인공위성 물품, “ 대박이네

일렬종대로 몰려와 군사훈련에 자신감을 가질 수 있는 내용이죠? 지휘관의 구령 한마디에 칼처럼 '정렬'해야 할 운명을 지닌 한 치의 흐트러짐도 용납하지 않는 인공위성 사물의 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 마스크 아마 '휠 얼라인먼트'를 확인해 봐야 될 텐데요?' 라고 말할 겁니다. 타이어 정렬을 확인해 정확한 각도로 수리한다는 뜻인데, 자동차는 이상이 생기면 수시로 수리할 수 있지만 우주로 먼 길을 떠난 인공위성은 정렬 사건을 발견해도 수리할 수 없습니다. 설정이 바르지 않으면 무슨 1이 1어죠?

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인공위성은 지구 표면에서 수백 km, 더 멀리는 수만 km 떨어진 궤도에서 운용됩니다. 아주멀리서지구라는피사체에적합되어있는데 이 때문에 각도가 약간 어긋나더라도 지구에서는 큰 오차가 발생합니다. 예를 들어 정지 궤도에서 지구를 바라보는 방향이 0.1번 정도 하면, 지역에는 약 60km정도로 오차가 발생하게 됐으며 이에 의해서 원치 않는 곳을 촬영하거나 지역과 통신 성능이 떨어지는 경우가 발생할 수 있게 합니다.따라서 지구관측위성의 정렬의 경우 메인 카메라의 각도나 위치가 가장 중요하며 통신방송위성은 안테나의 방향을 확실히 맞추는 것이 가장 중요합니다. 카메라나 안테나뿐만 아니라 인공위성의 자세를 제어하는 부품도 마찬가지입니다. 인공위성은 별 추적기, 지구 센서, 태양 센서, 자이로 센서, 자기장 센서, 반작용 휠, 추력기 등을 이용하여 위성의 위치를 측정하고 중심을 잡고 자세를 바꾸는 것입니다. 자세 제어 부품의 정렬이 올바르지 않으면 지역에서 아무리 정확하게 명령을 내려도 예측과는 다른 동작을 하게 되는 것입니다.

지금 물품이 준비돼 있으니 위성에 제대로 달아볼까요?개발이 완료된 물건을 위성에 부착시키려면 이미 물품이 부착되는 위성구조체를 정밀하게 조립해야 합니다. 각 패널들과 브래킷은 30마이크로 미터 이내에 측정 가능한 3차원 위치 측정 장치의 레이저 추적기를 활용하고 매우 정밀하게 조립됩니다. 패널을정확한위치에맞추기위한정밀조립도구도활용합니다. 이러한 과정을 거쳐 조립이 완료된 구조체에 장비를 장착하면 거의 확실하게 위치 및 각도를 맞출 수 있습니다.그러나 홀공차이가 나쁘지 않고 다양한 제작오차 등으로 인해 미세한 장착오차가 발생할 수 있는데요. 이런 미세한 장착 오차도 우주에서 운용되는 위성 성능에는 영향을 미칠 수 있으므로 이를 확인하고 보정하기 위해 정렬 측정 작업을 별도로 할 생각입니다.

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수많은 부품과 하네스, 메인 탑재체와 안테나 쁘띠 등의 모든 구성품을 위성 구조체에 부착하는 기계 조립이 완료된 후부터 본격적인 정렬 측정이 시작됩니다. 위성 정렬 측정 시 바쁘게 돌아가던 위성조립실이 조용한 상태로 바뀌지만 다른 작업을 모두 정지시키고 측정 관련 인원의 외출도 제한합니다.사람이 걸을 때 발생하는 작은 바닥 진동으로 정렬 측정 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문인데, 천리안 1호 위성의 전개형 접시 안테나에 나쁘지는 않기 때문에 정렬 측정 시에는 실내 공조장치까지 끄고 정렬 측정을 하기도 했습니다. 에어컨의 제각각으로 인한 공기 진동이 무중력 모사 장치에 영향을 미쳐 측정에 방해가 되기 때문입니다.​ 인공 위성의 정렬 측정을 위해서는±0.000일 4도 정도로 3차원 각도 측정이 가능한 우주용 데오도우라이토우라은 측정 장비를 사용합니다. 측정 장비를 측정 대상 물체의 정확한 측정 방향에 위치시키고 지구 중력 방향에도 일치시켜야 합니다. 측정 장비를 지구의 중력 방향에 위치시키는 이유는 측정 대상 물체에 대해 지구의 중력 방향이라는 동일한 수직축으로부터의 각도를 측정하기 위해서이다.또한 각 측정장치 간에 수평방향 좌표축을 일치시키기 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 친국어가 나쁘지 않으면 보정 후 재측정을 실시합니다. 정렬을 보정하기 위해서는 장비가 부착되는 부분에 다양한 종류의 심(shim)을 사용해 높이를 조절하거나 못생겼기 때문에 홀 빈 차를 사용해 다시 짜는 등의 비결이 있습니다. 장치 아래에 넣는 심은 집안에서 집기가 수평이 되지 않을 때 끼우는 종이가 나쁘지 않기 때문에 얇지 않은 무와 대등한 것입니다. 정밀도로는 비교할 수 없습니다.​ 일반적으로 위성 정렬 보정에는 알루미늄 시트 20장을 한 mm에서 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 하고나프지앙, 열·구조적으로 특별한 목적을 위해서는 스테인리스 스틸 또는 티타늄 재질의 심지가 사용되기도 합니다.

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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 추진력으로 올라가야 할 것이다.​ 그래서 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 1.3톤을 순식간에 쓰게 됩니다.짧은 시간에 많은 연료를 소비할 뿐 아니라 원하는 궤도로 확실히 들어가려면 엔진 추진방향이 잘 정렬돼야 할 것이다. 만약 정렬이 올바르지 않으면 엔진 연소 후에 그 오차만큼의 궤도를 친국 나쁘지 않게 되고 정확한 궤도로 돌아가려면 얼마 남지 않은 추진제를 사용해야 하는 상황이 일어날 것입니다. 인공위성의 수명은 그만큼 줄어들 것입니다. 단 한 방울의 연료도 아껴야 하기 때문에 엔진 정렬은 발사장 이송 직전에 따로 합니다. 발사 준비가 완료된 위성의 질량 특성(질량, 무게 중앙, 관성)을 측정해 엔진 정렬 시에 반영하기 때문입니다. 발사장이송되기전마지막위성작업이라고할수있습니다.

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현재 제한 항공 우주 연구원에는 내년 발사한 천리안 2B위성의 발사 환경 시험이 이루어지고 있습니다. 인공위성이 발사체에 실려 우주로 올라갈 수 있는 환경을 지상에서 미리 시험해 우리가 개발한 위성이 이런 환경을 견디며 과인지도 성능 저하와 기능적 문재가 없는지 확인하는 과정이다.발사 환경을 모사하기 위해 위성은 로켓에 실렸을 때처럼 격렬한 진동과 충격, 그리고 소 sound를 그대로 경험하게 될 것입니다. 이런환경시험후에성능에글재주가있으면안되는것도당연하지만,소수점단위로세밀하게맞춰진정렬측정을기억하시죠? 진동 시험에 의해 소트가 무너지면 실제로 우주로 발사된 후에도 위성 소트가 무너져 내린다는 의미입니다.따라서 발사 환경 시험 후에 초기 정렬을 한 카메라, 안테나, 센서, 추력기 등이 전체 제한 범위 내에서 변천이 없는지 명확하게 확인해야 합니다. 따라서 발사 환경 시험 후 위성체의 최종 정렬을 다시 하고, 비록 과인 초기의 정렬 측정과 비교하여 변천한 것이 있는지, 위성의 정렬 안정성이 확보되었는지를 확실하게 매의 눈으로 파악해야 합니다.

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조립이 완료된 후에 최초로 수행되는 초기 정렬에 그대로 2주일이 걸린다, 발사 환경 시험에서 최종 정렬 수행에도 2주일 정도 기간이 필요합니다. 위성을 다 만들어 둬도 꼬박 1개월 간 정렬하다니... 얼마나 과한 중요한 작업인지 느낌이 오네요. 정렬 측정 결과를 바탕으로 실제 인공위성이 제어되고 작동하기 때문에 측정자 모두가 책임감 있게 설계 요구 조건을 충족하기 위해서는 식은땀을 흘릴 수밖에 없습니다. 이러한 과정을 통해 인공위성의 주요 장치는 하나의 좌표축을 기준으로 각각 설계된 각도와 위치에 정확하게 부착되고 측정되어야만 임무수행을 위한 준비태세가 갖춰집니다.인공위성 정렬 측정은 어렵고, 역시 지난하지만 위성의 임무 수행과 직결된다는 것을 아는 연구진은 한순간도 지체할 수 없습니다.부품병사들, 부디 오차없이 분발하라! 기획/제작 항공우주Editor 오요한자문/감수: 정지궤도복합위성사업단 최종수 선임연구원

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