금속 줄자로 인공위성 태양전지판을 전개할것이다?

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인공위성은 변신 로봇이다. 발사체에 웅크린 채 탑승해 우주에 도착하면 숨겨둔 안테나와 태양전지판을 계속 펼친다. 변신의 순간을 두 눈으로 볼 수 없다는 것은 두고두고 안타까운 일입니다. 어떤 위성은 마치 병풍을 드리우듯 우아하게 날개를 펼치기도 한데요. 위성을 위성답게 만드는 전개장치의 비밀을 들어볼까.​

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세계 최대 위성통신업체 중 하나인 인텔샛은 2012년 뼈아픈 성명을 발표해야 했다. 같은 해 5월에 발사한 인텔샛 19가 임무 시작 전에 날개 한쪽을 잃었다는 뉴스였습니다. 두 개의 중, 일가 전개에 실패한 것입니다. 당시 인텔샛은 52개 통신위성을 가진 국제 위성방송계의 거물이었는데. 발사를 잇달아 앞둔 다른 두 위성에도 악영향을 미칠 수밖에 없었다. 겨우 임무는 시작되었지만, 이미 사용 전력의 절반 가까이가 손실되어 총수명도 짧아지고 말았습니다. 전개 여부가 인공위성의 생명줄을 쥐고 있는 sound를 다시 한 번 일깨워준 사례였습니다. 이처럼 임무전력을 책임지는 태양전지판, 택지와 유일한 커뮤니케이션 창구 안테나가 늘어나지 않을 경우 수백수천억 원의 예산과 노력은 순식간에 물거품이 됩니다. 연신 접혀 나오는 레이더가 열리지 않아도 마찬가지다.발사체는 방이 넓지 않습니다. 게다가 접어서 싣지 않으면 전개되는 구성품은 발사 순간에 모두 부서져 버립니다. 태양전지판과 안테나는 전체 본체에 평평하게 고정해 둔다. 위성이 우주공간에 던져진 후 태양전지판을 기이하게 전개해 추력기나 반작용 휠과 같은 자세제어장치로 위성의 자세를 제어하게 됩니다. 이런 전개 시스템을 쉽게는 힌지(Hinge)라고 부르는데, 우리 말로는 경첩이라는 뜻이에요. 극한 온도 변화로 성능을 유지해야 하고 불량품은 없다는 믿음이 있어야 한다. 미세 중력으로의 움직임을 예측할 수 있어야 하며, 모두 sound로 넘어지는 일도 없어야 합니다. 이런 까다로운 조건을 만족시키는 전통적인 힌지는 ‘줄자’입니다.​

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레프리 중에서도 웬만한 가족집이라면 일일이 놓고 쓸 만한 금속 레프리들을 인공위성 전개장치로 사용한다. 모양과 성능을 떠올려 보세요. 단면은 U자로 구부러져 있어 길게 뽑아도 곧은 상태를 유지합니다. 그러다가 유연하게 휘어질 수도 있을 것이다. 인공위성의 본체와 태양전지판을 이것으로 연결하는 것입니다. 10㎝ 전후로 짧게 자른 후 양끝에 연결장치를 부착하여 본체에 구부려 놓는다. ‘약자 하나 나쁘지 않다’에서는 강성이 떨어지니까 두 줄로 평행하게 마주보도록 해. 때로는 각자 겹겹이 포개기도 한다. 체결 부품은 사방에서 태양전지판을 꽉 잡아 두고 우주에 가면 딸 수 있다. 비록 잠시 휘었다가 구속이 풀리면서 ‘딸깍’ 소음을 내며 날개가 펴지는 장면이 그려져도 나쁘지 않나요?보다 정확한 용어로는 이러한 전개장치를 ‘테이프힌지’라고 부른다. 동력도 필요 없고 금속 재질로 튼튼하며 인공위성이 나쁘지 않은 매우 간결한 방식이다. 특히 중량이 작은 인공위성으로 비용이 높은 전개 시스템입니다. 끊어지거나 끊어지지 않고 부러지지 않는 이상은 틀림없이 퍼져, 드넓은 태양전지 패널에서도 중력이 거의 없는 우주에서는 축 늘어질 염려가 없습니다. 인공위성에 전개식 태양전지판을 사용한 이래 가장 전통적으로 사용돼 온 방식이라 신뢰도가 높습니다. 너란 쉽지 않다고? 제작 과정이 쉽지 않았어요.개발 진이 테이프 힌지를 개발하는 즉석 당시 전개용으로 딱의 새끼를 구하기가 매우 힘들었습니다. 처음엔 세계적으로 시장점유율이 높은 국산 체인업체를 노크했다. 의문은 국내산의 세력권이 당신에게 있어서 튼튼하다는 것이었습니다. 두루마리로서의 성능은 나쁘지 않아 더할 나위 없이 좋았지만 테이프 힌지에서는 좀 더 부드러워야 했습니다. 결의 내용은 부품을 제작하는 회사에서 처음부터 끝까지 테이프 힌지를 직접 만들어 사용할 수밖에 없었던 것으로 알려졌다. 하지만 제작비와 간혹 자네가 많이 들어 후속 위성으로는 전 세계 줄자를 뒤지고 개발진이 원하는 적당한 강도와 탄력성을 가진 금속띠를 구입할 수 있었다고 할 수 있겠다. 두 장을 보탰을 때도 시험에서 의문이 생겼어요. 강성을 높이자 막대기가 고정되는 양끝부분으로 변형된 것입니다. 개발진은 인공위성은 매우 사소한 변이에도 민감해 다른 설계 수정에까지 이어진다고 밝혔다.

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아리랑 1·2호까지는 테이프 힌지만으로 충분했습니다. 이 강의 위성은 자신들이 진화했습니다. 탑재체는 점점 더 무거워지고 필요 전력량도 항상 나오게 됩니다. 특히 아리랑 3호·3A호는 기동으로 이전과는 완전히 달라졌다. 궤도 선회 중 잠시 눈을 통해서 찍은 촬영 방식이 아니라 부산) 찍고 즉각 자세를 바꾸고 대전 찍고, 동해를 찍을 수 있도록 했습니다. 이것을 고기동위성이라고 하는데, 이때 가장 중요한 미션이 카메라의 흔들림을 잡는 것입니다. 어느 정도 자신의 신속 진동을 억제할지가 임무의 질을 표결하는 정세로, 면적이 큰 태양전지 패널을 효과적으로 고정하는 새로운 힌지 타입이 필요했습니다.고기동위성 아리랑 3호·3A호를 보면 윙 부착 방식부터 다릅니다. 병풍처럼 접었다가 길게 펴는 것이 아니라 단일 패널을 따로 설치하였다. 고기동에 대응하기 위한 전략입니다. 더불어 ‘스프링 힌지’와 ‘스트랫’으로 전개력·고정력을 높였는데, 스프링 힌지는 인장 스프링을 사용하여 전개합니다. 테이프 스프링 힌지와 같이 인장 스프링을 접은 후 전개하는 방식입니다.​

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복합재료로 만든 스트랫은 우산의 살을 떠올려 보세요. 태양전지 패널이 펄럭이지 않도록 지탱하는 장치입니다. 이런 방법으로 아리랑 3호·3A호는 흔들림 없이 선명한 고해상도 영상을 얻을 수 있었다.인공위성 반작용 휠의 떨림이 궁금하다면? blog.naver.com/karipr/221660819113 스프링힌지는 꼬여서 감은 토션 스프링(Torsion Spring)을 사용해 전개할 수도 있습니다. 굽힘 응력(외부의 힘에 의해 생기는 내력)이 생긴 상태에서 구속을 개방하면 자연스럽게 퍼집니다. 토션 바의 직경을 조절하여 충격을 최소화할 수 있습니다.​

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지구와 같은 속도로 돌아가면서 특정 영역만을 커버하는 정지궤도 위성은 큰 기동이 필요 없습니다. 그러나 수명이 7~10년 이상으로 길고, 저궤도 위성보다 중량이 3배 이상으로 전력 소모가 큽니다. 태양전지판도 두 배 이상 큰데요? 여러 단으로 접힌 패널을 전개할 때 패널끼리의 간섭이 본인의 충돌, 전개 지연 등이 생성될 위험성이 높아집니다. 본체에까지 영향을 미쳐 파손, 제어 사건 등으로 이어질 수 있습니다. 이것을 해결하는 특별한 구동방식이 필요했습니다. 주로 대형 위성에 쓰이는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은 동력과 전개 동기다. 스프링 힌지 시스템을 이용해 태양전지판을 펼치고 전기모터를 이용해 윙을 펼치는 전개속도를 조절하면서 모든 패널을 같은 각도로 작동시킵니다. 각 패널의 선단을 잇는 동기 케이블을 장착하고 이를 본체의 모터와 연결해 전개 속도를 조절하면서 태양전지 패널의 전개가 동일하도록 동기화합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계는 복잡하지만 그만큼 정교하게 이 댐을 시작할 수 있습니다.특히 천리안 같은 정지궤도 위성은 단번에 목표궤도에 오르지 못하고 전이궤도를 통과한다. 이 때 시스템 점검에 필요한 전력을 얻기 위해 가장 바깥쪽 패널만 90°로 가장 먼저 펼칩니다. 임머지 패널은 정지궤도에 갔을 때에 마찬가지로 90°로 늘려 전개동기화 장치로 동시에 올바르게 전개되는 고난도 전개 쇼를 실시합니다. 이미 힌지가 몇 초 안에 전개를 완료한 데 비해 미국식 힌지 시스템은 1분 정도 걸리는 것으로 알려져 있다. 테스트 장면을 지켜본 개발진의 표현에 따르면 날개를 펴는 과정이 ‘매우 아름답다’고 합니다.기획제작 : 항공우주 Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 김경원 박사