태양전지판과 안테나 등은 부러져 발사체에 실려야 우주에서 전개된다. 사진 왼쪽은 발사 준비 중인 천리안 2B호, 오른쪽은 태양전지판을 펼친 천리안 2B호의 상상도.인공위성은 변신 로봇입니다. 발사체에 웅크린 채 탑승해 우주에 도착하면 꼭 숨겨둔 안테나와 태양전지판을 펑펑 펼칩니다. 변신의 순간을 보지 못한다는 것은 언제까지나 안타까운 일입니다. 어떤 위성은 마치 병풍을 치듯 날개를 우아하게 펼친다고 해요. 위성을 위성답게 하는 전개장치의 비밀을 들어봅시다.
전개에 실패하면?
임무 테스트 중 남쪽 방향의 태양전지판이 손상됐다는 신호를 받은 인텔샛19의 상상도. <이미지 출처=SSL>
세계 최대 위성통신회사 중 하나인 인텔샛은 2012년 뼈아픈 성명을 발표해야 했습니다. 같은 해 5월에 발사된 인텔샛 19가 임무 시작 전에 날개를 잃었다는 뉴스였습니다. 두 개의 태양전지판 중 하나가 전개에 실패한 겁니다. 당시 인텔샛은 52개의 통신위성을 거느린 국제 위성방송계의 거물이었습니다. 발사를 앞둔 다른 두 위성에도 악영향을 미칠 수밖에 없었습니다. 이제 임무는 시작되었지만 이미 사용하는 전력의 절반 가까이가 손실되었고, 총 수명도 줄어들었습니다. 「전개」가 인공위성의 생명줄을 쥐고 있는 것을 재차 인식시킨 사례입니다. 이처럼 임무 전력을 담당하는 태양전지판, 지상과의 유일한 소통 창구 안테나가 열리지 않으면 수백수십 천억원의 예산과 노력은 일순 수포로 돌아갈 것입니다. 가끔 부러져서 실리는 레이더가 확대되지 않아도 마찬가지입니다.
발사체는 방이 충분하지 않습니다. 게다가 접지 않으면 전개되는 구성품들은 발사 순간 모두 부서져 버립니다. 태양 전지 패널과 안테나는 모두 본체에 납작하게 고정해 두어야 하는데요. 위성이 우주 공간에 던져진 뒤 태양전지판을 먼저 펼쳐 추력기나 반작용 휠 같은 자세 제어장치로 위성의 자세를 제어하게 됩니다. 이런전개시스템을간단히힌지(Hinge)라고부르는데경첩이라는뜻입니다. 극한 온도 변화로 성능을 유지해야 하며 불량품이 없다는 믿음이 있어야 합니다. 미중력으로의 움직임을 예측할 필요가 있으며, 뒤로 쏠리는 일도 있어서는 안됩니다. 이러한 까다로운 조건을 만족시키는 가장 전통적인 힌지는 ‘줄자’입니다.
테이프 힌지 전개 시스템에는 상기와 같은 금속 메이저가 사용된다. <사진의 출처=pixabay>
국내 최초로 영상레이더(SAR)를 탑재한 아리랑 5호는 마이크로파를 쏘아 올리는 레이더장비(그림에서 본체 앞에 장착된 긴 직사각형 탑재체)도 전개형으로 제작됐다. 지상에서는 양쪽으로 갈라져 본체 옆으로 고정되도록 하고 우주에서는 그림 형태로 길게 합체한다. <사진제공: 한국항공우주연구원> 금속 줄자로 태양전지판 열기
다목적 실용위성 아리랑 1·2호의 전개 장치로 사용된 테이프 힌지. 금속 메이저를 마주보게 해 강성을 높였다. <사진제공: 한국항공우주연구원> 줄자 중에서도 일반 가정이라면 하나씩은 두고 쓸만한 금속 줄자를 인공위성의 전개 장치로 사용합니다. 모양과 성능을 한번 떠올려 보십시오. 단면은 U자로 구부러져 있어 길게 뽑아도 곧은 상태를 유지합니다. 동시에 유연하게 구부릴 수도 있습니다. 인공위성 본체와 태양전지판을 이걸로 연결을 하는데요. 10센치 전후로 짧게 잘라, 양 끝에 연결 장치를 달아, 본체에 구부려 둡니다. 줄자 하나로는 강성이 떨어지므로, 2열을 평행으로 마주합니다. 때로는 각각 두 겹으로 포개어 놓기도 합니다. 체결 부품은 사방에서 태양전지판을 잘 떼어놓고 우주에 가면 풀어줘요. 조금 구부러져있긴한데 구속이 풀림과 동시에 ‘딸깍’ 소리를 내면서 날개가 퍼지는 장면이 그려지나요?
보다 정확한 용어로는, 이러한 전개 장치를 「테이프 힌지」라고 부릅니다. 동력없이 금속재질이라 질긴데다 인공위성이 선호하는 매우 간결한 방식입니다. 특히 중량이 작은 인공위성으로 가성비가 높은 전개 시스템입니다. 끊어지거나 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 쉽지 않냐고요? 제작과정이 쉽지 않았습니다.
개발진이 테이프 힌지를 개발했을 당시 전개용으로 딱 맞는 줄자를 찾기가 매우 어려웠다고 합니다. 처음엔 세계적으로 시장점유율이 높은 국내산 메이저업체의 문을 두드렸습니다. 문제는 국내산 메이저가 튼튼하다는 거였어요. 메이저로서의 성능은 더할 나위 없었지만, 테이프 힌지에서는 좀 더 부드러워야 했습니다. 결국은 부품을 제작하는 메이커가 처음부터 끝까지 테이프 힌지를 직접 만들어 쓸 수밖에 없었다고 합니다. 하지만 제작비와 시간이 너무 많이 소요되어 후속 위성에서는 전 세계의 줄자를 찾아내 개발진이 원하는 적당한 강도와 탄력성을 가진 금속 줄자를 구입할 수 있었다고 합니다. 쌍커풀을 가했을 때도 시험에 문제가 생겼는데요. 강성을 높였기 때문에 줄자가 고정되는 양 끝으로 변형된 것입니다. 국내 개발진은 “인공위성은 사소한 변화에도 민감하여 다른 설계수정으로까지 이어진다”고 말합니다. 스프링을 이용한 전개장치
그림 위는 아리랑 1, 2호, 아래는 3, 3A호. 윙 설치방법에서 차이가 확연하다. 아리랑 3, 3A호는 고기동위성으로 개발, 태양전지판을 개별 배치하고 스프링힌지와 스트랫(날개를 지지하는 금속봉)을 사용했다.아리랑 1, 2호까지는 테이프 힌지만으로 충분했습니다. 이후, 우리의 위성은 날마다 진화했습니다. 탑재체는 더욱 더 무거워져, 필요 전력량도 증가합니다. 특히 아리랑 3호·3A호는 기동에서 예전과 완전히 달라졌어요. 궤도선회 중에 휙휙 훑어보는 촬영방식이 아니라 부산을 찍고 재빨리 자세를 바꿔 대전을 찍고 동해를 찍을 수 있게 한 겁니다. 이것을 고기동위성이라고 하는데, 이 때 가장 중요한 미션이 카메라의 흔들림을 잡는 것입니다. 얼마나 신속히 진동을 억제할지가 임무의 질을 결정하는 가운데, 면적이 큰 태양전지 패널을 효과적으로 고정해 주는 새로운 힌지 타입이 필요했습니다.
고기동위성인 아리랑 3호, 3A호를 보면 윙 부착 방식부터 달라요. 병풍처럼 접혀있어서 길게 펴지는 않고 따로 판넬을 붙여놓았어요. 고기동에 대응하기 위한 전략입니다. 게다가 「스프링 힌지」와「스트랫」으로 전개력·고정력을 높였습니다. 스프링힌지는인장스프링을사용하여전개합니다. 테이프 스프링 힌지처럼 인장 스프링을 접은 후 전개하는 방식입니다.
스프링 힌지 시스템에 사용되는 인장 스프링(왼쪽)과 인장 스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진 출처 = spacetech-i.com/spacetech-i.com> 복합재료로 만들어진 스트레이트로는 우산 껍질을 떠올리십시오. 태양 전지판이 펄럭이지 않도록 지원하는 장치입니다. 이런 방법으로 아리랑 3호와 3A호는 흔들림 없이 선명한 고해상도 영상을 얻을 수 있었습니다.
▶인공위성 반작용 휠의 떨림 잡는 비결이 궁금하다면? https://blog.naver.com/karipr/221660819113
스프링 힌지는 비틀림 감는 토션 스프링을 사용하여 전개할 수도 있습니다. 굽힘 응력(외부 힘에 의해 생기는 내력)이 생긴 상태에서 구속을 풀면 자연스럽게 퍼집니다. 토션 바지의 직경을 조절하여 충격을 최소화할 수 있습니다.
스프링힌지시스템에 쓰이는 토션스프링(왼쪽)은 다단계에도 쓰인다. <사진출처=generalwirespring.com/depositphotos>
토션 스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진 출처=honeybeerobotics.com> 정지궤도 위성은 날개를 ‘예쁘게’ 펼친다
동기식 힌지 시스템의 전개 과정을 나타내는 그림. 각 패널이 동일한 각도를 유지하면서 전개된다. <그림 출처= 인공위성 태양전지판의 힌지 메카니즘 및 전개구동에 관한 연구>
펀치총의 작동 방식과도 비슷하다. <사진의 출처 = Gmarket>
지구와 같은 속도로 돌면서 특정 영역만을 커버하는 정지궤도 위성에는 큰 기동이 필요 없습니다. 하지만 수명이 7~10년 이상으로 길고 저궤도 위성보다 중량이 3배 이상으로 전력소모가 큽니다. 태양 전지판도 두 배 이상 큰데요? 여러 단으로 접힌 패널을 전개할 때 패널 간의 간섭이나 충돌, 전개 지연 등이 발생할 위험성이 높습니다. 본체에까지 영향을 미쳐 파손, 자세 제어 문제 등으로 이어질 수 있습니다만. 이를해결할특별한구동방식이필요했습니다. 주로 대형 위성에 사용되는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은, 「동력」과「전개 동기화」입니다. 스프링힌지시스템을이용하여태양전지판을전개하고전기모터를이용하여윙을펼치는전개속도를조절하면서모든패널을동일한각도로작동시킵니다. 각 패널의 끝을 잇는 동기화 케이블을 달아 이것을 본체의 모터와 연결해 전개 속도를 조절하면서 태양전지판의 전개가 똑같이 동기화합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계는 복잡하지만 그만큼 정교하게 임무 개시가 가능합니다.
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 엽니다. 나머지의 패널은 정지궤도에 갔을 때에 마찬가지로 90°로 늘려, 전개 동기 장치로 동시에 제대로 펼치는 고난도 전개 쇼를 실시합니다. 먼저 힌지가 몇 초 이내에 전개를 완료하는 반면, 동기식 힌지 시스템은 1분 정도 걸린다고 합니다. 시험 장면을 지켜본 개발진의 표현에 따르면 날개를 펴는 과정이 아주 예쁘다고 합니다.
기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 김경원박사
