균형을 잡아주는데요. 탑재체의 무게를 보상할 수 있는 무거운 부품이 반대편에 배치됩니다. 아리랑 5,6호의 탑재체 SAR은 본체 한쪽면에 긴 평판 형태로 장착됩니다. 그래서 반대편에 배터리와 탑재 컴퓨터를 올려 균형을 맞췄습니다. 이와 달리 광학용 위성은 반사경과 경통이 가운데 자리잡고 있어 사방에 균등하게 서브시스템을 배치합니다. 천리안 위성의 경우 기상, 환경탑재체와 멀리 떨어진 반대편에 발열량이 많은 통신관련 부품을 장착했지만 이러한 배치는 자세의 균형을 잡는 목적도 있지만 탑재체에 열을 통과시키지 않기 위한 선택이기도 합니다.

●센서, 방향도 배치도 제각각

태양센서와 별센서 등은 각각의 역할에 따라 다른 방향으로 배치된다. <그림출처=mdpi.com> 여러 서브시스템 중 배치에 가장 민감한 서브시스템은 자세제어계입니다. 위성 스스로 우주의 어떤 좌표에 있는지, 페이로드가 지구를 바라보고 있는지, 기울어지지 않은지, 궤도를 벗어나 있지는 않은지 시시각각 매우 정밀하게 확인해야 합니다. 별 센서, 태양 센서, 관성 센서 등 센서마다 지향해야 할 방향이 다릅니다. 별 센서는 이름대로 별을 추적해야 합니다. 별이 아닌 지구나 태양을 바라보면 제 기능을 할 수 없어요. 센서에 내장된 "카탈로그 별"의 밝기와 위치 정보를 비교 연산하여 자세 정보를 파악합니다. 관성센서등과 다르게 위치 절대값을 제공합니다. 옛날 항해사들이 북극성을 보고 위치를 계산한 것과 같은 방법입니다.

방향과 배치에 또한 민감한 센서가 태양 센서인데 태양열의 입사각을 측정합니다. 태양전지판이 태양을 볼 수 없는 상태인지 판단하고 보다 효율적으로 전력을 얻기 위해 입사각을 민감하게 탐사합니다. 자이로스코프로 대표되는 관성센서는 팽이와 비슷한 개념으로 어떤 위치에 있어도 되고, 축(진벌)은 고정된 상태에서 팽이가 돌아가면서 변화된 각도량을 알려줍니다. 이 변위각이나 각속도에 의해 자세제어를 실시합니다. 자세 제어 구동기의 하나인 반작용 휠은 보통 3개 이상 들어갑니다. 경사각을 확보할 수 있는 공간에 서로 접근함으로써 제어 기능을 높일 수 있습니다.

▶ 인공위성 반작용 휠이 궁금하다면 http:/blog.naver.com/karipr/221934365939

반작용 휠(위)과 자이로스코프(아래)는 방향성이나 부착 위치와 무관하게 기능한다. <사진출처=wordpress.mrreid.org gyroscope.com>자기센서는 다른 서브시스템과 멀리 떨어져 주세요. 미리 알고 있는 지구 자기장 데이터와 실제로 측정된 지구 자기장 데이터를 비교하여 위성의 자세를 결정해 줍니다. 자력에 매우 민감하여 단독으로 두면 영향을 받지 않고 본연의 역할을 수행할 수 있습니다. 이와 비슷한 센서가 마그넷 토커입니다. 전력을 다하면 스스로 N, S극을 만듭니다. 인공위성의 3차원 축인 X,Y,Z 축에 하나씩 배치하여 지구 자력과 상호작용 하면서 약간의 자세 보정을 시행합니다. 역시 다른 전장부품과는 거리를 둬야겠죠?

이 외에도 360° 전방향 커버리지를 만들어 주는 서브시스템이 있습니다. 지상국과 데이터를 주고받는 원격 측정·명령계(TC&R) 안테나입니다. 지구 측과 반대편에도 안테나를 하나 더 배치해 자세 제어가 안 되는 긴급 상황에서도 임무를 수행할 수 있는 비결입니다. 추진계 추력기는 궤도 조정을 할 때 주로 사용합니다. 위성이 나는 반대 방향에 붙여 로켓과 같은 반작용 추력을 냅니다. 배출 가스가 태양 전지 패널 등을 치면 안 되는 곳에 두는 것이 중요하네요. 이렇게 꼭 필요한 방향과 위치에 정교하게 배치설계를 하면서도 또 하나 고려해야 할 것은 전선(하네스)이 복잡하게 얽히지 않도록 하는 것입니다. 구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배라는 속담은 인공위성 같습니다.

 

 

기획제작: 항공우주 Editor 이종원 내용 감수: 다목적 실용위성 6호 사업단 문홍열 박사