인공위성 노화 방지

20대부터 노화는 시작된다 피부 노화의 주범은 자외선 근력운동으로 노화를 막을 수 있다 자주 눈에 띄는 건강정보 기사 제목입니다. 평균 수명이 길어지면서 노화는 우리 인생 주기의 절반에 관심사가 되었습니다. 더젊고오래남은삶을위해노력,인공위성도마찬가지입니다. 이미 수명이 정해진 운명이었던 게 아니었냐고요? 비록 틀린 말씀은 아니지만 그래도 할 수 있는 노력이 있다는 것입니다. 노화를 늦추기 위해 인공위성의 히터를 끌 수 있다는 것이 정말인가요.

'천리안 위성 1호는 당초 설계수명보다 2년 늘어난 9년…' '(2020년 4월 1일, 기상관측 임무 종료 시점)' 5년의 정규 임무를 마치는 아리랑 5호의 운용기간을 2020년 8월까지 2년 연장… '2015년 8월 21일 기사)' '굿바이 아리랑 2호… 당초 운영수명을 3년으로 설계했으나 2년씩 3년 연장…'

우주로 간 우리 위성은 반드시 한번 이상 임무 연장이 결정되었습니다. 아리랑 2호는 당초 3년에서 3배가 된 총 9년간 임무를 수행해 현재까지 설계수명에 비해 최장수 인공위성이 되었습니다. 위성개발진을 만나면 한번 들을 얘기가 있는데 아리랑 2호 아직도 잘 돌아가고 있어요 자기 혼자 우주를 배회하는 위성을 잠시 상상하다가 요즘 뭐 하느냐고 안부를 묻곤 합니다. 보통은 임무 종료를 선언하면 연구용으로 전환합니다. 본연의 임무는 아니지만 남은 수명이 다할 때까지 궤도 수정도 하고 어렵게 교신이 된다면 영상의 품질도 확인해 봅시다. 설계수명, 임무수명, 남은수명 헷갈리죠? 설계 수명은 정규 임무 기간이 만료되는 시점인데요? 이때가 다가오면 한국항공우주연구원과 과학기술정보통신부는 각 분야의 전문가들을 중심으로 검토위원회를 구성하여 기술점검을 하게 됩니다. 위성의 본체·탑재체가 정상적으로 작동하는지, 교신은 잘 되는지, 궤도는 유지하고 있는지, 연료는 남아 있는지, 영상 품질이 괜찮은지 등을 확인합니다. 이 위원회를 통해서 임무 연장이 결정되면 임무 수명이 연장되는 것입니다. 이후 같은 절차를 거쳐 임무 종료가 선언되면 인공위성은 천천히 지구로 추락하거나 더 먼 우주로 보내질 때까지 남은 수명을 살게 됩니다.대부분의 인공위성들은 더 이상 궤도의 속도를 얻을 수 없을 정도로 고도가 떨어지면 대기권을 초고속으로 통과하면서 소멸되는데요. 이 기간이 50~70년 정도 걸립니다. 이에 앞서 임무기간까지 더하면 인공위성의 총수명은 사람과 비슷한 샘입니다. 위성개발 역사가 20여 년밖에 안긴 한국에서 지구에 다시 안겼다는 소식을 전해줄 인공위성은 아직 없었습니다.

전자파 시험을 준비 중인 차세대 중형위성 1호. 우주환경시험 때부터 인공위성은 금박옷(다층박막단열재)을 입는다.인공위성의 내구성은 설계수명의 2배, 이렇게 우리나라 위성이 설계수명을 훨씬 넘어서 2~3배까지 임무연장을 할 수 있는 이유는 당연히 튼튼하게 만들기일 것입니다. 하지만 우리만 그런 게 아닙니다. 전세계 인공위성 개발국(또는 개발사)들이 수명연장을 위해 노력합니다. 부품은 같은 것을 2개씩 넣고, 하나가 고장나거나 손실되면 또 하나를 작동시킵니다. 노화의 주범 중 하나라는 우주방사선(Space ray)을 차단하기 위해 어디 하나를 그냥 싣는 법이 없어요. 특히 전장품이 취약한데요. 반도체 내성 설계는 물론 세라믹 등으로 전체를 덮어버리는 패키징으로 중무장을 합니다. 우주에 그대로 노출되는 외면은 더 큽니다. 위성을 덮고 있는 금박지(다층박막단열재)는 우주선과 태양열을 막아줍니다. 태양전지판 또한 마모가 심하여 설계면적을 크게 차지합니다. 열을 제거하는 방열판도 오염물질이 쌓이면 성능이 저하되므로 라이프 사이클을 고려해 주십시오.

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인공위성도 새집증후군을 앓는다?

즉, 대부분의 위성이 실제 내구성은 설계 수명의 2배 이상으로 제작될 것으로 보입니다. 1회 발사 제작비가 높기 때문에 실패와 고장률을 줄이려는 노력은 당연할 것입니다. 덕분에 큰 고장이 아니면 싣고 간 연료가 떨어져 있지 않으면 더 오래 사용할 수 있습니다. 특히 수리를 할 수 없다는 것은 인공위성의 가장 큰 약점입니다. 단 하나의 "능동적"으로 수명관리를 할 수 있는 방법이 있습니다. 바로 히터입니다. 히터를 어떻게 켜고 끄죠?

인공위성히터는 부품마다 개별 장착을 원칙으로 하며, 히터패널이 부족한 경우 같은 패널에 위치한 부품은 동시에 열제어가 되도록 히터를 적절히 배치한다. <사진 출처=aascworld.com > 2종류의 히터로 극한의 추위를 막는 기본적으로 인공위성 열제어는 단열(다층박막단열재)을 기본으로 추운곳에 히터를 켜는 방식으로 진행됩니다. 자동차도 에어컨 가동보다는 히터 쪽이 연료 소모량이 적을 겁니다. 기계 자체의 발열은 히트 파이프가 어느 정도 억제되어 태양열이 강하게 들어올 때는, 방열판으로 열을 뺍니다. --이 4가지(단열재, 히터, 히트 파이프, 방열판)가, 인공위성열제어의 기본입니다만. 이 중 오로지 능동적으로 열 제어 할 수 있는 것이 히터입니다. 지상에서 「지워라」라고 명령하고 있는 것은 아닙니다. 꺼져 점등하는 온도 범위가 설정되어 있습니다. 예를 들어 컴퓨터의 동작온도가 -20℃에서 30℃ 사이이면 히터는 -10℃에서 점등하고 0℃가 되면 꺼지는 식입니다. 이 작동 범위는 컴퓨터를 통한 명령으로 지상에서 조절할 수 있어요. 특히 필요할 때가 있죠.

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예를 들어, 달 탐사선은 태양-지구-달-위성의 순서로 배열되면 위성 내부의 온도가 급격히 떨어집니다. 한국에서는 이것을 월식이라고 합니다. 이 때 히터 작동 온도 범위를 그대로 두면 빈번하게 움직이기 시작할 것입니다. 전력도 최대한 아껴야 하는데 히터를 틀었다고 방전되면 우주선이 위험해질 겁니다 이럴 때는 히터 작동 온도를 낮춰 오히려 생존력을 높일 수 있습니다. 정지궤도에 놓여있는 천리안 위성도 춘분과 추분, 그리고 일식 때 햇빛에 가려집니다. 역시 방전을 대비하려면 온도 제어 소프트웨어에 새로운 명령을 내려야 합니다.

그래서 인공위성의 설계 수명이 길수록 정교한 열제어 소프트웨어가 들어가게 됩니다. 내부 온도가 비정상적으로 내려가는 것 외에 라이프 사이클에 따라 몇 가지 모드로 구분될 수 있습니다. 예를 들어 촬영품질은 아주 좋지만 태양전지가 노후돼 전력량이 충분치 않으면 히터 가동범위를 조정하는 겁니다라고 소프트웨어의 명령으로 작동하는 히터가 있는 반면 메카니컬 스위치도 있습니다. 일정 정도 열이 가해지면 자동으로 사라지는 방식입니다. 비록 온도를 능동적으로 제어할 수 없지만 우주에서의 비상사태를 고려할 때 이 두 히터를 현명하게 사용해야 노후된 관리가 가능합니다.

◆한국의 달 궤도선에도 열제어 소프트웨어가 탑재된다.

기획제작 : 항공우주Editor 이종원 내용감수 : 위성기술연구부 장병관 박사