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 쭈그리고 앉아 우주에 도착하면 숨겨 둔 안테나와 태양 전지판을 펼쳐 나갑니다. ‘변신’의 순간을 내 눈으로 볼 수 없다는 게 언제까지나 안타까운 일입니다. 어떤 위성들은 마치 병풍을 치듯 날개를 우아하게 펼치기도 한답니다. 위성을 위성답게 하는 전개장치의 비밀을 들어봅시다.
전개에 실패하면?
임무 테스트 중 남쪽 방향 태양 전지판이 손상됐다는 신호를 받은 인텔샛 19의 상상도. <이미지 출처=SSL>
세계 최대의 위성 통신 회사 중 하나인 인텔샛은 2012년에 뼈아픈 성명을 발표해야 했습니다. -같은 해 5월에 발사한 인텔샛 19가 임무 시작 전에 날개 한쪽을 잃었다는 뉴스였습니다. 두 개의 태양전지판 중 하나가 전개에 실패한 겁니다. 당시 인텔샛은 52개 통신위성을 보유한 국제 위성방송계의 큰 인물이었습니다. 잇따라 발사를 앞둔 다른 두 위성에도 악영향을 미칠 수밖에 없었습니다. 임무는 겨우 시작했지만 이미 사용 가능 전력의 절반 가까이가 손실되어 총 수명도 단축되었습니다. ‘전개’가 인공위성의 생명줄을 쥐고 있음을 새삼 일깨워준 사례였습니다 이처럼 임무 전력을 담당하는 태양전지판, 지상과의 유일한 소통 창구 안테나가 펼쳐지지 않을 경우 수백 수천억의 예산과 노력이 일순간에 수포로 돌아갈 수 있습니다. 가끔 부러져서 실리는 레이더가 확대되지 않아도 마찬가지입니다.
발사체는 방이 충분하지 않습니다. 게다가, 접지 않으면 전개되는 구성품은 발사 순간에 모두 손상되어 버립니다. 태양 전지 패널과 안테나는 모두 본체에 납작하게 고정해 두는데요. 위성이 우주 공간에 던져진 뒤 태양전지판을 먼저 펼쳐 추력기나 반작용 휠 같은 자세 제어장치로 위성의 자세를 제어하게 됩니다. 이런전개시스템을간단히힌지(Hinge)라고하고경첩이라는뜻이한국어로되죠. 극한 온도 변화 시 성능을 유지해야 하며, “불량품은 없다”는 믿음이 필요합니다. 미세 중력에서의 움직임을 예측할 수 있어야 하고 뒤로 젖혀지는 일도 없어야 합니다. 이러한 어려운 조건을 만족시키는 가장 전통적인 힌지는 「줄자」입니다.
테이프 힌지 전개 시스템에는 위와 같은 금속 줄자가 사용되고 있다. <사진 출처=pixabay>
국내 최초로 영상레이더(SAR)를 탑재한 아리랑 5호는 마이크로파를 발사하는 레이더장비(그림에서 본체 앞에 장착된 긴 직사각형 탑재체)도 전개형으로 제작됐다. 지상에서는 양쪽으로 갈라져 본체 옆으로 고정되도록 하고 우주에서는 도형으로 길게 합체한다. <사진제공: 한국항공우주연구원> 금속 줄자로 태양전지판을 펼친다.
다목적 실용위성 아리랑 1·2호의 전개장치에 사용된 테이프·힌지 금속줄자 등을 마주보며 강성을 높였다. <사진제공: 한국항공우주연구원> 줄자 중에서도 일반 가정에서는 하나씩 사용할 수 있는 금속 줄자를 인공위성의 전개 장치로 사용합니다. 모양과 성능을 생각해 보세요. 단면은 ㄷ자로 휘어져 있어 길게 뽑아도 곧은 상태를 유지합니다. 심지어 유연하게 구부러지기도 해요 인공위성 본체와 태양전지판을 이걸로 연결할 텐데요. 10㎝ 내외로 짧게 잘라 양 끝에 연결장치를 달고 본체에 구부려 놓아요. 메이저 1개로 강성이 떨어지므로 2열을 평행으로 마주보게 합니다. 때로는 이중으로 겹치기도 합니다. 체결 부품은 사방에서 태양전지판을 잘 떼어놓고 우주에 가면 풀어줘요. 잠시 휘어지긴 했는데 구속이 풀리면서 ‘찰칵’ 소리를 내며 날개가 퍼지는 장면을 그려놓으셨나요?
보다 정확한 용어로는, 이러한 전개 장치를 「테이프 힌지」라고 부릅니다. 동력 없이 금속재질이어서 튼튼한 데다 인공위성이 선호하는 간결한 방식입니다. 특히 중량이 작은 인공위성으로 가성비 높은 전개 시스템입니다. 끊어지거나 부러지거나 하지 않는 이상은 틀림없이 퍼져, 넓은 태양전지판에서도 중력이 거의 없는 우주에서는, 축 늘어질 염려가 없습니다. 인공위성에 전개식 태양전지판을 사용한 이래 가장 전통적으로 사용되던 방식이기 때문에 신뢰도가 높습니다. 너무 쉬운 거 아니냐고요? 제작과정이 쉽지 않았습니다.
개발진이 테이프 힌지를 개발할 당시에는 전개용으로 딱 맞는 메이저를 구하는 것이 매우 어려웠다고 합니다. 처음엔 세계적으로 시장점유율이 높은 국내산 메이저를 두들겼습니다. 문제는 한국산 메이저가 너무 단단하다는 거였어요. 줄자로서의 성능은 더할 나위 없었지만 테이프 힌지로가 좀 더 부드러워야 했어요. 결국 부품을 만드는 업체에서 처음부터 끝까지 테이프 힌지를 만들어 쓸 수밖에 없었대요. 하지만 제작비용과 시간이 많이 들어 후속 위성에서는 전 세계 줄자를 조사해 개발진이 원하는 적당한 강도와 탄력성을 가진 금속 줄자를 구입할 수 있었다고 합니다. 쌍커풀을 가했을 때도 시험에 문제가 생겼는데요. 강성을 높임으로써 줄자가 고정되는 양 끝이 변형되어 버린 것입니다. 저희 개발진은 “인공위성은 아주 사소한 변화에도 민감하여 다른 설계수정에까지 도움이 된다”고 말합니다. 스프링을 이용한 전개장치
그림 위는 아리랑 1, 2호, 아래는 3, 3A호. 윙을 붙이는 방법에 있어서는 차이가 분명하다. 아리랑 3, 3A호는 고기동위성으로 개발해 태양전지판을 개별적으로 배치하고 스프링힌지와 스트랫(윙을 지지하는 금속봉)을 사용했다.아리랑 1, 2호까지는 테이프 힌지만으로도 충분했습니다. 그 후, 우리의 위성은 날마다 진화해 갔습니다. 탑재체는 더욱 더 무거워져, 필요한 전력량도 증가한다. 아리랑 3호·3A호는 기동으로 예전과 전혀 달라졌어요. 궤도 선회 중 살짝 훑어보고 찍은 촬영 방식이 아니라 부산을 찍고, 빨리 자세를 바꿔 대전을 찍고, 동해를 찍을 수 있게 한 겁니다. 얼마나 신속하게 진동을 억제하는가가 임무의 질을 결정하는 상황에서, 면적이 큰 태양 전지판을 효과적으로 고정하는 새로운 힌지 타입이 필요해졌습니다.
고기동위성 아리랑 3호·3A호를 보면 날개 설치 방식부터 달라요. 병풍처럼 접어서 길게 펼치지 않고 단일 패널을 따로 설치하였습니다. 고기동에 대응하기 위한 전략입니다. 또한 ‘스프링 힌지’와 ‘스트랫’으로 전개력·고정력을 높였습니다. 스프링힌지는인장스프링을사용하여전개합니다. 테이프 스프링의 힌지처럼 인장 스프링을 접은 후 전개하는 방식입니다.
스프링 힌지 시스템에 사용되는 인장스프링(왼쪽)과 인장스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진출처=generalwirespring.com/spacetech-i.com> 복합재료로 만들어진 스트릿은 우산의 눈을 떠올려보세요. 태양 전지판이 펄럭이지 않도록 지지하는 장치입니다. 이렇게 해서 아리랑 3호, 3A호는 흔들림 없이 선명한 고해상도 영상을 얻을 수 있었어요.
▶인공위성 반작용 휠의 흔들림 억제 비결을 알고 싶다? https://blog.naver.com/karipr/221660819113
스프링힌지는 비틀어 감은 토션스프링(Torsion Spring)을 사용하여 전개하기도 합니다. 굽힘응력(외부의 힘에 의해 생기는 내력)이 생긴 상태에서 구속을 풀면 자연스럽게 퍼집니다. 토션 바지의 지름을 조절하여 충격을 최소화할 수 있습니다.
스프링힌지시스템에 쓰이는 토션스프링(사진 왼쪽)은 쥐덫에도 쓰인다. < 사진 출처 = generalwirespring.com / depositphotos >
토션 스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진 출처=honeybeerobotics.com> 정지궤도 위성은 날개를 ‘깔끔하게’ 띄운다
동기식 힌지 시스템의 전개과정을 나타내는 그림 각 패널이 같은 각도를 유지하면서 전개된다. <그림 출처= 인공위성 태양열 패널의 힌지 메카니즘 및 전개구동에 관한 연구>
펀치총의 작동 방식과도 유사하다. <사진출처=Gmarket>
지구와 같은 속도로 돌면서 특정 영역만을 커버하는 정지궤도 위성은 큰 기동을 필요로 하지 않습니다. 그러나 수명이 7 ~ 10 년 이상으로 길고 저궤도 위성보다 중량이 3 배 이상이기 때문에 전력 소모가 큽니다. 태양전지판도 두 배 이상 크죠. 여러 단 접기 패널 전개 시 패널 간의 간섭이나 충돌, 전개 지연 등이 발생할 리스크가 높습니다. 본체에까지 영향이 있어, 파손, 자세 제어상의 문제 등으로 이어질 수 있습니다만. 이를해결할특별한구동방식이필요해졌습니다. 주로 대형 위성에 사용되는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은 동력과 전개 동기화입니다. 스프링힌지시스템을이용하여태양전지판을전개하고전기모터를이용하여윙을펼치는전개속도를조절하면서모든판넬을같은각도로작동시킵니다. 각 패널의 끝을 잇는 동기화 케이블을 달아 이것을 본체의 모터와 연결해 전개 속도를 조절하면서 태양전지 패널의 전개가 같도록 동기합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계는 복잡하지만 그만큼 정교하게 임무를 시작할 수 있습니다.
특히 천리안과 같은 정지궤도 위성은 한 번에 목표궤도에 오르지 못하고 천이궤도를 경유하게 됩니다. 이때 시스템 점검에 필요한 전력을 얻기 위해 가장 바깥쪽 패널만 90°로 먼저 펼칩니다. 나머지 패널은 정지궤도에 갔을 때 같은 90°로 늘려 전개동기화 장치로 동시에 똑바로 펴는 고난도 전개 쇼를 실시합니다. 앞서 힌지가 몇 초 안에 전개 완료되는 데 비해 동기식 힌지 시스템은 1분 정도 걸린다고 합니다. 시험장면을본개발진의표현에따르면날개를펼치는과정이너무예쁘다고하네요.
기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 김경원박사
