ᅡᆼ 通信ᅥᆸ 상용 통신 위성 제작 과정
▣ 주제가 있는 인공위성 이야기 – (10)
(그림1) 보잉사 공장 내부, 태양전지판 시험장면(출처-http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/hsc_pressreleases/photogallery/jcsat8
오늘은 무궁화위성과 같은 상업용 통신위성을 만드는 과정에 대해 알아보겠습니다. 인공위성을 만드는 과정은 크게 설계, 제작, 시험, 발사, 운용 순으로 이루어집니다.
다른 모든 물건이 그렇듯이 인공위성을 만들 때 가장 먼저 해야 할 일은 어디에 어떻게 사용할지를 결정하는 것입니다. 어떤 도구든 어떤 목적을 위해 그것을 만들 것인가가 가장 먼저 결정되어야 그 물건의 모양과 크기, 재질 등이 결정됩니다. 인공위성 역시 먼저 용도를 정해야 합니다. 오늘은 상업용 통신 위성에 대해 이야기하기로 했기 때문에 위성의 목적은 정지 궤도에 올리는 통신 위성이라고 합니다.
그다음에 통신위성이라는 건 알겠는데 무슨 통신에 쓰일지를 정해야겠죠? 국제전화서비스용인지,인터넷서비스용인지,위성TV용인지,또는국제간방송중계용인지를먼저정해야합니다. 최근에는 멀티미디어 시대답게 새로운 서비스용 위성이 속속 등장하고 있습니다.
위성 라디오 서비스용 위성도 있고, 얼마 전 발사된 DMB 위성처럼 휴대전화에 TV 신호를 보내 주는 위성도 있습니다. 최근 다시 각광받고 있는 무선호출기를 위해 기지국 대신 우주에서 무선호출기를 향해 전파를 발사하는 통신위성도 있습니다.
다음으로 이 위성이 사용하는 주파수 대역과 궤도 위치를 확보하는 것입니다. 정지궤도 위성이 아니라면 이 부분은 그다지 중요한 것은 아니지만 정지궤도 위성을 개발할 때는 설계에 착수하기 전에 반드시 결정되어야 하는 것입니다. 왜냐하면 정지 궤도는 위성을 올릴 수 있는 장소가 한정되어 있기 때문입니다.
인공위성에서 사용하는 주파수 대역은 주로 1기가헤르츠에서 30기가헤르츠 사이 곳곳에 흩어져 있습니다. 텔레비전의 주파수 대역을 VHF 혹은 UHF라고 부르듯이 인공위성에서도 그 나누어진 복수의 주파수 대역을 L-대역, S-대역, C-대역, Ku-대역, Ka-대역, X-대역 등의 이름으로 부르고 있습니다. 예를 들어 무궁화 위성 1호는 Ku-대역을 사용하는 위성이고, 무궁화 위성 3호는 Ku-대역과 Ka-대역을 모두 사용하는 위성입니다.
그리고 정지궤도가 지구의 적도 상공, 고도 35,800킬로미터에 있는 원형궤도이기 때문에 인공위성을 올릴 수 있는 장소는 360도 원궤도에 한정되어 있습니다. 유엔(UN)의 부속기관인 국제통신연합(ITU: International Telecommunication Union)에서는 위성 간의 혼신을 방지하기 위해 정지궤도 위성 간의 간격을 2도씩 띄울 것을 권장합니다. ITU의 권장 사항에 따르면 정지 궤도에는 총 180개의 위성만 올릴 수 있습니다.
그렇다면 그보다 더 많은 위성은 어떻게 하는가? 같은 위치에 위성이 2개라도 다른 주파수 대역을 사용하면 2개의 위성을 동시에 운용할 수 있습니다. 물론 주파수 대역만 다르면 3개 이상도 가능합니다. 이것을 콜로케이션 운용이라고 합니다.
이러한 방법으로 180 이상의 정지 궤도 위성 운용이 가능합니다. 실제로 2004년 7월 현재 운용 중인 정지궤도 위성은 모두 330개에 이르고 있습니다. 웹사이트 http://celestrak.com에 접속하면 현재 운영 중인 정지궤도 위성 목록을 볼 수 있습니다.
이와 같이 정지궤도 위성의 위치와 사용 주파수에 대한 국가 간의 권리를 조정하는 일은 ITU에서 담당하게 되어 있습니다. ITU 조정안이 법적인 강제성을 가지고 있는 것은 아니지만 대체로 모든 국가가 이를 따르고 있습니다.
사용할 주파수와 궤도 위치가 정해지면 인공위성 제작사에 위성 제작을 의뢰합니다. 상업용 정지궤도 위성을 만드는 회사는 세계적으로 약 10개가 있는데, 그 중 한 곳을 골라 위성 제작을 의뢰합니다.
참고로 현재 상업용 정지궤도 통신위성을 제작하고 있는 회사로는 미국의 보잉, 로랄, 록히드마틴, 오비탈, 유럽의 다국적 기업 아스토륨, 프랑스의 알카텔, 이탈리아의 알레니아 스파지오, 이스라엘의 IAI, 일본의 미쓰비시전자가 있습니다. 러시아와 인도에도 정지 궤도 위성을 만드는 곳이 있지만 아직 상업적인 판매는 한 적이 없는 것으로 되어 있습니다.
위성 제작사에서는 의뢰를 받으면 가장 먼저 고객이 원하는 위성의 성능이 어떤 것인지 파악하는 것부터 시작합니다. 이때 고객이 원하는 위성의 성능은 대체로 크게 두 가지로 귀착됩니다. 첫째, 일정 수준 이상의 좋은 품질의 통신 서비스 성능을 발휘할 수 있어야 하고, 둘째, 그러한 성능이 일정 기간 이상 지속되도록 보장할 수 있어야 합니다.
목표로 한 성능을 가진 위성을 만들기 위해 각 서브시스템별 설계에 들어갑니다. 여기서 서브시스템이란 위성을 구성하는 여러 파트를 말합니다. 자동차를 만드는 부서가 엔진, 전기장치, 금형, 도색, 컴퓨터 등 각 전문 분야별로 나뉘어 있듯이 위성을 개발하는 회사도 여러 전문 파트로 나뉘어 있습니다.
그 구성을 보면 대략 6개의 전문 분야로 나뉩니다. 먼저 본체와 태양전지패널 구조물을 설계하는 구조계가 있고 위성 전체에서 발생하는 열의 흐름을 조절하는 열제어계, 전기공급을 담당하는 전력계, 통신장치를 담당하는 원격측정명령계, 연료탱크와 추력기를 담당하는 추진계, 그리고 위성의 자세제어를 담당하는 자세제어계가 있습니다.
이 각각의 전문 분야를 서브시스템이라고 하는데, 각 서브시스템의 전문가가 각각의 담당 부분에서 고객의 요구에 맞게 설계하게 됩니다.
상업위성과 비상업위성 제작 과정에서 가장 다른 점은 대부분의 상업위성은 기본 모델이 있다는 점입니다. 자동차회사에서 하나의 트럭모델로 밴도 만들고 구급차도 만들고 냉동차도 만드는 것처럼 인공위성회사에서도 몇 가지 기본모델을 준비하고 있고 고객님의 의뢰가 오면 적당한 모델을 골라서 요구조건에 맞게 수정을 해서 제작에 들어간다는 겁니다.
각 서브시스템의 설계가 끝나면 그것을 모아 위성체 전체를 설계하게 됩니다. 이때는 각 서브시스템에서 설계한 것이 다른 서브시스템과 잘 맞느냐가 관건입니다. 만약 전체 위성 시스템이 원활하게 연결되지 않으면 재설계하게 됩니다.
시스템 전체의 설계가 끝나면 처음으로 실제 제작에 들어갑니다. 작은 부품을 모아 부분품을 만들고 부분품을 조립하여 더 큰 부분품을 만듭니다. 그런 부분들을 모아서 위성 시스템 전체가 만들어지는 거죠. 마치 로봇 장난감을 만드는 것과 같습니다.
손가락 부품을 모아서 손을 만들고, 손목과 팔을 붙여서 팔을 만들고, 다리를 만들고, 나중에 몸통에 묶어 전체를 완성하는 것과 같습니다. 위성 제작도 본체별, 태양전지 패널별, 안테나별로 만들어 본체에 한꺼번에 붙이게 되는 것입니다.
(그림2) 록히드마틴사의 A2100 위성 모델 (출처 – http://www.lmcommercialspace.com/pay/capabilities.htm)
또 각 부분품을 만들 때마다 제대로 만들어졌는지 반드시 시험 과정을 거쳐야 합니다. 시험은 훗날 위성 전체를 대상으로 하는 것도 물론 있지만 작은 부품 단계에서 한 단계씩 조립이 끝날 때마다 거치는 시험이 별도로 준비되어 있습니다.
아무리 확인과 시험을 거듭해도 지나치지 않은 것이 인공위성 제작입니다. 정지궤도 인공위성은 한 번 발사되면 수리가 불가능하기 때문에 고장이 나지 않도록 하는 것이 가장 큰 목표인 것입니다.
인공위성을 만드는 사람들이 많이 쓰는 말 중에 헤리티지(heritage)라는 말이 있습니다. 사전적인 의미는 ‘유산, 상속, 전통’이라는 뜻인데 위성 제작자에게는 ‘이전 모델에 장착돼 우주에서 아무 문제 없이 작동한 부품’이라는 의미로 쓰입니다.
인공위성 설계에 있어서는 ‘첨단기술’보다는 ‘확실한 작동’이 우선되기 때문에 ‘헤리티지’가 있는 부품은 최대한 그것을 활용하게 됩니다. 기본 모델은 그 자체가 ‘헤리티지’이기 때문에 대부분의 상업위성은 결과적으로 각사별로 비슷한 형태를 갖게 됩니다.
(그림3) 로랄사의 같은 기본 모델로 제작된 4종의 위성. 상단 왼쪽부터 시계방향으로 MB샛, 에코스타, 팬암샛, 인텔샛 시리즈 5 (출처-http://www.ssloral.com/html/products/programsfss.html)
위성 시스템 전체가 완성되면 이것으로 시험 단계에 들어갑니다. 시험은 크게 기능시험과 환경시험이 있습니다. 기능시험이란 위성체내의 전자장치가 지상관제소에서 보내는 원격명령에 따라 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 각 장치에 명령을 보내 그 결과를 확인하는 시험입니다. 환경시험이란 예를 들면 발사할 때 위성이 받는 갑작스런 충격이라든가 진동, 소음, 우주에서의 방사선, 진공, 일교차 등의 열악한 환경 속에서도 위성이 정상적으로 작동하는지 확인하는 시험입니다.
보통 위성에 충격을 준 후에 몇 가지 기능을 시험하고 다시 진동을 가한 후에 다른 기능 시험을 실시하는 식으로 기능 시험과 환경 시험을 번갈아 실시하게 됩니다. 환경시험을 하려면 위성에 직접 충격을 주거나 진동을 가해야 하기 때문에 특수하게 제작된 진동장치 위에 위성을 올려놓고 여러 방향으로 흔듭니다.
진동시험 외에 열진공환경시험이라는 것이 있는데, 이는 위성을 열진공챔버라고 부르는 밀폐된 큰 상자에 넣고 공기를 빼 진공상태를 만든 뒤 우주처럼 24시간 주기로 가열과 냉각을 반복하면서 기능이 제대로 작동하는지 확인하는 과정입니다.
우주는 진공 상태이기 때문에 대류에 의한 열전달이 일어나지 않습니다. 그래서 한 위성 내에서도 햇빛을 받는 쪽은 섭씨 150도, 그림자가 드리운 쪽은 영하 100도 정도로 극단적인 온도차를 보이게 됩니다.
(그림4) 로랄사의 열진공 챔버 (출처-http://www.ssloral.com/html/aboutssl/thermalvac.html)
그리고 음향시험이라는 게