(그림1) 허블우주망원경 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hst_sts82.jpg

신비하고 푸르스름한 빛을 발하는 수많은 은하들. 몇 개인지 세어보기도 힘든 토성의 아름다운 고리들. 목성의 위성들. 갖가지 모양의 성단과 성운들. 수십억 광년 바깥의 퀘이사(준항성체). 혹시 블랙홀일지도 모르는 몇몇 개의 후보들. 이 모든 천체들의 신비하고 맑은 모습을 영상으로 담아 지구로 전해주는 임무를 10년이 넘도록 수행해온 인공위성이 허블우주망원경입니다.

천문관측용 인공위성에는 허블우주망원경 외에도 미국의 코비(COBE), 오에이오(OAO), 갈렉스(GALEX), 유럽의 XMM, 아이라스(IRAS), 일본의 아스트로(Astro) 시리즈 등 많은 위성들이 있으나 가장 널리 알려졌고 많은 활약을 한 것을 들자면 단연 허블우주망원경이 으뜸일 것입니다.

우주의 팽창을 발견한 미국의 천문학자 에드윈 허블(1889년~1953년)의 이름을 따서 명명된 허블우주망원경은 1990년 4월에 우주왕복선 디스커버리호에 의해 지구 상공 약 570 km 지점의 우주 궤도에 올려졌습니다.

기다란 원통형으로써 길이가 약 13.2 m , 태양전지판을 포함한 너비가 약 4.2 m 인데 양쪽에 달린 태양전지판을 제외하면 고속버스 크기 정도가 될 것입니다. 두개의 태양전지판에서 생산되는 전력은 약 2,800 와트로써 100 와트 전구를 28개 켜는 것과 맞먹는 전력입니다.

자동차 배터리 20개 분량의 우주용 배터리를 싣고 있고 전체 무게는 약 11톤, 지구 주위를 한바퀴 도는데 걸리는 시간은 1시간 37분입니다. 시속으로는 약 28,000 km/h, 초속으로는 7.8 km/s의 아주 빠른 속도로 지구 주위를 회전하고 있습니다.

허블우주망원경이 가지고 있는 특징 중에서 다른 인공위성들에 비해 가장 두드러지는 것이 있다면 뭐니 뭐니 해도 관측 목표를 오랫동안 정확하게 바라볼 수 있는 지향 정밀도와 안정도일 것입니다.

(그림2) 허블우주망원경의 내부구조
http://www.spacetelescope.org/images/screen/instruments.jpg

지향 정밀도는 얼마나 세밀하게 방향을 구분 할 수 있는가를 말하고, 안정도는 망원경이 얼마나 흔들리지 않고 한 지점을 고정적으로 바라볼 수 있는지를 뜻합니다. 허블우주망원경은 지금까지 발사된 그 어느 위성보다도 가장 뛰어난 지향 정밀도와 안정도를 자랑합니다.

허블망원경의 지향 정밀도는 각도로 약 0.007초인데 이것은 약 1.6 km 거리에서 머리카락 두께 정도의 틈을 구별할 수 있다는 뜻입니다. 그리고 안정도 역시 뛰어나서 만약 300 km 밖에서 망원경의 지향점의 흔들림을 측정한다고 했을 때, 그 흔들림의 정도가 10원 짜리 동전 크기 이상은 벗어나지 않을 정도입니다. 거의 흔들림이 없다고 할 수 있겠습니다.

그렇다면 이렇게 허블우주망원경을 안정되고 정밀하게 지향하도록 하는 것은 어떤 원리에 의한 것일까요? 그것은 허블우주망원경에 장착되어 있는 자세제어 장치가 매순간 마다 망원경의 지향 방향을 아주 정밀하고 안정적으로 조정을 해주기 때문에 가능한 것입니다.

허블망원경 뿐만 아니라 모든 인공위성에는 자세제어 장치가 탑재되어 있어서 통신용 안테나 또는 지구 관측용 카메라의 방향이 흔들리지 않고 원하는 방향을 향하도록 조정하여 주는 기능을 담당하고 있습니다.

인공위성의 자세제어 장치는 현재의 자세를 감지하기위한 센서, 감지된 자세 측정값의 잡음을 제거하고 목표 값과 비교하여 자세 오차와 보정 값을 계산해 내는 소프트웨어, 그리고 보정 값만큼의 자세 오차를 직접 수정하는 구동 장치로 구성됩니다.

먼저 현재의 자세가 어떤 상태로 되어 있는지를 감지하기 위해서는 인공위성의 지향 방향이 어디를 향하는가를 알아야 하는데 이때 사용되는 것이 자이로스코프, 지구 센서, 태양 센서, 별 센서 들입니다. 보통 자이로스코프는 반드시 장착이 되고 나머지 지구, 태양, 별 센서는 필요에 따라 한 가지 혹은 두 가지를 장착하게 됩니다.

자이로스코프는 어린이들이 과학실험에 사용하거나 장난감으로 가지고 노는 우주팽이와 똑같이 생겼습니다. 즉, 원형의 틀 속에 주변과 분리되어 회전하는 묵직한 원반이 들어 있어서 틀, 즉 인공위성 몸체의 자세가 변해도 원반의 회전 방향은 변하지 않는 원리를 이용해서 위성 몸체의 자세가 얼마나 어긋나 있는지를 판단하게 됩니다.

지구, 태양, 별 센서는 각각의 천체를 기준으로 하여 위성이 어느 곳을 지향하는 지를 측정하는 원리입니다. 이때 정밀도는 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 높습니다. 그에 따라 가격도 역시 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 높지요.

태양 센서나 지구 센서의 정밀도가 별 센서보다 낮은 이유는 태양이나 지구는 천구 상에 하나 밖에 없고 인공위성에서 봤을 때 기준 목표물이 너무 크기 때문에 기준점(태양이나 지구의 중앙)이 어디인지 명확하지가 않기 때문입니다.

반면에 별 센서는 기준 목표인 별이 우주 공간에 무수히 많을뿐더러 그 각각이 점에 불과하기 때문에 정밀한 각도 측정이 가능하게 됩니다. 다만, 센서에 잡힌 별이 목록 상의 수백 내지 수천 개의 별 중에서 어느 것인지를 순간적으로 정확히 판단해 내어야 하기 때문에 이를 개발하기 위해서는 그만큼 어려운 기술이 필요하게 됩니다. 물론 그로인해 센서의 가격도 올라가게 되는 것이지요.
(그림3) 인공위성에 사용되는 반작용 휠

두번째로, 자세 측정값과 지향 하고자 하는 목표와의 오차를 계산해서 보정 값을 계산해 내는 소프트웨어를 만들기 위해서는 ‘제어이론’이라고 하는 분야의 기술이 필요합니다.

이것은 공학 계열에서 대학 수준이상의 학업을 이수하고 오랜 경험을 가진 전문가들이 각각의 위성에 맞는 제어 알고리즘을 개발하여 적용하는 것으로써, 인공위성마다 몸체의 크기와 모양, 센서 종류와 구동 장치의 특성이 모두 다르기 때문에 각 위성들이 모두 각기 다른 ‘제어 소프트웨어’를 탑재하게 됩니다. 보통 복잡한 수식과 여러 절차를 거쳐서 보정 값을 계산해 내게 됩니다.

끝으로 자세 오차를 보정하기 위해 사용되는 구동기에는 대표적인 것으로 반작용 휠(Reaction Wheel)과 추력기(Thruster)가 있습니다. 반작용 휠과 추력기는 모두 작용/반작용의 원리를 이용한 것입니다. 반작용 휠은 고속으로 회전하는 무거운 원반의 회전 속도를 조절함으로써 위성 몸체의 각도를 바꾸는 장치입니다.

(그림4) 허블우주망원경의 자세제어 장치
http://www.thetech.org/exhibits_events/online/hubble/direction.html

수천 RPM (Round Per Minute)으로 회전하는 원반의 속도를 올렸다 내렸다하게 되면 원반의 속도 변화로 인한 운동량의 변화가 위성 몸체의 회전을 가져오는 원리를 이용한 것입니다. 이 때, 원반의 회전 속도 변화가 위성의 한 축에만 영향을 미치기 때문에 세 축 모두의 변화를 위해 3개의 반작용 휠이 세트로 장착되고, 거기에 예비로 한 개의 휠이 추가로 장착되어 보통 반작용 휠 4개가 하나의 시스템을 이루고 있습니다.

그리고 추력기는 위성에 탑재된 하이드라이진 연료를 짧은 순간에 연속적으로 필요한 만큼 분사하여 위성의 자세를 바꾸는 장치입니다. 연료 사용을 줄이기 위해 대부분의 위성들이 평상시에는 연료 소모가 필요 없는 반작용 휠을 주로 사용하다가 크고 빠른 움직임이 필요할 때에는 추력기를 사용하여 자세를 조정합니다. 미세한 움직임이 요구될 때에도 반작용 휠을 주로 사용합니다.

(그림5) 허블우주망원경의 반작용 휠 교체 장면
http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/5_rwa_04.jpg

(그림6) 태양전지판 교체 작업
http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/4_sa3_26.jpg

허블우주망원경에는 이렇게 4개의 반작용 휠, 3개의 별 센서, 3개의 고성능 자이로스코프가 장착되어 있고, 자세제어 소프트웨어가 1초에 15번씩 자세를 측정하여 매순간 마다 오차를 수정하고 있기 때문에 앞서와 같은 고정밀도, 고안정도의 지향성을 유지할 수 있는 것입니다.

허블우주망원경의 내부 구조를 잠시 보겠습니다. 허블우주망원경의 내부 구조는 일반적인 반사식 천체 망원경과 유사한 형태를 하고 있습니다. 허블망원경에는 지름 2.4 m 의 주 반사경과 30 cm 의 부 반사경, 경통, 각종 관측 장비, 전기공급장치, 보호덮개, 통신장치, 자세 및 궤도 조정 장치 등이 장착되어 있습니다. 각 장치의 부품들이 오래되어 고장이 나거나 성능이 저하되면 우주왕복선에 새 부품을 싣고 올라가서 수리하거나 교체하기도 합니다.

(그림7) 외부은하 M84에 있는 블랙홀 후보
http://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/1997/12/images/a/formats/web_print.jpg

허블우주망원경은 지구 대기권 밖에 위치하기 때문에 지상에서는 볼 수 없었던 맑고 깨끗한 영상을 많이 보내주었습니다. 수많은 은하와 성단, 행성들의 아름다운 영상을 보게 해주었고 더불어 신비한 영상들도 많이 볼 수 있었는데 그 중의 하나가 블랙홀의 후보를 촬영한 (그림7)입니다.

M84 외부은하의 중심부를 촬영한 것인데 오른쪽의 분광 사진에서 별이 큰 S 자 형태로 움직이는 것을 알 수 있습니다. 이것은 이 별이 사진에는 찍히지 않은 중앙의 어떤 별을 중심으로 공전한 것을 의미합니다.

커다랗고 밝은 별을 휘돌릴 만한 중력을 가지고 있으면서도 사진에는 거의 찍히지 않은 무엇인가가 중심부에 있는 것으로 추측되는데 혹시 그것이 블랙홀이 아닐까 하고 추측하고 있습니다. 기술이 더욱 발전하다보면 언젠가는 블랙홀을 직접 관측할 수 있는 우주망원경도 등장하지 않을까요?

(참고 사이트)
http://hubblesite.org
http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope
http://hubble.nasa.gov
http://www.spacetelescope.org

김방엽 항공우주연구원 박사

 

※ 2004.08.05 20:05

 

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