남쪽으로 창문을 내요.(김삼룡 시인19021951) 집을 짓는데 창문은 남쪽으로 낸다는 말이 인상적인 시입니다. 남향은 예나 지금이나 자연이나 도시나 거스를 수 없는 이치와 같지요. 안방과 거실은 양지바른 남쪽에 두고 부엌과 창고는 북·서쪽에 두는 ‘배치’는 우리 생활 깊숙이 들어가 있습니다. 인공위성도 집 한 채를 지어 우주로 보내는 것과 비슷한데요. 골격을 만든 후 창문은 어디에 내놓는지, 각 방은 어떤 가구를 채우고 어떤 용도로 쓰는지 모두 배치 설계를 통해 진행합니다. 극한 우주 환경에서 5년 10년을 사용하는 인공위성의 내부 구조는 어떻게 생겼는지 함께 알아보겠습니다.위성은 버스와 승객으로 구성된다
인공위성의 본체는 사진 오른쪽 프레임을 포함해 복수의 서브시스템 일체를 버스(BUS)라고 부른다. <사진출처=나무위키, NASA> 인공위성의 내부구조를 쉽게 이해하려면 버스와 버스를 타는 승객을 상상하는 것이 좋습니다. 인공위성에도 마찬가지로 버스와 승객이 있습니다. 버스는 위성의 본체를 말합니다. 승객을 태우기 위한 모든 시스템 일체라고 할 수 있습니다. 실제로 인공위성 개발진도 위성 본체를 버스(Bus)라고 부르고 있습니다. 승객은 위성으로 탑재체(Payload)입니다. 통신, 탐사, 관측 임무 등을 수행하는 중요한 ‘손님’을 의미합니다. 탑재체는 비교적 명확합니다. 아리랑 3A호라면 광학카메라로, 아리랑 5호는 합성 개구레이다(SAR위성개발진은 길게 사로 발음합니다). 정지궤도에 올라 있는 천리안 2A·2B호는 각각 기상, 환경/해양 탑재체에 해당합니다.
하지만 위성 본체는 상당히 복잡한데요. 버스에도 엔진, 바퀴, 핸들이 있듯이 인공 위성 본체에도 다양한 서브 시스템이 있습니다. 인공위성의 뼈대인 구조계, 전력원을 공급하는 전력계, 자세와 궤도를 담당하는 자세제어계, 연료와 추력기 등의 추진계, 지상국과 데이터를 주고받는 원격측정 및 명령계, 위성을 적정온도로 관리하는 열제어계 등입니다. 이러한 구성 요소가 각 방에서 제 역할을 해야 임무가 완성됩니다. 이 중에서 가장 기본은 구조계입니다. 간단히 말해서 가로세로 골격을 갖춘 프레임입니다. 그 모양을 결정하는 것은 고객입니다. 어떤 페이로드를 올리느냐에 따라 구조의 형상이 결정됩니다. 경통이 있는 카메라를 실은 아리랑 위성이 환경 탑재체를 실은 천리안보다 조금 더 긴 것이 이 때문입니다. 또한 페이로드와 각종 서브시스템을 장착면마다 단단히 고정시켜 발사하중과 진동, 충격에 견딜 수 있도록 설계합니다.
위성의 뼈대 내부는 각각의 이유에 따라 각종 서브시스템의 배치가 결정된다. <그림의 출처= NPOLavochkin> 고객님 반대편에서 중심을 잡아주시거나
위성 임무를 수행하는 페일로드는 지구를 향하면 되지만 다른 서브시스템은 개별 역할에 따라 각각 배치 방향이 다르다. 그림 위에서 아리랑 3A호, 천리안 2A호, 아리랑 6호의 상상 역시 정해진 틀 안의 각 방마다 본체의 각종 서브시스템을 어떻게 배치하느냐가 관건입니다. 탑재체는 사람에게 창문을 내는 것만큼이나 방향성이 뚜렷합니다. 광학 위성은 카메라의 눈이 포착하려는 방향을 정확하게 응시합니다. 천리안과 같은 정지궤도 위성도 기상, 해양환경을 24시간 감시하기 위해 항상 같은 장소에서 지구로 향합니다. 아리랑 5, 6호 같은 SAR 위성은 약간 다른데요. 긴 평판 모양의 레이더가 지상으로 전자파를 보내 대상지의 전자적 반사 특성을 파악합니다. 직접 보는 것이 아니라 만진다는 표현에 가까운데요. 그래서 경사각을 주고 땅을 위아래로 알아봅니다. 방향이 지구인 것은 틀림없을 것입니다. 내년 우주로 날아갈 아리랑 6호에는 특별한 임무 안테나가 하나 더 탑재됩니다. 배가 보내는 비콘 신호를 캐치하는 선박 자동 식별(AIS) 안테나입니다. SAR은 배를 찍고 AIS가 배의 위치를 식별해 데이터를 비교하면 그 배가 해적선인지 아닌지를 한 번에 알아낼 수 있습니다. AIS 안테나 역시 지구로 향하죠.
이렇게 페이로드 위치가 정해지면 그쪽으로 무게와 무게 중심이 쏠립니다. 인공위성은 기울기 자세를 매우 싫어합니다. 자세제어 알고리즘도 복잡해지는 데다 최대한 아껴야 할 연료가 더 많이 소모되거든요. 우선 가장 중요한 고객이 정착하면 나머지 서브시스템이 균형을 맞춰줍니다. 탑재체의 무게를 보상할 수 있는 무거운 부품이 반대편에 배치됩니다. 아리랑 5, 6호의 탑재체 SAR은 본체의 한쪽 면에 긴 평판 모양으로 부착합니다. 그래서 반대편에 배터리와 탑재 컴퓨터를 쌓아 균형을 잡았습니다. 이와 달리 광학용 위성은 반사경과 경통이 가운데 위치하고 있기 때문에 사방에 균등하게 서브시스템을 배치합니다. 천리안 위성의 경우는 기상·환경 탑재체와 멀리 떨어진 반대편에 발열량이 많은 통신 관련 부품을 장착했습니다. 이러한 배치는 자세의 균형을 맞추는 목적도 있지만 탑재체에 열적으로 영향을 주지 않기 위한 선택이기도 합니다.
센서는 방향도 배치도 제각각
태양센서와 별센서 등은 각각의 역할에 따라 다른 방향을 향해 배치된다. <그림 출처=mdpi.com> 복수의 서브시스템 중, 배치에 가장 민감한 서브시스템은 자세 제어계입니다. 위성 스스로 우주의 어떤 좌표에 있는지, 페이로드가 지구를 바라보고 있는지, 기울지 않았는지, 궤도를 벗어나지 않았는지 등을 시시각각 매우 정밀하게 확인해야 합니다. 이때 필요한 것이 자세제어용 센서와 구동기(추력기)입니다. 별 센서, 태양 센서, 관성 센서 등 센서마다 지향해야 할 방향이 다릅니다. 별 센서는 이름 그대로 별을 추적해야 합니다. 별이 아닌 지구나 태양을 바라보면 제 기능을 못해요. 센서에 내장된 ‘카탈로그 별’의 밝기와 위치 정보를 비교 연산하여 자세 정보를 파악합니다. 관성 센서 등과 달리 위치 절대값을 제공합니다. 옛날 항해사들이 북극성을 보고 위치를 계산한 것과 같은 방법입니다.
방향과 배치에 민감한 센서가 태양 센서인데 태양열 입사각을 측정합니다. 태양 전지판이 태양을 볼 수 없는 상태인지를 판단하고 보다 효율적으로 전력을 얻기 위해 입사각을 민감하게 센싱합니다. 자이로스코프로 대표되는 관성센서는 팽이와 비슷한 개념이기 때문에 어느 위치에 있든 상관없습니다. 축(짐벌)은 고정된 상태에서 팽이가 돌고 변화된 각도량을 알려줍니다. 이 변위각이나 각속도에 따라 자세 제어를 해줍니다. 자세제어 구동기 중 하나인 반작용 휠은 보통 3개 이상 들어가는데요. 경사각을 확보할 수 있는 공간에 서로 가까이 접근함으로써 제어 기능을 높일 수 있습니다.
▶ 인공위성의 반작용 휠이 궁금하다면 http://blog.naver.com/karipr/221934365939
반작용 휠(사진상)과 자이로스코프(아래)는 방향성이나 장착 위치에 관계없이 기능한다. <사진의 출처= gyroscope.com/wordpress.mrreid.org > 자기 센서는 다른 서브 시스템과 멀리 떨어져 주세요. 미리 알고 있는 지구 자기장 데이터와 실제 측정된 지구 자기장 데이터를 비교하여 위성의 자세를 결정합니다. 자력에 매우 민감하기 때문에 단독으로 두지 않으면 영향을 받지 않고 역할을 할 수 없습니다. 이와 비슷한 센서가 마그네틱 토커입니다. 전력을 다하면 스스로 N,S극을 만듭니다. 인공위성의 3차원 축인 X, Y, Z 축에 하나씩 배치해 지구의 자력과 상호작용하면서 약간의 자세 보정을 해줍니다. 역시 다른 전장부품과는 거리를 둬야겠네요?
이 밖에도 360° 전방위 커버리지를 만들어주는 서브시스템이 있습니다. 지상국과 데이터를 주고받는 원격 측정 및 명령계(TC&R) 안테나입니다. 지구 측과 반대편에도 안테나를 하나 더 배치해 자세제어를 할 수 없는 긴급 상황에서도 임무를 수행할 수 있는 비결입니다. 추진계의 추력기는 궤도 조정을 할 때 주로 사용합니다. 위성이 나는 반대 방향에 대해 로켓처럼 반작용 추력을 냅니다. 배출 가스가 태양 전지 패널 등을 치면 안 되는 곳에 두는 것이 중요하죠. 이렇게 꼭 필요한 방향과 위치에 정교한 배치 설계를 하면서도 또 하나 고려해야 할 것이 전선(하네스)이 복잡하게 꼬이지 않도록 하는 것입니다. 구슬에서 말로도 통해야 보물이라는 속담은 인공위성에 대한 말인 것 같습니다.
기획제작 : 항공우주 Editor 이종원 내용감수 : 다목적실용위성 6호사업단 문홍열 박사