본문
❖ 상업용 통신위성의 제작 과정
▣ [기고] 테마가 있는 인공위성 이야기 - (10)
(그림 1) 보잉사의 공장 내부, 태양전지판의 시험 장면
(출처 - http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/hsc_pressreleases/photogallery/jcsat8
오늘은 무궁화 위성과 같은 상업용 통신위성을 만드는 과정에 대해 알아보겠습니다. 인공위성을 만드는 과정은 크게 설계, 제작, 시험, 발사, 운용의 순서로 진행됩니다.
다른 모든 물건이 그렇듯이 인공위성을 만들 때 가장 먼저 할 일은 어디에 어떻게 쓸 것인지를 정하는 것이겠지요. 어떤 도구든지 무슨 목적을 위해 그것을 만드는지가 가장 먼저 결정되어야 그 물건의 모양과 크기, 재질 등이 결정될 것입니다. 인공위성도 마찬가지로 먼저 용도가 결정되어야 합니다. 오늘은 상업용 통신위성에 대한 이야기를 하기로 했으니 위성의 목적은 정지궤도에 띄울 통신위성이라고 하겠습니다.
그 다음으로, 통신위성이라는 건 알겠는데, 무슨 통신에 사용되는 것인지를 정해야겠죠? 국제전화 서비스용인지, 인터넷 서비스용인지, 위성TV용인지, 또는 국제간의 방송중계용 인지 먼저 결정해야 합니다. 요즘은 멀티미디어 시대답게 새로운 서비스용 위성들이 속속 등장하고 있습니다.
위성라디오 서비스용 위성도 있고 얼마 전에 발사된 DMB위성처럼 휴대폰으로 TV 신호를 보내주는 위성도 있습니다. 요즘에 다시 각광을 받고 있는 무선호출기를 위해 기지국 대신에 우주에서 무선호출기를 향해 전파를 쏘는 통신위성도 있습니다.
그 다음 할 일은 이 위성이 사용할 주파수 대역과 궤도 위치를 확보하는 일입니다. 정지궤도 위성이 아니라면 이 부분은 그다지 중요한 일은 아니지만 정지궤도 위성을 개발할 때에는 설계에 착수하기 전에 필히 결정되어야 하는 일입니다. 왜냐하면 정지궤도는 위성을 올릴 수 있는 자리가 한정되어 있기 때문입니다.
인공위성에서 사용하는 주파수 대역은 주로 1기가 헤르츠에서 30기가 헤르츠 사이의 여기저기에 흩어져 있습니다. 텔레비전의 주파수 대역을 VHF 혹은 UHF라고 부르는 것처럼 인공위성에서도 그 나눠진 여러 개의 주파수 대역들을 L-대역, S-대역, C-대역, K-대역, Ku-대역, Ka-대역, X-대역 등의 이름으로 부르고 있습니다. 예를 들어 무궁화위성 1호는 Ku-대역을 사용하는 위성이고, 무궁화위성 3호는 Ku-대역과 Ka-대역을 모두 사용하는 위성입니다.
그리고 정지궤도가 지구 적도 상공, 고도 35,800 킬로미터에 있는 원형 궤도이므로 인공위성을 올릴 수 있는 자리는 360도의 원궤도로 한정되어 있습니다. 국제연합(UN)의 부속기관인 국제통신연합(ITU: International Telecommunication Union)에서는 위성 간의 혼신을 방지하기 위해 정지궤도 위성들 간의 간격을 2도씩 띄우도록 권장하고 있습니다. ITU의 권장 사항을 따른다면 정지궤도에는 모두 180개의 위성만 올릴 수가 있습니다.
그러면 그보다 더 많은 위성은 어떻게 하느냐? 같은 위치에 위성이 두개가 있더라도 다른 주파수 대역을 사용하면 두 위성을 동시에 운용할 수가 있습니다. 물론 주파수 대역만 다르다면 세 개 이상도 가능하지요. 이것을 콜로케이션(collocation) 운용이라고 합니다.
이런 방법으로 180개 이상의 정지궤도 위성 운용이 가능합니다. 실제로 2004년 7월 현재, 운용 중인 정지궤도 위성은 모두 330개에 이르고 있습니다. 웹사이트 http://celestrak.com 에 가보면 지금 운용 중인 정지궤도 위성의 목록을 볼 수가 있습니다.
이렇게 정지궤도 위성의 위치와 사용 주파수에 대한 국가 간의 권리를 조정하는 일은 ITU에서 담당하도록 되어 있습니다. ITU의 조정안이 법률적인 강제성을 가지고 있는 것은 아니지만 대체적으로 모든 나라들이 이를 따르고 있습니다.
사용할 주파수와 궤도 위치가 결정되면 인공위성 제작 회사에 위성 제작을 의뢰합니다. 상업용 정지궤도 위성을 만드는 회사는 세계적으로 약 10개 회사가 있는데 그 중 한 곳을 택하여 위성 제작을 의뢰합니다.
참고로 현재 상업용 정지궤도 통신위성을 제작하는 회사로는 미국의 보잉, 로럴, 록히드마틴, 오비탈, 유럽의 다국적기업 아스트리움, 프랑스의 알카텔, 이탈리아의 알레니아스파지오, 이스라엘의 IAI, 일본의 미쓰비시전자가 있습니다. 러시아와 인도에도 정지궤도 위성을 만드는 곳이 있지만 아직 상업적인 판매는 한 적이 없는 것으로 되어 있습니다.
위성 제작 회사에서는 의뢰를 받으면 가장 먼저 고객이 원하는 위성의 성능이 어떤 것인지를 파악하는 일부터 시작합니다. 이때 고객이 원하는 위성의 성능이란 대체적으로 크게 두 가지로 귀착됩니다. 첫째, 일정 수준 이상의 좋은 품질의 통신서비스 성능을 발휘할 수 있어야 하고, 둘째, 그러한 성능이 일정 기간 이상 지속되도록 보장할 수 있어야 합니다.
목표로 정한 성능을 가진 위성을 만들기 위해 각 서브시스템별로 설계에 들어갑니다. 여기서 서브시스템이라는 것은 위성을 구성하는 여러 파트를 말합니다. 자동차를 만드는 부서가 엔진, 전기장치, 금형, 도색, 컴퓨터 등 각 전문 분야별로 나뉘어 있는 것처럼 위성을 개발하는 회사도 여러 개의 전문 파트로 나뉘어져 있습니다.
그 구성을 보면 대략 여섯 개의 전문 분야로 나뉘어 집니다. 우선 몸체와 태양 전지판의 구조물을 설계하는 구조계가 있고, 위성 전체에서 발생하는 열의 흐름을 조절하는 열제어계, 전기 공급을 전담하는 전력계, 통신 장치를 담당하는 원격측정명령계, 연료 탱크와 추력기를 담당하는 추진계, 그리고 위성의 자세제어를 담당하는 자세제어계가 있습니다.
이 각각의 전문 분야를 서브시스템이라고 하는데 각 서브시스템의 전문가들이 각각의 담당 부분에서 고객의 요구 사항에 맞추어 설계를 하게 됩니다.
상업 위성과 비상업 위성의 제작 과정상에서 가장 다른 점은 대부분의 상업 위성은 기본 모델이 있다는 점입니다. 자동차 회사에서 하나의 트럭 모델로 밴도 만들고 구급차도 만들고 냉동차도 만드는 것처럼 인공위성 회사에서도 몇 가지 기본 모델을 준비하고 있다가 고객의 의뢰가 오면 적당한 모델을 골라 요구 조건에 맞게 수정을 해서 제작에 들어가는 것입니다.
각 서브시스템의 설계가 끝나면 그걸 모아서 위성체 전체의 설계를 하게 됩니다. 이때는 각 서브시스템에서 설계한 것이 다른 서브시스템들과 잘 들어맞는지가 관건입니다. 만약 전체 위성 시스템이 원활하게 연결이 되지 않는다면 다시 설계를 하게 되지요.
전체 시스템의 설계가 끝나면 비로소 실제 제작에 들어갑니다. 작은 부품들을 모아서 부분품을 만들고 부분품을 조립해서 좀 더 큰 부분품을 만듭니다. 그런 부분품들을 모아서 전체 위성 시스템이 만들어지는 것입니다. 마치 로봇 장난감을 만드는 것과 비슷합니다.
손가락 부품을 모아 손을 만들고 손목과 팔뚝을 붙여 팔을 만들고, 다리를 만들고, 나중에 몸통에 한꺼번에 연결해서 전체를 완성하는 것과 같습니다. 위성 제작도 몸체 따로, 태양전지판 따로, 안테나 따로 만들어서 몸통에 한꺼번에 붙이게 되는 것이죠.
(출처 - http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/hsc_pressreleases/photogallery/jcsat8
오늘은 무궁화 위성과 같은 상업용 통신위성을 만드는 과정에 대해 알아보겠습니다. 인공위성을 만드는 과정은 크게 설계, 제작, 시험, 발사, 운용의 순서로 진행됩니다.
다른 모든 물건이 그렇듯이 인공위성을 만들 때 가장 먼저 할 일은 어디에 어떻게 쓸 것인지를 정하는 것이겠지요. 어떤 도구든지 무슨 목적을 위해 그것을 만드는지가 가장 먼저 결정되어야 그 물건의 모양과 크기, 재질 등이 결정될 것입니다. 인공위성도 마찬가지로 먼저 용도가 결정되어야 합니다. 오늘은 상업용 통신위성에 대한 이야기를 하기로 했으니 위성의 목적은 정지궤도에 띄울 통신위성이라고 하겠습니다.
그 다음으로, 통신위성이라는 건 알겠는데, 무슨 통신에 사용되는 것인지를 정해야겠죠? 국제전화 서비스용인지, 인터넷 서비스용인지, 위성TV용인지, 또는 국제간의 방송중계용 인지 먼저 결정해야 합니다. 요즘은 멀티미디어 시대답게 새로운 서비스용 위성들이 속속 등장하고 있습니다.
위성라디오 서비스용 위성도 있고 얼마 전에 발사된 DMB위성처럼 휴대폰으로 TV 신호를 보내주는 위성도 있습니다. 요즘에 다시 각광을 받고 있는 무선호출기를 위해 기지국 대신에 우주에서 무선호출기를 향해 전파를 쏘는 통신위성도 있습니다.
그 다음 할 일은 이 위성이 사용할 주파수 대역과 궤도 위치를 확보하는 일입니다. 정지궤도 위성이 아니라면 이 부분은 그다지 중요한 일은 아니지만 정지궤도 위성을 개발할 때에는 설계에 착수하기 전에 필히 결정되어야 하는 일입니다. 왜냐하면 정지궤도는 위성을 올릴 수 있는 자리가 한정되어 있기 때문입니다.
인공위성에서 사용하는 주파수 대역은 주로 1기가 헤르츠에서 30기가 헤르츠 사이의 여기저기에 흩어져 있습니다. 텔레비전의 주파수 대역을 VHF 혹은 UHF라고 부르는 것처럼 인공위성에서도 그 나눠진 여러 개의 주파수 대역들을 L-대역, S-대역, C-대역, K-대역, Ku-대역, Ka-대역, X-대역 등의 이름으로 부르고 있습니다. 예를 들어 무궁화위성 1호는 Ku-대역을 사용하는 위성이고, 무궁화위성 3호는 Ku-대역과 Ka-대역을 모두 사용하는 위성입니다.
그리고 정지궤도가 지구 적도 상공, 고도 35,800 킬로미터에 있는 원형 궤도이므로 인공위성을 올릴 수 있는 자리는 360도의 원궤도로 한정되어 있습니다. 국제연합(UN)의 부속기관인 국제통신연합(ITU: International Telecommunication Union)에서는 위성 간의 혼신을 방지하기 위해 정지궤도 위성들 간의 간격을 2도씩 띄우도록 권장하고 있습니다. ITU의 권장 사항을 따른다면 정지궤도에는 모두 180개의 위성만 올릴 수가 있습니다.
그러면 그보다 더 많은 위성은 어떻게 하느냐? 같은 위치에 위성이 두개가 있더라도 다른 주파수 대역을 사용하면 두 위성을 동시에 운용할 수가 있습니다. 물론 주파수 대역만 다르다면 세 개 이상도 가능하지요. 이것을 콜로케이션(collocation) 운용이라고 합니다.
이런 방법으로 180개 이상의 정지궤도 위성 운용이 가능합니다. 실제로 2004년 7월 현재, 운용 중인 정지궤도 위성은 모두 330개에 이르고 있습니다. 웹사이트 http://celestrak.com 에 가보면 지금 운용 중인 정지궤도 위성의 목록을 볼 수가 있습니다.
이렇게 정지궤도 위성의 위치와 사용 주파수에 대한 국가 간의 권리를 조정하는 일은 ITU에서 담당하도록 되어 있습니다. ITU의 조정안이 법률적인 강제성을 가지고 있는 것은 아니지만 대체적으로 모든 나라들이 이를 따르고 있습니다.
사용할 주파수와 궤도 위치가 결정되면 인공위성 제작 회사에 위성 제작을 의뢰합니다. 상업용 정지궤도 위성을 만드는 회사는 세계적으로 약 10개 회사가 있는데 그 중 한 곳을 택하여 위성 제작을 의뢰합니다.
참고로 현재 상업용 정지궤도 통신위성을 제작하는 회사로는 미국의 보잉, 로럴, 록히드마틴, 오비탈, 유럽의 다국적기업 아스트리움, 프랑스의 알카텔, 이탈리아의 알레니아스파지오, 이스라엘의 IAI, 일본의 미쓰비시전자가 있습니다. 러시아와 인도에도 정지궤도 위성을 만드는 곳이 있지만 아직 상업적인 판매는 한 적이 없는 것으로 되어 있습니다.
위성 제작 회사에서는 의뢰를 받으면 가장 먼저 고객이 원하는 위성의 성능이 어떤 것인지를 파악하는 일부터 시작합니다. 이때 고객이 원하는 위성의 성능이란 대체적으로 크게 두 가지로 귀착됩니다. 첫째, 일정 수준 이상의 좋은 품질의 통신서비스 성능을 발휘할 수 있어야 하고, 둘째, 그러한 성능이 일정 기간 이상 지속되도록 보장할 수 있어야 합니다.
목표로 정한 성능을 가진 위성을 만들기 위해 각 서브시스템별로 설계에 들어갑니다. 여기서 서브시스템이라는 것은 위성을 구성하는 여러 파트를 말합니다. 자동차를 만드는 부서가 엔진, 전기장치, 금형, 도색, 컴퓨터 등 각 전문 분야별로 나뉘어 있는 것처럼 위성을 개발하는 회사도 여러 개의 전문 파트로 나뉘어져 있습니다.
그 구성을 보면 대략 여섯 개의 전문 분야로 나뉘어 집니다. 우선 몸체와 태양 전지판의 구조물을 설계하는 구조계가 있고, 위성 전체에서 발생하는 열의 흐름을 조절하는 열제어계, 전기 공급을 전담하는 전력계, 통신 장치를 담당하는 원격측정명령계, 연료 탱크와 추력기를 담당하는 추진계, 그리고 위성의 자세제어를 담당하는 자세제어계가 있습니다.
이 각각의 전문 분야를 서브시스템이라고 하는데 각 서브시스템의 전문가들이 각각의 담당 부분에서 고객의 요구 사항에 맞추어 설계를 하게 됩니다.
상업 위성과 비상업 위성의 제작 과정상에서 가장 다른 점은 대부분의 상업 위성은 기본 모델이 있다는 점입니다. 자동차 회사에서 하나의 트럭 모델로 밴도 만들고 구급차도 만들고 냉동차도 만드는 것처럼 인공위성 회사에서도 몇 가지 기본 모델을 준비하고 있다가 고객의 의뢰가 오면 적당한 모델을 골라 요구 조건에 맞게 수정을 해서 제작에 들어가는 것입니다.
각 서브시스템의 설계가 끝나면 그걸 모아서 위성체 전체의 설계를 하게 됩니다. 이때는 각 서브시스템에서 설계한 것이 다른 서브시스템들과 잘 들어맞는지가 관건입니다. 만약 전체 위성 시스템이 원활하게 연결이 되지 않는다면 다시 설계를 하게 되지요.
전체 시스템의 설계가 끝나면 비로소 실제 제작에 들어갑니다. 작은 부품들을 모아서 부분품을 만들고 부분품을 조립해서 좀 더 큰 부분품을 만듭니다. 그런 부분품들을 모아서 전체 위성 시스템이 만들어지는 것입니다. 마치 로봇 장난감을 만드는 것과 비슷합니다.
손가락 부품을 모아 손을 만들고 손목과 팔뚝을 붙여 팔을 만들고, 다리를 만들고, 나중에 몸통에 한꺼번에 연결해서 전체를 완성하는 것과 같습니다. 위성 제작도 몸체 따로, 태양전지판 따로, 안테나 따로 만들어서 몸통에 한꺼번에 붙이게 되는 것이죠.
(그림 2) 록히드마틴사의 A2100 위성모델
(출처 - http://www.lmcommercialspace.com/pay/capabilities.htm)
또한 각 부분품을 만들 때마다 제대로 만들어 졌는지 반드시 시험 과정을 거쳐야합니다. 시험은 나중에 전체 위성을 대상으로 하는 것도 물론 있지만 작은 부품 단계부터 한 단계씩 조립이 끝날 때마다 거치는 시험이 별도로 준비되어 있습니다.
아무리 확인과 시험을 거듭해도 지나치지 않는 것이 인공위성 제작입니다. 정지궤도 인공위성은 한번 발사되면 수리가 불가능하기 때문에 고장이 나지 않도록 만드는 것이 최고의 목표인 셈입니다.
인공위성을 만드는 사람들이 많이 쓰는 말 중에 ‘헤리티지(heritage)’라는 말이 있습니다. 사전적인 의미는 ‘유산, 상속, 전통’ 이라는 뜻인데 위성 제작자들에게는 ‘이전 모델에 장착이 되어 우주에서 아무런 문제없이 작동되었던 부품’이라는 뜻으로 사용됩니다.
인공위성 설계에 있어서는 ‘첨단 기술’보다는 ‘확실한 작동’이 우선이기 때문에 ‘헤리티지’가 있는 부품은 최대한 그걸 활용하게 됩니다. 기본 모델은 그 자체가 ‘헤리티지’이므로 대부분의 상업 위성들은 결과적으로 각 회사 별로 비슷한 형태를 가지게 됩니다.
(그림 3) 로럴사의 동일한 기본 모델로 제작된 4 종류의 위성들. 상단 왼쪽부터 시계방향으로 엠비샛, 에코스타, 팬암샛, 인텔샛 시리즈5
(출처 - http://www.ssloral.com/html/products/programsfss.html)
위성의 전체 시스템이 완성되면 이제 시험 단계에 들어갑니다. 시험은 크게 기능시험과 환경시험이 있습니다. 기능시험이란 위성체 내부의 전자 장치들이 지상 관제소에서 보내는 원격명령에 따라 제대로 작동하는지를 확인하기 위해 각 장치들에게 명령을 보내고 그 결과를 확인하는 시험입니다. 환경시험이란, 예를 들어 발사할 때 위성이 받는 급작스런 충격이라든가 진동, 소음, 우주에서의 방사선, 진공, 일교차 등의 열악한 환경 속에서도 위성이 제대로 작동하는지를 확인하는 시험입니다.
보통 위성에 충격을 준 다음에 몇 가지 기능을 시험하고 다시 진동을 가한 후에 다른 기능시험을 하는 식으로 기능시험과 환경시험을 번갈아 가며 실시하게 됩니다. 환경시험을 하기위해서는 위성에 직접 충격을 주거나 진동을 가해야 하므로 특수하게 제작된 진동 장치 위에 위성을 올려놓고 여러 방향으로 흔들어 댑니다.
진동 시험 외에 열진공 환경시험이라는 것이 있는데 이것은 위성을 열진공 챔버라고 부르는 밀폐된 커다란 상자에 넣고 공기를 빼서 진공 상태를 만든 다음, 우주에서와 같이 24 시간 주기로 가열과 냉각을 반복하면서 기능이 제대로 작동하는지를 확인하는 과정입니다.
우주는 진공 상태이므로 대류에 의한 열전달이 일어나지 않습니다. 그래서 한 위성 내에서도 햇빛을 받는 쪽은 섭씨 150도, 그림자가 진 쪽은 영하 100도 정도로 극심한 온도 차이를 보이게 됩니다.
(그림 4) 로럴사의 열진공챔버
(출처 - http://www.ssloral.com/html/aboutssl/thermalvac.html)
그리고 음향시험이라는 것이 있는데 이것은 발사 시에 발생하는 엄청난 소음을 견딜 수 있는지 확인하는 과정입니다. 설마 위성체가 소리 때문에 망가질 수 있을까라고 생각하실지 모르겠지만 어떤 구조물이든지 고유 진동수라는 것이 있어서 같은 진동수를 가진 소음에 장시간 노출되면 물리적으로 파괴될 수가 있습니다. 그래서 위성을 음향실에 넣고 다양한 진동수의 소음에 노출시켜 보는 것입니다.
그 외에 몇 가지 시험들을 무사히 통과하면 드디어 위성을 발사장으로 운반해서 발사체에 장착하고 정해진 날짜에 발사하게 되는 것입니다. 위성을 운반 할 때에는 자동차, 항공기, 선박 등 여러 가지를 이용하게 되는데 공통적인 것은 특수 제작된 컨테이너에 담아 밀폐시킨 다음, 최대한 안전하게 운반해야 한다는 점입니다. 뭐니 뭐니 해도 안전이 최고니까요.
(그림 5) 인공위성의 음향시험 준비 작업
(출처 - http://www.boeing.com/news/releases/2003/photorelease/q2/pr_030408n.html)
지금까지 상업용 통신위성을 만드는 과정을 순서대로 흩어보았습니다. 모든 일이 그렇듯이 인공위성을 만드는 과정도 여러 사람의 노력과 인내가 무엇보다도 필요한 분야입니다. 인공위성의 제작에는 보통 4년에서 4년 6개월 정도의 시간이 소요됩니다. 그 오랜 시간 동안 인내하며 한 치의 실수도 없이 여러 사람의 노력이 한데 어우러질 때 비로소 멋진 인공위성 하나가 탄생하는 것입니다.
(관련 사이트)
http://www.ssloral.com
http://www.boeing.com
http://www.ast.lmco.com
http://celestrak.com/NORAD/elements/geo.txt
김방엽 항공우주연구원 박사
※ 2004.08.19 18:49
※ 출처 - http://www.sciencetimes.co.kr ⓒScience Times
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