프로토카를 만드는 신형 인공위성도

 신차 프로토타입이 공개되는 날 마니아들의 눈길이 쏠립니다. 시승기와 함께 새로워진 외관·성능에 대한 사용자의 평가가 기대감을 부쩍 끌어올립니다. 이때 프로토타입은 대량생산에 들어가기 전에 시험적으로 만드는 자동차를 의미합니다. 인공위성도이렇게비행모델하고똑같은프로토타입을만든대요.왜만들고,어떻게쓸까요?

●신형 위성이 STM을 만드는 이유

발사 환경 시험을 위해 가진기 위에서 진동 시험을 하고 있는 천리안 위성 2B호 인공위성의 개발에서도 신차의 프로토카처럼 가리키는 말이 있습니다만. 모형을 만들어 본다는 의미에서 “모사구조체(Satellite Simulator)”라고도 불립니다. 위성체가 노출되는 구조적, 열적 환경을 검증한다는 의미로 “열구조 모델(STM, Structure Thermal Model)”이라고도 합니다. 우주로 가는 비행모델(FM) 제작 전 마지막 시험모델이자 실물입니다. 흔히 모형·모델이라고 하면 비슷하게 만든다고 생각하기 쉽지만 그렇지 않습니다. 외곽형상은물론질량,동적특성도마찬가지구요. FM에 탑재체만 없는 것으로 생각하면 됩니다. 따라서 모형이라고 해서 값이 싼 것은 아닙니다. 나로우주센터 우주과학관에 있는 아리랑 위성 2호, 3A호 및 5호 STM의 개발비용은 세기를 통틀어 300억원이 훨씬 넘습니다. 우주 과학관의 구축 비용에 필적하는 개발 비용이 듭니다.

이런 구조체를 만들어야 되는 이유가 있습니다. 우선 신차와 마찬가지로 신형 인공위성의 성능을 빠짐없이 시험해 보는 것입니다. 열진공시험, 태양전지판 분리충격시험, 진동시험, 음향시험 등이 이에 해당됩니다. STM을 이용한 시험을 통해 구조적 안정성 검증, 해석 모델 보정, 상세 설계 보완 및 조립 절차에 대한 검증을 실시합니다. -한국항공우주연구원에서는 그동안 우주 환경 시험 장면을 공개해 왔는데요. 대형 가진기 위에 설치돼 있거나 열진공챔버 안에 통째로 들어있는 인공위성도 대부분 STM입니다. 발사-분리-궤도에 이르는 인공위성 전신주 사이의 가상시승기라고 할 수 있습니다. 신형 인공위성 개발 예산에는 약 5%의 모사구조체제 제작 예산이 포함됩니다.

두 번째 이유는 조금 생소할 수 있어요 발사체와 위성체간의 「접속 설계 검증」을 실시하기 위한 것입니다. 위성이 탑승할 발사체에 쏙 들어가는지, 서로 기계적으로 잘 결합하는지, 전자적인 연결에도 문제가 없을지를 미리 확인하는 거죠. 이 과정을 핏 체크 (fit-chech)라고 합니다. 위성 고객이 주문한 맞춤형 옷(발사체)을 입겠다는 뜻으로 봐도 되겠죠? 사실 요즘은 실물 구조체에서 피를 체크하는 일은 별로 없습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 발달로 형상은 물론 충격, 하중, 고유진동수 등에 대한 해석결과를 정확하게 얻을 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 우리 위성이 러시아 로켓을 미리 체험하기 위해 힘든 발걸음을 내디딜 필요가 없다는 의미입니다. 하지만 핏 체크만은 빠질 수 없죠. 통상, 발사체 기업은 어댑터를 가지고 방문 서비스를 실시합니다.

비대칭 충돌에서 차체가 도와 같이 망가지는가를 유한 요소해석으로 나타낸 그림. 이런 시뮬레이션 기술은 모사구조체 제작의 수고를 덜어준다. <그림출처= Wikimedia Commons >

실물 위성 모형으로 핏체크를 하기도 한다. 위성 제작 회사와 발사체 기업이 동일할 경우는 가능하다. 사진은 2015년 유럽우주국(ESA)의 센티넬2B(Sentinel-2B) 위성의 핏체크 장면. <사진의 출처=eurockot.com> 검증받지 않으면 발사체가 받아들일 수 없다?다시 한번 정리하면, STM은 발사 환경·우주 환경의 검증과 핏 체크를 위해서 개발되는 것입니다. STM이 프로토카와 가장 다른 점이라면, 검증 프로세스가 훨씬 많다는 점입니다. 개발진은 “정말로 모든 순간을 염두에 둬야 하며 약 1.4배 높은 강도로 시험을 한다”고 말합니다. 즉, 위성체가 처한 환경보다 훨씬 가혹한 환경에 노출된 상태에서 STM이 건강하게 잘 견디고 있는지를 봅니다. 예를 들어 구조 질량의 10배 정도 압축력을 가한다든가, 국부적으로도 수십 배의 진동 환경에 노출시키는 식입니다. 이 중 하나라도 통과하지 못하면 설계 보완-재검증의 고된 과정을 되풀이해야 합니다. 자동차와는 상당히 대조적인 곳인데요. 만약 「프로토카의 진동이 생각보다 크네」라고 해도, 가격·디자인·성능으로 경쟁력이 있으면 생산 모델로 직행할 수 있지요.

연구원이 개발 중인 차세대 중형 위성 STM의 다양한 시험과 검증을 보여주는 그림. 왼쪽부터 중정적 하중 및 싸인 가진시험, 음향가진시험, 수평방향질량특성시험장면이다.

차세대 중형위성인 STM에 대한 열환경시험의 구성도. 대형 열진공챔버에 STM을 넣어 지구궤도와 같은 열환경을 모사하여 시험한다.

이런 혹독한 검증은 리콜(recall)이 안 되는 위성으로는 당연한 일일지 모르지만. 개발진이 흥미로운 이야기를 들려줍니다. 인공위성 발사에 실패하면 시장에서 가장 곤란한 것은 단연 로켓 제조업체 쪽입니다. 위성발사 시장은 일반 택배시장과 다른 점이 있습니다. 택배사를 예를 들어 택배사의 부주의로 배송한 물품에 문제가 생겼을 경우 택배사가 책임을 지는 것이 보통이지만 인공위성 발사는 다릅니다. 위성 발사를 의뢰한 고객도 보험에 들고, 발사 서비스 회사도 보험에 들어갑니다. 고객은 발사 실패 시에 위성체에 대한 담보를, 발사 서비스 업체는 발사 실패 시에 고객으로부터 받은 서비스 비용을 담보를 하는 것입니다. 설령 발사로 인해 추락하거나 궤도에 오르지 못하더라도 발사 서비스업체는 위성체에 대한 책임을 지지 않습니다. 단, 고객님께서 주신 발사 서비스 비용에 대해서만 책임을 집니다. 발사 후 정상궤도에 위성을 올려놓지 못해 추락하거나 통신할 수 없다.있거나 위성 카메라가 작동하지 않거나 태양전지 패널의 전개가 실패하거나 하는 경우처럼 위성체에 대한 것은 발사를 의뢰한 고객의 책임이 됩니다. 아리랑위성이나 천리안위성을 제작한 한국항공우주연구원이 큰 비용을 들여 보험에 가입하는 이유입니다.

그런데 발사 실패로 인해 발사 서비스 업체가 받는 타격감은 상당합니다. 지난해 7월 아리안스페이스(Ariane space)의 베가로켓은 아랍에미리트(UAE)의 첩보위성을 싣고 날아오른 뒤 2분 만에 이상 증세를 겪었고 결국 위성과 함께 대서양에 추락하고 말았다. 며칠 후 아리안 스페이스 부사장은 긴급 진화에 나선 것입니다. “고객님의 페이로드 손실에 대해 깊은 사과(deepest apologies)를 드린다”며 공개 영상을 통해 연이어 죄송한 마음을 표명하였습니다. 각국 로켓 개발진 사이에서는 울먹이는 표정도 읽혔다는데요. 결코 남의 일이 아니기 때문이죠. 그 후 아리안스페이스는 1년간 발사를 중단한 것은 물론 작은 큐브샛을 신규 고객으로 받아들여 시장에 신뢰를 되찾아야 했습니다. 즉 STM에 의한 철저한 검증 과정은 인공위성을 위한 것이기도 하지만 결코 분리해서 생각할 수 없는 발사체를 위한 것이기도 합니다.

두께 3mm의 강철 클램프 밴드. 최대 10t 무게에 이르는 인공위성을 고정하는 유일한 장치다. <사진 출처=SENER Polska>

어댑터와 클램프 밴드 등으로 구성된 접속 시스템의 원리를 도식화한 그림. 위쪽이 부감으로 바라본 접속 방식, 아래쪽이 고정 방식이다. <그림 출처=researchgate.net>

기계적, 전기적인 ‘핏체크’ 발사체 서비스 업계 사정이 이러하니 ‘핏체크’ 과정도 필수겠죠. – STM은 발사체-위성 간 접속 설계 검증 목적도 있다고 했는데요. 런처 옷을 탈의실에 들어가 보겠습니다. 발사체의 페어링(페이로드를 싣는 상단) 내부 하단에는 반드시 어댑터와 클램프 밴드가 설치되어 있습니다. 어댑터는 인공위성 접속장치와 맞물리는 부분입니다. 클램프 밴드가 이와 같이 맞물린 부분을 단단히 잡아 고정합니다. 개발진들 사이에서는 이 과정을 배꼽맞추기라고 표현하기도 합니다. –이 시스템만으로 인공위성(페이로드)을 고정 분리하는 매우 중요한 부품인데요. 아무리 발사체와 위성을 세계 제일로 만들었다 하더라도 클램프 밴드가 분리에 실패하면 끝입니다. 그만큼 신뢰성이 높아야 하고 검증도 철저해야 합니다. 발사체 제조사가 어댑터와 클램프 밴드를 가지고 세계 어디든 달려가서 핏 체크를 하는 이유로 충분하죠?

클램프 밴드는 수밀리 두께의 단순한 금속 밴드처럼 보이지만 최대 10t의 위성을 지탱하여 극한의 작동 조건에도 견딜 수 있도록 제작됩니다. 밴드 안쪽에는 관절처럼 생긴 V세그먼트들이 부착되어 어댑터와 암수처럼 결합합니다. 런처용 클램프 밴드를 만드는 회사는 여러 곳이 있지만, 마치 KS규격처럼 형상이 통일되어 있습니다. 세계적으로 발사체와 위성의 접속 방식을 규격화하고 있는 것입니다. 지금 설명한 과정은 핏 체크 중에서도 기계적인 접속을 검증하는 방법입니다. 또한 전자적인 접속 체크도 필수입니다. 인공위성은 발사 서비스 중에 받는 충격, 열 등의 상태를 끊임없이 보고 받습니다. 위성이 발사체에서 분리될 때까지 인공위성의 상태 정보가 지상에 도달하게 됩니다. 이는 위성과 발사체가 서로 전기 전자적으로 연결돼야 가능한 일이지만 발사체는 위성에서 나오는 케이블을 꽂을 수 있도록 지원해야 한다. 핀의 개수는 정확하게 맞는지, 각 데이터의 신호가 잘못되지 않게 전해지는지 등을 검증합니다. 전자적 연결 설계 검증에는 위성 시뮬레이터라고 불리는 소프트웨어 장비가 사용되고 있지요.

위성은 고객이기 이전에, 발사체의 「동료」, 「시장」에서, 인공위성은 발사체의 고객입니다. 돈을 지불한다고 해서 페이로드라고 불리기도 합니다. 시장 논리대로라면 고객 서비스가 우선이라고 생각할 수 있겠죠. 발사 서비스 업체는 고객의 입장에서 배려하여 책임을 지는 것이군요. 그러나 우주개발사는 오랜 경쟁사를 거치며 협력과 실용의 방향으로 흘러가고 있습니다. 강력한 후발주자들이 우주개발에 도전장을 내밀었고 최고와 처음뿐이던 시대는 급속히 물러가고 있습니다.” 인공위성은 발사체를 위해 검증을 충분히 해야 하며 발사체는 인공위성을 위해 성공의 압박을 견뎌야 합니다.” 고객과 고객이기 전에 같은 목표를 가진 ‘동료’인 것입니다. 인공위성의 프로토타입, STM에 숨어있는 이 두 관계는 조금 그려집니까?

기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 우주환경시험부 은희관 선임연구원