인공위성 태양전지 패널을 전개하다? 금속 줄자

 

태양전지판과 안테나 내드는 접혀 발사체에 실려 우주로 전개된다. 사진 왼쪽은 발사 준비 중인 천리안 2B호, 오른쪽은 태양전지판을 펼친 천리안 2B호의 상상도.인공위성은 변신로봇입니다. 발사체에 웅크린 채 탑승해 우주에 도착하면 숨겨둔 안테나와 태양전지 패널을 탁 펼칩니다. 변신의 순간을 두 눈으로 볼 수 없다는 건 두고두고 아쉬운 일이죠. 어떤 위성들은 마치 병풍을 두른 듯 우아하게 날개를 펼치기도 한답니다. 위성을 위성답게 하는 ‘전개장치’의 비밀을 들어봅시다.

전개에 실패한다면?

임무 테스트 중 남쪽 방향 태양 전지판이 손상되었다는 신호를 받은 인텔샛19의 상상도. <그림 출처=SSL>

세계 최대 위성통신회사 중 하나인 인텔샛(Intelsat)은 2012년 뼈아픈 성명을 발표해야 했습니다. 해 5월에 발사한 인텔샛19가 임무 시작 전에 날개 한쪽을 잃었다는 뉴스였습니다. 두 개의 태양전지판 중 하나가 전개에 실패한 것입니다. 당시 인텔샛은 52개의 통신위성을 가진 국제 위성방송계의 거물이었습니다. 연달아 발사를 앞두고 있는 다른 두 위성에도 악영향을 미칠 수밖에 없었습니다. 이제 임무는 시작됐지만 이미 가용 전력의 절반 가까이가 손실돼 총수명도 단축되고 말았다 전개 여부가 인공위성의 생명줄을 쥐고 있음을 다시 한번 깨닫게 된 사례였습니다. 이렇게 임무 전력을 담당하는 태양전지판이나 지상과의 유일한 소통 창구 안테나가 열리지 않을 경우 수백 수천억의 예산과 노력은 일순간 수포로 돌아갑니다. 아주 가끔 접혀 버리는 레이더가 펼쳐지지 않아도 마찬가지라고 할 수 있습니다.

발사체는 방이 충분하지 않습니다. 게다가 접어서 싣지 않으면 전개하는 구성품은 발사 순간에 모두 망가져 버릴 것입니다. 태양 전지 패널과 안테나는 모두 본체에 납작하게 고정을 해 두는데요. 위성이 우주 공간에 던져진 후 태양전지판을 먼저 전개하고 추력기나 반작용 휠과 같은 자세 제어장치로 위성의 자세를 제어하게 됩니다. 이런 전개 시스템을 쉽게 힌지(Hinge)라고 부르는데 우리말로 경첩이라는 뜻입니다.극한의 온도 변화로 성능을 유지해야 하고 불량품은 없다는 믿음이 있어야 합니다. 미세 중력으로 움직임을 예측할 수 있어 쓰러지는 일도 있어서는 안 됩니다. 이러한 까다로운 조건을 충족시키는 가장 전통적인 힌지는 ‘줄자’입니다.

테이프 · 힌지 전개 시스템에는 위와 같은 금속 줄자가 사용된다 <사진 출처=pixabay>

국내 최초로 영상레이더(SAR)를 탑재한 5호는 마이크로파를 쏘는 레이더 장비(그림에서 본체 앞에 장착된 긴 직사각형 탑재체)도 전개형으로 제작됐다. 지상에서는 양쪽으로 나뉘어 본체 옆에 고정되도록 하고 우주에서는 그림 형태로 길게 합쳐진다. <사진제공: 한국항공우주연구원> 금속 메이저에서 태양전지 패널을 연다.

다목적 실용위성 아리랑 1·2호의 전개장치로 사용된 테이프·힌지 금속제의 줄자를 마주보게 하여 강성을 높였다. <사진제공 : 한국항공우주연구원> 줄자 중에서도 일반 가정이라면 하나씩 쓸만한 금속 줄자를 인공위성의 전개장치로 사용합니다. 모양과 성능을 떠올려보세요. 단면은 U자로 구부러져 있어 길게 뽑아도 곧은 상태를 유지할 수 있습니다. 그러면서도 유연하게 구부러지기도 합니다. 인공위성 본체와 태양전지판을 이걸로 연결해야 하는데요. 10㎝ 안팎으로 짧게 자르고 양쪽 끝에 커넥터를 달아 본체에 접습니다. 줄자 하나는 강성이 떨어지므로 2열을 평행하게 마주 봅니다. 때로는 각각 2중으로 포개기도 합니다. 체결 부품은 사방에서 태양전지판을 꽉 잡아놓고 우주로 가면 풀어줍니다. 약간 구부러지긴 했지만 구속이 풀리면서 찰칵 소리를 내며 날개가 퍼지는 장면이 그려져 있습니다.

보다 용어로는, 이러한 전개 장치를 「테이프 힌지」라고 부릅니다. 동력도 필요없고 금속재질로 튼튼한데다 인공위성이 선호하는 매우 간단한 방식입니다. 특히 중량이 작은 인공위성으로 가성비가 높은 전개 시스템입니다. 끊어지거나 부러지지 않는 이상은 예외 퍼져, 넓은 태양전지 패널이라도 중력이 거의 없는 우주에서는 천천히 해 버릴 염려가 없습니다. 인공위성에 전개식 태양전지판을 사용한 이래 가장 전통적으로 사용되어 온 방식으로 신뢰도가 높습니다. 너무 간단하지 않냐고요? 제작과정이 쉽지는 않았어요.

개발진이 테이프 힌지를 개발할 당시 전개용으로 딱 맞는 줄자를 찾는데 무척 애를 먹었다고 합니다. 처음엔 세계적으로 시장점유율이 높은 국내산 메이저에 도전했습니다. 문제는 국내산 메이저들이 너무 탄탄하다는 것이었어요. 메이저로서의 성능은 나무랄 데가 없었지만, 테이프 힌지로는 더 부드러워야 했죠. 결국은 부품을 제작하는 업체에서 처음부터 끝까지 테이프 힌지를 직접 만들어 사용할 수밖에 없었다고 합니다. 하지만 제작비와 시간이 너무 많이 들어 후속 위성에서는 전 세계 메이저를 조사해 개발진이 원하는 적당한 강도와 탄력성을 가진 금속 메이저를 구입할 수 있었다고 합니다. 그때도 시험에 문제가 있었어요. 강성을 높였더니 줄자가 고정이 되는 양 끝이 변형이 되어 버린 것입니다. 개발진은 “인공위성은 사소한 변화에도 민감하며, 다른 설계 수정에까지 이르게 된다”고 말합니다. 스프링 이용한 전개장치

그림 위는 아리랑 1, 2호, 아래는 3A호. 윙을 붙이는 방법에 차이가 뚜렷하다. 아리랑 3·3A호는 고기동 위성으로 개발, 태양전지판을 개별적으로 배치하고 스프링 힌지와 스트랫(윙을 지지하는 금속봉)을 사용했다.아리랑 1·2호까지는 테이프 힌지만으로 충분했습니다 이후 우리의 위성은 나날이 진화해 왔습니다. 탑재체는 점점 무거워지고 있으며, 필요 전력량도 점점 증가하고 있습니다. 아리랑 3호와 3A호는 예전과 많이 달라졌습니다. 궤도 선회 중 잠시 눈을 통해서 찍은 방식이 아니라 부산 찍고 빨리 자세를 바꾸고 대전 찍고, 동해를 찍을 수 있도록 했습니다. 이것을 고기동위성이라고 합니다.이때 가장 중요한 미션은 카메라의 흔들림을 포착하는 겁니다. 얼마나 신속하게 진동을 억제할지가 임무의 질을 결정하는 상황에서, 면적이 큰 태양전지 패널을 효과적으로 고정시켜 주는 새로운 힌지 타입이 필요했습니다.

고기동위성 아리랑 3호, 3A호를 보면 윙 부착 방식부터가 달라요. 병풍처럼 접혀 길게 펼치지 않고 단일 패널을 따로 달았습니다. 고기동에 대응하기 위한 전략입니다. 덧붙여 「스프링 힌지」와「스트랫」으로 전개력·고정력을 높였습니다. 스프링 힌지는 인장 스프링을 사용하여 전개합니다. 테이프 스프링 힌지와 같이 인장 스프링을 접은 후 전개하는 방식입니다.

스프링힌지시스템에 사용되는 인장스프링(사진 )과 인장스프링을 이용한 인공위성용 전개장치 <사진출처=generalwirespring.com spacetech-i.com> 복합재료로 만든 스트렛은 우산뼈를 떠올리면 되는데요. 태양 전지 패널이 달라붙지 않도록 지지하는 장치입니다. 이에 따라 아리랑 3호, 3A호는 흔들림 없이 선명한 고해상도 영상을 얻을 수 있었습니다.

▶인공위성 반작용 휠 떨림 포착 비결이 궁금하다면? blog.naver.com/karipr/221660819113
스프링 힌지는 비틀어 감은 토션 스프링을 사용하여 전개하기도 합니다. 굽힘 응력(외부의 힘에 의해 발생하는 내력)이 발생한 상태에서 구속을 풀면 자연스럽게 퍼집니다. 토션 팬츠의 지름을 조정하여 충격을 최소화 할 수 있습니다.

스프링힌지 시스템에 쓰이는 토션스프링(사진 왼쪽)은 쥐덫에도 사용된다. < 사진 출처 = generalwirespring.com / depositphotos >

토션 스프링을 이용한 인공 위성용 전개 장치 <사진 출처=honeybeerobotics.com> 궤도 위성은 날개를 ‘깨끗하게’ 엮는다

동기식 힌지 시스템의 전개 과정을 나타내는 그림. 각 패널이 같은 각도를 유지하면서 전개된다. <그림출처=인공위성 솔라패널의 힌지 메카니즘 및 전개 구동에 관한 연구>

펀치총의 작동방식과도 유사하다. <사진출처=G market>

지구와 같은 속도로 돌면서 특정 영역만을 커버하는 정지궤도 위성은 큰 기동을 필요로 하지 않습니다. 그러나 수명이 7~10년 이상으로 길고, 저궤도 위성보다 중량이 3배 이상이어서 전력 소모가 크다. 태양전지판도 2배 이상 큰데요? 다단계로 접혀 있는 패널을 전개할 때 패널 간의 간섭이나 충돌, 전개 지연 등이 발생할 위험이 큽니다. 본체에까지 영향을 미쳐 손상, 자세 제어의 문제로 이어지는 경우가 있습니다만. 이를 해결하기 위한 특별한 구동방법이 필요해졌습니다. 주로 대형 위성에 사용되는 동기식 힌지 시스템의 핵심 기능은, 「동력」과「전개 동기」입니다. 스프링 힌지 시스템을 이용하여 태양전지 패널을 전개하고 전기모터를 이용하여 윙을 넓히는 전개속도를 조절하면서 모든 패널을 동일한 각도로 작동시킵니다. 각 패널의 선단을 잇는 동기화 케이블을 설치해 이것을 본체의 모터와 연결해 전개 속도를 조절하면서 태양전지 패널의 전개가 같게 되도록 동기 합니다. 다른 힌지 시스템보다 설계가 복잡하지만 그만큼 정교하게 임무를 시작할 수 있습니다.
특히 천리안과 같은 정지궤도 위성은 한꺼번에 목표궤도에 오르지 못하고 전이궤도를 통과합니다. 이때 시스템 점검에 필요한 전력을 얻기 위해 가장 바깥쪽 패널만 90°로 먼저 벌립니다. 나머지 패널은 정지궤도에 갔을 때 마찬가지로 90°로 늘려 전개동기화 장치에서 동시에 제대로 전개하는 고난도의 전개쇼를 합니다. 앞서 힌지들이 몇 초 안에 전개를 완료하는 데 비해 동기식 힌지 시스템은 1분 정도 걸린다고 합니다. 테스트 장면을 지켜본 개발진의 표현에 따르면 날개를 펴는 과정이 ‘너무 예쁘다’
기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 김경원 박사