쥐불놀이나 물탱크 실험은 인공위성의 공전 원리를 설명하는 데 흔히 비유된다. 사진의 출처 = flick 물이 담긴 양동이에 줄을 매달아 돌리면 기울었는데도 물이 쏟아지질 않아요. 자신의 몸을 중심으로 원운동을 하면서 구심력과 원심력이 균형을 이루기 때문입니다. 인공위성이 추락하지 않는 원리를 설명할 때 과학 선생님들이 많이 사용하는 비유이기도 해요. 분명 우주 궤도에 올리면 이렇게 잘 돌아가겠지만 위성에는 반드시 바퀴를 달 거라고 합니다. 이 바퀴는 브레이크 없이 하루 종일 최대 6000rpm까지 돌아갑니다. 우주에는 지상처럼 도로가 있어서 달릴 수 있는 것도 아닌데, 왜 인공위성은 바퀴를 돌리는 걸까요?
인공위성 심장은 바퀴?인공위성 속의 바퀴는 보통 “반작용 휠”이라고 불립니다. 문득 떠오르죠? 과학 시간에 배운 작용 – 반작용 원리 중 반작용이 맞아요. 로켓 발사도 벽을 눌렀을 때 내 몸이 밀리는 것도 같은 원리입니다. 인공위성도 이 반작용의 힘이 필요하다는 뜻이에요. 인공위성은 오로지 지구의 바람에서 태어났습니다. 특히 더 먼 외계 행성을 찍거나 심우주 환경을 감시하지 않으면 지구를 관찰하거나 지구로 신호를 보내야 합니다. 지구에 항상 모든 신경을 써야 하는 이 운명은 안타깝게도 바람 앞의 촛불처럼 매일 흔들리고 있습니다.
인공위성은 태양광 사열로 보이지 않는 우주의 힘에 의해 끊임없이 흔들린다. <이미지 출처=en.mercopress.com> 인공위성은 혈혈단신 거대한 태양이 내뿜는 방사열을 온몸으로 받아야 합니다. 지구는 완벽한 구형이 아니라 돌다 보면 중력(구심력)도 흔들립니다. 다른 행성이나 혜성과 같은 지구 밖에서 일하는 힘도 위성을 쏘아서는 안 됩니다. 지구만 바라보고 ‘가만히’ 있으면 되는데 이런 힘듦 때문에 자꾸 흔들려요. 흔들리면 영상은 분명하지 않고 신호는 불규칙할 것입니다. 자세가 흔들린 만큼 뒤틀린 만큼 끊임없이 원래 자세로 돌아가야 5년, 10년 지구 제거 미션을 성공적으로 완수할 수 있습니다.
다행히 인공위성 안의 수많은 센서(가속도·각속도 센서, 별 센서, 태양 센서 등)가 이것을 알게 됩니다. 그리고 센서와 연결된 컴퓨터가 일그러진 만큼 자세를 취하도록 명령을 내립니다. 명령을 직접 수행하는 것이 앞서 말한 반작용 휠입니다. 인공위성을 원래대로 돌리려면 반작용 운동량을 제어해야 합니다. 반작용/모멘텀휠(Reaction/Momentum Wheel)이라고도 부르는 이유이기도 합니다. 잠시 쉴 수도 없어요. 휠이 멈추면 휠이 제어하는 힘이 없어지고 자세가 뒤틀립니다. 그래서 처음에 정해진 자세를 유지하고 또 자세를 바꿀 때는 속도만 보정해서 제어합니다. 즉, 힘의 방향이 다른 각각의 휠이 마치 힘을 겨루는 것처럼 균형을 유지하고 있고, 어떤 휠이 고장으로 멈추면 힘의 균형이 무너져 자세가 바뀌는 것입니다. 이런 경우는 여분의 휠을 작동시켜 다시 균형을 유지하게 됩니다. 따라서 반작용 휠은 심장처럼 한 번 돌기 시작하면 계속 달려야 합니다. 당연히 휠이 3개 이상 유지되지 않는 경우 추력기도 사용할 수 없는 경우는 위성의 수명이 다 된 것입니다.
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바퀴는 기본 4개 장착 아무데나?
인공위성 내부에 서로 다른 축으로 설치된 반작용 휠의 모습.이렇게 한곳에 모아 붙이고 각각 떨어뜨린다. <사진의 출처=quora> 반작용 휠은 여러 바퀴가 힘을 합쳐 원하는 방향을 끊임없이 찾아냅니다. ‘몇 개의 수레바퀴’에서 손글씨 마크가 그려집니다. 자동차 바퀴처럼 달리는 것도 아닌데 몇 가지가 필요하다니. 우주는 3차원 공간입니다 움직일 수 있는 3개의 축(x, y, z)이 있다는 뜻이죠. 휠을 하나만 달면 한 축밖에 제어할 수 없어요. 또한 다른 축의 제어가 필요한 경우 그 방향에도 부착해야 합니다. 최소 3개는 필요하다는 계산이 되는데, 4개가 기본이고 5, 6개를 붙이기도 합니다. 하나 더 붙이는 것은 하나가 고장 났을 때를 대비하는 것이고 더 많이 붙이는 것은 덩치 큰 위성은 움직일 힘(운동량)도 더 필요하기 때문입니다.
이 휠들은 각자의 방향으로 움직이며 각자의 힘을 가집니다. 이와 같이 회전 방향으로 미는 힘을 토크라고 하는데, 다른 방향으로 장착된 3개 이상의 휠에서 토크가 합쳐져서 임의의 새로운 회전축이 생겨납니다. 3개 중 오른쪽 바퀴의 속도를 높이면 오른쪽 토크가 강해질 것입니다. 이 바퀴의 속도를 낮추면 반대가 됩니다. 이 속도를 가지고 방향을 잡아 제어합니다. 힘이 부족할 수도 있어요 커버하려고 하는 만큼 돌아가지 않으면 자세를 유지할 수 없을 것입니다. 큰 위성은 더 큰 휠, 더 많은 휠을 달아야 합니다. 얼마 전 정지 궤도에 오른 천리안 2B호가 5개의 반작용 휠을 사용했습니다. 인공위성은 이런 방식으로 쉬지 않고 원래 자세를 제어합니다.
최근 정지궤도에 오른 천리안 2B호의 발사 전 준비 장면과 내부에 장착된 반작용 휠 <사진제공=한국항공우주연구원>
휠은 아무리 인공위성이라도 하단에 설치하는 것이 딱 맞는 것 같은데요. 아무데나 붙여도 상관없다고 하네요. 심지어 위성 안에서도 밖에서도 괜찮다고 합니다. 물론 주로 본체 안쪽에 적절히 배치합니다. 이유는 먼저 운동원리를 떠올리면 이해가 돼요. 반작용 휠은 3차원 공간에서 스스로 회전운동만 합니다. 자동차처럼 지면의 마찰력을 이용하는 것이 아니라 스스로 회전력을 가지고 있기 때문에 어디에서나 원하는 방향으로 힘을 만들어 낼 수 있습니다. 물론, 반작용 휠의 떨림에 의한 영상 품질의 영향을 분석해 최적인 위치를 선정하는 것이 가장 효율적일 것입니다.
인공위성의 수명을 연장하는 반작용 휠 반작용 휠은 인공위성의 연료를 절약하는 효자 노릇을 합니다. 아마 인공위성의 모든 기동을 추력기로 하면 초기 인공위성처럼 수명이 1년을 넘지 않을지도 모릅니다. 자세를 잡는 또 다른 부품인 추력기는 위성이 실은 연료가 있을 때만 의미가 있습니다. 발사 후 정확한 궤도 조정을 할 때 가장 많은 연료를 소모하면서 추력기를 사용합니다. 역시 움직이고자 하는 반대 방향으로 로켓처럼 가스를 내뿜어 운동을 만드는 방식입니다. 이 밖에도 큰 위성일수록 휠만으로 커버할 수 있는 운동량에 제한이 있어 일정 기간마다 추력기로 반작용 휠의 운동량을 조정해야 합니다.(천리안 위성은 하루에 한두 번 실시하고 아리랑 위성은 추력기 대신 자기장 토커라는 장치로 반작용 휠 운동량을 임무가 없는 시간에 수시로 조정하고 있다.)
반면 반작용 휠은 우주의 청정에너지만으로 구동됩니다. 항상 태양을 바라보도록 설계된 태양 전지판을 통해 전력을 저장하고, 그렇게 저장된 에너지를 이용해 휠을 끊임없이 돌립니다. 보통 30~35cm의 큰 바퀴 4개를 빠르면 1분에 6,000번까지 쉬지 않고 도는 에너지를 무료로 얻습니다. 따라서 큰 기동이 아니면 대부분 휠을 이용하여 자세 제어를 하는 것이 위성 수명을 연장시키는 기술입니다.
반작용 휠의 대안으로 떠오르는 CMG. 반작용 휠이 속도를 변경하여 자세 제어를 하는 반면 CMG는 각 휠의 방향을 바꾸어 자세를 제어할 수 있다. <사진출처=gyroscope.com>
반작용 휠의 약점이라면 순간적으로 큰 힘을 내는 것은 무리가 있다는 것입니다만. 이를 보완하기 위한 시도도 이루어지고 있습니다. 정지궤도위성의 경우 큰 기동은 필요 없지만 특정 지역의 촬영을 수시로 해야 하는 저궤도위성은 매우 빠르게 자세를 바꿔야 할 때가 많습니다. 이 때 장착할 수 있는 것이 CMG(Control Moment Gyro, 제어 모먼트 자이로)라고 하는 부품입니다. 이름 그대로라면 순간적으로 회전을 제어한다는 뜻입니다. 돌고 있는 휠의 회전축을 흔들면 직각으로 토크가 발행됩니다.
팽이를 떠올려볼까요? 팽이가 돌다가 회전이 줄어들면 넘어져요. 이 때 팽이는 쓰러지는 방향으로 수직으로 쓰러지지 않도록 하는 힘이 발생합니다. 팽이가 바로 넘어지지 않고 흔들리면서 잠시 회전 운동을 계속하는 현상을 볼 수 있습니다. 이처럼 팽이의 회전축이 중력에 의해 쓰러질 때 저항하는 새로운 힘(토크)이 발생하는데, 이 힘을 내는 쪽에 CMG를 붙여주면 빠른 기동이 가능하다는 원리입니다. 반작용 휠에 비해 CMG로 생성되는 토크는 상대적으로 매우 큰 값을 얻을 수 있다고 합니다. 곧 한국의 아리랑위성 7호가 우주로 올라가면 CMG를 탑재해 발사할 수 있는 국내 최초의 위성이 됩니다. 위성도 돌고 바퀴도 돌고 임무 중 쉬지 않고 지구를 바라보는 인공위성에 다시 한번 안부를 전한다!
기획제작 : 항공우주 에디터 이종원 감수 : 위성 기술 연구부 박영은 박사
